Широтно-импульсный модулятор с обратной связью
Широтно-импульсный модулятор с обратной связью с двойным регулированием наклона пилы, позволяющий формировать импульсы, длительность которых зависит от входного (первичного) и выходного (вторичного) напряжений. Область применения: источники питания, электротехника, импульсная техника.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при разработке источников питания и в импульсной технике.
Предложенный широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с обратной связью относится к классу ШИМ, в которых процесс заряда емкости по линейному закону осуществляется от внешнего источника напряжения (например, для вторичных источников питания-ВИП), обладающего большим по величине напряжением по сравнению с источником внутреннего питания (Евн.п) и позволяющим регулировать длительность выходного сигнала ШИМ посредством изменения напряжения внешнего источника питания.
Такой ШИМ работает в соответствии с законом:
где 
- длительность импульсов на выходе; 
- напряжение внешнего источника питания, который меняется в широкий пределах.
Известен ШИМ, выполненный на основе двунаправленного ключа, элементе 2И-НЕ двух инверторах и времязадающей RC цепи, в котором длительность импульса на выходе ШИМ меняется по линейному закону согласно выражения (1) [Ac 1167706 МКИ: Н03К 3/033, 3/284, 5/01]. Недостаток такой схемы - отсутствие обратной связи (ОС).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ШИМ (Схема электрическая принципиальная ХА4.190.650 Э3), содержащей фотодиод обратной связи, резистор один из выводов которого подключен к плюсовому выводу внешнего источника питания, а второй вывод к первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине источника питания при этом второй вывод резистора подключен к минусовому входу компаратора, а плюсовой вход компаратора подключен к первому выходу второго резистора, второй вывод которого подключен к шине «Общая», при этом плюсовой вход компаратора подключен через третий
резистор к истоку полевого транзистора и его затвору, а сток полевого транзистора подключен к плюсовому выводу источника внутреннего питания, а выход компаратора подключен к первому входу элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу инвертора, вход которого подключен к управляющему входу, двунаправленного ключа, первый вход которого подключен к первому выводу первого резистора, а второй вход ключа подключен к шине «Общая» при этом катод и анод фотодиода обратной связи подключен между плюсовым выводом компаратора и шиной «Общая». Управляемый вход двунаправленного ключа является входом, а выход элемента 2И-НЕ выходом ШИМ.
Недостаток такой схемы ШИМ ее сложность, поскольку в состав ШИМ входят такие узлы как компаратор и источник тока, включающий в себя полевой транзистор с управляемым p-n переходом и резистор.
Наличие этих элементов приводит и к ухудшению динамических параметров ВИП, содержащий такой ШИМ, так как компаратор замедляет действие обратной связи (ОС).
Рассмотрим работу этого ШИМ (прототипа) в составе ВИП фиг.1.
На вход ШИМ от генератора поступают импульсы со скважностью Q
10. Пусть частота следования импульсов составляет 500 кГц. При этом длительность импульсов от генератора t ГИ=0,2 мкс, а длительность паузы tП =1,8 мкс. (период Т=2 мкс). При поступлении от генератора тактирующего импульса tГИ осуществляется разряд конденсатора С1 через открытый ключ D1 и одновременно осуществляется блокировка вентилей D5.1 и D5.2 (на их выходах уровни лог 0 за счет действия tГИ). Во время действия паузы ключ D1 закрыт, и происходит заряд С1 по цепи R1, C1. Так как величина R1 выбирается порядка 150 кОм, то заряд емкости С1 происходит практически постоянным током, т.е. от источника тока.
В этом случае можно считать, что
где 
т.е. напряжение на конденсаторе 
растет по линейному закону и сигнал на входе ШИМ (t ИШ элемент D3, 2) изменяется в соответствии с законом:
tИМ·UВХ=const,
из которого следует, что
при Uвх=Uвхmin, t ИШ максимальна,
а при Uвх=UВХ max, tИШ минимальна.
Тогда при Uвх=20 В, tИШ составляет 1,8 мкс, а при Uвх=40 В, tИШ=0,9 мкс, т.е. при изменении Uвх меняется наклон пилообразного напряжения (пилы): он возрастает при увеличении Uвх и наклон уменьшается при уменьшении Uвх. Рассмотрим действие отрицательной обратной связи (ОС) предположив, что в качестве узла ОС используется, например, микросхема TL431C
Вариант 1 Фотодиод VD2.1 не засвечивается, т.е. он не влияет на работу ШИМ. Этот случай имеет место, когда напряжение на нагрузке Rн постоянно, т.е. равно номинальному напряжению U н.
Вариант 2. Напряжение на Rh возросло. В этом случае фотодиод засвечен и следовательно, он шунтирует резистор R3. И так как ток через транзистор VT1 постоянный (это источник тока), то напряжение на резисторе R3 уменьшается. Поскольку напряжение на R3 является напряжением порога для компаратора, то длительность импульса на его выходе 7 уменьшается и происходит компенсация выходного напряжения до величины Uн. Таким образом мы имеем ШИМ с двойным регулирующим воздействием, когда изменение входного напряжения отрабатывается изменением наклона пилы, а выходного - изменением величины напряжения порога, за счет действия ОС. Недостаток прототипа его сложность, поскольку в состав ШИМ входят такие узлы как компаратор и источник тока, включающий в себя полевой транзистор с управляемым p-n переходом и резистор.
Наличие этих элементов приводит и к ухудшению динамических параметров ВИП, содержащий такой ШИМ, так как компаратор замедляет действие обратной связи (ОС).
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение надежности, быстродействия и упрощения ШИМ.
Поставленная задача достигается тем, что в ШИМ, содержащем фотодиод обратной связи, двунаправленный ключ, первой выход которого подключен к второму выводу резистора, первый вывод которого подключен к плюсовому выводу внешнего источника питания, а второй вывод двунаправленного ключа подключен к шине «Общая» источника питания введен элемент 2ИЛИ, первой вход которого подключен к второму выводу резистора, а второй вход элемента 2ИЛИ подсоединен к управляющему входу двунаправленного ключа, при этом катод и анод фотодиода подключены к первому и второму выводам резистора соответственно, а выход элемента 2ИЛИ является выходом схемы ШИМ, а входом ШИМ является управляющий вход двунаправленного ключа.
На фиг.2 представлена прелагаемая схема ШИМ. Схема содержит резистор 1, двунаправленный ключ 2, конденсатор 3, элемент 2 ИЛИ 4, фотодиод 5. Первый вывод резистора 1 подключен к плюсовому выводу внешнего источника питания, а второй к первой обкладке конденсатора 3, вторая обкладка которого подключена к шине «Общая» источника питания. Первая обкладка конденсатора 3 подключена к первому входу двухвходового элемента 2ИЛИ. Второй вход двухвходового элемента 4 подключен к управляющему входу двунаправленного ключа 2, первый вход которого подключен к первой обкладке конденсатора 3, а второй к шине «Общая».
Схема работает следующим образом.
Вариант 1. т.е. когда фотодиод не засвечен, полностью соответствует варианту рассмотренному выше.
Вариант 2. Фотодиод засвечен, т.е. напряжение на выходе ВИП - возросло. В этом случае шунтируется резистор 1, ток через него возрастет,
т.е. наклон пилы возрастает, длительность импульса формируемого ШИМ уменьшается. Последнее приводит к стабилизации напряжения на нагрузке.
Таким образом, в рассматриваемом ШИМ наклон пилы меняется от двух возмущающих воздействий: от входного и выходного напряжений. В этом случае надобность в таких сложных в схемотехническом плане узлах как компаратор и источник тока отпадает, что приводит к повышению, быстродействия и надежности ШИМ и изделий на его основе, например, ВИП.
Широтно-импульсный модулятор с обратной связью, содержащий фотодиод обратной связи, резистор, первый вывод которого подключен к плюсовому выводу внешнего источника питания, а второй к первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого подключена к шине «Общая» источника питания, при этом второй вывод резистора подключен к первому входу двунаправленного ключа, второй вход которого подключен к шине «Общая», отличающийся тем, что введен двухвходовой элемент 2ИЛИ, один из выводов которого подключен к управляющему входу двунаправленного ключа, а второй к второму выводу резистора, а катод и анод фотодиода обратной связи соответственно подключены к первому и второму выводам резистора, при этом выход элемента 2ИЛИ является выходом ШИМ, а входом является управляющий вход двунаправленного ключа.
