Магнитный стабилизатор

Принцип работы стабилизатора

Надлежащее регулирование - важный момент в выборе и проектировании импульсных источников питания.
В источниках питания с множеством выходов, где управлять нужно непосредственно каждым выходом, разработка может быть усложнена такими вещами как дополнительные схемы, радиаторы, больший размер, и т.д. Продолжающаяся потребность в более
компактных и надежных импульсных источниках питания пробудила возобновленный интерес в хорошо отлаженной методике управления - магнитный усилитель. Магнитный усилитель подразумевает более высокую плотность мощности, простую схему управления, очень хорошее регулирование, высокую частоту работы и высокую
производительность. Эта статья описывает использование магнитного усилителя в импульсных источниках питания. Для данного применения рекомендуются три основных материала сердечника :

* 1 mil Permalloy 80 - лента пермаллоя толщиной 0,0254мм.
* 1/2 mil Permalloy 80 - лента пермаллоя толщиной 0,0127мм.
* Аморфный материал на основе кобальта.

Используя такой сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса, обеспечивается управляемая задержка в переднем фронте импульса во вторичной цепи трансформатора. Один или более выходов могут быть независимо и точно отрегулированы без потерь присущих линейным регуляторам. В случаях, когда электрические токи выходов высоки (более одного или двух ампер), преимущества регуляторов, основанных на насыщении сердечника, становятся более существенными.

Рис. 1. Типовая схема импульсного блока питания.
На рисунке 1 показана блок-схема типового многоканального блока, в то время как на рисунке 2 показана схема регулирования.

Рис. 2. Схема регулирования.
Для простоты примера показан прямоходовой тип преобразователя, но методика одинаково полезна в обратноходовом (flyback) и (push-pull) преобразователях. Осциллограммы, объясняющие принцип работы показаны на рисунке 2. В широтно-импульсном модуляторе (ШИМ) первичной шириной импульса управляют, измеряя 5В выход, сравнивая его с опорным, и используя сигнал ошибки для корректировки продолжительности импульса. Если бы не было никакого насыщаемого дросселя в канале, выход 15В был бы "наполовину отрегулирован",
используя основной канал управления который обеспечил бы линейное регулирование. Но тогда выходное напряжение будет зависеть
от нагрузки и температуры. Для обеспечения на выходе 15В постоянного напряжения, среднее значение исправленной формы сигнала который подается на фильтр L, должно быть 15В.
Учитывая высоту импульса 50В и период повторения 10мкc, необходимая ширина положительного импульса
в точке e2 должна быть:
PW = (15В/50В)•10мкc = 3мкc
Поскольку входной импульс (e1) шириной 4мкc, насыщаемый дроссель должен задержать передний фронт импульса на 1 мкс. А так как амплитуда импульса 50В, мы можем сказать, что дроссель должен погасить 50В•1мкc, или 50 вольт-микросекунд. Чтобы это произошло, дроссель должен накопить это количество энергии в первой половине цикла и отдать это количество энергии во время каждой второй половины цикла. Осциллограмма в точке e2 иллюстрирует это. Когда на вход дросселя подается обратная полярность, диод CR1 открывается и позволяет усилителю ошибки A1, зафиксировать" напряжение после дросселя на уровне -37.5В. Суть состоит в том, что дроссель подвергнут обратному напряжению 50В - 37.5В = 12.5В продолжительностью 4мкc, производя гашение накопленной энергии величиной:
/\ = 12,5•4 = 50 В•мкc
Т.е. ровно столько, сколько накопил.
Поскольку выходное напряжение изменяется, усилитель ошибки изменит это значение, чтобы гарантировать, что выход отрегулирован на напряжение 15В, несмотря на изменения напряжения выпрямителя, и т.д.
Осциллограмма первичного электрического тока, ip, показывает увеличение тока, когда дроссель насыщается и начинает передавать ток выходному фильтру. В этом есть незначительный плюс: первичный транзистор переключения уже включен и насыщен и следовательно выход 15В, не включает в себя потери переключения в транзисторе.
Расчет насыщаемого дросселя производится в три шага:
Расчет стабилизатора

1. Определить выдержку в вольт-секундах.
Это необходимо, чтобы задержать передний фронт импульса и достигнуть необходимого выходного напряжения. Здесь, проектировщик должен решить, должен ли выход быть способен к независимому "выключению" (для защиты от короткого замыкания или выключатся от внешнего логического сигнала), или просто регулировать установленное значение.
Выдержка = Исключенная Область Импульса = /\
/\ = V • t
Где V = амплитуда импульса, а t = задержка переднего фронта.
Случай 1 - Выключение. Необходима выдержка, размером с область всего положительного импульса. В схеме на рисунке 2 выдержка была бы равна: 50 В • 4мкc = 200 вольт-микросекунд.
Случай 2 - Только регулирование . Предполагаем, что фильтр выхода спроектирован для непрерывной передачи энергии, дроссель должен только достаточно уменьшить входную ширину импульса, чтобы снабдить необходимым средним значением напряжения (равным выходному постоянному напряжению) выходной фильтр.
В обоих случаях, нужен "запас" для переходных процессов по входу регулятора. Этот комментарий имеет отношение к выбору количества витков вторичной обмотки трансформатора, который питает регулятор. Этот выбор должен предшествовать вычислению вольт-секунд, которые должен выдержать дроссель. Например, мы намереваемся сделать диапазон управления ±20% т.е. позволить ширине импульса увеличиваться или уменьшаться на 20 %, когда ток нагрузки увеличивается или понижается. Чтобы позволить ширине импульса увеличиваться, входная ширина импульса должна быть на 20 % больше чем номинальный импульс на выходе дросселя. В зависимости от частоты работы и используемого сердечника, нужно позволить дополнительный запас из-за возрастания электрического тока в сердечнике после того, как он насыщен. Это происходит в процессе одной микросекунды. Все это подразумевает, что вторичное напряжение должно быть по крайней мере на 20 % выше, чем необходимо для установления расчетного выходного напряжения при отсутствии насыщаемого дросселя. Чтобы позволить ширине импульса уменьшаться, дроссель должен быть способен погасить дополнительное количество вольт-секунд, чтобы уменьшить ширину импульса на 20 % ниже номинального значения.
Тогда в цепи на рисунке 2, в режиме “только регулирование” потребовалась бы выдержка /\ = 50В • 1мкc + 20 %, или 60 В • мкc.
2. Выбрать сердечник.
Есть два популярных метода определения размера необходимого сердечника. Каждый приводит к нахождению минимальной относительной габаритной мощности, WaAc, для обеспечения необходимой выдержки и выбора размера провода (который определяется повышением температуры). Один метод (1) начинается с расчета желаемого повышения рабочей температуры и габаритной мощности, которая задает геометрию сердечника и коэффициент заполнения . Другой требует начального выбора размера провода, который должен быть оценен основываясь на предположении окончательной рабочей температуры. Хотя последний метод по общему признанию прагматичен, он популярен из-за своей простоты.
В последнем методе шаги следующие:
► Выбераем размер провода(его сечение, Аw) , основываясь на электрическом токе. Разумное значение - 0,322мм2 (500 c.m.) на ампер тока (среднеквадратичное значение) для повышения температуры от 30 до 40 градусов.
► Выбираем материал сердечника, чтобы определить плотность потока насыщения, Bm. В этом приложении квадратный Permalloy 80 является хорошим выбором, так как у него низкие коэрцитивные силы и прямоугольная петля гистерезиса. Его плотность потока насыщения приблизительно равна 7000 гауссов (0,7 тесла).
► Выбираем коэффициент заполнения, K, используя значения от 0.3 до 0.5, для приложений с более низкими значениями мощности.
► Вычисляем WaAc следующим образом:

► Выбираем сердечник из таблиц выбора, находящихся здесь (см. Источники) или на стр 58-61 каталога TWC-400 с по крайней мере таким же значением относительной габаритной мощности. При этом, должна быть выбрана толщина ленты, и значения в столбце WaAc (стр 58-61) должны быть изменены согласно примечанию 3 внизу страницы. Лента толщиной 0.0005 и 0.001 дюйма рекомендуются для частот до 100 кГц, с сердечниками на более тонких лентах, найденными в каталоге, возможна работа на более высоких частотах.
В схеме на рисунке 2 электрический ток во время проводимости сердечника равен 10A, с коэффициентом отношения - 15/50, или 0.3. Таким образом электрический ток равен:
(102 • 0.3)0,5 , или 5.5A. Соответствующий размер провода - с площадью поперечного сечения, Аw, равной 2581 c.m. (1,665мм) Напомним, что мы используем режим: “только регулирование”.
WaAc будет следующим:

Отметим, что использовался коэффициент заполнения равный 0.1, так как размер провода является относительно большим. Так как частота преобразователя составляет 100 кГц, толщина ленты 0.0005”(0,0127мм) является, возможно, лучшим выбором. В консультации к таблице на странице 58, оценка WaAc должна быть заменена приблизительным значением 0.013/0.022 (типовой коэффициент сердечников с толщиной ленты 0.0005” и 0.002” ), согласно примечанию 3 внизу страницы. Самый удобный способ сделать это - изменить значение желательного WaAc, и затем найти соответствующий сердечник в таблице. Используя этот подход, указанное значение должно быть по крайней мере 0.011×(0.022/0.013) • 106, или 0.019 • 106. Два логичных
кандидата - сердечники 5_374 и 5_063, WaAc которых (x 106) равна 0.028 и 0.026 соответственно. Для этого примера выбран сердечник 5_063 . Его площадь поперечного сечения, Ас, составляет 0.050см2, длина средней магнитной линии, МI, составляет 5.98см. Эти значения отмечены для дальнейшего использования.
3. Определить число витков
Число витков определено выдержкой (/\), для получения расчетной величины на выходе регулятора:

Теперь канал управления может быть спроектирован. При этом, полезно оценить электрический ток, требуемый для размагничивания сердечника и таким образом вычислить средний ток управления, основываясь на коэффициенте нагрузки размагничивающего (отрицательной полярностью) входного импульса. Электрический ток связан с силой намагничивания следующим образом:

H не просто коэрцитивная сила при постоянном токе, а скорее значение, соответствующее колебанию потока и частоты, как показано на примере кривых на страницах 38 - 49 из каталога TWC-400. Как отмечено, это “эффект расширения петли” - увеличения коэрцитивной силы с частотой. Итак, используя схему на рисунке 2 и выбрав сердечник, необходимое число витков для него будет равно:

Завершая пример отметим, что электрический ток намагничивания вычислен следующим образом: Так как регулятору будет необходимо проходить по всей петле BH за короткое время, кривая на странице 48 Каталога TWC-400 даст типичную оценку силы намагничивания. На частоте 100 кГц у кривой 1/2mil значение H = 0.215 эрстэд(3,67951 А/м). Таким образом, у тока намагничивания будет значение:

Альтернативная реализация цепи управления показана на рисунке 3.
► Цепь управления сбросом получает питание с выхода, обеспечивая "предварительную загрузку" -
средство предотвращения тока намагничивания дросселя при подъеме выходного напряжения на нулевой загрузке.
► Сердечник размагничивается источником тока, а не источником напряжения, чтобы минимизировать сдвиг фазы передаточной функции. В этой схеме Rа ухудшает проводимость транзистора, делая передаточную функцию более независимую от транзистора. Rb и Rc просто сдвигают уровень выхода усилителя, который является ненужным, если усилитель питается от напряжения выше выходного.
► Цепи компенсации, Zf и Zi, могут быть спроектированы, используя методики для обычных
(buck-derived) регуляторов

Рис. 3. Схема альтернативной реализации цепи управления.
Отметьте, однако, что у этой схемы фактически есть две цепи обратной связи: одна через усилитель ошибки, и вторая непосредственно от выхода
через Rа и транзистор. Каждый канал схемы со средней точкой может быть стабилизирован тем же самым способом. Схема на рисунке 4 иллюстрирует это решение.

Рис. 4. Схема стабилизации со средней точкой.
Наконец, иногда полезно быть в состоянии передавать напряжение, требуемое для размагничивания, изменить его уровень, или заменить напряжение током. В этих случаях вторая обмотка может быть помещена на сердечник, с большим или меньшим числом витков чем в основной преобразующей обмотке. Например, обмотка управления с меньшим количеством витков даст меньшие колебания напряжения, но потребует большего количества электрического тока управления чем основная обмотка.
Источники