Петля фаза нуль методика измерения: ⚡ Измерение сопротивления петли «фаза-нуль»

Измерение сопротивления петли «фаза-ноль»

Электролаборатория ГК Эколайф выполняет измерение сопротивления петли «фаза-ноль» на основе действующего Свидетельства о регистрации электролаборатории, с учетом действующих нормативных документов: Правил Устройства Электроустановок, Правил Технической Эксплуатации Электроустановок Потребителей, ГОСТ и других.

Договор на услуги электолаборатории

Наша компания работает с юридическими и физическими лицами. Мы заключаем договор на услуги электролаборатории, который является документом, четко определяющим стоимость и сроки выполнения работ. Заранее обговоренные условия снижают риски для обеих сторон, а также обеспечивают выгоду сделки для продавца и покупателя.
Подписание актов выполненных работ и приема-передачи оборудования означает успешное окончание работ. Мы предоставляем полный пакет документов, в том числе накладные, акты, счета-фактуры и кассовые чеки при оплате наличными, акты пуско-наладки, параметры настройки системы.

Содержание:
1. Необходимость проведения замера петли «фаза ноль»
2. Периодичность испытаний петли «фаза ноль»
3. Суть и методика проведения проверки сопротивления петли «фаза ноль»
4. Оборудование для проведения замера петли «фаза ноль»
5. Результаты измерений петли «фаза ноль» и возможные последствия
6. Протокол проверки согласования параметров цепи «фаза ноль»

---

Выезд инженера для расчета стоимости работ производится бесплатно

---

Введение

Все слышали фразу «Человек быстро привыкает к хорошему». Но всегда ли мы её осознаём? Вспомните ситуацию, когда человек сидит за компьютером или смотрит телевизор, и происходит отключение электроэнергии. Многие раздосадованные люди в этот момент решают, что если уж отдохнуть не получилось, то нужно пойти что-нибудь сделать полезного. И достают пылесос или пытаются включить стиральную машину, забывая, что и эти приборы работают от электричества!

Именно для того, что подобные отключения были более редкими, а система электроснабжения оставалась надёжной, необходимо проведение технического обслуживания и профилактических работ. И в данной статье пойдёт речь об очень важном исследовании, которое является обязательным в составе Технического отчёта электротехнической лаборатории.

---

 К оглавлению

Необходимость проведения замера петли «фаза-ноль»

Конечно же, деятельность любой электролаборатории направлена на предупреждение аварийных ситуаций в работе электроустановок всех типов. Проверка параметров цепи «фаза–ноль» – не исключение. Но для того чтобы понять, на предупреждение каких именно негативных последствий направлено данное измерение, нужно знать конечную цель этого измерения.
Ни для кого не секрет, что жилы одного кабеля ни в коем случае нельзя замыкать. Но если это произошло, то произойдёт очень красочное и яркое зрелище, под названием «короткое замыкание» (или сокращённо «К.З.»). Это информация так же известна всем со школьной скамьи из уроков физики. А вот что мало кто помнит или не знает вообще, так это о том факте, что при коротком замыкании происходит резкий скачок тока, в результате которого жилы кабеля невероятно сильно нагреваются, в доли секунды плавят и воспламеняют изоляцию. А если основание, по которому проложен кабель, горючее, то вероятность возникновения пожара неминуема.

Именно поэтому в электроустановках используют автоматические устройства защитного отключения, такие как автоматические или дифференциальные выключатели, устройства защитного отключения (УЗО), плавкие вставки и т.п. Их назначение – вовремя прекратить подачу электричества в линию с коротким замыканием. И, говоря «вовремя», имеются в виду доли секунды, ведь докрасна нагретый кабель и салют из искр способны спровоцировать пожар в очень короткий промежуток времени.

Из всего вышеизложенного напрашивается очевидный вывод: для того, чтобы избежать разрушающих последствий короткого замыкания, необходимо рассчитать и установить нужное по характеристикам устройство защиты. Собственно, ради этого и проводится проверка параметров цепи «фаза – нуль».

---

 К оглавлению

Периодичность испытаний петли фаза ноль

Электричество, энергоносители и энергопотребители – вещи динамические, потому что зависят от множества условий, параметров и характеристик. Конечно, никто не говорит о резких и глобальных изменениях, но некоторые колебания электрической сети, безусловно, присущи. Именно поэтому за состоянием элементов электроустановок необходимо постоянно следить и проводить периодические испытания их составляющих.

Для наглядности можно рассмотреть вот такой пример. Подавляющее большинство людей думают, что в каждой бытовой розетке используется напряжение ровно 220 вольт. В действительности, напряжение может быть различным даже в соседних зданиях. Более того, ГОСТами это предусмотрено: допустимое отклонение +/- 5%, предельное отклонение +/- 10% от номинальных 220 или 230 вольт. Следовательно, если замер напряжения в сети 220В показывает параметр, находящийся в диапазоне от 198 до 242 вольт, то это норма. А если в качестве номинального используется напряжение 230В, то верхний порог может достигать 253 вольт, и это так же будет нормой. Нормой, с предельным отклонением, но всё же нормой!
Получается, что максимально допустимая вилка разницы напряжения в сети, в зависимости от номинальных 220 или 230 вольт, может составлять 44 или 46 вольт (от -10% до + 10%) соответственно. Серьёзный перепад напряжения, не правда ли?! И подобные перепады, безусловно, не лучшим образом влияют на электроустановки и систему электроснабжения в целом. А если забежать немного вперёд и учесть, что ток короткого замыкания является отношением напряжения цепи к полному сопротивлению её проводников, то можно смело заявить, что величина напряжения напрямую влияет на величину тока короткого замыкания, и чем выше напряжение, тем ток при коротком замыкании будет больше.

Приведённая в данном примере вариантность параметра сети лишь частность. Таких примеров можно назвать бесконечное множество. Причин, влияющих на возникновение подобных примеров, много. В этом списке источники энергоснабжения (электроснабжающие подстанции, промежуточные трансформаторы), качество и состояние электрических проводников и электроустановок, количество потребителей и т.д. Главное – нужно понимать, что состояние этих «причин» не статично, оно постоянно изменяется. Ведь может же в сети измениться количество потребителей? Конечно, может! Следовательно, напряжение в сети хоть немного да изменится. А значит и ток короткого замыкания тоже изменится. Это и является основанием для проведения периодических проверок как отдельных цепей сети, так и электроустановки в целом.

Отметим, что «Правилами Устройства Электроустановок» (ПУЭ), а так же «Правилами Технической Эксплуатации Электроустановок Потребителей» (ПТЭЭП), проведение проверки параметров петли «фаза-ноль» регламентировано не реже одного раза в три года. Для электроустановок, расположенных в опасных зонах, не реже одного раза в два года.

Помимо периодических проверок, замеры петли «фаза-ноль» в обязательном порядке необходимо проводить после монтажа электроустановки, а также после проведения капитального её ремонта.

---

 К оглавлению

Суть и методика проведения проверки сопротивления петли фаза ноль

Если кратко, то суть процесса заключается в определении тока короткого замыкания на отдельно взятой линии сети, и сопоставление этого параметра с установленным на той же линии автоматическим устройством защиты. Если перефразировать, то измерение призвано выявить, верно ли подобраны автоматические выключатели по токовременным характеристикам.

А раз измерение так или иначе сводится к характеристикам автоматических устройств защиты, то стоит немного рассказать и о них.
Вообще, устройства защиты, будь то автоматический выключатель, диффавтомат, УЗО или любой другой – устройство довольно простое. И характеристик оно имеет не так уж и много. Но так как в рамках данной статьи нам интересны лишь время-токовые характеристики, то остановимся именно на них.
Любой автоматический выключатель имеет на своей лицевой стороне маркировку. Среди прочих характеристик, там указаны торговая марка, номинальное напряжение, ток и частота сети, для которой этот автомат предназначен, и прочее. Так же, в обязательном порядке маркировка содержит информацию о время-токовой характеристике отключения устройства. Маркируется эта характеристика указанием латинской буквы B, C, D или К (для однофазных автоматов). Следом за этой буквой следует цифра, обозначающая номинальный ток автоматического выключателя. Выглядеть эта аббревиатура может, например, так: «В16», «С32» или «D50». Но так как нас интересует время и токовая величина срабатывания автомата при коротком замыкании, остановимся именно на них.

Что же обозначают буквы B, C, D и К? В этих буквах заключен очень простой смысл, а именно: при каком кратковременном превышении номинального тока автомат сработает (отключится). За основу этого параметра принят, как уже стало понятно, номинальный ток, а показатель превышения измеряется в кратном его увеличении.

Параметры кратности тока, соответствующие этим буквам, следующие:

• тип «B» – отключение автоматического устройства защиты произойдёт, если ток короткого замыкания будет превышать номинальный ток в 3 – 5 раз;
• тип «С» – такой автомат сработает при кратковременном скачке номинального тока в 5 – 10 раз
• тип «D» и «К» – автоматические выключатели этого типа будут эффективны, если номинальный ток увеличится в 10 – 14-ти кратном размере от номинала.

По времени срабатывания в зоне токов короткого замыкания автоматические выключатели подразделяются на:

• селективные – с отключением автоматического выключателя с выдержкой времени,
• нормальные (с временем срабатывания 0,02-1 секунды)
• быстродействующие (с временем срабатывания менее 0,005 секунды).

Теперь, зная параметры защитных устройств на каждой ветке электрической сети, остаётся сопоставить их с данными самой сети. Но, в отличие от автоматических выключателей, показатели сети не статичны и могут претерпевать изменения в процессе эксплуатации. Поэтому и необходимо с определённой периодичностью проводить проверку этих параметров с помощью измерения характеристик петли «фаза-ноль».

Саму процедуру проведения проверки параметров цепи «фаза-ноль» можно разделить на три этапа.

• Проведение визуального осмотра;
• Непосредственное проведение измерений;
• Подведение итогов.

1 этап. Проведение визуального осмотра электроустановки

Во время осмотра, помимо исследования электроустановки, изучения документации и схем, проверки кабельных трасс и корпусов электрооборудования на предмет повреждений, проводят протяжку кабельных соединений в устройствах защиты. Проще говоря – затягивают болты на кабельных клеммах автоматических выключателях. Это крайне важное действие, без которого полученные результаты измерений могут быть просто неверными.

2 этап. Проведение измерений петли фаза ноль

Существуют разные методики для проверки петли фаза-ноль, а также разнообразные специальные измерительные приборы. Что касается методов измерения, основными считаются:

1. Метод падения напряжения. Замеры проводят при отключенной нагрузке, после чего подключают нагрузочное сопротивление известной величины. Работы выполняются с использованием специального устройства. Результат обрабатывают и с помощью расчетов делают сравнение с нормативными данными.
2. Метод короткого замыкания цепи. В этом случае проводят подключение прибора к цепи и искусственно создают короткое замыкание в дальней точке потребления. С помощью прибора определяют ток короткого замыкания и время срабатывания защит, после чего делают вывод о соответствии нормам данной сети.
3. Метод амперметра-вольтметра. Снимают питающее напряжение после чего, используя понижающий трансформатор на переменном токе, замыкают фазный провод на корпус действующей электроустановки.

Полученные данные обрабатывают и с помощью формул определяют нужный параметр. В последние годы именно этот метод завоевал наибольшую популярность.

В сущности, само по себе измерение достаточно примитивно. Оно заключается в определении точных показателей напряжения в сети и сопротивления измеряемых проводников – «фазы» с «нулём», или «фазы» с «землёй» – в зависимости от того, какая именно петля подвергается испытаниям. После подключения щупов прибора к клеммам, прибор автоматически выдаёт на экране показатель напряжения сети, а затем измеряет сопротивление одновременно на проверяемой линии и обмотке трансформатора. Оба значения сопротивления суммируются и получается величина сопротивления, которая будет необходима при дальнейших расчётах.

Для измерений выбирают самые дальние точки линий сети. Если такую точку определить сложно, то проводят измерения по всей линии. Под «точками» понимаются розетки, а так же оборудование, имеющее металлический корпус (станки, двигатели, светильники и т. д.)

После того, как получены оба значения – напряжение и сопротивление сети – можно переходить к расчётам, которые покажут ток короткого замыкания, и помогут определить, правильно ли установлены аппараты защиты.

3 этап. Проведение расчетов и составление протокола испытания

Составление протокола – это просто запись результатов проведения испытаний, и на нём мы остановимся позже. Сейчас же необходимо рассказать о проведении расчётов.

Ток короткого замыкания отражается в следующей зависимости:

Iкз=Uo/Rфо

где: Iкз – ток короткого замыкания; Uо – фазное напряжение; Rфо – полное сопротивление цепи.

На примере данный расчёт будет выглядеть следующим образом.
Предположим, что измерительный прибор выдал напряжение 225 вольт и полное сопротивление цепи 0,85 Ом. Автоматический выключатель, установленный для защиты этой цепи, имеет маркировку C32.

Итак, для начала нужно определить токовые рамки, в которых установленный автомат будет эффективен. Его маркировка С32 говорит о том, что это защитное устройство рассчитано на номинальное напряжение в 32 ампера, и относится к типу «С», что означает его эффективность проявляется при кратности тока короткого замыкания в пределах от 5 до 10 от номинального. Пятикратное умножение номинального тока дают нам 160 ампер, а десятикратное – 320. То есть, ток короткого замыкания должен быть в пределах от 160 до 320 ампер. Формула данного условия будет выглядеть вот так:

160А ≤ Iкз ≤ 320А

Теперь вычисляем непосредственно величину тока короткого замыкания. Исходные данные для этого расчёта – напряжение и полное сопротивление цепи – берём из результатов измерений.
Подставляем эти цифры в формулу и получаем следующее:

Iкз=225 В / 0,85 Ом=264,7 А

То есть, если в данной цепи произойдёт короткое замыкание, то при этом физическом явлении ток в цепи будет равен 264,7 ампера. Но в нашем примере автоматический выключатель успеет вовремя отреагировать, так как ток короткого замыкания находится как раз в промежутке от 160 до 320 ампер, то есть, в «пределах его юрисдикции»

Приведённый пример достаточно примитивен, но он наглядно показывает процесс исследования. На практике он может быть намного сложнее, в зависимости от того какая цепь сети подвергается замерам. Более того, трёхфазные сети так же подлежат проведению измерений, ведь они тоже попадают в область «электроустановки до 1000В», для которых, собственно, проверка параметров петли «фаза-ноль» актуальна.

---

 К оглавлению

Оборудование для проведения замера петли «фаза-ноль»

В сущности, для того, чтобы получить данные для расчёта величины тока короткого замыкания достаточно будет обычного вольтметра и омметра. Но прибор, который делает все необходимые измерения из одной точки, безусловно, гораздо удобнее.

Как уже упоминалось выше, оборудование для проведения испытаний может быть двух типов: работающее без нагрузки в сети, и работающее, когда сеть находится под напряжением. Такая разновидность обусловлена принципом работы приборов. Помимо этого, измерительное оборудование можно разделить на приборы полного цикла, сразу же вычисляющие ток короткого замыкания цепи, и приборы, измеряющие параметры, необходимые для расчёта тока К.З. на бумаге.

Для ускорения процесса измерения петли промышленность выпускает разнообразные измерительные приборы, которые можно использовать для замеров параметров сети по различным методикам. Наибольшую популярность набрали следующие модели:

• Измеритель М-417. Проверенный годами и надежный прибор для измерения сопротивления цепи фаза-ноль без снятия питания. Используют для замеров параметра методом падения напряжения. При использовании этого устройства можно провести испытание цепи с напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью. Он обеспечит размыкание измерительной цепи за 0,3 с. Недостатком является необходимость калибровки перед началом работы.

• Измеритель MZC-300. Устройство нового поколения, построенное на базе микропроцессора. Использует метод измерения падения напряжения при подключении известного сопротивления (10 Ом). Напряжение 180-250 В, время замера 0,03 с. Подключают прибор к сети в дальней точке, нажимают кнопку старт. Результат выводится на цифровой дисплей, рассчитанный с помощью процессора.

• Измеритель ИФН-200. Выполняет много функций, в том числе, и измерение петли фаза-ноль. Напряжение 180-250 В. Для подключения к сети есть соответствующие разъемы. Готов к работе через 10 с. Подключаемое сопротивление 10 Ом. При сопротивлении цепи более 1 кОм измерение проводиться не будут – сработает защита. Энергонезависимая память сохраняет 35 последних вычислений.

---

 К оглавлению

Результаты измерений петли фаза ноль и возможные последствия

Как уже стало ясно, данное измерение имеет ряд особенностей.

Во-первых, «проверка параметров цепи «фаза – нуль» и непрерывности защитных проводников» (именно такое полное название имеет данное исследование) проводится, как правило, под нагрузкой. То есть, для проведения замеров не требуется отключение электроэнергии. Более того, без электричества в проводниках данный замер будет выполнить попросту невозможно, потому как для расчёта конечных данных требуются параметры напряжения сети и сопротивления жил кабелей.

Во-вторых, измерения проводят на проводниках, а результаты сопоставляют с установленными устройствами защитного отключения. Для данного замера это правильно и логично, но в сравнении, например, с измерением сопротивления изоляции или металлосвязью заземления, где проводимые измерения относятся к испытуемым элементам, данная процедура – исключение.

В третьих, в отличие от прочих испытаний, проводимых электротехническими лабораториями, проверка параметров цепи «фаза – нуль» не требует имитации реальной ситуации. Например, методика проверки автоматических выключателей заключается в их «прогрузке», то есть, подачи на них электрической нагрузки с целью выявления параметров его срабатывания (отключения). Для проверки сопротивления изоляции кабелей, их так же подвергают воздействию электричества с определёнными параметрами. В случае же с измерениями параметров цепи «фаза-ноль», электроустановка просто работает в штатном режиме, и этого более чем достаточно.

Эти особенности накладывают очень большую ответственность на электротехническую лабораторию в части точности и скрупулёзности проведения данной проверки. Не смотря на кажущуюся простоту всего процесса, он таит в себе очень много нюансов, которые способны повлиять на конечный результат. А если конечный результат будет неверным, то последствия ошибки могут быть колоссальными.

Для подтверждения этих слов можно привести самую простую ситуацию, которая, собственно, чаще всего и происходит, если расчёты не верны либо измерения были проведены с нарушениями. Вспомните пример, который был приведён для расчёта. Расчётный ток короткого замыкания цепи фаза-ноль составил 264,7 ампера, при установленном автоматическом выключателе С32. А теперь предположим, что по каким-то причинам для проверяемой ветки было выбрано устройство защиты с характеристикой D или К. Это автоматически переносит функциональные рамки данного автомата в пределы 320 – 448 ампер. То есть, при коротком замыкании этот автоматический выключатель не защитит линию. Следовательно, жилы проводов будут греться, изоляция кабелей будет плавиться и гореть, а автомат будет оставаться в положении «Включено» больше положенного времени. Для таких ситуаций производители предусматривают в защитных устройствах ещё и тепловую защиту, которая призвана разрывать цепь в случае, если электромагнитный расцепитель не сработал.

Если же рассмотреть обратную ситуацию, когда ток короткого замыкания превышает рамки функциональной эффективности автоматического выключателя, то в этом случае электромагнитный расцепитель, безусловно, сработает в положенное временное окно, и линия будет отключена.

Но есть ещё одна крайне неприятная ситуация, при которой может выгореть не только линия, но и само защитное устройство. В очень редких случаях ток короткого замыкания может превышать номинальный в сотни раз! Например, он может составлять 3000, 5000 или даже 10000 ампер. Не смотря на то, что такая ситуация кажется фантастичной, она вполне реальна и объясняется так: при коротком замыкании, когда сопротивление цепи равно нулю, сила тока стремится к бесконечности. В этот момент трансформатор подстанции выдаёт в цепь максимальный ток который он только может выдать.

Что же происходит в этот момент с проводниками и защитными устройствами? Не секрет, что ток создает вокруг проводника магнитное поле. Таким образом, очень большой ток может создать вокруг проводника замкнутых контактов автомата такое магнитное поле, которое препятствует их размыканию (силы пружины автомата недостаточно для разрыва контактов, слипшихся под действием сильного магнитного поля). Для защиты от таких случаев, для всех автоматических выключателей существует такой параметр как «предельно отключаемый ток». Маркируется он на лицевой стороне автомата в виде цифры, обведённой в прямоугольную рамку.
Таким образом цифра (например 4500А) означает, что автомат сможет разорвать цепь, через которую течет ток 4500А. А вот если ток будет 5000А, то автомат не сможет разорвать цепь. Следовательно, становится понятно, что автоматы с цифрой 6000А более надежны, чем автоматы с цифрой 4500А.

Величина предельного тока в цепи так же можно измерить приборами, но в протоколе она не отражается, потому что данный параметр важен на стадии проектирования и монтажа электроустановки.

Оглядываясь на всё вышесказанное, можно уверенно сказать, что проверка параметров петли «фаза-ноль» должна проводиться только профессионалами своего дела, и только после тщательной предварительной подготовки. В противном случае, результаты измерений окажутся неверными, и в случае чрезвычайной ситуации ущерб, понесённый в результате совершённой ошибки, может оказаться невосполнимым.

---

 К оглавлению

Протокол проверки согласования параметров цепи «фаза – нуль»

Результаты измерений заносятся в Протокол проверки согласования параметров цепи «фаза – нуль», образец которого можно увидеть ниже:

Образцы протоколов электроиспытаний ЭТЛ Эколайф

---

Протокол №1 Визуального осмотра Протокол №2 Металлосвязь Протокол №3 Сопротивления изоляции проводов Протокол №4 Сопротивление цепи фаза-ноль Протокол №5 Контур заземления Протокол №6 Испытания автоматических выключателей Протокол №7 Испытания АВР Протокол №8 Испытания УЗО Протокол №9 Испытания двигателя Протокол №10 Проверка изоляции ЭА Протокол №11 Протокол фазировки Протокол №12 Испытания трансформаторов тока Протокол №13 Молниезащита

---

 

---

ТАКЖЕ МЫ ВЫПОЛНЯЕМ:
Обслуживание электроустановок	Слаботочные системы и сети	Испытание электроустановок	Автоматизация и диспетчеризация зданий

---

К НАЧАЛУ СТРАНИЦЫ

Измерение и проверка петли фаза-нуль в Москве по доступной цене: замер полного сопротивления цепи кабеля 0

Из-за физических особенностей проводки могут возникнуть ситуации, опасные для системы электрических сетей производства. Электролаборатория «Тествольт» предлагает методики, позволяющие протестировать правильное функционирование автоматов защиты. Одна из них – измерение цепи и проверка полного сопротивления петли фаза-нуль.

Природа этой процедуры относится к моментам перемыкания кабельных линий, когда нейтральный провод является глухо заземленным. Главная цель – выявить, как поведет себя установка во время короткого замыкания. Эмпирические исчисления по итогам таких мероприятий связаны со сложным учетом суммарных величин всех составляющих элементов. Фазные кабели могут соприкасаться заземленными конструкциями на рабочем участке. Поэтому необходимо исключать стороннее воздействие. Мы учитываем все перечисленные сложности и оперативно вычисляем требуемые показания специальными устройствами.

Что такое петля фаза-ноль

Данная цепь образуется, когда подключают Ф-проводник к 0 или к защитному проводу. Это приводит к возникновению замкнутого контура с особенным сопротивлением. На деле он зачастую включает намного больше элементов. Основная проблема, возникающая у пользователей, если не учесть перекошенные фазовые показатели по цепи – протечка тока. В связи с этим необходимо регулярно проверять все подстанции, которые работают на 1000 В и более и имеют нейтраль, напрямую подключенную к заземлителю.

Теоретически замер можно провести самостоятельно, но «домашние» испытания петли фаза-ноль отличаются тем, что:

• практически невозможно учесть все рубильники, коммутаторы и прочие дополнительные включения, особенно на большом предприятии;
• не происходит расчета аварий – важный аспект нашей профессиональной работы.

Поэтому рекомендуется применять проверенные аппараты, для этого следует обратиться в электролабораторию «Тествольт». У нас современное оборудование, которое постоянно испытывается на предмет соответствия всем нормам.

Для чего проводится тестирование и кому нужна услуга

Наша лаборатория предлагает производить расчет, замер и проверку полного сопротивления петли фаза-ноль и кабелей по доступным расценкам. Эти процедуры следует реализовывать в трех случаях:

• При первичном запуске нового или отремонтированного оборудования.
• Если в схеме произведена замена или добавлены другие детали.
• При осмотре различных служб, контролирующих надежность эксплуатации сетей (пожарные инспекции, «Ростехнадзор»).
• По требованию владельца используемой площади.

В процессе деятельности периодически возникают ограничивающие проблемы. Их факторы:

• Утечки, связанные с электрическим сопротивлением на подстанции и техническими свойствами трансформатора.
• Потери самого провода и линий.
• Переходные электросопротивления дополнительных переключателей, защитных оборудований, автоматов.
• Ток высокого напряжения, рассчитываемый путем деления значений по цепи на R.

Получаемые метрики считаются приближенными к точной информации, потому что во время работы показатели могут меняться, влияя на общий итоговый результат. Все проводимые измерения петли фаза-0 и другого оборудования нужны, чтобы вовремя принять меры по охране имеющейся техники и самих токоведущих элементов от перегрева и возможного возгорания.

Периодичность проведения проверок

Первое обслуживание является пусконаладочным, то есть применяется перед запуском, сразу после монтажа. Сроков здесь не предусмотрена, но нужно учесть, что чем раньше будут выявлены отклонения при монтаже (если они были допущены), тем быстрее можно требовать компенсации у компании, которая проводила электрификацию всего объекта. В обратном случае, если все с электроустановкой хорошо, полученное заключение послужит официальной бумагой, согласно которой можно проводить безопасный ввод в эксплуатацию прибора.

Если в последующем не произошло ситуации для скорого обращения в нашу электролабораторию, например, интерес обслуживающей фирмы или требования потребителя электричества, то плановая проверка обязана быть осуществлена не реже, чем 1 раз в 2 года при условии агрессивной среды, которой происходит использование.

Более подробную периодичность можно узнать, заказав консультацию нашего эксперта.

Какие приборы используют

Современное оборудование, которое постоянно проверяется на предмет технической исправности. Вся аппаратура – профессиональная. Если не хватает тех  измерительных сведений, которые можно провести на объекте, осуществляется тестирование в условиях электролаборатории. У каждой бригады в ходе измерения фазы-ноль имеется некоторые из популярных приборов:

• М-417. Из плюсов – нет необходимости отключать источник питания, просто применять. Есть цифровой индикатор вместо стрелочек. Имеет небольшие габариты. Максимально допустимый показатель напряжения – до 380В.
• MZC-300. Более современный аналог. Методика проверки – имитация короткого замыкания на линии. Берет менее обширные границы техники – до 250В. Есть индикаторы перегруженности и перегрева. Показывает результат за 0,3 секунды.
• ИФН-200. Очень надежный, минимальная погрешность – не более 3% при разрешенных 5-10%. Широкий спектр напряжений, сеть может быть от 30 до 280 В. Удачное новшество – встроенная память, прибор записывает до 35 предыдущих параметров.

Проведение испытаний

При тестировании фазных и нулевых проводов наша лаборатория применяет определенные методы, обеспечивающие корректное считывание данных:

1. Работа с отключением и подключением нагрузки в сети. Конечные результаты рассчитываются и сравниваются с нормативными документами.
2. Воспроизведение режима короткого замыкания. Для этого производят присоединение прибора, искусственно создающего такие условия. Подобным образом выполняются измерения сопротивления петли фаза 0 и фаза-фаза, после которых осуществляется анализ полученных сведений о проводниках.
3. Отключение напряжения и последующее применение трансформатора переменного тока, который выполняет соединение токоведущей жилы на корпус проверяемой электроустановки. Называют такие манипуляции методом амперметра-вольтметра, благодаря которому производятся вычисления требуемых параметров.

По окончании измерительных действий вся снятая информация фиксируется в протоколе. На его основе специалисты делают выводы по электрической системе и проверяют ее на согласование с нормативно-технической документацией.

Ниже более подробно приведем этапы наших работ.

Подготовительная стадия

На ней следует подготовить помещение, а именно избавить его от любых загрязнений и влажности. Прежде чем приступать к самой петле, проводят дополнительные предварительные испытания, например, проверка непрерывности и уровня сопротивлений защитных линий или тот же показатель между контуром заземления и корпусом.

Методика измерения

Самым простым и точным способом считается замер по падению напряжения в цепи. В электросеть включается элемент с высокой нагрузкой, подается. Можно проводить испытания. Подключенный прибор MZC-300 может измерять показания между фазовым проводом и:

• нулевым;
• РЕ;
• защитой заземления.

Использованное оборудование должно привести к включению устройства защитного отключения. Но перед этим будут получены данные для последующих вычислений.

Соблюдение определенных условий цепи при расчете сопротивления петли фаза-нуль

У измерителя есть характерные особенности работы, это:

• Нельзя проводить тестирование при напряжении выше 250В.
• Если защитные или нулевые проводники оборваны, прозвучит звуковой сигнал, на экране появится знак «––».
• При несоблюдении условий температурного равновесия, т.е при перегреве, прибор отключается автоматически и показывает символ «Т».

Выбор способа подключения

Есть несколько схем, характерных для разных проверок.

Классическое снятие показателей с петли С-N:

Между фазовым проводом и РЕ:

А вот чертеж, если есть защитное сопротивление:

Для проверки заземления корпуса:

Анализ результатов измерения и выводы

Данные записываются в книгу учета, анализируется состояние всей сети, в том числе в профилактических целях. По показаниям составляется отчет, в котором могут быть приняты меры по модернизации всей электросети или ряда ее составляющих или составлено заключение о том, что можно продолжать эксплуатировать изделие. Присутствуют такие варианты:

• После определения надежности всей проводки и элементов сети, защитных аппаратов, резюмируется, что можно дальше проводить использование без вмешательств.
• Поиск проблем с дальнейшими советами и рекомендациями по их замене, ремонте.
• Определяются наиболее верные способы модернизации для улучшения работы и увеличения эффективности.

Форма протокола измерения

После всех процедур на месте и лабораторных вычислений, мы даем официальное заключение. Для этого протоколируем все данные по определенному формату. В таблицу заносятся сведения, касающиеся проверки – от даты и используемого прибора до результатов и вынесенной оценки. В заключение также дается итоговый отчет – можно или нет далее эксплуатировать сеть, если нельзя, то приводится перечень действий, необходимых для исправления ситуации. Напоминаем, что нужно проводить профилактические работы, которые помогают значительно увеличить общий срок оборудования.

Меры безопасности

Данные процедуры могут проводить только сотрудники электролаборатории, которые имеют специальные навыки и допуск. Наши бригады оснащены всеми инструментами и методами индивидуальной защиты.

Доверяйте выполнение необходимых испытаний нашим профессионалам, прошедшим специализированное обучение. У нас:

• высококвалифицированные сотрудники;
• быстрое исполнение заказов;
• надежные, современные приборы;
• предоставление официального отчета, необходимого для проверяющих инстанций;
• многочисленные положительные отзывы от клиентов, среди которых «Евросеть», «Детский мир», «Промсвязьбанк», «РЖД» и другие;
• приятные расценки: замер полного сопротивления петли фаза-нуль производится по скромной цене, которая зависит от величины электрической цепи.

Оформляйте заявку на услуги по указанным телефонам или онлайн, и мы оперативно приступим к работе!

Измерение обратной связи с обратной связью | Electronic Design

Импульсные источники питания основаны на контурах управления с обратной связью, чтобы гарантировать, что требуемое напряжение и ток поддерживаются при различных условиях нагрузки. Конструкция контура управления с обратной связью влияет на многие факторы, включая регулирование, стабильность и переходную характеристику.

Контур управления с обратной связью будет колебаться, если имеется частота, на которой коэффициент усиления контура равен единице или больше, а общее отставание по фазе равно 360°. Стабильность обычно измеряется двумя факторами:

• Запас по фазе, разница между фактическим отставанием по фазе и 360°, когда коэффициент усиления контура равен единице, выражается в градусах.
• Запас по усилению, величина, на которую усиление упало ниже единицы, когда общее отставание по фазе составляет 360°, выражается в децибелах.

Для большинства систем управления с обратной связью запас по фазе превышает 45° (менее 315°), когда усиление контура превышает 0 дБ. Запас по усилению составляет -20 дБ или ниже, когда фазовая задержка контура достигает 360°.

Если эти условия соблюдены, реакция контура управления будет близка к оптимальной; он будет безусловно стабильным и не будет иметь ни недостаточного, ни чрезмерного демпфирования. Обычно измерение частотной характеристики выполняется далеко за пределами рабочей полосы частот контура управления, чтобы гарантировать выявление всех вероятных условий.

График Боде, показанный в модели . На рис. 1 представлены кривые усиления контура управления и фазовой характеристики для импульсного источника питания с одним выходом. Измерения проводились с использованием анализатора фазы усиления GP102, автономного прибора для оценки запаса по усилению и фазе контура управления, а затем импортировались в электронную таблицу.

В этом случае запас по фазе, измеренный от точки пересечения 0 дБ до 360°, составляет 82° (от 360° до 278°). Запас по усилению составляет -35 дБ, измеренный от 0 дБ до точки, в которой фаза пересекает 360°. Сравнение этих запасов по усилению и фазе с целевыми значениями запаса по усилению -20 дБ и запаса по фазе 60° подтверждает, что переходная характеристика и стабилизация протестированного источника питания будут чрезмерно демпфированы и неприемлемы.

Точка пересечения 0 дБ составляет 160 Гц, что способствует замедлению цикла. В идеале желательно положительное усиление контура на частоте 1 или 2 кГц, и, учитывая очень консервативные запасы по усилению и фазе, можно улучшить динамику контура, не приближаясь к областям нестабильности.

Требуются небольшие изменения в компонентах компенсации усилителя ошибки. После модификации контур управления может быть повторно протестирован для обеспечения безусловной стабильности.

Эти измерения обычно выполняет анализатор частотной характеристики (FRA) или анализатор фазы усиления. В этих приборах используются методы дискретного преобразования Фурье (ДПФ), поскольку измеряемые сигналы часто малы и маскируются шумом и искажениями, создаваемыми переключающим каскадом источника питания. ДПФ используется для извлечения интересующего сигнала.

Подача тестового сигнала

Для выполнения измерения FRA подает сигнал помехи или ошибки известной частоты в контур управления. Два канала измерения FRA используются для определения того, сколько времени проходит помеха от входа усилителя ошибки до выхода источника питания.

Инжекция должна происходить там, где сигнал обратной связи контура управления ограничивается одним путем и подается от источника с низким импедансом.

Соединение пути обратной связи с выходом источника питания или выходом усилителя ошибки является хорошим местом для ввода сигнала помехи.

Часто генератор сигналов подключается к тестируемой цепи через изолирующий трансформатор, как показано на рис. 2 , что обеспечивает электрическую изоляцию между генератором сигналов FRA и тестируемой цепью. Метод инжекции, представленный на рис. 2, добавляет сигнал возмущения на вход усилителя ошибки. Этот метод подходит для выходных напряжений источника питания в пределах максимального предела входного напряжения FRA.

Если проверяемый источник питания выдает высокое выходное напряжение, то метод первой подачи не применяется. В Рис. 3 сигнал помехи был введен после усилителя ошибки, где напряжение контура управления относительно земли низкое. Этот метод инжекции следует использовать, если выходное напряжение источника питания превышает входной диапазон FRA.

После выбора подходящей точки впрыска необходимо тщательно настроить амплитуду сигнала возмущения. Реакцию на возмущение можно посмотреть на осциллографе, подключенном к выходу источника питания.

Амплитуда генератора сигналов FRA должна быть установлена ​​равной нулю и низкой частоте, обычно в нижней части полосы пропускания контура управления. Медленно увеличивайте амплитуду генератора FRA. Хорошей отправной точкой для амплитуды генератора сигналов FRA является момент, когда на осциллографе видно небольшое возмущение, около 5% от номинального выходного напряжения источника питания.

Этот процесс следует повторить в верхней части полосы пропускания контура управления, чтобы понять, можно ли использовать один и тот же уровень привода во всей полосе пропускания контура. Генератор FRA не должен занижать или перегружать контур управления. Любые измерения, сделанные в этих условиях, будут неверными.

Маловероятно, что одна и та же настройка генератора сигналов FRA может использоваться во всей полосе пропускания контура управления. В этих условиях можно использовать сжатие амплитуды для поддержания устойчивого сигнала помехи при качании частоты и изменении коэффициента усиления контура. Это достигается за счет управления амплитудой генератора сигналов FRA для поддержания постоянного входного сигнала усилителя ошибки.

Выполнение измерения

Два входа FRA подключены к двум концам вторичной обмотки инжекторного изолирующего трансформатора, как показано на рисунках 2 и 3. Канал 3 измеряет выходной сигнал контура управления, а канал 2 измеряет управляющий сигнал. -петлевой вход. Измерения производятся относительно земли.

Произведите свипирование от 10 Гц до 30 кГц и обратите внимание на воспроизводимость измерений усиления и фазы как на хорошие индикаторы того, что в контуре управления применяется правильный уровень инжекции. Оцените запасы по усилению и фазе контура управления, обращаясь к рекомендациям по фазе усиления.

Подходящие компоненты компенсации могут быть применены к каскаду усилителя ошибки. Выполнение новой развертки покажет эффект изменений значений компенсации. В идеале петлевой коэффициент усиления должен снижаться до -20 дБ за декаду, особенно там, где петлевой коэффициент усиления превышает единицу.

Цепи коррекции коэффициента мощности

Цепи управления с обратной связью не ограничиваются регулировкой выхода импульсного источника питания. Активная коррекция коэффициента мощности (PFC), обычно используемая после мостового выпрямителя, использует два контура управления для достижения синусоидального входного тока, что приводит к коэффициенту мощности нагрузки, близкому к 1,0. Схемы PFC обычно основаны на специальной микросхеме контроллера, коммутационном устройстве и катушке индуктивности для накопления энергии — так называемом звене постоянного тока.

Первый контур, контур напряжения, пытается поддерживать постоянное напряжение постоянного тока в звене постоянного тока или на выходе схемы PFC. Эта петля относительно медленная, пересекая 0 дБ примерно на 10 Гц. Второй контур, контур управления током, эффективно управляет формой волны входного тока. Эта схема прерывателя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) должна отслеживать выпрямленную синусоидальную форму волны напряжения, поэтому, по сути, задание для контура управления током является динамическим. Поскольку текущий контур управления должен отслеживать частоту линии, точка пересечения может составлять несколько килогерц.

Тестирование контура управления напряжением

Тестирование медленного контура управления напряжением и быстрого контура управления током требует различных подходов:

Контур управления напряжением PFC

Контур напряжения прост. Никаких модификаций схемы не требуется, и фактически контур управления током остается активным во время проверки контура напряжения. В отношении выбора точки инъекции применяются обычные правила. Вы должны найти место в петле, где источник является точкой с низким импедансом и ограничивается одним путем. Мощность инжекторного резистора, вероятно, будет 1000 Вт.

Контур управления током PFC

Тестирование более быстрого контура управления током требует большой осторожности и внимания, поскольку для получения достоверной оценки запаса по усилению и фазе требуется несколько модификаций схемы:

1. Используйте источник от 0 до 400 В постоянного тока для подайте питание на вход схемы PFC. Источник переменного тока не требуется и должен быть отключен.
2. Отключить контур управления напряжением, но не всю микросхему.
3. При необходимости подайте вспомогательное питание на микросхему контроллера PFC, обычно +18 В.
4. Используйте источник питания от 0 до 10 В постоянного тока для управления выходным током PFC для соответствующего уровня входного напряжения. По сути, источник питания от 0 до 10 В постоянного тока будет управлять усилением в контроллере и заменять опорное напряжение, которое обычно изменяется со скоростью 100–120 раз в секунду для частоты сети 50 или 60 Гц. Цепь обратной связи по току должна отслеживать входное напряжение, поэтому для задания различных условий используется источник питания от 0 до 10 В постоянного тока.
5. Примените переменную нагрузку к выходу PFC.
6. Используйте инжекционный резистор на 100 Вт, подключенный между резистором датчика тока и входом датчика PFC.
7. Развертка от 50 Гц примерно до половины частоты коммутации. Проверьте реакцию контура с различными настройками и комбинациями, описанными в пунктах 4 и 5. Например, контур следует проверить при нулевом токе, пиковом токе и на полпути.

Измерения в зоне PFC опасны. Изолируйте входные каналы АЧХ и генератора от земли и друг от друга.

Об авторах

Кен Зальц является президентом компании Clarke-Hess Communication Research. До прихода в компанию он был президентом и основателем North Atlantic Instruments. Г-н Зальц написал множество статей, посвященных измерению и моделированию переменного тока, и получил степень B.S.E.E. Университет Хофстра и степень магистра делового администрирования Нью-Йоркского технологического института. Clarke-Hess Communication Research, 21-09 43rd Ave. Long Island City, NY 11101, 718-784-0445, электронная почта: [email protected]

Вернуться на домашнюю страницу EE

Опубликовано EE-Evaluation Engineering
Все содержание © 2001 Nelson Publishing Inc.
Запрещается перепечатывать, распространять или повторно использовать на любом носителе
без явного письменного согласия издателя.

Декабрь 2001 г.

Коэффициент усиления контура и его влияние на аналоговые системы управления

к Саймон Брамбл и Габино Алонсо

Аннотация

В этой статье объединены понятия усиления без обратной связи, усиления с обратной связью, запаса по усилению и фазе, минимальной стабильности усиления и показано, как эти параметры взаимосвязаны в системе с обратной связью . Он исследует коэффициент усиления контура с точки зрения теоретической системы управления, а также практических электронных схем, включая линейные регуляторы.

Введение

В статье Боба Добкина «Новые линейные регуляторы решают старые проблемы», 2014 г. В статье, описывающей революционный линейный стабилизатор LT3081 с малым падением напряжения, предполагается, что его постоянный коэффициент усиления улучшает переходную характеристику и абсолютную точность выходного напряжения по сравнению с другими решениями LDO. Это утверждение, хотя и впечатляющее и верное, делает важное предположение о понимании инженерами контурного усиления и о наличии четкой связи между постоянным контурным усилением и преимуществами LT3081. К сожалению, коэффициент усиления контура не так широко известен, как коэффициент усиления замкнутого и разомкнутого контура.

Без понимания коэффициента усиления контура и его влияния на электронную схему нельзя по-настоящему оценить преимущества LT3081. Эта статья предназначена для инженеров по электроснабжению, которые исследуют влияние контурного усиления на усиление и запас по фазе и связывают их с теоретической системой управления и реальными аналоговыми цепями обратной связи.

Основы

Классическим аналоговым строительным блоком является операционный усилитель, и его поведение можно применить к большинству систем управления с обратной связью. На самом деле, производительность многих устройств можно упростить, если смоделировать их как операционные усилители. Мы можем применить теорию операционных усилителей, скажем, к линейным стабилизаторам с малым падением напряжения (LDO) и импульсным стабилизаторам, чтобы предсказать стабильность компонента. На рис. 1 показана упрощенная схема операционного усилителя.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -its-effect-on-analog-control-systems/simplified-op-amp-circuit.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 1. Упрощенная схема операционного усилителя’& гт;

Рис. 1. Упрощенная схема операционного усилителя

Входное напряжение подается на усилитель ошибки, который вычитает часть (β) выходного напряжения из V _IN для выдачи сигнала ошибки. Таким образом, ошибка

Этот сигнал ошибки подвергается воздействию коэффициента усиления разомкнутого контура усилителя (A0) для получения выходного напряжения:

Это преобразовано для определения коэффициента усиления замкнутого контура усилителя:

В большинстве схем на операционных усилителях коэффициент усиления разомкнутого контура очень высок, т. е. намного больше, чем «1» в знаменателе, что позволяет приблизить коэффициент усиления замкнутого контура:

На рис. 2 показана традиционная схема операционного усилителя, где предсказуемость работы зависит от этого приближения коэффициента усиления.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -its-effect-on-analog-control-systems/traditional-op-amp-circuit.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 2. Традиционная схема операционного усилителя’& гт;

Рис. 2. Схема традиционного операционного усилителя

При любом заданном напряжении на выходе, если коэффициент усиления разомкнутого контура бесконечен, разность напряжений между двумя входными контактами (V _DIFF ) равна нулю, и операционный усилитель поддерживает одинаковое напряжение на обоих своих входных контактах. Здесь выход подается обратно на вход через резистивный делитель R1-R2, поэтому доля обратной связи (β) равна 0,1 (1k/10k). Из приведенных выше уравнений, если коэффициент усиления разомкнутого контура высок, коэффициент усиления замкнутого контура схемы приближается к величине, обратной доле обратной связи, поэтому коэффициент усиления замкнутого контура схемы равен 10,9.0003

Эта упрощенная теория операционного усилителя полезна при моделировании различных схем, справедлива для низкочастотных входов, но эта простая модель теряет силу для высокочастотных входов.

Loop Gain и операционный усилитель на переменном токе

Операционный усилитель LT1012 имеет классическую частотную характеристику усиления без обратной связи, показанную на рис. 3.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -its-effect-on-analog-control-systems/fig3.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 3. Операционный усилитель LT1012 с разомкнутым контуром и усилителем мощности. Усиление замкнутого контура в зависимости от частоты’>

Рис. 3. Коэффициент усиления разомкнутого и замкнутого контура операционного усилителя LT1012 в зависимости от частоты

На рис. 3 видно, что коэффициент усиления разомкнутого контура велик вплоть до входной частоты 0,3 Гц, после чего затухает со скоростью 20 дБ за декаду. Хотя усиление остается очень высоким в широком диапазоне входных частот, наступает момент, когда усиление без обратной связи нельзя считать относительно бесконечным. То есть, когда усиление разомкнутого контура приближается к усилению замкнутого контура, описанная выше идеальная модель операционного усилителя и соответствующие предположения, которые мы сделали относительно ее характеристик, начинают терять доверие.

Рассмотрим влияние конечного коэффициента усиления разомкнутого контура на коэффициент усиления замкнутого контура схемы на рис. 2. Коэффициент обратной связи (β) равен 1/10, поэтому в идеальной модели операционного усилителя коэффициент усиления замкнутого контура является обратной величиной , или 10. Если коэффициент усиления разомкнутого контура нашего операционного усилителя равен 100, расчетный коэффициент усиления замкнутого контура равен

.

Расчетное усиление замкнутого контура

Прирост по-прежнему примерно равен 10, но с погрешностью 9%.

Теперь рассмотрите возможность использования того же усилителя, но с обратной связью с единичным коэффициентом усиления. Доля обратной связи (β) равна 1, поэтому коэффициент усиления замкнутого контура идеального операционного усилителя должен быть обратным этому значению, или 1. Если коэффициент усиления нашего операционного усилителя без обратной связи равен 100, это приводит к коэффициенту усиления замкнутого контура, равному 9.0003

Хотя коэффициенты усиления разомкнутого контура этих двух цепей одинаковы, погрешность коэффициента усиления снижается до 1 % просто за счет уменьшения коэффициента усиления замкнутого контура.

Приведенные выше уравнения показывают, что ошибка является функцией того, насколько велико значение βA ₀ по отношению к члену «1» в знаменателе. Обратите внимание, что коэффициент усиления разомкнутого контура сам по себе не всегда определяет ошибку, но важным является произведение коэффициента усиления разомкнутого контура (A ₀ ) и коэффициента обратной связи (β). Для больших βA ₀ терм «1» теряет значение; для βA ₀ около единицы «1» становится значимой, увеличивая ошибку.

Что такое βA ₀

Так что же такое βA ₀ ? На рисунке 3 разница между кривой с замкнутым контуром (приблизительно 1/β) и кривой с разомкнутым контуром (A ₀ ) в логарифмическом масштабе составляет

.

Таким образом, разрыв между кривой усиления разомкнутого контура и кривой усиления замкнутого контура составляет βA ₀ (около 105 дБ при постоянном токе). Ссылаясь на рисунок 1, мы видим, что A ₀ • β — это коэффициент усиления, проходящий через усилитель и контур обратной связи, поэтому βA ₀ — коэффициент усиления контура, отражающий избыточное усиление, доступное в системе. Хотя часто считается, что коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя должен быть высоким, чтобы коэффициент усиления операционного усилителя был точным, мы можем видеть, что не обязательно коэффициент усиления разомкнутого контура, а коэффициент усиления контура должен быть высоким. Другими словами, коэффициент усиления разомкнутого контура должен быть большим по сравнению с коэффициентом усиления замкнутого контура, чтобы получить точное усиление контура.

Итак, какое влияние оказывает конечное усиление разомкнутого контура на схему операционного усилителя? Базовая теория операционных усилителей утверждает, что два входных напряжения регулируются до одного и того же напряжения, что является подходящим предположением при очень высоком коэффициенте усиления без обратной связи, но что происходит, когда коэффициент усиления без обратной связи уменьшается с увеличением частоты сигнала?

Рассмотрим схему на рис. 2: по мере того, как усиление разомкнутого контура усилителя уменьшается с увеличением входной частоты, мы видим увеличение переменного напряжения между двумя входными контактами, равное выходному напряжению, деленному на коэффициент усиления разомкнутого контура. Это не входное напряжение смещения, а небольшое переменное напряжение (В _DIFF ), который равен выходному напряжению, деленному на коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя. Если коэффициент усиления разомкнутого контура равен одному миллиону, а на выходе 1 В, то V _DIFF составляет 1 мкВ на двух входных контактах. Когда входная частота увеличивается, а усиление разомкнутого контура уменьшается, V _DIFF увеличивается. Доведенный до крайности, когда усиление без обратной связи упало до 10, наш V _DIFF становится значительным 100 мВ.

Здесь многие неправильно понимают работу операционного усилителя на более высоких частотах переменного тока, когда два входных контакта больше не регулируют одно и то же напряжение. Напряжение между двумя входными контактами состоит из входного напряжения смещения постоянного тока (которое для простоты мы здесь игнорируем) и V _ДИФФ . V _DIFF обычно можно игнорировать, но только не на высоких частотах.

Мы знаем, что коэффициент усиления без обратной связи представлен числом

.

, и мы знаем, что β представлено числом

.

, где V ^– – это напряжение на инвертирующем входе, поэтому коэффициент усиления определяется как

.

Контурное усиление сравнивает V ^– (которое должно быть равно входному сигналу) с V _DIFF .

Эффекты фазового сдвига

Существует также фазовый сдвиг, связанный с V _DIFF . Кривая усиления разомкнутого контура на рис. 3 идентична характеристике фильтра нижних частот. Существует частота разрыва на 0,3 Гц, после которой усиление спадает на 20 дБ за декаду, и еще одно на 1 МГц, после чего усиление спадает на 40 дБ за декаду. На рис. 4 показан фильтр нижних частот с такими же частотами излома.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -его-влияние-на-аналоговые-системы-управления/фильтр-низких-частот-с-частотной-отдачей-которая-соответствует-кривой-усиления-разомкнутой-петли-на-рисунке-2. png?la=en&w =435′ alt=’Рисунок 4. Фильтр нижних частот с частотной характеристикой, которая соответствует кривой усиления без обратной связи на рисунке 2’>

Рис. 4. Фильтр нижних частот с частотной характеристикой, соответствующей кривой усиления разомкнутого контура на рис. 2

Передаточная функция фильтра нижних частот одного порядка (состоящего из резисторов R1 и C1) определяется как

.

Как правило, для фильтра нижних частот одного порядка на частоте излома, равной одной десятой частоты излома, фазовый сдвиг примерно равен нулю. На каждой частоте излома фаза сдвигается на –45° (отставание по фазе), а при десятикратной частоте излома фазовый сдвиг составляет примерно –90°, оставаясь там за его пределами. Если частота второго излома находится на частоте 1 МГц, то на частоте 100 кГц общий фазовый сдвиг фильтра составляет приблизительно –90°, на частоте 1 МГц общий фазовый сдвиг составляет –135°, а на частоте 10 МГц общий фазовый сдвиг составляет приблизительно –180°.

Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя ведет себя таким же образом, хотя входное и выходное напряжения на рис. 2 совпадают по фазе, между V _DIFF и V _OUT имеется фазовый сдвиг, связанный со сдвигом фазы коэффициент усиления разомкнутого контура усилителя. Опять же, потому что V _DIFF обычно мал, его можно игнорировать, но по мере увеличения входной частоты увеличение V _DIFF не совпадает по фазе с входным напряжением, что может привести к проблемам со стабильностью. Кривая коэффициента усиления разомкнутого контура на рис. 3 не представляет проблем со стабильностью, но легко представить, что если бы частота второго излома была намного ниже частоты 1 МГц, наша схема теперь имела бы возрастающую V _DIFF , которая потенциально может быть на 180° несовпадающим по фазе с входным напряжением, что, безусловно, будет иметь последствия для стабильности.

LTspice — полезный инструмент для анализа эффектов фазового сдвига на различных частотах. На рис. 5а показано отставание выходного напряжения V _DIFF на 90° при частоте 1 кГц.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -его-влияние-на-аналоговые-системы-управления/figure-5a-vout-lags-vdiff-in-phase-by-90-at-1khz.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 5a. Vout отстает от Vdiff по фазе на 90&град; на частоте 1 кГц’>

Рисунок 5а. V _OUT Lags V _DIFF в фазе на 90° при 1 кГц

Если входная частота увеличивается с 1 кГц до 10 кГц, V _DIFF увеличивается в 10 раз, но отставание по фазе остается равным 90°, указывая на то, что мы далеки от второй частоты излома усиления разомкнутого контура. Это показано на рисунке 5b. Когда входная частота приближается к 1 МГц, отставание по фазе начинает увеличиваться выше 90° и V _DIFF соответственно увеличивается.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -его-влияние-на-аналоговые-системы-управления/figure-5b-vout-lags-vdiff-in-phase-by-90-at-10khz.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 5b. Vout отстает от Vdiff по фазе на 90° на частоте 10 кГц’>

Рисунок 5б. V _OUT Запаздывает V _DIFF в фазе на 90° при 10 кГц

Таким образом, можно видеть, что V _DIFF может достичь значения, при котором оно сравнимо с входным напряжением и сдвинуто по фазе на 180° с входным напряжением. фазовый сдвиг вокруг контура должен составлять 180°. Если V _DIFF подвергается воздействию коэффициента усиления разомкнутого контура усилителя (A ₀ ), то затухание цепи обратной связи (β), мы можем видеть, что это коэффициент усиления контура (βA ₀ ) и его фазы, определяющие устойчивость системы.

Рассматривая схему на рис. 2, операционный усилитель усиливает напряжение между своими входами (V _DIFF ), и это подвергается усилению βA ₀ , создавая напряжение V ^– . Если коэффициент усиления контура равен 1, это означает, что напряжение на V ^– такое же, как и на V _DIFF , поэтому амплитуда V _DIFF не изменилась после прохождения контура. Если он претерпел фазовый сдвиг на 180° и V _DIFF не изменился по амплитуде, цепь будет колебаться. Пуристы могут возразить, что фазовый сдвиг должен составлять 360°, и эти дополнительные 180° обеспечиваются инвертирующим входным контактом.

Кстати, если схема на рис. 2 имеет высокий коэффициент усиления, это означает, что резисторы обратной связи значительно ослабляют выходное напряжение. Большая часть фазового сдвига происходит в усилителе (поскольку резисторы обратной связи не имеют реактивных компонентов, следовательно, нет фазового сдвига), поэтому, чем ниже коэффициент усиления, тем больше «сдвинутое по фазе» выходное напряжение появляется на инвертирующем входе, увеличивая вероятность нестабильности. Вот почему некоторые усилители имеют минимальную стабильность усиления. Если вы уменьшите коэффициент усиления ниже определенного значения, на инвертирующем выводе появится больше сдвинутого по фазе выходного напряжения, поэтому схема будет более склонна к колебаниям.

Стоит рассмотреть работу схемы на рисунке 2 при различных коэффициентах усиления контура и фазовых сдвигах.

На низких частотах, когда усилитель имеет большое петлевое усиление, V _DIFF мал и имеет фазовый сдвиг –90° по сравнению с напряжением на инвертирующем входе (V ^– ). В этой ситуации напряжение на инвертирующем входе забивает V _DIFF , поэтому V _DIFF можно игнорировать. Однако, если фазовый сдвиг V _DIFF составляет –180° по отношению к V ^– , и в петле есть усиление, мы можем видеть, что любое напряжение на V _DIFF усиливается по мере прохождения по петле и инвертируется, затем усиливается и инвертируется, поэтому цепь колеблется. Схема должна иметь только единичное усиление контура, чтобы колебания были устойчивыми. То, насколько близко V _DIFF приближается к –180°, когда схема имеет единичное усиление контура, является мерой запаса по фазе схемы и говорит нам, насколько близка к точке нестабильности фаза схемы. Цепь со сдвигом по фазе –120° имеет запас по фазе 60°.

Аналогично, если V _DIFF имеет фазовый сдвиг –180° по отношению к V ^– , но испытывает затухание при прохождении через контур, напряжение, возвращающееся обратно на V ^– , меньше, поэтому любые колебания потенциала останавливаются из-за отсутствия контурного усиления. Степень затухания V _DIFF при прохождении через петлю (когда фазовый сдвиг составляет –180°) является мерой запаса по усилению схемы и говорит нам, насколько ниже единичного усиления находится усиление контура, когда фаза сдвиг –180°. Цепь с затуханием в петле 10дБ при V _DIFF равен –180°, имеет запас усиления 10 дБ.

Все вышесказанное может быть связано с теорией управления и блок-схемой на рисунке 1. Мы знаем, что коэффициент усиления замкнутого контура системы с обратной связью определяется выражением

.

, где βA ₀ — контурное усиление системы. Если βA ₀ имеет фазовый сдвиг –180° и единичное усиление, знаменатель становится равным нулю на одной конкретной частоте, и схема колеблется на этой частоте. Если βA ₀ велико, но не имеет фазового сдвига на –180°, знаменатель не равен нулю и схема не колеблется — у нас есть достаточный запас по фазе. Аналогично, если βA ₀ меньше единицы, но имеет фазовый сдвиг –180°, схема не вибрирует — у нас достаточный запас по усилению.

Итак, теперь мы можем видеть, что мы соотносим усиление разомкнутого контура, усиление замкнутого контура, усиление контура, запас по усилению и запас по фазе, а также объясняем это в области теории управления и области теории цепей.

Так как это относится к цепям питания? Большинство систем электропитания можно смоделировать как схему на операционном усилителе. На рис. 6 показан линейный регулятор LT1086. Мы видим, что в схеме есть два резистора обратной связи, и они обеспечивают часть выходного напряжения на вывод ADJ (который является инвертирующим входом внутреннего операционного усилителя). Неинвертирующая клемма связана с внутренним опорным напряжением.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -its-effect-on-analog-control-systems/traditional-linear-regulator-lt1086-.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 6. Традиционный линейный регулятор (LT1086)’&amp ;amp;gt;

Рис. 6. Традиционный линейный регулятор (LT1086)

Как обсуждалось выше, точность коэффициента усиления усилителя определяется коэффициентом усиления контура усилителя: чем больше коэффициент усиления контура в усилителе, тем выше точность коэффициента усиления.

Увеличение выходного напряжения LT1086 идентично увеличению коэффициента усиления обратной связи операционного усилителя. На рис. 7 показан эффект увеличения усиления замкнутого контура с 20 дБ до 80 дБ. Если усиление контура представлено разницей между кривой усиления разомкнутого контура и кривой усиления замкнутого контура, увеличение выходного напряжения LT1086 уменьшает усиление контура, снижая абсолютную точность выходного напряжения. Еще одним недостатком при увеличении выходного напряжения является уменьшение частотной характеристики схемы (в данном случае со 100 кГц до 100 Гц), поэтому страдает переходная характеристика нагрузки.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -its-effect-on-analog-control-systems/voltage-gain-vs-frequency.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 7. Коэффициент усиления по напряжению в зависимости от частоты’& гт;

Рис. 7. Усиление напряжения в зависимости от частоты

Семейство линейных регуляторов LT308x изменяет традиционную архитектуру LDO на ту, что показана на рис. 8.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/loop-gain-and -его-воздействие-на-аналоговые-системы-управления/lt3080-линейный-регулятор-с-нетрадиционной-архитектурой-улучшает-точность-переходный-отклик-над-трад.png?la=en&w=435′ alt=’Рисунок 8 , Нетрадиционная архитектура линейного регулятора LT3080 повышает точность и эффективность. Переходная характеристика по сравнению с традиционными линейными регуляторами’>

Рис. 8. Линейный регулятор LT3080 использует нетрадиционную архитектуру для повышения точности и переходной характеристики

LT3080 использует внутренний источник тока для создания напряжения на внешнем резисторе R _SET . Затем это напряжение подается на буфер единичного усиления для получения выходного напряжения. Это имеет ряд последствий.

Внутренний операционный усилитель работает с постоянным единичным коэффициентом усиления замкнутого контура с выходным напряжением, заданным параметром R _SET номинал резистора на «входе» ОУ.

Сравните LT3080, показанный на рис. 7, с традиционной схемой операционного усилителя, показанной на рис. 6. Выходное напряжение LT1086 на рис. 6 изменяется путем изменения резисторов обратной связи (и, следовательно, коэффициента усиления обратной связи) LT1086. Сравните это с LT3080, работающим с постоянным коэффициентом усиления в замкнутом контуре, где «входное» напряжение усилителя изменяется, задаваясь напряжением на R _SET . Если коэффициент усиления замкнутого контура остается неизменным, коэффициент усиления контура остается неизменным, поэтому схема обеспечивает хорошую абсолютную точность даже при высоких выходных напряжениях. Кстати, именно поэтому компоненты компенсации контура в преобразователе постоянного тока всегда имеют последовательную емкость. Выход усилителя ошибки является источником тока, а последовательная емкость по постоянному току имеет высокий импеданс, что обеспечивает высокий коэффициент усиления по постоянному току в компенсационном контуре.

Другим последствием сохранения неизменного коэффициента усиления контура является то, что частотная характеристика остается неизменной и не ухудшается при высоких выходных напряжениях, поэтому компонент может быстро реагировать на переходные процессы нагрузки.

Еще одно преимущество, представляющее особый интерес в свете постоянно снижающегося напряжения питания, заключается в том, что компоненты LT308x могут создавать выходное напряжение вплоть до 0 В. Традиционные LDO не могут устанавливать свои выходные напряжения ниже внутреннего опорного напряжения, в то время как за счет замыкания RSET на части LT308x выходное напряжение может быть установлено на уровне 0 В.

Заключение

Семейство LDO LT308x, благодаря их постоянному высокому коэффициенту усиления контура, обеспечивает лучшую точность при высоком выходном напряжении и переходную характеристику, чем традиционные LDO. Их также можно использовать так, как не могут традиционные LDO, например, установить выход на 0 В или включить их параллельно для работы с более высоким током.