Na rozgrzewkę:
We wpisie przedstawię teorię niezbędną do zrozumienia działania pętli sprzężenia zwrotnego generalnie w przetwornicach, a w kolejnych wpisach skupię się tylko i wyłącznie na wykonanej przetwornicy flyback oraz jej uruchomieniu. Jeśli potrzebujesz gotowego modułu przetwornicy to możesz go nabyć w sklepie msalamon.pl.
Sponsorem wpisu jest msalamon.pl
WWW: https://msalamon.pl/
Sklep: https://sklep.msalamon.pl/
Zakres wpisu:
- Pojęcia wprowadzające
- Wymagania stawiane pętli sterowania
- Pętla sprzężenia zwrotnego w przetwornicach
- Metody pomiaru stabilności przetwornicy
Pojęcia wprowadzające:
System pracujący w otwartej pętli regulacji możemy przedstawić w następujący sposób: sygnał wejściowy, system o określonej transmitancji, sygnał wyjściowy.
System o określonej transmitancji powoduje zniekształcenie sygnału wejściowego co można zaobserwować patrząc na sygnał wyjściowy. Układ zniekształca sygnał wejściowy zmieniając jego amplitudę oraz fazę. Co przedstawione zostało na Rys. 2. W tym przypadku mamy pokazaną zmianę amplitudy sygnału jak i fazy dla jednej częstotliwości.
Wykres Bodego pozwala zaobserwować zmianę amplitudy jak i fazy w różnych częstotliwościach. Wykonałem wykres Bodego dla tego samego układu, w zakresie częstotliwości od 1Hz do 100kHz.
Zapas wzmocnienia jak i fazy chroni przed niestabilnością systemu.
Skupmy się teraz na systemie z zamkniętą pętlą regulacji:
Transmitancja systemu z zamkniętą pętlą regulacji wynosi:
System będzie niestabilny kiedy jego wzmocnienie będzie dążyło do nieskończoności, czyli kiedy G(s) będzie wynosiło -1. Jeśli dla jakiejś częstotliwości wzmocnienie będzie wynosiło 0dB i faza -180˚, wtedy zamknięta pętla regulacji jest niestabilna. Dlatego, aby system był stabilny należy zachować zapas wzmocnienia jak i fazy.
Wymagania stawiane pętli sterowania:
Aby przetwornica była stabilna muszą być spełnione następujące warunki:
- zapas fazy minimum 45˚,
- zapas wzmocnienia minimum 15dB w temperaturze pokojowej,
- pasmo przenoszenia (fc – miejsce przecięcia przebiegu amplitudy przez 0) od 0.1 do 0.2 częstotliwości przełączania. Determinuje czas odpowiedzi,
- stromość amplitudy -20dB/dekada po przekroczeniu częstotliwości fc.
Pętla sprzężenia zwrotnego w przetwornicach:
Każda pętla regulacji w przetwqornicach składa się z następujących elementów:
– części mocy (Power Stage),
– wzmacniacza błędu (Error amplifier),
– modulator PWM (PWM comparator).
Przebieg trójkątny jak i źródło napięcia referencyjnego znjadują się wewnątrz układu sterującego.
Metody pomiaru stabilności przetwornicy:
Metoda pomiaru wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego w zakresie częstotliwości:
Pierwszą metodą sprawdzenia stabilności przetwornicy jest wykonanie pomiaru wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego (wykresu Bodego – sprawdzenie pętli regulacji w zakresie częstotlwiwości). Do wykonania niezbędny jest specjalistyczny sprzęt np. Bode100. Jak domniemam niewiele osób w domowych warunkach dysponuje takim sprzętem. Metoda ta wykorzystywana jest w przemyśle w celu sprawdzenia pętli regulacji (wzmocnienia jak i fazy) w szerokim zakresie częstotliwości. Pomiar powinien być wykonywany w różnych warunkach pracy (w zakresie napięcia wejściowego, w zakresie prądu obciążenia, w zakresie temperatur).
Istnieją dwie metody pomiaru pętli sprzężenia zwrotnego w częstotliwościach: w otwartej oraz w zamkniętej pętli regulacji. Najczęściej wykorzystywaną metodą pomiaru jest metoda w zamkniętej pętli regulacji, która została umieszczona na Rys. 2.
Kroki realizowane przez analizator:
1. Wprowadzenie do wyprowadzenia Feedback sygnału AC,
2. Pomiar odpowiedzi w punkcie A oraz B
3. Obliczenie wzmocnienia pętli sprzężenie T(s)=-Vb/Va
Rezystor Rinj powinien być w zakresie od 10 do 100Ω.
Metoda skokowej zmiany obciążenia:
Drugim sposobem sprawdzenia stabilności przetwornicy jest wykonanie skokowej zmiany obciążenia (sprawdzenia zachowania pętli regulacji w czasie), mierząc napięcie wyjściowe oraz zadany prąd. Dzięki temu pomiarowi uzyskujemy odpowiedź przetwornicy na nagłą zmianę obciążenia, zarówno na dołączanie obciążenia jak i rozłączanie. Obciążenie zmieniamy od 0 do nominalnego, następnie z nominalnego do 0. W celu sprawdzenia stabilności w różnych warunkach można także wykonać skok obciążenia od 25% do 75%, następnie znowu do 25% nominalnego obciążenia. Ważne jest, aby podczas wykonywanej zmiany obciążenia dołączać obciążenie elementem, w którym nie będzie drgań styków, dlatego odpadają przekaźniki. Dobrymi elementami do dołączania obciążenia będą tranzystory lub kontraktrony.
Częstotliwość oscylacji występujących na przebiegu napięcia wyjściowego daje informacje o paśmie przenoszenia pętli regulacji fc.
Wykonując skokową zmianę obciążenia powinniśmy uzyskać podobne przebiegi jak na Rys. 9.
Kiedy system jest stabilny na podstawie odpowiedzi na skok obciążenia możemy wyznaczyć częstotliwość przenoszenia na podstawie amplitudy oscylacji oraz czasu jego narastania.
Wzory, które wiążą amplitudę oscylacji z częstotliwością przenoszenia oraz z czasem narastania:
[1] Dostęp w internecie: https://www.ti.com/seclit/ml/slup340/slup340.pdf
[2] Dostęp w internecie: https://www.ti.com/seclit/ml/slup386/slup386.pdf
[3] Dostęp w internecie: https://www.ti.com/seclit/ml/slup084/slup084.pdf
[4] Dostęp w internecie: https://www.ti.com/seclit/ml/slup113/slup113.pdf