книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы

напряжение на нагрузке £/вых. Так же, как для харак­ теристики управления, имеем два семейства кривых для

Характеристика возмущения позволяет оценить влия­ ние конкретного возмущения на регулируемую вели­ чину. Поэтому такую характеристику желательно иметь для каждого вида возмущения.

Г Л А В А В Т О Р А Я

ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДЕЙСТВИИ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЯМ,

АНАЛИЗ ИХ ВЛИЯНИЯ НА РАБОТУ ПСН И МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЭТОГО ВЛИЯНИЯ

4. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДЕЙСТВИЙ

Группа воздействий по электрическим соединениям включает в себя все воздействия, проходящие в ПСН по электрическим соединениям^и действующие внутри ПСН также по электрическим соединениям. Воздействия этой группы обусловлены различными причинами.

Возмущающие воздействия могут явиться следствием протекания различных физических* процессов во внеш­ ней системе или внутри самого ПСН. Например, коле­ бания питающих напряжений, подаваемых в ПСН извне, изменение тока нагрузки ПСН, электромагнитные по­ мехи, наводимые во внешней системе и проникающие в ПСН по электрическим соединениям, переходные про­ цессы при включении и^ выключении цепей питания ПСН или импульсного изменения нагрузки и др. Часто носителями' возмущений являются регулирующие воз­ действия в ПСН. Так, задающее воздействие, промодулированное пульсирующим напряжением, проникающим через цепь запуска ПСН, определяет появление на вы­ ходе ПСН переменной составляющей этого напряжения.

Возмущения, действующие по электрическим соеди­ нениям, могут носить характер медленных или быстрых изменений. Длительные, медленно меняющиеся возму­ щения, являются следствием медленно протекающих процессов, таких, как старение, изменение от темпера­ туры, изменения напряжения сети, питающей систему.

30

Быстро меняющиеся кратковременные возмущения яв­ ляются, например, следствием протекания переходных процессов при включении и выключении цепей питания или при запуске ПСН, а также при работе ПСН на им­ пульсную нагрузку. Характер реактивности элементов ПСН будет главным фактором, определяющим величину напряжения, которое появится на выходе. Особенно сильное влияние оказывают на ПСН электромагнитные помехи, которые занимают частотный спектр от нуля до десятков мегагерц и выше.

Возмущения характеризуются не только родом фи­ зических величин (напряжения и токи), а также диапа­ зоном возможных изменений, точкой приложения воз­ мущений, временем действия и др.

При проектировании ПСН в каждом конкретном слу­ чае нужно определить вид возмущения (напряжение, ток, сопротивление) и максимальную величину возмож­ ных изменений, время действия возмущения или его спектральную характеристику, количество возмущений одного вида, действующих на ПСН и место приложения возмущения.

Время действия возмущений может быть различным, от многих часов до долей микросекунды, т. е. возмуще­ ния практически занимают частотный спектр от 0 до де­ сятков мегагерц.

Вопрос оценки количества возмущений одногсГвида, действующих на ПСН, и мест приложения этих возму­ щений требует более детального рассмотрения. Для этого возьмем структурную схему ПСН (рис. 13), ана­ логичную рис. 4, но при этом один из элементов струк­ турной схемы, например УПУ, разобьем на отдельные звенья (каскады УПУ), на которые действуют возмуще­

вида, действующие на каскады УПУ; Ki, К 3, К 3 — ко­ эффициенты передачи каскадов УПУ по регулирую­ щему воздействию; K ie , К ъе>К зе — коэффициенты пе­ редачи каскадов УПУ по возмущающему воздействию.

Если коэффициенты передачи K lt К 2, К 3, К 1Е, K iE> К зе постоянны во всем диапазоне возможных изменений возмущения Е, то все возмущения могут быть приведены к одному, приложенному в любую точку основного кон-

31

тура ПСН. Так, если привести все возмущения одного вида к одному, приложенному к выходу УПУ, то полу­

А Д вых = А Д {КзЕ~\~ КзеК34* KieK^Ks)-

Если же возмущения привести к одному возмущению, приложенному на входе УПУ, то будем иметь:

АЕ'вх = АЕ ( «*Е I ^ЗЕ \

\КН<2 ~кгк ж П '

Рис. 13. Структурная схема ПСН при воздействии изменения напряжения питания

Таким образом, несколько воздействий могут быть приведены к одному возмущению, приложенному в оп­ ределенной точке контура.

Для примера рассмотрим влияние изменения напря­ жения питания Дп на выходное напряжение микросхемы

1УТ 401.

На рис. 14 приведена эквивалентная схема микро­ схемы 1УТ 401 с учетом возможного изменения напря­ жения питания. Обозначения на этой схеме соответст­ вуют приведенным в § 3.

В соответствии с эквивалентной схемой выражение для коэффициента усиления разомкнутой микросхемы А

сучетом его линейной зависимости от Еп можно записать

ввиде:

Л= Л 0+ (Д П—Е 0) |А.

Тогда эквивалентный генератор э. д. с., создающий выходное напряжение, будет иметь э. д. с.

Аве= А о~{- (Дп До)

32

Продифференцировав выражение (13) по Ею получим

т. е. коэффициент передачи пропорционален величине входного сигнала. Более удобно иметь коэффициент пе­ редачи, не зависящий от входного сигнала. Такой отно­ сительный коэффициент передачи

где <5ВЫХ— изменение выходного напряжения в процен­ тах по отношению к £/вых; 6П— изменение напряжения питания в процентах по отношению к напряжению пи­ тания Еп:

Подставив в формулу (15) выражения (16) и с уче­ том (13) и (14), после преобразований получим:

Из формулы (17) видно, что относительный коэффи­ циент передачи не зависит от входного сигнала и ме­ няется в небольших пределах только при изменении на­ пряжения питания.

Ниже приведены Кп для двух типов микросхем 1УТ 401 и 1УТ 402, выпускаемых отечественной про­ мышленностью:

5. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ЗВЕНЬЕВ ПСН И ИЗМЕНЕНИЯ НАГРУЗКИ. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ИХ ВЛИЯНИЯ

Влияние возмущений, действующих по цепям, под­ водимым к ПСН, можно исследовать, рассмотрев струк­ турную схему основного контура ПСН (рис. 15), где обо­

значено: Ki, Кг, Кг, Кг, Кг, К\, Къ — коэффициенты передачи звеньев ПСН по регулирующему, задающему

и эталонному воздействиям; Kz, Kzi, Kzi, Кгз> Kzt,

34

Кгь — коэффициенты передачи звеньев ПСН по возму­ щающим воздействиям Z, Z lt Z2, Z3, Z4, Z5.

Приведем воздействие Z lt приложенное к ИПУ и действующее на ИПУ по цепи питания, к выходу УПУ:

z \ = z xKz ,K\K,.

Рис. 15. Структурная схема ПСН при воздействии возмущений на его звенья

Аналогичным образом найдем коэффициенты пере­ дачи возмущений Kz, Kz2, Kzz, Kz4 и Кгь-

(20)

(21)

(22)

(23)

к Х1/\ж2'\4жА,б

Наиболее сильное влияние оказывают возмущения, приложенные к ИПУ, ИЭС, ЗУ и ПУЭС\ затем сущест­ венно влияет возмущение, приложенное к УПУ, и ме­ нее всего влияет возмущение, приложенное к РЭ (рис. 15). Отсюда вытекает, что особое внимание при проектиро­ вании ПСН необходимо уделять возмущениям, дейст­ вующим на ИПУ, ЗУ, ПУЭС и ИЭС. В качестве таких возмущений могут быть колебания напряжения и тем­ пературы, шумы, электрические помехи и др. Следова­ тельно, напряжения, питающие эти звенья, должны быть высокостабильными. Менее жесткие требования предъяв­ ляются к напряжению, питающему УПУ, напряжение на РЭ подают нестабилизированное.

Принятый в литературе коэффициент стабилизации стабилизатора для любого из рассмотренных возмуще­ ний можно записать в виде:

Исследуем влияние изменения нагрузки на выходное напряжение ПСН. При разомкнутой цепи обратной связи для выходного напряжения ПСН

AUBax = ALR.

ВЫХ Н1'*ВЫХ. Р*

Если теперь замкнуть основной контур ПСН, то можно считать, что в контуре ПСН действует возмуще­ ние, равное А£/вых и приложенное к выходу РЭ. Тогда можно записать:

(24)

36

Левую часть выражения (24) принято называть вы­ ходным сопротивлением стабилизатора и обозначать i?BbixИз этого выражения следует, что замкнутый кон­ тур регулирующих воздействий позволяет существенно снизить выходное сопротивление ПСН. Очевидно, что возмущающим воздействием при изменении нагрузки является ток. Максимальная амплитуда возможных из­ менений должна быть определена в каждом конкретном случае отдельно. Принято, что максимальный ток на­ грузки ПСН является и номинальным, в связи с чем из­ менение нагрузки не может превысить 100%. Время действия возмущения может, так же, как и для возму­ щений по цепям питания, лежать в широких пределах— от десятков часов до .микросекунд. Оно определяется условиями работы системы, в которую входит ПСН, т. е. нагрузка ПСН в системе может быть медленно ме­ няющейся или импульсной. Очевидно, что рассмотрен­ ное возмущение приложено к выходу регулирующего элемента, а выходное сопротивление ПСН для медленно меняющегося изменения нагрузки отличается от выход­ ного сопротивления для импульсного изменения.

Структурные схемы, иллюстрирующие методы умень­ шения влияния возмущений, действующих по цепям питающих напряжений, и возмущения от изменения нагрузки приведены в гл. 1. Одним из самых простых методов является увеличение полного коэффициента усиления основного контура ПСН. Однако увеличение коэффициента усиления контура может уменьшить в за­ метной степени только влияние возмущений, приложен­ ных к РЭ и к УПУ. Кроме того, увеличение коэффици­ ента усиления контура может привести к потере ПСН устойчивости. Для уменьшения влияния возмущений, приложенных к ИПУ, ИЭС, ПУЭС и ЗУ, необходимо применить либо дополнительный контур регулирования температуры ДКРТ, либо предварительную стабилиза­ цию с помощью параметрического стабилизатора и то­ кового двухполюсника, либо применить регулирование по возмущению, т. е. компенсацию.

Схемные решения, их различные варианты, соответст­ вующие этим структурным схемам, рассмотрены в [12, 14, 22].

37

6. ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ПСН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ. МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ

Сильное влияние на работу ПСН оказывают электро­ магнитные помехи, которые наводятся как непосредст­ венно на ПСН, так и на электрические проводники от ПСН, проложенные в системе.

Взаимное сопротивление. Взаимным сопротивлением двух цепей называется отношение напряжения в одной разомкнутой цепи к току, протекающему во второй.

Взаимное сопротивление может быть представлено как R, Z, С, взаимная индуктивность М или как комби­ нация этих элементов. Типичным примером взаимного сопротивления служит взаимное сопротивление источ­ ника электропитания, запитывающего разные цепи.

Влияние взаимной индуктивности может быть умень­ шено:

1) минимизацией площади, занимаемой цепью;

2) максимально возможным разделением цепей; 3) ори­ ентацией элементов для минимального взаимодействия между ними; 4) ограничением рабочей частоты или уве­ личением длительности импульсов тока в цепях; 5) ис­ пользованием экранирования и переплетения проводов.

Взаимная проводимость. Взаимной проводимостью двух цепей называется отношение величины тока ко­ роткого замыкания, индуцированного в одной цепи, к величине индуцирующего напряжения в другой цепи.

Здесь также взаимными элементами могут быть R, L, С или некоторая комбинация их. Наиболее типичным элементом передачи является взаимная емкость.

Для подавления помех чаще всего применяются RC- и ^ L e -фильтры, устанавливаемые в различных цепях схемы ПСН, что представляет существенную трудность при разработке.

Планировка проводки. Планировка проводки состав­ ляется с целью уменьшения взаимодействия между про­ водами. Для этого надо чувствительные цепи отделять от цепей с шумом на максимально возможные расстоя­ ния; пересечение чувствительных проводов и проводов с шумом осуществлять под прямым углом и на макси­ мально возможном удалении; изолировать провода по­ средством барьера из заземленных и (или) экранирован­

38

ных проводов; силовые провода вести попарно (прямой и обратный), а также их переплетать и экранировать; переплетать и экранировать чувствительные провода; вести провода близко к шасси и другим металлическим предметам, где металл как бы охватывает проводник.

Расположение проводов в местах соединений должно быть продуманным, так как в этих местах нарушается целостность проводки и большинство методов борьбы с помехами оказывается неприменимым из-за конструкции соединения. Однако при минимизации вероятности на­ водок в соединениях могут помочь следующие правила:

1) разносить чувствительные провода и провода с шу­ мом как можно дальше; 2) использовать дополнительные штыри разъемов как экраны, заземляя их. Соединенные и заземленные штыри могут быть использованы как маг­ нитные экраны для высокочастотного переменного тока; 3) объединять провода перед штепсельным разъемом (для уменьшения площади цепи в соединении); 4) экраны должны быть подсоединены к проводам цепи через разъемы; 5) для чувствительных цепей и цепей с шумом выбирать пары штырей в соединении с учетом мини­ мальной взаимной индуктивности.

Метод заземления. Будем пользоваться следующими определениями: силовая цепь — цепь, назначение ко­ торой передавать большие порции энергии постоянного или переменного тока; управляемая силовая цепь — цепь, передающая управляемые большие порции энер­ гии к нагрузке. Например, цепь регулирующего эле­ мента в ПСН.

Чувствительность цепи определяется в зависимости от частоты, типа возмущения или помехи, которые вы­ зывают неустойчивую работу ПСН, элементом которого является цепь.

Средства заземления следует рассматривать отдельно по отношению к каждой конкретной цепи.

Одноточечное заземление (рис. 16, а) означает, что общий провод электрически связан. с «землей» (напри­ мер, корпусом) только в одной точке. Если бы не эта единственная связь с землей, общий провод рассматри­ вался бы как сигнальный. Он изолирован от земли и проходит через все каскады, нуждающиеся в связи.

Многоточечное заземление (рис. 16, б) означает или то, что общий провод цепи связан с землей в нескольких

39