לולאות משוב – דחיפה ישירה

ג’והן בוטריל, טקסס אינסטרומנטס

רבים מבין מהנדסי התכנון משתמשים בשיטת משוב שעל פיה דוחפים באופן ישיר את המוצא של מגבר השגיאות (הפין COMP) שבמעגל המשולב של הבקרה (מופיע באיור 1), במקום להשתמש במגבר הפנימי של המעגל המשולב, כדי לבקר את המעגל המשולב. כאשר לאחרונה סייעתי ללקוח, בחנתי את השיטה הזו, וגיליתי שיש בה בעיות מובנות. על מנת לתאר את טכניקת הבקרה הזו על בעיותיה, אלו ואחרות שקשורות לה, נשתמש ב–UCC28C42 כבמעגל המשולב לבקרה.
את המשוב מהמעגל המשני למעגל הראשוני אנו מקבלים ממצמד אופטי. בדוגמה זו, נשתמש במצמד אופטי גנרי, וכפי שניתן לראות באיור 2, עם כמות משמעותית של נתונים טכניים לצורך האפיון.
בעזרת טכניקה שמשמשת כדי לבקר באופן ישיר את הפין COMP, הקולקטור של הפוטו–טרנזיסטור של המצמד האופטי מחובר בין הפין COMP של המעגל המשולב של הבקר לבין האדמה. נגד R1 מחובר אף הוא בין הפין VREF לבין הפין COMP. באופן כזה מתקבלת עכבה לחישובי ההגבר של המצמד האופטי. נגד נוסף מחבר את הפין FB [פין המשוב] אל האדמה, ובכך מאלץ את מוצא המגבר (הפין COMP) להיות גבוה.
לכן הגבר המתח של המצמד האופטי הוא ההתנגדות של הנגד מהפין VREF אל פין המשוב [R1], כפול יחס ההעברה של הזרם [CTR] של המצמד האופטי מחולק בהתנגדות של R3, הנמצא בטור עם דיודת הפוטו (עיין במשוואה 1:).

משוואה 1:

ההגבר הוא ערך שמוגדר באופן ישיר ופשוט. החישוב שלו אמור להיות פשוט למדי, למעט המאפיינים והמגבלות התפעוליים של המצמד האופטי ושל מגבר השגיאות [ERROR AMP].
על מנת להבין זאת, עלינו להתבונן במאפיינים של בקר צורת הזרם [CMC]. למעשה, הפין COMP הוא נקודת החיבור של מקור חיובי ומקור שלילי של זרם מבוקר מתח. בעזרת פין המשוב [FB] המחובר אל האדמה, מקור הזרם של המעגל המשולב יהיה במצב פועל לחלוטין, ומקור הזרם השלילי יהיה במצב כבוי לחלוטין. ללא עומס, המוצא של מגבר השגיאות יהיה במתח גבוה וינסה לספק זרם.
אם נתבונן במפרט הטכני של UCC28C42, נראה שכאשר הפין COMP יהיה במצב גבוה, ב–5 וולט, בדרך כלל הוא יוכל לדחוף זרם של 1 מילי–אמפר אך זה יכול להיות מעט מאוד, עד כדי 0.5 מילי–אמפר. הזרם המרבי המופק מפין זה אינו מוגדר, אך תוכנית הבדיקה מציינת זרם מרבי של 5.0 מילי–אמפר.

דף הנתונים הטכניים מציין גם ש”ההיסט הנומינלי בין COMP ל–CS” הוא 1.15 וולט. גם לכך תהיה אפיצות (טולראנס) שתשתנה משבב לשבב ובהפרשי טמפרטורות. האפיצות מתוכנית הבדיקה מציינת טווח שבין 0.6 וולט לבין 1.7 וולט.
בהנחה שההתנגדות של R1 היא 2.5 קילו–אוהם, אנו יכולים לקבוע שעבור שינויי מתח של COMP מ–5 וולט ל–0.6 וולט, הזרם דרך R1 ישתנה מאפס ומעלה עד ל–1.76 מילי–אמפר.
לכן, מתוך המידע הזה אנו יכולים לקבוע שהטווח של המתח והזרם עבור הפוטו–טרנזיסטור של המצמד האופטי ישתנה מ–5 וולט לעד כדי 0.6 וולט, והזרם משתנה מ–0.5 מילי–אמפר (כאשר הפין COMP = 5 וולט והוא מוציא 0.5 מילי–אמפר) עד לזרם מרבי של 6.76 מילי–אמפר (כאשר הפין COMP = 0.6 וולט והוא מוציא 5.0 מילי–אמפר). זהו השינוי בזרם, אם ניקח בחשבון את כל שילובי האפיצות שהוזכרו לעיל.
כדי לקבל מחזור פעולה [duty cycle] ששווה אפס, הזרם דרך הטרנזיסטור עובר מ–1.82 מילי–אמפר עד 6.76 מילי–אמפר, בתלות באפיצות של “ההיסט בין COMP ל–CS” ובשינויים שבדחיפת הזרם של פין COMP.
חשוב להבין שמתוך ההפרש הכולל של 6.26 מילי–אמפר (6.76 – 0.5) שבו המעגל חייב להיות מסוגל לטפל, רק 1.76 מילי–אמפר שייכים לפונקצית הבקרה. יתרת השינויים של 4.5 מילי–אמפר נובעים מתוך שינויי הזרם במוצא ומהאפיצויות שבמקור הזרם של מגבר השגיאות [ERROR AMP].
פירושו של דבר שבצד דיודת הפוטו של המצמד האופטי, שינויי המתח שעל פני הנגד הטורי חייבים להיות לפחות בעלי אותו יחס.
על ידי כך שאנו מאפשרים קיום של אפיצויות אלו, יחס האות לרעש [SNR] של מעגל זה נמוך הרבה יותר מהרצוי, אפילו לפני שניקח בחשבון את השינויים מיחס העברה CTR.
טווח השינוי הרחב של הזרם מהשינויים במקור הזרם של UCC28C42 דרך הפוטו–טרנזיסטור גורם לטווח שינוי זרם רחב דרך נורית LED של המצמד האופטי, אשר מוביל למגבלות במתח הדינמי של אות הבקרה ΔVSEC, על מנת להשלים את פונקצית הבקרה.
אם נתבונן היטב בדינמיקה של המצמד האופטי, הדבר הבא שנגלה הוא שמבחינת המצמד האופטי הטיפוסי שנבחר, יחס העברה CTR יכול להיות בין 100 אחוזים ל–200 אחוזים עבור IF של 10 מילי–אמפר. ואולם, עבור IF של 1 מילי–אמפר, היחס CTR יורד למינימום של 34.

יחס העברת זרם
יחס העברת הזרם וזליגת קולקטור–אמיטור ??על פי מספר המפריד (Tamb°C)
בעיה נוספת היא המאפיינים של המצמד האופטי במתחי Vce נמוכים. ניתן לראות זאת באיור 5 שלהלן.
איור 5 מראה שעבור Vce בין 1 וולט בערך לבין 2.5 וולט בערך, ביחס העברה CTR יש רק שינוי קל והוא קרוב מאוד לקבוע. עם זאת, ככל שהמתח ממשיך לרדת, השינויים האלו יגדלו. זרם הקולקטור מתחיל לרדת, והמשמעות היא שיחס העברה CTR מתחיל לרדת. מאחר שמתח Vce בקונפיגורציית משוב זו צריך לרדת נמוך, עד כדי 0.6 וולט, עלולה להיווצר בעיה כאשר מעגל לולאת הבקרה יצטרך להגיע למחזור עבודה של אפס.
בעיה אחרת היא השינויים ביחס העברה CTR עם זרם הדיודה, כפי שניתן לראות באיור 6.
מבחינת המצמד האופטי, יחס העברה CTR עובר מ–40 אחוזים בערך, ל–100 אחוזים בערך, עבור שינוי בזרם IF מ–0.5 מילי–אמפר ל–5.0 מילי–אמפר במתח Vce של 5 וולט. כל האפיצויות והשינויים האלו מוסיפים מורכבות לא רצויה לתכנון ונדרש להם טווח דינמי רחב יותר של זרם דיודה, על מנת לענות על כל השילובים האפשריים. ליחס העברה CTR של 40 אחוזים, עבור זרם טרנזיסטור של 0.5 מילי–אמפר יש צורך בזרם של 1.25 מילי–אמפר דרך דיודת הפוטו. ואולם, בזרם טרנזיסטור של 6.76 מילי–אמפר ויחס העברה CTR של 40 אחוזים, זרם דיודת הפוטו יהיה בערך 17 מילי–אמפר, בזמן שבנקודת הקיצון האחרת, שבה הזרם דרך הטרנזיסטור הוא 0.5 מילי–אמפר ויחס ההעברה CTR הוא של 100 אחוזים, זרם דיודת הפוטו הנדרש הוא 0.5 מילי–אמפר בלבד.
ואף על פי כן, השינוי בזרם דרך הטרנזיסטור הנדרש לבקרה הוא 1.76 מילי–אמפר בלבד. הזרם הזה ביחס העברה CTR של 100 אחוזים הוא 1.76 מילי–אמפר דרך דיודת הפוטו וביחס העברה CTR של 40 אחוזים הוא 4.4 מילי–אמפר. ערכי המינימום והמקסימום נלקחים בחשבון עבור כל המשתנים המופיעים בטבלה 1:
אם נניח שבצד המשני, מתח המשתנה הזמין לבקרה הוא 10 וולט ונשתמש בנגד של 400 אוהם לצורך בקרה זו, טווח שינוי המתח הנדרש הוא 6.76 וולט לצורך כיסוי כל שילובי התנאים האפשריים. בהתבסס על יחס העברה CTR בתנאים הגרועים ביותר, יש צורך ב–1.76 וולט (4.4 מילי–אמפר) מתוך 6.76 וולט אלו, כדי לקיים את פונקצית הבקרה הזו, או 26 אחוזים בערך מהטווח הכולל הזמין של טווח שינוי המתח. חמישה וולט בערך מהשינויים שנותרו יידרשו כדי להתגבר על שינויי זרם של הפין COMP ועל השינויים ביחס ההעברה CTR. אם היינו בנקודת הקיצון האחרת, שבה נדרשים 1.32 מילי–אמפר בלבד של שינויי הזרם, דרישת מתח הבקרה הדינמית הייתה יכולה להיות 0.53 וולט, או פחות משמונה אחוזים.
עם דרישת מתח מינימלית של 0.6 וולט, הנדרשת להיסט שבין COMP ל–CS, הפרמטרים של המצמד האופטי והפין COMP יכולים למנוע מרוחב הפולס של הממיר את המעבר למחזור פעולה של אפס בכל התנאים של קו, עומס וטמפרטורה. וזה יכול להיות “הורדת המסך” עבור טכניקת בקרה זו.
פתרון לרוב המכריע של הבעיות הקשורות שבהן נתקלנו הוא שינוי הגדרות הקונפיגורציה ושימוש במגבר השגיאות [ERROR AMP] שבתוך המעגל המשולב, לקבלת בקרה ממשית של מתח הפין COMP. קונפיגורציה חלופית זו נראית באיור 7.

העובדה הראשונה שבה אפשר להבחין בקונפיגורציה החדשה, היא שהזרם דרך הנגד R2 יהיה תמיד שם ויהיה קבוע. הפעולות של מגבר השגיאות גורמות לפין COMP ולנגד R1 לספק את הזרם הנדרש לשמירת פין המשוב [FB] באותו מתח כמו מתח הייחוס הפנימי של 2.5 וולט. אם הנגד R2 נקבע ל–2.5 קילו–אוהם, הזרם שעל פני R2 יהיה זרם ישר קבוע של 1.0 מילי–אמפר.
בנוסף, הטווח המלא של המתח הנדרש במוצא של הפין COMP (0.6 וולט עד 5 וולט) גורם לשינויי זרם דרך הנגד R1 (5 קילו–אוהם) של –0.5 מילי–אמפר עד ל– +0.38 מילי–אמפר.
כאשר הפין COMP גבוה, 0.5 מילי–אמפר מהזרם מסופקים לנגד R2 על ידי הנגד R1, לכן הפוטו–טרנזיסטור צריך רק לספק 0.5 מילי–אמפר. כאשר הפין COMP נמוך, הפוטו–טרנזיסטור חייב לספק זרם של 1 מילי–אמפר דרך הנגד R2 וזרם של 0.38 מילי–אמפר דרך הנגד R1 – או 1.38 מילי–אמפר בסך הכל. כך נוצר שינוי כולל מ– 0.5 מילי–אמפר ל– 1.38 מילי–אמפר דרך הפוטו–טרנזיסטור. זרם של 0.88 מילי–אמפר הוא התוצאה של שינויים בזרם דרך פוטו–טרנזיסטור כתוצאה מדינמיקת לולאת הבקרה.
אם נתבונן בפוטו–טרנזיסטור נראה שהפחתנו את השינויים שבין 0.5 מילי–אמפר ל–6.6 מילי–אמפר, לשינוי כולל שבין 0.5 מילי–אמפר ל– 1.38 מילי–אמפר. כך הוקטן השינוי הנדרש בזרם הטרנזיסטור ל–14 אחוזים ממה שהוא היה במקרה הקודם. הוא גם מתקן את המתח על פני הטרנזיסטור לערך קבוע של 2.5 וולט, אשר מבטל את הפעולה במצב הקיצוני הנמוך, שהייתה קיימת במקרה הקודם.
בזרם זה דרך המצמד האופטי, יחס ההעברה CTR יהיה בין 40 אחוזים ל–60 אחוזים. ביחס העברה של 50 אחוזים, הזרם דרך דיודת הפוטו יהיה בין 1.0 מילי–אמפר לבין 2.7 מילי–אמפר, או שינוי של 1.7 מילי–אמפר, המהווה כעת 63 אחוזים מהטווח הכולל של שינויי הזרם.
טווח שינוי זרם נמוך זה משמעו יחס אות לרעש [SNR] טוב יותר בהרבה, מפני שכעת, אפשר להפוך 63 אחוזים של המתח הזמין למידע בקרה, בניגוד למקום כלשהו שבין 8 אחוזים עד ל– 26 אחוזים במקרה הקודם. השינוי כולו בזרם הוא תוצאה של השינויים באותות – לא בהיסטים.
ולסיכום, חישובי התכנון הנדרשים ללולאת משוב כפי שנראה באיור 3 מורכבים במיוחד כאשר לוקחים בחשבון את השינויים בפרמטרים של החלקים. החישובים מורכבים פחות, כאשר משתמשים בלולאה המופיעה באיור 7. בנוסף, במעגל שמופיע באיור 7, היחס SNR גבוה יותר בהרבה. ולבסוף, כמות החלקים זהה, אבל צריכת הזרם נמוכה יותר בהרבה.
בהשוואה שעורכים למעגל שבאיור 7 אל מול זה שמופיע באיור 3, הראשון קל יותר לשימוש, בעל הדירות רבה יותר מיחידה ליחידה ויש לו יחס SNR טוב יותר. כמו כן יש לו בונוס נוסף, בכך שהוא מספק טווח בקרה שנדרש לכיבוי הממיר, כאשר הזרם במוצא מתחיל לטפס מחוץ לחלון הייצוב.