Типы кластеров 6 страница

Рис.11.6. Гальваническая развязка с помощью оптронов

11.4 Передача цифровых сигналов на небольшие расстояния

Наилучшим способом передачи цифровых сигналов на малые и большие расстояния является использование передачи световых сигналов по оптокабелю. Электрический сигнал преобразуется в световой с помощью светодиода или лазера, передаётся по оптокабелю и принимается фотодиодом. При этом естественным образом осуществляется гальваническая развязка и ликвидируется воздействие различного рода электромагнитных помех на длинную линию передачи. Однако в ряде случаев, если имеют место небольшие помехи, используются и более простые решения. Например, на рис.8.7а приведена схема, когда передача сигнала в линию осуществляется выходом с открытым коллектором, а принимается сигнал триггером Шмидта, восстанавливающим фронты сигнала. Для подавления небольшой помехи может быть использован RC фильтр, как это показано на рис.11.7б.

Рис.11.7. Передача сигнала непосредственно с выхода ТТЛ

Более высокую помехоустойчивость можно получить, передавая по витой паре дифференциальный сигнал, который принимает дифференциальный приёмник (рис.8.8).

Рис.11.8. Передача дифференциального сигнала по витой паре

На входе линии связи формируется прямой и инверсный сигналы, которые передаются по ней на дифференциальный приёмник, который воспринимает разность напряжений между входами, которая равна 2U_сигн и не содержит напряжение синфазных помех. В качестве дифференциального приёмника в таком применении наилучшие результаты даёт использование инструментальных усилителей, которые специально разработаны для этого.

Для обеспечения электробезопасности аппаратуры и борьбы с помехами можно использовать гальваническую развязку (рис.11.9).

Рис.11.9. Линия связи с гальванической развязкой

На практике кроме передачи по скрученной паре используют ещё передачу по коаксиальному кабелю (рис.11.10). Особенностью использования коаксиального кабеля является необходимость согласования с его волновым сопротивлением ( резистор 51 Ом на рис.11.10, при волновом сопротивлении кабеля 50 Ом) и специальные формирующие элементы ( например, 8Т23 и 8Т24 ).

Рис.11.10. Приём и передача по 50 – Омному коаксиальному кабелю.

11.5 Контрольные вопросы

1. Принципы сопряжение ТТЛ и КМОП логики.

2. Использование преобразователей уровня.

3. Схема устранения дребезга контактов.

4. Непосредственное управление от типовых логических выходов.

5. Гальваническая развязка с помощью оптронов.

6. Передача сигнала непосредственно с выхода ТТЛ.

7. Передача дифференциального сигнала по витой паре.

8. Линия связи с гальванической развязкой.

9. Приём и передача по 50 – Омному коаксиальному кабелю.

Тема 9. Источники питания. Схемотехника комбинаторных узлов

Лекция 12

Для питания электронных схем выпускается широкий спектр готовых к использованию высокоэффективных источников питания, позволяющий выбрать оптимальное решение.

Среди всего многообразия силовых преобразователей установились следующие обозначения:

– DC/DC – конвертор, преобразовывает постоянный ток в постоянный с целью получить другое напряжение, повышенную стабильность и/или гальваническую развязку одного напряжения от другого,

– AC/DC – источник питания, имеет на входе переменный ток, на выходе – постоянный ток с необходимыми параметрами,

– DC/AC – инвертор, преобразовывает постоянный ток в переменный, используется, например, в источниках резервного питания, где преобразовывает постоянное напряжение от аккумуляторов в переменный ток для питания электроприборов.

Идеальный источник питания должен обеспечивать требуемые значения напряжений питания в условиях изменения в широких пределах

параметров окружающей среды, величины нагрузки и входного напряжения. При этом он должен обладать 100%-ной эффективностью. Реальные же источники имеют нестабильность выходного напряжения и помеховые пульсации.

Стандартная схема построения источника стабильного питания предполагает использование отрицательной обратной связи для компенсации влияния дестабилизирующих факторов. При этом выходное напряжение источника сравнивается с некоторым постоянным эталонным (опорным) напряжением. Такие стабилизированные источники питания относятся к классу компенсационных. Регулирующим элементом стабилизаторов напряжения является биполярный или полевой транзистор. Если этот транзистор всё время работает в активном режиме, то схему называют линейным ( непрерывным) стабилизатором напряжения (ЛСН), а если регулирующий транзистор работает в ключевом режиме – импульсным (ИСН). Соответственно используемым стабилизаторам источники питания называются линейными и импульсными.

В таблице 12.1 приведены типовые сравнительные характеристики линейных и импульсных источников питания. Стабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, а эффективность – у импульсных. Поэтому в импульсных источниках питания часто используют дополнительные линейные стабилизаторы, улучшающие параметры выходного напряжения.

Таблица 12.1. Сравнение импульсных и линейных источников питания

Кроме этого, необходимо отметить, что импульсные источники питания имеют более широкий диапазон допустимых напряжений на входе. Для линейных он обычно не превышает 10% от номинального значения и напрямую связан с КПД ( коэффициентом полезного действия). У импульсных источников изменение величины входного напряжения сказывается на КПД незначительно, что позволяет работать при сильных изменениях напряжения сети (до 40%).

12.1. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения

Линейные стабилизаторы напряжения включают в себя силовые регуляторы и более-менее сложную маломощную схему управления.

Принципиальная трудность создания интегральных стабилизаторов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность, вызывая локальный нагрев кристалла. Это резко ухудшает стабильность параметров схемы управления, в состав которой входит источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель ошибки, цепи защиты от перегрузок по току и короткого замыкания нагрузки, от перегрева кристалла и других аварийных или нештатных режимов.

В упрощённом виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на рис.12.1. Схема состоит из операционного усилителя в неинвертирующем включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения V_REF и регулирующего транзистора VT₁ , включённого последовательно с нагрузкой.

Рис.12.1. Базовая схема линейного стабилизатора напряжения

Выходное напряжение V_OUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной святи, выполненной на резистивном делителе R₁R₂. ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напряжением V_REF , задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выходным напряжением делителя R₁R₂.

ΔV = V_REF – V_OUT ( R₁/( R₁ + R₂))

Схема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинам ( например, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируемого напряжения) выходное напряжение стабилизатора V_OUT уменьшилось. При этом на входе ОУ появилась ошибка ΔV > 0. Выходное напряжение усилителя возрастёт, что приведёт к увеличению тока базы, а, следовательно, и токаэмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное напряжение возрастёт практически до первоначального уровня.

В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее с дифференциальным входным напряжением ОУ, близко к нулю. Отсюда следует, что

V_OUT = V_REF ( 1 + R₂/ R₁)

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегулируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного. Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными. Однако для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования напряжения другой полярности для питания ОУ можно отказаться. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения V_IN , благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

Описанная схема предназначена, в основном, для стабилизации положительных напряжений относительно общей точки схемы. Для стабилизации отрицательных напряжений может быть использована эта же схема, если использовать гальванически изолированное от общей точки входное напряжение. В этом случае выходной вывод стабилизатора соединяется с общей точкой, а минусовым выводом схемы является точка соединения минусового вывода источника входного напряжения и общей точки стабилизатора.

Для случаев, когда требуется два симметричных относительно общей точки стабилизированных напряжения ( например, ±15 В для питания операционных усилителей) выпускаются интегральные микросхемы, содержащие два стабилизатора – на положительное и отрицательное напряжение, например, NE5554. Упрощённая схема внутренней структуры такого стабилизатора приведена на рис.12.2а, а типовая схема его включения – на рис.12.2б.

Рис.12.2. Стабилизатор двух разнополярных напряжений : а) принципиальная схема, б) типовая схема включения

В схемах, питающихся от батареек и аккумуляторов, желательно иметь минимальное падение напряжения на стабилизаторе. При использовании биполярных транзисторов в качестве регулирующих элементоа минимальное падение напрчжения, необходимое для нормальной работы составляет около 3 В.

Существенного уменьшения минимально допустимого падения напряжения на стабилизаторе можно достич за счёт применения в качестве силового регулятора МОП-транзистора, включённого по схеме с общим истоком. Упрощённая схема такого стабилизатора приведена на рис.12.3. Для стабилизации положительных напряжений используется транзистор с p-каналом, работающий в режиме обогащения.

Рис.12.3. Стабилизатор напряжения с регулирующим МОП-транзистором

Схема работает следующим образом. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение также уменьшается, и на выходе усилителя появится ошибка ΔV<0. Выходное напряжение усилителя будет снижаться, уменьшая напряжение на затворе регулирующего МОП-транзистора. Поскольку это p-канальный транзистор, то уменьшение напряжения на его затворе вызовет увеличение тока стока и выходное напряжение увеличится до прежнего значения.

Большое достоинство стабилизаторов с регулирующим МОП-транзистором – независимость тока потребления ( тока общего вывода) от тока нагрузки. Это связано с тем, что МОП-транзистор управляется напряжением, а ток его затвора ( а следовательно и выходной ток чсилителя) совершенно ничтожен по сравнению с током нагрузки.

Другое достоинство – падение напряжения на регулирующем элементе может быть снижено до очень малых величин, недостижимых для биполярных транзисторов. Например, двухканальный стабилизатор напряжения MAX8865 имеет минимально допустимое падение напряжения 55 мВ при токе нагрузки 50 мА и всего 1 мВ при токе нагрузки 1 мА.

Далее рассмотрим возможные схемы включения линейных стабилизаторов на примере трёхвыводного стабилизатора напряжения КР142ЕН5А. Он рассчитан на фиксированное напряжение 5 В, допустимый выходной ток 1А, есть внутренняя термозащита, защита выходного транзистора и внутреннее ограничение тока короткого замыкания.

На рис.12.4 Приведена типовая схема включения. Конденсаторы С₁ и С₂ включены для повышения устойчивости.

Рис.12.4. Типовая схема включения

При необходимости увеличения фиксированного значения стабилизации можно включить в цепь общего вывода стабилизатора стабилитрон и увеличить напряжение стабилизации на величину V_CF (рис.12.5).

Рис.12.5. Увеличение фиксированного напряжения стабилизации

Увеличить напряжение стабилизации и сделать его регулируемым можно, если на общий вывод подать напряжение с делителя через неинвертирующий повторитель на ОУ (рис.12.6).

Рис.12.6. Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив дополнительный мощный транзистор, как показано на рис.12.7.

Рис.12.7. Схемы повышения максимального выходного тока с включением дополнительного мощного транзистора: а) с общим эммитером, б) с общим коллектором

Недостаток такой схемы состоит в том, что встроенные схемы ограничения тока и защиты выходного транзистора самого стабилизатора не зависят от тока нагрузки и фактически не используются по прямому назначению. Но за счёт небольшого усложнения можно обеспечить защиту от короткого замыкания на выходе (рис.12.8).

Рис.12.8. Стабилизатор с повышенным выходным током и защитой от короткого замыкания

Схема источника стабильного тока, построенного на базе стабилизатора напряжения, приведена на рис.12.9.

Рис.12.9. Схема источника стабильного тока

Сопротивление резистора R определяется выражением

R = ( V_{OUT NOM}/ I_OUT )

На резисторе R падает напряжение, равное номинальному выходному напряжению стабилизатора. Поэтому в такой схеме желательно использование стабилизатора, рассчитанного на малое напряжение стабилизации.

При отсутствии в наличии готового двухполярного стабилизатора можно его построить на основе однополярного (рис.12.10).

Рис.12.10. Схема двухполярного стабилизатора

Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ₁ нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя должен быть равен нулю. При работе ОУ в линейном режиме и равенстве сопротивлений резисторов в делителе это может быть только в случае равенства по абсолютной величине разнополярных напряжений на выходе схемы.

12.2 Импульсные стабилизаторы напряжения

Принцип действия непрерывных ( линейных) стабилизаторов напряжения с последовательным регулирующим элементом состоит в том, что при изменении входного напряжения и/или тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора ( напряжение на нагрузке) поддерживается постоянным за счёт изменения падения напряжения на регулирующем элементе. Разность между входным и выходным напряжениями падает на мощном регулирующем транзисторе и, в зависимости от схемы его включения и диапазона изменения входного напряжения может достигать нескольких вольт. Как следствие, при протекании тока нагрузки на этом транзисторе рассеивается довольно большая мощность. Это предопределяет относительно невысокий коэффициент полезного действия (КПД) линейного стабилизатора, который в случае низких напряжений стабилизации может падать ниже 50%.

Существенно больших значений КПД можно достичь, если вместо непрерывного регулирующего элемента между входным напряжением и нагрузкой включить импульсный коммутатор ( ключ), который циклически

(с определённым периодом повторения Т) переключается из разомкнутого (закрытого) состояния в замкнутое ( открытое ) и обратно. В этом случае среднее значение выходного напряжения на нагрузке будет определяться отношением длительности t_OPEN его открытого состояния к периоду повторения. Таким образом, меняя относительную длительность открытого состояния ключа, можно в широких пределах регулировать среднее напряжение на нагрузке. Если между коммутатором и нашрузкой включить соответствующий фильтр нижних частот, можно сгладить пульсации напряжения на нагрузке до необходимой величины.

При малом сопротивлении ключа в открытом состоянии ( в идеале оно может быть близко к нулевому), потери мощности на таком регулирующем элементе весьма малы, и на практике КПД может достигать 95% и более.

Источники питания с коммутаторами называются импульсными источниками питания, а если они осуществляют стабилизацию выходного напряжения, то импульсными стабилизаторами напряжения. По сравнению с непрерывными стабилизаторами напряжения импульсные источники обладают не только существенно более высоким КПД, но дополнительно позволяют получить:

– выходное напряжение больше входного,

– выходное напряжение обратной полярности по отноршению к входному,

– стабилизацию выходного напряжения при широком ( более 50%) диапазоне изменения входного,

– при выходной мощности в десятки и более ватт – существенно меньшие массу и габариты.

Недостатками импульсных источников являются:

– импульсный характер напряжений и токов в схеме, что обуславливает интенсивные помехи в нагрузке, в первичном источнике питания и в окружающем пространстве и требует применения сложных сглаживающих фильтров, тщательного экранирования и детальной проработки конструкции,

– определённые сложности с обеспечением устойчивости импульсных устройств с обратной связью,

– относительно большая ( по сравнению с непрерывными устройствами) длительность переходных процессов.

Классификация импульсных источников питания приведена на рис.12.11.

Рис.12.11. Классификация импульсных источников питания

Импульсные источники питания отличаются большим многообразием принципов построения и схемных решений. Они разделяются на две большие группы: с промежуточным накоплением энергии и без промежуточного накопления энергии.

Для импульсных источников питания с промежуточными накопителями характерна работа в два такта, в одном из которых происходит накопление энергии в индуктивной катушке ( дросселе) или конденсаторе, а во втором – передача энергии в нагрузку. Изготовить индуктивную катушку или конденсатор сравнительно большой ёмкости методами интегральной технологии не удаётся, поэтому все импульсные интегральные источники питания имеют внешние компоненты.

На рис.12.12 приведена схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения (ИСН). Транзистор переключается от полностью открытого в полностью закрытое состояние с частотой в десятки, сотни килогерц или даже единицы мегагерц. Когда транзистор открыт, ток от первичного источника энергии через дроссель поступает в нагрузку. При этом ток I_L растёт и, как следствие, происходит накопление энергии в дросселе. Когда транзистор закрыт, ток I_L протекает через диод VD, продолжая питать нагрузку. При этом ток катушки уменьшается и энергия, накопленная в дросселе в предыдущем такте, расходуется на поддержание напряжения на нагрузке V_OUT. Соотношение открытого и закрытого состояний ключа определяет величину напряжения V_OUT.

Рис.12.12. Схема понижающего ИСН

На рис.12.13 представлена блок-схема устройства управления стабилизатором напряжения.

Рис.12.13. Блок-схема устройства управления

Устройство управления осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным. Если Выходное напряжение уменьшается по сравнению с опорным, то модулятор устройства управления увеличивает отношение времени открытого состояния транзистора t_OPEN к периоду импульсов стабилизатора T, называемое относительной длительностью импульса

γ = t_OPEN/T .

При увеличении ( уменьшении V_OUT ) от номинального значения модулятор уменьшает ( увеличивает) значение γ. В отечественной литературе этот параметр называют также коэффициентом заполнения, а в английском обозначают термином duti cycle ( относительный рабочий интервал).

Принцип действия модулятора определяется законом модуляции. В импульсных стабилизаторах наиболее часто применяют широтно-импульсную или частотно-импульсную модуляции. Если регулируется время открытого состояния, то есть ширина импульсов, при постоянной частоте следования импульсов f = 1/T, то имеет место широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Если относительная длительность импульса γ регулируется путём изменения частоты следования импульсов при их неизменной длительности, то такая модуляция называется частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).

В схеме на рис.12.12 выходное напряжение всегда ниже входного. Изменив расположение элементов в схеме, можно, используя свойство самоиндукции, получить выходное напряжение большее, чем входное (рис.12.14).

Рис.12.14. Схема повышающего ИСН

Когда транзистор VT открыт, к дросселю L приложено входное напряжение V_IN. В этом случае согласно закону электромагнитной индукции

V_IN = L(dI_L/dt) ,

и ток в дросселе будет расти, увеличивая запасаемую в нём энергию. К диоду VD будет приложено запирающее напряжение, и ток нагрузки будет поддерживаться за счёт разряда конденсатора С. После запирания транзистора потенциал на его коллекторе поднимается до величины, превышающей выходное напряжение, за счёт ЭДС самоиндукции дросселя. Диод откроется. Ток в дросселе при этом будет убывать, и его энергия, запасённая в первом такте, вместе с энергией, поступающей от первичного источника, будет питать нагрузку и заряжать конденсатор.

Регулировочная характеристика повышающего преобразователя ( при условии, что ток дросселя нигде не достигает нуля) описывается следующим соотношением

.

Примером интегральной микросхемы повышающего импульсного стабилизатора может служить микросхема MAX856 фирмы Maxim, преобразующая постоянное нестабилизированное напряжение от 0,8 до 6 В в постоянное напряжение 5 В при токе нагрузки до 100 мА. Кристалл, размером 2,1 х 1,5 мм в восмивыводном корпусе содержит устройство управления и коммутирующий МОП-транзистор. Диод, дроссель и конденсатор – внешние. КПД устройства при токе нагрузки в 40 мА достигает 85%. Ток, потребляемый самой микросхемой , составляет не более 25 мкА. Способ регулирования – ЧИМ, при частоте до 500 кГц. Устройство управления ограничивает входной ток величиной 0,5 А и контролирует напряжение первичного источника тока.

Схемы понижающего и повышающего преобразователей ( рис.12.12 и 12.14) являются базовыми для построения более сложных схем преобразователей. Простейшая составная схема, представляющая собой комбинацию этих двух преобразователей, представлена на рис.12.15.

Рис.12.15. Схема инвертирующего ИСН

В этой схеме регулирующий транзистор включён последовательно с первичным источником, как в схеме понижающего преобразователя, а диод, через который протекает ток при запертом транзисторе, - последовательно с нагрузкой, как у повышающего преобразователя. Когда транзистор VT открыт, диод VD закрыт, и к дросселю приложено входное напряжение V_IN. В этом случае согласно закону электромагнитной индукции ток в дросселе будет расти, увеличивая запасённую в нём энергию. Нагрузка питается за счёт разряда конденсатора С. Во втором такте, после запирания транзистора,

ток продолжает течь через дроссель и через открывшийся диод заряжает конденсатор в направлении, противоположном полярности входного напряжения. Получающаяся при этом регулировочная характеристика

Таким образом, на выходе инвертирующего импульсного стабилизатора напряжение не только имеет полярность, обратную полярности входного напряжения, но в зависимости от относительной длительности импульса может быть как больше, так и меньше входного.

Примером инвертирующего стабилизатора может служить микросхема MAX764 фирмы Maxim, преобразующая постоянное нестабильное напряжение 3…16 В в постоянное напряжение -5 В при токе нагрузки до 250 мА. Кристалл, размером 3,7 х 2 мм в восьмивыводном корпусе содержит устройство управления и коммутирующий МОП-транзистор. Диод, дроссель и конденсатор – внешние. КПД устройства при токе нагрузки в 200 мА достигает 80%. Ток, потребляемый самой микросхемой, составляет не более 90 мкА. Способ регулирования - ЧИМ, при частоте импульсов до 300 кГц. Устройство управления ограничивает входной ток величиной 0,75 А.

12.3 Инверторные схемы

Рассмотренные ранее преобразователи постоянного напряжения имеют ряд ограничений при практическом использовании. В частности, наличие в них гальванической связи между входом и выходом не позволяет применять такие преобразователи в тех случаях, когда требуется гальваническая развязка. Другим ограничением является то, что при заданном диапазоне изменения входного напряжения питания возможный диапазон изменения выходного напряжения имеет вполне определённые пределы. То есть, нецелесообразно пытаться получать с помощью рассмотренных ранее схем напряжения в сотни вольт из напряжений в единицы вольт, и наоборот. Эти недостатки можно устранить, если дополнить их неким устройством, играющим роль трансформатора постоянного напряжения (ТПН).

Идеальный ТПН должен обеспечивать передачу постоянного напряжения с постоянным коэффициентом трансформации, высокую степень изоляции между первичной и вторичной цепями и возможность построения системы преобразования энергии с несколькими входами или выходами.

На рис.12.16 представлена функциональная схема наиболее широко применяемого ТПН.

Рис.12.16. Функциональная схема ТПН

Функции отдельных звеньев ТПН вполне очевидны. Инвертор преобразует входное постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы высокой частоты. Трансформатор Тр обеспечивает повышение или понижение переменного напряжения и гальваническую разделение первичной и вторияной цепей. Выпрямитель вновь преобразует переменное напряжение в постоянное.

Самым сложным узлом ТПН, во многом определяющим его свойства, является инвертор. Инверторами называются преобразователи постоянного тока в переменный. Семейство инверторов довольно обширно и включает устройства различного назначения, рассчитанные на передачу мощности от долей ватта до многих мегаватт.

Силовая часть инверторов может быть построена различным образом. На рис.12.17 приведены основные схемы силовых частей.

Рис.12.17. Основные схемы силовых частей инверторов: а) нулевая,