Стабилизация уровня выходной мощности при переменной нагрузке

Как обеспечить постоянную мощность, когда сопротивление нагрузки непостоянно? Такая проблема возникает, например, при необходимости обеспечить подогрев ЖК-дисплея на уличной бензоколонке в холодном климате. При изменении температуры нагревательного элемента изменяется и его сопротивление. Это изменение характеризуется температурным коэффициентом нагревательного элемента. Если приложить постоянное напряжение, мощность, поступающая в нагрузку, будет изменяться обратно пропорционально сопротивлению нагрузки.

Во многих приложениях непостоянство подаваемой мощности в определенных пределах допустимо. Однако чтобы уменьшить колебания мощности, нужно позволить приложенному к нагрузке напряжению изменяться в зависимости от сопротивления нагрузки. Показанный здесь подход основан на использовании обычного контура управления (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Типичная петля обратной связи схемы регулятора напряжения может быть адаптирована для создания стабилизатора мощности нагрузки с изменяющимся сопротивлением.

В линейном стабилизаторе напряжения усилитель ошибки сравнивает часть выходного напряжения с опорным напряжением V_REF и, управляя выходным каскадом, обеспечивает нагрузку током при постоянном напряжении. Но чтобы поддерживать постоянный уровень мощности вместо напряжения, в цепь обратной связи требуется включить сигнал мощности. Тогда усилитель ошибки будет сравнивать сигнал выходной мощности с опорным напряжением и, управляя выходным каскадом, поддерживать их значения равными.

Регулятор на Рисунке 2 поддерживает на выходе постоянную мощность, линейно пропорциональную напряжению, приложенному к входу V_{POWER_SET}. (Отношение выходной мощности к напряжению V_{POWER_SET} равно 1 Вт/В). Регулятор обеспечивает мощность до 100 мВт, питая нагрузки от 10 до 500 Ом напряжением до 10 В и токами до 100 мА.

Рисунок 2.	Контур обратной связи в этом регуляторе гарантирует, что мощность, поступающая в изменяющуюся нагрузку, будет оставаться относительно постоянной.

Основой этой схемы является монитор мощности и тока верхнего плеча (IC1), в котором имеются схемные элементы, необходимые для создания напряжения обратной связи, пропорционального мгновенной мощности в нагрузке. Микросхема IC1 содержит монитор тока, который измеряет ток нагрузки, буфер, измеряющий напряжение нагрузки, и аналоговый умножитель, который умножает одно на другое, вырабатывая выходное напряжение V_POWER, пропорциональное мощности нагрузки. Монитор тока рассчитан на измерение тока в верхнем плече, когда токоизмерительный резистор R_SENSE включается между нагрузкой R_LOAD и шиной питания, а не «земли». Это позволяет избежать добавления нежелательного сопротивления на пути возврата тока.

В этом примере коэффициент усиления внутреннего токоизмерительного усилителя монитора (одного из нескольких доступных) равен 25. Следовательно, при сопротивлении токоизмерительного резистора 1 Ом выходное напряжение усилителя составляет 25 В на один ампер тока. Усилитель ошибки управляет парой Дарлингтона с большим коэффициентом усиления, чтобы минимизировать базовый ток, который течет в нагрузку не через токоизмерительный резистор.

На второй вход измерителя мощности через резистивный делитель R1-R2 с отношением сопротивлений 1:25 подается напряжение нагрузки. Это напряжение внутренне умножается на сигнал тока для получения выходного сигнала, пропорционального мощности нагрузки:

Управляя выходным каскадом, усилитель ошибки стремится сделать выходной сигнал микросхемы IC1 (пропорциональный мощности нагрузки) равным опорному сигналу на входе V_{POWER_SET}.

Напряжение питания V+ (18 В) ограничивает максимальное напряжение нагрузки приблизительно до 15 В. Резисторы R_LIMIT1 и R_LIMIT2 ограничивают ток нагрузки примерно до 120 мА.

Эта схема довольно хорошо поддерживает постоянную мощность в диапазоне нагрузок 50:1 и при различных значениях установленной мощности (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Выходная мощность схемы на Рисунке 2 остается хорошо стабилизированной в широком диапазоне нагрузок и при различных значениях напряжения VPOWER_SET, которые изменялось в диапазоне от 0.0021 В (внизу) до 0.0300 В (вверху).

Хотя приведенная здесь схема предназначена для приложений с низким энергопотреблением (до 100 мВт) в широком диапазоне сопротивлений нагрузки, ее можно легко масштабировать для расширения рабочих диапазонов токов, напряжений и мощностей нагрузки. Для этого нужно заменить токоизмерительный резистор R_SENSE, чтобы среднее значение напряжения на нем составляло примерно 50 мВ, а максимальное не превышало 150 мВ.

Аналогично, отношение сопротивлений резисторов R1-R2 должно быть изменено так, чтобы напряжение, подаваемое на IC1, составляло примерно 500 мВ. (Напряжения от 200 мВ до 1 В обеспечивают сохранение точности, указанной в техническом описании микросхемы IC1). Другие версии IC1 имеют отличающиеся значения коэффициента усиления, что определяет отношение выходной мощности к уровню управляющего напряжения V_{POWER_SET}.

Наконец, надо будет оценить допустимые пределы мощности, рассеиваемой резистором R_LIMIT1 и выходным транзистором, и при необходимости заменить эти компоненты. Сфера использования описанного метода не ограничивается показанным линейным регулятором. Он в равной степени применим ко многим импульсным стабилизаторам, обеспечивающим значительно более высокие значения выходной мощности и КПД.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim MAX4210