Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Taki zwyczajny zasilacz... Część 4 – Przyczyny samowzbudzenia wzmacniacza

Zgodnie z zapowiedzią, w tym odcinku rozpoczynamy opis walki z samowzbudzeniem. Okazało się bowiem, że opisywany układ zasilacza wzbudza się. Nie jest to nic dziwnego; dziwne byłoby, gdyby się nie wzbudzał! W układzie mamy bowiem wzmacniacz operacyjny (U3A) o bardzo dużym wzmocnieniu i do tego tranzystor (T3) w układzie wspólnej bazy ze źródłem prądowym w kolektorze, co też daje bardzo duże wzmocnienie napięciowe.
Article Image

Z samowzbudzeniem układu można walczyć na różne sposoby. Często taka walka okazuje się bardzo trudna, zależnie od przyczyn samowzbudzenia, od wymagań stawianych finalnemu układowi i od częstotliwości oscylacji. A pełne zrozumienie wszystkich przyczyn samowzbudzenia wcale nie jest łatwe.

Zagadnienie ma kilka aspektów. Na razie mówimy o likwidacji samowzbudzenia w zasilaczu prądu stałego. Zasilaczu o możliwie dobrych parametrach. Przede wszystkim powinien on zapewniać dobrą stabilizację napięcia. Napięcie wyjściowe nie powinno zmieniać się ze wzrostem poboru prądu. Łatwo to osiągnąć w stanie ustalonym i przy powolnych zmianach. Ale napięcie wyjściowe jak najmniej powinno się zmieniać także podczas skokowych, impulsowych zmian prądu obciążenia.

Osiągnięcie dobrych parametrów dynamicznych okazuje się dużo trudniejsze do uzyskania. Nie tylko trudniejsze, ale też ściśle związane z problemem samowzbudzenia. Dla większości hobbystów rozpaczliwa walka z samowzbudzeniem to dodawanie w układzie kolejnych kondensatorów w najróżniejszych miejscach układu. Zadaniem takich kondensatorów jest zwykle „obcięcie pasma” na tyle, żeby układ przestał się wzbudzać. Niestety, usunięcie samowzbudzenia w przypadkowy sposób może fatalnie pogorszyć parametry dynamiczne zasilacza.

Do walki z samowzbudzeniem warto podejść kompleksowo, a nie sposobem na chybił trafił. Dlatego musimy przypomnieć kluczowe zagadnienia związane z samowzbudzeniem.

Przyczyny samowzbudzenia wzmacniacza

Podstawowa przyczyna samowzbudzenia to obecność wzmacniacza o ogromnym wzmocnieniu i pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, które z ujemnego staje się dodatnie. Najprościej biorąc, powodem samowzbudzenia jest zmiana sprzężenia zwrotnego z ujemnego na dodatnie. Ale różne mogą być przyczyny takiej zmiany.

To, że stabilizator (albo jakikolwiek inny układ) staje się generatorem, jest nieuchronną konsekwencją kilku faktów. Co najważniejsze, w sumie nasz stabilizator jest wzmacniaczem z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Tę pętlę widać bardzo wyraźnie na mocno uproszczonym rysunku 1.

Rys.1 Stabilizator - wzmacniacz z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego

Nas zasadniczo najbardziej interesuje zaznaczony kolorem niebieskim obwód regulacji użytkowej napięcia wyjściowego. Zgodnie z przyjętymi założeniami na wejście „dodatnie” wzmacniacza U3A podajemy niewielkie napięcie stałe, a wtedy na wyjściu i na obciążeniu ma wystąpić napięcie 10 razy większe. 10 razy (20dB), bo takie jest tłumienie dzielnika R13, Pot1, R12.

W takim rozwiązaniu tworzy się też zaznaczona czerwonym kolorem pętla sprzężenia (feedback loop), w skład której wchodzi też wspomniany dzielnik napięcia.

Zasadniczo sprzężenie zwrotne jest ujemne. Jednak prawie każdy wzmacniacz z ujemnym sprzężeniem zwrotnym może zamienić się w generator, gdy najprościej biorąc, to sprzężenie zwrotne z ujemnego zrobi się dodatnie. A następuje to nieuchronnie wskutek przesunięcia fazy sygnałów we wszystkich elementach pętli sprzężenia w związku z występowaniem tam różnych niepożądanych pojemności.

Tylko nie mów, że w zasilaczu prądu stałego nie ma sygnałów zmiennych. Jak najbardziej tam występują, zarówno w postaci (szerokopasmowych) szumów, jak też jako składowe impulsowych zmian napięć i prądów (rozkład Fouriera).

Dla prądu (napięcia) stałego, czyli dla częstotliwości równej zeru, sprzężenie zwrotne jest zawsze ujemne, wręcz „idealnie ujemne”. Ale czym większa częstotliwość, tym większy wpływ pojemności i większe przesunięcie fazy. Najprościej biorąc, różne rezystancje i różne pojemności tworzą obwody RC.

A obwody RC są filtrami z uwagi na zależność reaktancji pojemnościowych XC od częstotliwości. Ze wzrostem częstotliwości zwiększa się przesunięcie fazy sygnału sprzężenia zwrotnego i sprzężenie staje się „mniej ujemne”. Gdy sumaryczne przesuniecie fazy w całej pętli sprzężenia wzrośnie do 180 stopni, sprężenie z ujemnego stanie się dodatnie. Jednocześnie ze wzrostem częstotliwości zmniejsza się też wzmocnienie.

Zmiana sprzężenia zwrotnego z ujemnego na dodatnie jest nieunikniona, następuje w każdym wzmacniaczu ze sprzężeniem zwrotnym, ponieważ przy jakiejś większej czy mniejszej częstotliwości faza zostaje przesunięta o 180 stopni. Jednak nie każdy taki wzmacniacz staje się generatorem, ponieważ decyduje o tym jeszcze jeden czynnik: przy częstotliwości, przy której przesunięcie fazy osiągnie 180 stopni, wzmocnienie musi być większe od jedności. A jeżeli przy tej częstotliwości wzmocnienie jest mniejsze od jedności, to oscylacje nie wystąpią. To znany ze szkoły warunek fazy i amplitudy (wzmocnienia).

Wzmacniacze operacyjne OP27 i OP37 - parametry

Przejdźmy do praktyki. Porównajmy cenione i popularne jeszcze do niedawna wzmacniacze operacyjne: OP27 i szybszą wersję OP37. W sumie różnią się one pojemnością jednego wewnętrznego kondensatora. Jak pokazuje rysunek 2a, OP37 ma większe wzmocnienie przy wysokich częstotliwościach – generalnie jest znacząco lepszy, szybszy od OP27.

Rys.2 Charakterystyki Bodego - wzmacniacze operacyjne OP27 i OP37

Dla prądu stałego kostki te mają jednakowe parametry. Przy prądzie stałym i przy bardzo małych częstotliwościach przesunięcia fazy nie ma (0 stopni). Rysunki 2b, 2c pokazują tak zwane charakterystyki Bodego, czyli zależność wzmocnienia i przesunięcia fazy dla wyższych częstotliwości. W przypadku OP27 (rysunek 2b) wspomniany kondensator jest większy (120pF), dlatego wzmacniacz ma mniejsze wzmocnienie przy dużych częstotliwościach niż OP37. Wzmocnienie staje się równe jedności (0dB) przy częstotliwości nieco ponad 5MHz, a wtedy przesunięcie fazy wynosi tylko około 110 stopni.

Do odwrócenia fazy, czyli do 180 stopni brakuje 70 stopni – mówimy, że margines fazy (phase margin) dla tego wzmacniacza wynosi 70 stopni. Wspomniany kondensator we wzmacniaczu OP37 ma tylko 15pF, co jest korzystne, bo daje większą szybkość i większe wzmocnienie przy wysokich częstotliwościach. Jak pokazuje rysunek 2b, wzmocnienie spada do jedności (0dB) przy częstotliwości około 30MHz, co cieszy. Tak, ale wtedy przesunięcie fazy jest znacznie większe od 180 stopni!

Rys.3 Wzmacniacz bez dzielnika oraz wzmacniacze z dzielnikiem

Patrząc na tę samą sytuację inaczej, powiemy: przesunięcie fazy równe 180 stopni (odwrócenie) następuje przy częstotliwości rzędu kilkunastu megaherców, a wtedy wzmocnienie jest większe od jedności. Jeśli nie ma obwodu sprzężenia zwrotnego, nie ma problemu. Ale podanie sygnału z wyjścia na wejście odwracające, na przykład w układzie wtórnika według rysunku 3a, spowoduje samowzbudzenie kostki OP37 na częstotliwości kilkunastu megaherców.

Aby nie dopuścić do samowzbudzenia, trzeba stłumić sygnał w pętli sprzężenia, co następuje przy zastosowaniu tam dzielnika, zarówno we wzmacniaczu nieodwracającym (rysunek 3b), jak i odwracającym (rysunek 3c). W przypadku OP37 wystarczy stłumić sygnał w pętli sprzężenia 5-krotnie, a samowzbudzenie nie nastąpi. Inaczej mówiąc, kostka OP37 nie może pracować w układzie wtórnika, a może prawidłowo pracować we wzmacniaczach o wzmocnieniu co najmniej 5× (14dB). Natomiast kostka OP27 bez problemu może pracować jako wtórnik. Podobnie LM358.

Wzmacniacz LM358 (LM324) - parametry

W katalogach nie sposób znaleźć dla wykorzystanego przez nas wzmacniacza LM358 (LM324) charakterystyk Bodego jak na rysunku 2. Można znaleźć tylko zależność wzmocnienia od częstotliwości, jak pokazuje rysunek 4 (z katalogu Diodes), a w niektórych też informację, że margines fazy wynosi typowo 60 stopni (przy częstotliwości około 1MHz).

Rys.4 Zależność wzmocnienia od częstotliwości -wzmacniacz LM358 (LM324)

Rysunek 4 wskazuje, że w zakresie częstotliwości 3...12kHz, na których wzbudzał się nasz zasilacz, wzmocnienie LM358 jest rzędu 100...1000 (40dB...60dB) i margines fazy zapewne jest duży, prawdopodobnie bliski 180 stopni, jak może sugerować rysunek 5, dotyczący pokrewnej, ale nowocześniejszej kostki LMV358 przy różnej pojemności obciążającej wyjście.

A dlaczego tak dużo mówimy o marginesie fazy? Otóż jeżeli margines (zapas) fazy będzie mały, to układ wprawdzie się nie wzbudzi, ale po każdej skokowej zmianie napięcia czy prądu będzie „dzwonił” – na wyjściu pojawią się tłumione drgania. Czym mniejszy margines (zapas) fazy, tym dłużej będą się utrzymywać takie gasnące drgania.

Rys.5 LMV358 - margines fazy

Zazwyczaj przyjmuje się, że margines fazy powinien być większy niż 45 stopni, by gasnące drgania były bardzo szybko tłumione. Pochodzący z karty katalogowej rysunek 6 pokazuje takie oscylacje, a właściwie tylko przerzuty dla naszego wzmacniacza LM358 pracującego w roli wtórnika przy znikomym obciążeniu pojemnościowym wyjścia. Przy większym wzmocnieniu przerzuty powinny być mniejsze.

Podane właśnie informacje to elementarne, szkolne podstawy. A w przypadku naszego zasilacza sytuacja jest bardziej skomplikowana: sygnały w pętli wzmacnia zarówno wzmacniacz operacyjny U3A typu LM358, jak i tranzystor T3, a tłumi je dzielnik R13, Pot1, R12. Także i główny MOSFET regulacyjny zapewne ma też jakiś wpływ, choć nie wzmacnia napięcia.

Rys.6 Przerzuty dla  wzmacniacza LM358 pracującego w roli wtórnika przy znikomym obciążeniu pojemnościowym wyjścia

W każdym razie mamy podstawy sądzić, że to nie kostka LM358 wprowadza największe przesunięcie fazy.

Na pewno faza jest w jakimś stopniu przesuwana także w obwodzie kolektorowym tranzystora T3, gdzie występują niezaznaczone na schemacie różne szkodliwe pojemności.

Zapewne faza sygnałów jest też zmieniana przez kondensator wyjściowy 10uF. Tu słusznie się domyślamy, że przesunięcie fazy będzie się zmieniać zależnie od rezystancji obciążenia, czyli od prądu wyjściowego.

Łatwo sprawdzić, że najbardziej przesuwa fazę kondensator wyjściowy. Rysunek 7 pokazuje samowzbudzenie przy obciążeniu wyjścia rezystorem 6,8Ω (0,45A), gdy ma on 1000uF, 10uF i gdy zostanie odłączony (0uF). Widzimy tu, że zwiększanie pojemności kondensatora wyjściowego pomaga, ale tylko zmniejszyć samowzbudzenie, a nie pozbyć się go całkowicie.

Rys.7 Samowzbudzenie przy obciążeniu wyjścia rezystorem 6,8Ω (0,45A)

Prawdopodobnie dobrze byłoby jakoś pozbyć się samowzbudzenia bez obecności kondensatora wyjściowego, a potem go dodać, co przypuszczalnie powinno polepszyć i tak dobrą sytuację oraz polepszyć właściwości dynamiczne. Ale czy tak będzie – zobaczymy później.

Jak zapobiegać samowzbudzaniu wzmacniacza?

Możemy więc teraz odłączyć kondensator wyjściowy i...

Najprostszą, popularną metodą walki z samowzbudzeniem jest włączenie kondensatora między wyjście i wejście „ujemne” wzmacniacza operacyjnego według rysunku 8.

Rys.8 „antywzbudzeniowy” kondensator

Bardziej zorientowani nazwą to metodą dominującego bieguna.

W moim prototypie do usunięcia samowzbudzenia potrzebna była pojemność co najmniej 40 nanofaradów, ale wtedy po dołączeniu kondensatory wyjściowego COUT oscylacje niestety znów się pojawiały. Dlatego między wyjście i wejście „minusowe” wzmacniacza U3A wlutowałem kondensator CA1 o pojemności aż 1 mikrofarada, który zapewniał stabilność także przy dużej pojemności włączonej na wyjściu.

Po dodaniu „antywzbudzeniowego” kondensatora CA1 (1uF) według rysunku 8 napięcie wyjściowe zasilacza nadal nie było gładkie, jak pokazuje rysunek 9. Występowały tam jakieś „śmieci” o wartości międzyszczytowej aż kilkuset miliwoltów. Już wcześniej widziałem na przebiegach dodatkowe niewielkie zakłócenia, ale wtedy je ignorowałem, koncentrując się na samowzbudzeniu.

Rys.9 Napięcie wyjściowe zasilacza po dodaniu „antywzbudzeniowego” kondensatora

Wprawdzie po dołączeniu kondensatora wyjściowego COUT „śmieci” te były redukowane, ale nie mogłem przejść dalej bez wyjaśnienia ich źródła.

Na pewno były to zakłócenia impulsowe, więc zwróciłem uwagę na włączone w pobliżu zasilacze impulsowe. Jednym ze źródeł tych zakłóceń okazał się impulsowy zasilacz lutownicy (24V 80W) zaadaptowany z jakiegoś zasilacza od laptopa. Po wyłączeniu lutownicy „śmieci” nadal występowały, tylko w regularnym rytmie. Rysunek 10a pokazuje wyjściowe napięcie stałe ze składową zmienną. Rysunek 10b pokazuje tylko składową zmienną – zakłócenia w powiększeniu, a rysunek 10c – po ich rozciągnięciu.

Rys.10 Wyjściowe napięcie stałe ze składową zmienną

Regularne impulsy o częstotliwości około 140kHz zapewne pochodziły z jakiejś przetwornicy.

Sprawdziłem, czy przyczyną nie jest wtyczkowy zasilacz impulsowy 7,5V, wykorzystany do zasilania części sterującej. Nie był!

Sprawdziłem, czy przyczyną nie jest świetlówka kompaktowa albo któraś z „żarówek LED” pracujących w sąsiednich pomieszczeniach. Nie były!

Dużym, bardzo nieprzyjemnym zaskoczeniem był fakt, że podczas pracy układu napięcie zasilające część sterującą nie jest gładkie. Napięcie zasilające ważny dla nas wzmacniacz U3A miało średnią wartość 5,46V, ale też niedopuszczalnie duże tętnienia ponad 300mV, jak pokazuje rysunek 11. Przyczyną tych tętnień okazała się zastosowana w zasilaczu maleńka 1-watowa przetwornica 5V/±15V, służąca do wytwarzania pomocniczego napięcia w naszym zasilaczu.

Rys.11 Napięcie zasilające układu - tętnienia

Trzeba było dokładniej zbadać sytuację! Wcześniej planowałem wykorzystanie w zasilaczu małej przetwornicy izolowanej 5V/12V, ale w prototypie zastosowałem posiadaną w zapasach 5V/±15V (fotografia 12). Teraz zamówiłem dwie wersje przetwornicy 5V/12V, dostępne w ofercie AVT: https://bit.ly/2M6mNcH https://bit.ly/35qATNW w cenach odpowiednio 18zł i 10zł – zobaczymy, czy cena ma związek z parametrami.

Prowizorycznie rozwiązany, a właściwie tylko ominięty problem samowzbudzenia został odłożony na bok. Najpierw należało dokładnie zbadać kwestie wpływu zastosowanej przetwornicy. Zarówno w aspekcie tętnień napięcia zasilania na wyjściu, jakkolwiek by nie było półtoraamperowego LM317, jak też spodziewanych zakłóceń przenoszonych do umieszczonych niedaleko (jak pokazuje fotografia 13) innych części układu przez pole elektryczne, magnetyczne i elektromagnetyczne. Zbadamy to w następnym odcinku.

Tematyka materiału: zasilacz, samowzbudzenie
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019
Udostępnij
UK Logo