Возможность создания дешевого и экономичного корректора коэффициента мощности обеспечена высоким уровнем современного развития ключевых регуляторов. Идея состоит в использовании способности этих регуляторов обеспечивать во входной цепи требуемую форму тока, определяющего коэффициент мощности. Для этого применяют импульсный повышающий регулятор, состоящий из индуктивности, ключа Q1, диода и конденсатора нагрузки.
Для работы с импульсными источниками питания фирма Micro Linear в 1989 году разработала первую микросхему МL4812 управления активным корректором мощности. Позднее к разработке аналогичных схем подключились такие крупные фирмы, как Siemens, Unitrode и Motorola. В результате этих разработок в настоящее время имеется большое количество схем управления импульсными источниками питания, совмещенными с корректорами коэффициента мощности.
Рассмотрим вначале принцип действия активного корректора коэффициента мощности. На рисунке приведена упрощенная структурная схема такого корректора.
Как видно из схемы, получение коэффициента мощности, близкого к единице, достигается за счет исключения из выпрямителя ёмкости фильтра, которая обычно устанавливается в импульсных источниках питания для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Вместо этой емкости в схему вводится высокочастотный импульсный стабилизатор повышающего типа, с небольшой индуктивностью L на входе, работающий в граничном режиме прерывистого тока в индуктивности.
Схема повышающего импульсного стабилизатора состоит из индуктивности L, ключевого транзистора Т, диода VD и емкости Cф сглаживающего фильтра. В соответствии с принципом действия повышающего стабилизатора напряжения при включении транзистора Т через индуктивность L начинает протекать ток, который нарастает по линейному закону. При выключении транзистора Т ток в индуктивности L начинает спадать по линейному закону, заряжая через диод VD, ёмкость фильтра Сф.
Включение и выключение ключевого транзистора Т выполняется устройством управления, которое состоит из датчика выпрямленного напряжения ДВН, датчика тока ДТ в индуктивности L и схемы формирования импульсов управления СУ. Процесс формирования импульсов управления иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рисунке б. Как видно из этих диаграмм, включение транзистора Т происходит в момент времени, когда напряжение на выходе датчика тока ДТ становится равным нулю (т. е. при нулевом токе в индуктивности L). Выключение транзистора Т происходит в момент времени, когда линейно нарастающее напряжение с датчика тока становится равным изменяющемуся по синусоидальному закону напряжению с датчика выпрямленного напряжения ДВН.
После выключения транзистора ток в индуктивности начинает спадать, и при нулевом значении тока транзистор Т вновь включается. Далее процесс повторяется с достаточно высокой частотой. Усредненный ток iср в индуктивности оказывается синусоидальным по форме и почти совпадающим по фазе с выпрямленным напряжением. Таким образом, благодаря схеме корректора достигается высокое значение коэффициента мощности.
К недостаткам приведенной схемы корректора коэффициента мощности (ККМ) следует отнести отсутствие стабилизации выходного напряжения uвых. При изменении напряжения сети или нагрузки выходное напряжение ККМ будет также изменяться. Для получения стабильного выходного напряжения в схему ККМ вводится дополнительная обратная связь по выходному напряжению. Структурная схема ККМ со стабилизацией выходного напряжения uвых приведена на рисунке.
В схеме в дополнение к датчикам выпрямленного напряжения ДВН и тока в индуктивности ДТ введен датчик выходного напряжения ДН. Напряжение uдн, с датчика ДН сравнивается с напряжением uоп источника опорного напряжения ИОН и сформированный сигнал ошибки uош (рассогласования) перемножается с выходным напряжением ДВН в умножителе напряжения УН. В результате этого формируется модулирующий сигнал uм, который аналогично рассмотренному выше модулирует длительность импульсов управления ключевым транзистором Т. Обратная связь по выходному напряжению является отрицательной, поэтому увеличение выходного напряжения uвых, приводит к уменьшению сигнала ошибки uош.
Временные диаграммы для схемы практически не отличаются от предыдущей схемы, только модулирующее напряжение заменяется на произведение uдвнuош. При постоянном напряжении на выходе ККМ напряжение ошибки также будет постоянным. Если выходное напряжение возрастает, то сигнал ошибки уменьшается и, следовательно, уменьшается амплитуда модулирующего напряжения uм. В результате уменьшаются амплитуды импульсов тока в индуктивности и соответственно уменьшается среднее значение тока iср, что приводит к понижению выходного напряжения. При понижении выходного напряжения происходят противоположные процессы, которые в результате приводят к его повышению. Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения в схеме ККМ при изменении напряжения сети или при изменении нагрузки Rн.
Описанная выше процедура коррекции коэффициента мощности и стабилизации выходного напряжения используется в микросхемах управления, разработанных фирмой Motorola. Этой фирмой выпускаются несколько микросхем управления, реализующих аналогичный процесс регулирования, но с различной степенью сложности. По существу, все разработанные фирмой микросхемы поддерживают в схеме повышающего стабилизатора граничный режим непрерывным и прерывистым током в индуктивности L.
Контрольные вопросы
1. Принцип действия ККМ.
2. Достоинства схем источников питания со звеном ККМ.
3. Назначение узлов системы управления ККМ.