Транскрипт

1 95 Лекция 0 ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План. Введение. Понижающие импульсные регуляторы 3. Повышающие импульсные регуляторы 4. Инвертирующий импульсный регулятор 5. Потери и КПД импульсных регуляторов 6. Выводы. Введение Источники вторичного электропитания, построенные по традиционной схеме (трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор) просты в исполнении, имеют низкий уровень электромагнитного излучения. Однако они рассеивают значительную мощность, имеют большие массу и габариты. Большие габариты таких источников обусловлены тем, что питающее напряжение имеет низкую частоту 50 Гц. Это приводит к необходимости применения трансформаторов с большим сечением магнитопровода и использованию конденсаторов большой емкости в сглаживающих фильтрах. Эти недостатки характерны и для линейных стабилизаторов, рассмотренных в ходе предыдущей лекции. В частности, коэффициент полезного действия таких стабилизаторов часто не превышает 50%. Малые значения КПД линейных стабилизаторов обусловлены в первую очередь тем, что мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, оказывается достаточно большой, особенно при стабилизации малых напряжений. Значительно больший КПД обеспечивают схемы, в которых регулирующим элементом является коммутатор (ключ), который с определенным периодом повторения Т переключается из замкнутого состояния в разомкнутое и обратно. В качестве коммутаторов используют биполярные или МОП-транзисторы. Отношение времени открытого (замкнутого) состояния ключа к периоду повторения Т может регулироваться. Меняя это отношение, мы можем в широких пределах регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Такой способ регулирования называют широтно-импульсным (широтно-импульсная модуляция ШИМ). Последовательно с коммутатором включается фильтр нижних частот, сглаживающий пульсации выходного напряжения до допустимой величины. Такие схемы называют импульсными регуляторами.

2 96 Основными компонентами импульсных источников питания являются дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы. Все перечисленные компоненты имеют малые потери, в идеале равные нулю. Если сопротивление ключа в замкнутом состоянии мало, то КПД импульсного источника может достигать 90% и более. Потери энергии в транзисторе, используемом в качестве коммутатора, происходят в основном на интервале переключения и определяются длительностью этого интервала. Поэтому чем лучше частотные свойства транзистора, тем выше КПД импульсного регулятора. Перечислим основные достоинства импульсных ИВЭП.. Высокий коэффициент полезного действия.. Малые масса и габариты. 3. Возможность получения выходного напряжения, превышающего входное (повышающие регуляторы). Импульсные источники вторичного электропитания позволили перейти от преобразования электрической энергии на низких частотах к работе на частотах в десятки и сотни килогерц. Это дало возможность значительно уменьшить размеры и массу трансформаторов и сглаживающих фильтров. Появление мощных высоковольтных транзисторов и материалов с малыми потерями для магнитопроводов высокочастотных трансформаторов дало возможность создания импульсных источников с бестрансформаторным входом. При выходной мощности 00 Вт такие источники могут иметь удельную мощность, превосходящую 00 Вт/дм, тогда как для традиционных ИВЭП этот показатель не превышает 0 Вт/дм. Укажем основные недостатки импульсных источников.. Напряжения и токи имеют импульсный характер. Это может привести к появлению высокочастотных помех в нагрузке и внешней сети. Для снижения уровня помех необходимо применение сглаживающих фильтров, тщательное экранирование и т.д.. Импульсный регулятор и схема управления коммутатором образуют систему с обратной связью. Необходимы специальные меры по обеспечению устойчивости регулятора. 3. Импульсные источники питания, в том числе и импульсные регуляторы, более дорогостоящи и требуют большего времени на разработку Схемы импульсных источников питания отличаются большим разнообразием принципов построения. Мы посвятим рассмотрению таких источников несколько лекций. Рассмотрим сначала основные схемы импульсных регуляторов.

3 97. Понижающий импульсный регулятор Схема понижающего регулятора показана на рис. 0.. Рис. 0. Регулирующим элементом является коммутатор, показанный на схеме в виде ключа. Дроссель и конденсатор C образуют сглаживающий фильтр. Частота переключений коммутатора должна быть большой для того, чтобы обеспечить малые пульсации выходного напряжения. Она может достигать сотен килогерц и единиц мегагерц. Увеличение частоты переключений позволяет значительно уменьшить массу и габариты сглаживающего фильтра. Рассмотрим электромагнитные процессы в схеме на рис. 0., которые происходят на интервале Т. Когда ключ замкнут, ток дросселя растет, и происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя. Когда ключ разомкнут, ток дросселя замыкается через открытый диод VD. Энергия, накопленная в магнитном поле дросселя, расходуется на поддержание неизменного выходного напряжения. Рассмотрим, как изменяется ток дросселя в течение интервала переключения коммутатора Т. Будем считать, что емкость сглаживающего конденсатора очень велика, так что выходное напряжение постоянно. Режим работы схемы зависит от состояния ключа. Обозначим t и время, в течение которого ключ замкнут. Рассмотрим следующие интервалы времени.. Интервал 0 tи. Ключ замкнут. К диоду приложено обратное напряжение, и он закрыт. Приращение тока на этом интервале вх вых = t и i.. Интервал t и T. Ключ разомкнут. Диод открыт, и ток дросселя замыкается через диод и сопротивление нагрузки R н. Приращение тока (T t) вых и i =. Временные диаграммы напряжений и токов импульсного регулятора показаны на рис. 0..

4 98 Рис. 0. Поскольку коммутация происходит периодически, суммарное изменение тока на интервале времени T равно нулю: i = i T вх и вых + i = = Из этого соотношения следует, что выходное напряжение t 0.

5 99 t вых = и вх = D вх. (0.) T t Здесь D = и коэффициент заполнения импульсов. T Равенство (0.) называют регулировочной характеристикой импульсного регулятора. Таким образом, выходное напряжение импульсного регулятора пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора. Поскольку D <, выходное напряжение всегда меньше входного. Поэтому такой регулятор называют понижающим. Величиной выходного напряжения можно управлять, изменяя коэффициент заполнения импульсов D. Такой процесс управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Она широко применяется не только в импульсных источниках питания, но и в других устройствах. Формула (0.) справедлива, если ток i (t) на интервале 0 T не обращается в нуль. Такой режим называют режимом непрерывного тока. Если ток дросселя в течение какого-либо промежутка времени на интервале 0 T обращается в нуль, то имеет место режим прерывистого тока. Поскольку емкость конденсатора конечна, выходное напряжение будет пульсирующим. Определим, как влияют на амплитуду пульсаций значения индуктивности и емкости сглаживающего фильтра. При оценке величины пульсаций выходного напряжения для упрощения анализа примем, что индуктивность дросселя; ток дросселя при этом имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 0.3). Среднее значение тока () I ср = D I. Рис. 0.3 Если емкость конденсатора достаточно велика, его сопротивление на частоте первой и высших гармоник значительно меньше сопротивления нагрузки: ωc

6 00 При этом можно считать, что переменная составляющая тока замыкается через конденсатор. Приближенные формы кривых напряжения u С (t) и тока i С (t) показаны на рис Приращение напряжения u С Рис. 0.4 DT DT () (D) DT u = I dt = D I dt = I. С C C ср 0 0 Из полученного выражения следует, что амплитуда пульсаций выходного напряжения не зависит от его среднего значения. Для уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения необходимо, чтобы выполнялось условие C (D) DT I. u С Аналогичным образом можно показать, что амплитуда пульсаций тока уменьшается, если индуктивность дросселя (D) DT Н. i C

7 0 В установившемся режиме величина пульсаций тока не зависит от его среднего значения. 3. Повышающий импульсный регулятор Схема повышающего импульсного регулятора показана на рис Когда ключ замкнут, диод закрыт, и к дросселю приложено входное напряжение. Используя допущения, принятые в предыдущем параграфе, определим изменение тока дросселя на интервале 0 tи вх i = t и. (0.) После размыкания ключа диод откроется, и образуется последовательная цепь. Энергия, накопленная в дросселе, передается на выход схемы. При этом ток дросселя уменьшается. Изменение тока на интервале t и T ()(T t) вых вх и i =. (0.3) Рис. 0.5 Поскольку среднее значение тока остается неизменным, суммарное изменение тока на интервале T равно нулю: i + i = 0. Подставляя в последнее равенство формулы (0.) и (0.3), получим регулировочную характеристика схемы, показанной на рис. 0.5: = D вых вх.

8 0 При D > 0. 5 выходное напряжение превышает входное. Поэтому регулятор на рис. 0.5 называют повышающим. Величиной выходного напряжения можно управлять, изменяя коэффициент заполнения импульса D. Как и в понижающем преобразователе, амплитуда пульсаций тока в схеме на рис. 0.3 не зависит от его среднего значения. 4. Инвертирующий импульсный регулятор Схема инвертирующего регулятора изображена на рис Разобъем цикл преобразования на два такта. В течение первого такта, при замкнутом ключе ток циркулирует в контуре, образованном источником входного напряжения, ключом и дросселем. При этом в дросселе происходит запасание энергии. При размыкании ключа энергия, накопленная в дросселе, передается в конденсатор и сопротивление нагрузки. Рис. 0.6 Определим регулировочную характеристику схемы на рис Примем, что в течение каждого такта напряжение постоянно, а ток дросселя изменяется линейно. При замкнутом ключе вх i =. tи Здесь t и интервал, в течение которого ключ замкнут, i приращение тока на этом интервале. При разомкнутом ключе вых i =. T tи Здесь i изменение тока на интервале T tи. Среднее значение тока за цикл преобразования должно остаться неизменным. Поэтому суммарное изменение тока на интервале T i + i = 0. Регулировочная характеристика инвертирующего импульсного регулятора

9 03 D =. D вых вх 5. Потери и КПД импульсных регуляторов Ключ является одним из основных источников потерь в импульсных источниках питания. В зависимости от топологии преобразователя на ключ приходятся от 40 до 50 % общей суммы потерь. Кривые напряжения и тока в ключе понижающего импульсного преобразователя показаны на рис В качестве ключа используется МОП-транзистор. Рис. 0.7 Римской цифрой I обозначены интервалы времени, соответствующие замыканию и размыканию ключа. Цифрой II обозначен интервал, соответствующий замкнутому состоянию ключа. Как следует из рис. 0.7, основную часть потерь в ключе составляют потери на электропроводность и потери на переключение. Для уменьшения потерь на электропроводность стараются минимизировать напряжение на замкнутом ключе. Другим элементом, вносящим значительный вклад в общую сумму потерь, является диод. График тока диода на интервале коммутации показан на рис. 0.8.

10 04 Рис. 0.8 Основную долю потерь в диоде составляют потери на электропроводность и обратное восстановление. Потери, связанные с прохождением обратного тока через диод на интервале обратного восстановления, могут достигать значительной величины. Обратный ток диода может вызывать бросок тока в ключе, что приведет к дополнительным потерям. Для уменьшения потерь используют диоды Шоттки, имеющие меньшее прямое напряжение. Другой путь уменьшения потерь замена диода МОП-транзистором. Эффект от замены заключается в том, что сопротивление открытого канала МОП-транзистора очень мало. Управляющие импульсы на затворы МОПтранзисторов подаются так, что нижний транзистор открывается только после того, как полностью закроется верхний транзистор. Такое управление МОП-ключами имитирует работу диода и называется синхронным управлением. Определим приближенно потери в понижающем импульсном регуляторе, показанном на рис. 0.. Это даст возможность оценить влияние параметров регулятора на величину потерь КПД рассматриваемой схемы. Для упрощения выкладок примем следующие допущения.. Вольт-амперную характеристику ключа будем считать кусочно-линейной (рис. 0.9). В закрытом состоянии ток ключа равен нулю, а в открытом состоянии ключ имеет сопротивление, равное R вкл. Сопротивление ключа в открытом состоянии не зависит от тока через него. Рис. 0.9 Рис. 0.0

11 05. Вольт-амперную характеристику диода также будем считать кусочнолинейной (рис. 0.0). Величина 0 определяет пороговое напряжение, при котором появляется заметный ток диода. Сопротивление диода в открытом состоянии равно R D. 3. Примем, что индуктивность дросселя бесконечна. Это означает, что ток в ключе и диоде, когда они открыты, постоянный. Учитывая принятые допущения, определим потери в понижающем импульсном регуляторе. Они складываются из потерь на электропроводность и потерь на переключение. (D) + R I (D) R I P откр = Rкл DI н + I н 0 D н + др н. В последнем выражении I н ток нагрузки. Потери на переключение равны средней мощности, рассеиваемой в ключе за время его включения и выключения. Аналитическая оценка потерь на переключение связана с большими трудностями, поскольку кривые токов и напряжений при замыкании и размыкании ключа имеют сложную форму. Примем, что ток при замыкании и размыкании ключа изменяется линейно. При этом допущении потери на переключение, равные средней мощности, рассеиваемой в ключе, P пер = T t t 4 i dt + () вх н i dt = I t + t вх н вх н вкл выкл. t T t 3 T Полученные выражения показывают, что потери понижающего импульсного регулятора меньше, если коэффициент заполнения импульсов близок к единице. Аналогичным образом можно оценить потери в повышающем импульсном регуляторе. 6. Выводы. Источники вторичного электропитания, построенные по традиционной схеме (трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор) рассеивают значительную мощность, имеют большие массу и габариты, малый КПД.. Значительно больший КПД обеспечивают импульсные источники, в которых регулирующим элементом является коммутатор (ключ), который переключается с определенным периодом повторения Т.

12 06 3. Основными компонентами импульсных источников питания являются элементы, имеющие малые потери дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы. 4. Импульсные источники вторичного электропитания работают на частотах в десятки и сотни килогерц. Это дало возможность значительно уменьшить размеры и массу трансформаторов и сглаживающих фильтров.

105 Лекция 11 ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ВХОДА И ВЫХОДА План 1. Введение. Прямоходовые преобразователи 3. Обратноходовой преобразователь 4. Синхронное выпрямление 5. Корректоры

5 Лекция 2 ИНВЕРТОРЫ План. Введение 2. Двухтактный инвертор 3. Мостовой инвертор 4. Способы формирования напряжения синусоидальной формы 5. Трехфазные инверторы 6. Выводы. Введение Инверторы устройства,

75 Лекция 8 ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) План 1. Введение 2. Однополупериодный управляемый выпрямитель 3. Двухполупериодные управляемые выпрямители 4. Сглаживающие фильтры 5. Потери и КПД выпрямителей 6.

Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. ТРАНЗИТ ЭНЕРГИИ КОММУТАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ В НАГРУЗКУ Схемы, состоящие из пассивных и нелинейных элементов (LD) и позволяющие уменьшить коммутационные потери, часто называют

Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ План 1. Источники вторичного электропитания 2. Однополупериодный выпрямитель 3. Двухполупериодные выпрямители 4. Трехфазные выпрямители 67 1. Источники вторичного электропитания Источники

9. Импульсные источники питания. Широтно-импульсная модуляция. В современном мире техники с ее тенденцией к миниатюризации и экономичности импульсные источники питания получили широкое распространение

Основы функционирования преобразовательной электронной техники Выпрямители и инверторы ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ДИОДАХ Показатели выпрямленного напряжения во многом определяются как схемой выпрямления, так и используемыми

84 Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План 1. Введение 2. Параметрические стабилизаторы 3. Компенсационные стабилизаторы 4. Интегральные стабилизаторы напряжения 5. Выводы 1. Введение Для работы электронных

165 Лекция 17 ПОДАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ План 1. Введение 2. Источники электромагнитных помех 3. Методы подавления электромагнитных помех 4. Выводы 1. Введение Импульсные источники вторичного электропитания

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для реализации мощных, дешевых и эффективных регулируемых транзисторных высокочастотных резонансных преобразователей напряжения различного применения,

63. Исследование однофазных выпрямителей Цель работы:. Изучение устройства и принципа работы однофазных выпрямителей. 2. Определение внешних характеристик выпрямителей. Требуемое оборудование: Модульный

Лабораторная работа 5.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ 5.3.1. Выпрямители Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основное назначение выпрямителя

РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 1.1. Состав и основные параметры выпрямителей Электрический (ВП) предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. В общем случае схема ВП содержит трансформатор, вентили,

Тема: Сглаживающие фильтры План 1. Пассивные сглаживающие фильтры 2. Активный сглаживающий фильтр Пассивные сглаживающие фильтры Активно-индуктивный (R-L) сглаживающий фильтр Он представляет собой катушку

Тема 16. Выпрямители 1. Назначение и устройство выпрямителей Выпрямители это устройства, служащие для преобразования переменного тока в постоянный. На рис. 1 представлена структурная схема выпрямителя,

Соловьев И.Н., Гранков И.Е. ИНВАРИАНТНЫЙ К НАГРУЗКЕ ИНВЕРТОР Актуальной, сегодня, является задача обеспечения работы инвертора с нагрузками различных типов. Работа инвертора с линейными нагрузками достаточно

15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основным параметром является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициента пульсаций

ÕÓ Â ÒıÂÏ ÒÚ ÚË ÂÒÍËı ÔappleÂÓ apple ÁÓ ÚÂÎÂÈ ÎÂÍÚappleË ÂÒÍÓÈ ÌÂapple ËË Ë Ëı Òapple ÌËÚÂÎ Ì È Ì ÎËÁ В статье предложены новые подходы к построению статических преобразователей, позволяющие повысить их

Глава 6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТОКА, КАЧЕСТВО ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПУТИ ИХ УЛУЧШЕНИЯ Энергетические показатели выпрямителей это коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент

МУСКАТИНЬЕВ А. В., ПРОНИН П. И. ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ Аннотация. В статье обсуждаются проблемы выбора силовой схемы для сварочного источника. Приводится описание электрической принципиальной

ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЛЕКЦИЯ 4 Цепи с взаимной индукцией. Рассмотрим два близко расположенных контура с числом витков w и w. На рисунке эти контуры условно покажем в виде одного витка. Ток, протекая в

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. - 2005. - 1. - 1-6 УДК 62-50:519.216 АНАЛИЗ И ВЫБОР ДЕМПФИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В.С. ДАНИЛОВ, К.С. ЛУКЬЯНОВ, Е.А. МОИСЕЕВ В настоящее время широкое

ТЕМА 7 Температурная стабилизация При повышении температуры окружающей среды ток транзистора увеличивается и его характеристики смещаются вверх (рис. 1). Рис.1 Эмиттерная стабилизация. Заключается в использовании

Глава 10. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 10.1. Классификация преобразователей постоянного напряжения Преобразователи постоянного напряжения (ППН) предназначены для преобразования постоянного напряжения

Лекция 3 «Выпрямители переменного напряжения». Для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное используются схемы, называемые «выпрямителями». Для реализации функции выпрямления в подобных

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра радиофизики Практикум по радиоэлектронике Импульсные источники питания Методические указания

6 Лекция 6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ. Введение.. Индуктивный и емкостный элементы. 3. Законы коммутации и начальные условия. 4. Заключение.. Введение До сих пор мы рассматривали цепи,

Лабораторная работа 1 Источники вторичного питания Целью работы является исследование основных параметров источника вторичного питания электронной аппаратуры на базе однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Глава 17. ИСТОЧИКИ ТОРИЧОГО ЭЛЕКТРОПИТАИЯ 17.1. Общая характеристика и классификация источников вторичного электропитания Источники вторичного электропитания (ИЭП) преобразуют переменное или постоянное

БЛОКИ ПИТАНИЯ БПС-3000-380/24В-100А-14 БПС-3000-380/48В-60А-14 БПС-3000-380/60В-50А-14 БПС-3000-380/110В-25А-14 БПС-3000-380/220В-15А-14 руководство по эксплуатации СОДЕРЖАНИЕ 1. Назначение... 3 2. Технические

Переходные процессы «на ладони». Вам уже известны методы расчета цепи, находящейся в установившемся режиме, то есть в таком, когда токи, как и падения напряжений на отдельных элементах, неизменны во времени.

ГЛАВА 7 Комбинированный импульсный стабилизатор напряжения со связью по входному напряжению. Функциональная и принципиальная схемы стабилизатора В главе 7 предложены функциональная схема комбинированного

Лабораторная работа 2 Исследование преобразовательных устройств: инвертора,конвертора в программной среде моделирования электронных схем Electronics Workbench 5.12. Цель работы: Ознакомиться с работой

Формирователь ШИМ-тока с постоянным размахом для питания светодиодов Суреш Харихаран (Suresh Hariharan) Оптимальное функционирование сверхъярких светодиодов обеспечивается при питании их от источника тока

5 Лекция ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ План Принцип работы генераторов C-генераторы гармонических колебаний Генераторы прямоугольных импульсов 4 Генераторы прямоугольных импульсов на специализированных

Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

114 силовая электроника Параллельная работа импульсных повышающих преобразователей постоянного тока при наличии индуктивной связи дросселей Анатолий КОРШУНОВ Параллельная работа импульсных повышающих преобразователей

1 Лекции профессора Полевского В.И. Выпрямители синусоидального тока Вольтамперная характеристика электропреобразовательного диода На рис. 1.1. представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) электропреобразовательного

6. ТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию с другими

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. 2006. 1(43). 147 152 УДК 62-50:519.216 ПОСТРОЕНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Е.А. МОИСЕЕВ Приводятся практические рекомендации по выбору элементов

11.5. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ Линейно изменяющимся или пилообразн ы м напряжением называют электрические колебания (импульсы), содержащие участки, на которых напряжение изменяется практически

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

Введение РАЗДЕЛ I Общая электротехника Глава 1. Электрические цепи постоянного тока 1.1. Основные понятия электромагнитного поля 1.2. Пассивные элементы цепей и их характеристики 1.3. Активные элементы

Лекция 5 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ УСТРОЙСТВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ План 1. Введение 2. Общие свойства магнитных материалов 3. Магнитные материалы, используемые в преобразовательных устройствах 4. Трансформаторы

97 Лекция 9. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ План. Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).. Элементы КМОП-логики. 3. Основные параметры логических элементов. 4. Выводы.. Элементы транзисторно-транзисторной

МПК H03F03/62 ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ Изобретение относится к усилительным устройствам и может быть использовано в телефонной связи. Известен двунаправленный усилитель, содержащий инвертирующие

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Игнатенко В.В. ПрЭ-1106. гр.361-3 Проблема коррекции коэффициента мощности Неэффективное использование электроэнергии, помехи в электросети, вызванные подключенными

УДК 621.314.5 к.т.н. Саратовский Р.Н., Афанасьев А.М. (ДонГТУ, г. Алчевск, Украина) РЕЗОНАНСНЫЙ ИНВЕРТОР С КОМБИНИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ Розглянуто схемну реалізацію резонансного інвертора з комбінованою

Новые модули питания с широким (4:1) диапазоном входных напряжений Одной из важных проблем энергетической электроники является разработка вторичных источников электропитания (ИВЭП), работающих от сети

54 Лекция 5 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕ- СКИХ ЦЕПЕЙ План Спектры апериодических функций и преобразование Фурье Некоторые свойства преобразования Фурье 3 Спектральный метод

Устройство и ремонт источников питания цифровых СТВ ресиверов Внимание! Данную копию использовать только в ознакомительных целях (после прочтения сжечь) Rip by Vasya Pupkin Источник питания является одним

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 3 Глава 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ОСНОВНОЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1.1. Предмет преобразовательной техники... 5 1.2.

«Электронный дроссель» Евгений Карпов В статье рассмотрены особенности работы электронного силового фильтра и возможность его использования в звуковоспроизводящей аппаратуре. Побудительным мотивом написания

Интегрированные электроприводы переменного тока среднего напряжения Perfect Harmony: новый стандарт качества преобразования энергии 1. Электроприводы переменного тока среднего напряжения Данный класс

1 Лабораторная работа 17 Исследование работы диодных ограничителей Четырехполюсник, на выходе которого напряжение () остается практически неизменным и равным U 0, в то время как входное напряжение () может

Лабораторная работа 1.3 Исследование энергетических характеристик выпрямительных устройств для питания телекоммуникационного оборудования 1. Цель работы 1.1 Определить наиболее эффективный преобразователь

1 S. CLEMENTE, B. PELLY, R.RUTTONSHA AN-939A УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ЧАСТОТОЙ 100 КГЦ НА ОДНОМ МОП ПТ Аннотация Мощные МОП ЛТ являются привлекательными кандидатами для использования в импульсных

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕКТОРОВ СОСТОЯНИЯ В КВАЗИРЕЗОНАНСНОМ ИМПУЛЬСНОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ, ПЕРЕКЛЮЧАЕМОМ ПРИ НУЛЕВОМ НАПРЯЖЕНИИ ВП Войтенко, ЮА Денисов Черниговский государственный технологический университет Украина,

68 Лекция 7 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПЯХ ПЕРВОГО ПОРЯДКА План 1 Переходные процессы в RC-цепях первого порядка 2 Переходные процессы в R-цепях первого порядка 3 Примеры расчета переходных процессов в цепях

Карзов Б.Н., Кастров М.Ю., Малышков Г.М. ИМПУЛЬСНЫЕ СВОЙСТВАСХЕМ ДИОДНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ При выборе различных способов управления основными схемами диодных включений МДПтранзисторов, используемых

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Цели работы: 1. Исследование схем и основных характеристик регуляторов и стабилизаторов постоянного напряжения с импульсным

10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Общие сведения. Электронный ключ это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в

НТЦ СИТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР СХЕМОТЕХНИКИ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. РОССИЯ, БРЯНСК ШИМ-КОНТРОЛЛЕРЫ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПО ТОКУ К1033ЕУ15хх К1033ЕУ16хх РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ Микросхема

1 Лекция ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 1 Введение Выпрямительные устройства 3 Линейные стабилизаторы напряжения параметрического типа 4 Теоретическое обобщение по теме 1 Введение Все источники питания

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ИПС-300-220/24В-10А ИПС-300-220/48В-5А ИПС-300-220/60В-5А DC/DC-220/24B-10A (ИПС-300-220/24В-10А (DC/AC)/DC)) DC/DC-220/48B-5A (ИПС-300-220/48В-5А (DC/AC)/DC)) DC/DC-220/60B-5A

Микросхема повышающего DC/DC конвертера (Функциональный аналог LT1937 ф. Linear Technology Corporation) Микросхема IZ1937 представляет собой повышающий DC/DC конвертер, разработанный специально для управления

Линевич Э. И. [email protected] Приморский край, г. Артём Электромагнитный источник энергии (физические основы принципа действия) Предлагается генератор электрической энергии, который может быть использован

Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Кафедра радиоэлектроники Отчет по лабораторной работе: НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ Выполнили: Проверил:

Елена Морозова, Алексей Разин Блоки питания лазеров Краткий конспект лекций по дисциплине «Лазерная техника» Томск 202 Лекция Элементная база блоков питания и простейшие схемы на их основе Любой лазер

ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (ДИБП) NO-BREAK KS Основные элементы, представленные на рисунке: 1. Дизельный двигатель. 2. Электромагнитная муфта сцепления. 3. Специальная бесщеточная

Лабораторная работа 1 Выпрямитель переменного тока Цель: изучение работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей и их характеристик. Выпрямителем называется устройство для преобразования напряжения

Лабораторная работа 2 Исследование сглаживающего фильтра источника вторичного питания Целью работы является изучение методов снижения пульсаций выпрямленного напряжения источника вторичного питания электронной

Автоматические регуляторы импульсного действия

Автоматическое управление широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ).

Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.

В современных системах автоматического управления системы автоматического регулирования являются подсистемами САУ и их применяют для регулирования различных параметров при управлении объектом или процессом.

Принцип действия всякой системы автоматического регулирования (САР) заключается в том, чтобы обнаруживать отклонения регулируемых величин, характеризующих работу объекта или протекание процесса от требуемого режима и при этом воздействовать на объект или процесс так, чтобы устранять эти отклонения.

Для осуществления автоматического регулирования к регулируемому объекту подключается автоматический регулятор, вырабатывающий управляющее воздействие на регулирующий орган. Это управляющее воздействие вырабатывается регулятором в зависимости от разности между текущим значением регулируемой величины (температуры, давления, уровня жидкости и т. д.), измеряемой датчиком, и желаемым её значением, устанавливаемым задатчиком.

Регулируемый объект и автоматический регулятор вместе образуют систему автоматического регулирования.

Основным признаком САР, является наличие главной обратной связи, по которой регулятор контролирует значение регулируемого параметра.

Рисунок 1. - Функциональная схема САР:

З - задатчик, для установки заданного значения параметра X0;

Д - датчик (термопара, терморезистор, датчик уровня, скорости и др. для разных систем);

Р - регулятор;

ИМ - исполнительный механизм (эл. мотор с редуктором, пневмоцилиндры и др.);

РО - регулирующий орган (кран, вентиль, заслонка и др.);

О - объект регулирования (печь, эл. мотор, резервуар и др.);

У - регулирующее (управляющее) воздействие;

Z - помеха (возмущение);

Х - регулируемый параметр;

X1 - сигнал на выходе датчика;

еX1X0 - ошибка, возникает при отклонении параметра от задания;

X0 - заданное значение регулируемого (управляемого) параметра может быть постоянным X0 или изменяемым (Ut).

Сигнал с задатчика может быть:

• - постоянным X0, const. для поддержания постоянства регулируемого параметра температуры, давления, уровня жидкости и т. д. (системы стабилизации);
• - может изменяться во времени U(t) по определённой программе (программное регулирование);
• - может изменяться во времени U(t) в соответствии с измеряемым внешним процессом (следящее регулирование).

Промышленностью выпускается большое количество различных автоматических регуляторов, предназначенных для регулирования режима работы котельных установок (температуры, давления, расхода, уровня, состава вещества и пр.).

Наибольшее распространение в промышленности получили стабилизирующие автоматические регуляторы непрерывного действия и релейные, реагирующие на отклонение регулируемой величины и использующие для воздействия на исполнительный механизм электрическую энергию или энергию сжатого воздуха. В современных регуляторах закон регулирования формируется, как правило, в соответствующих устройствах обратной связи, за исключением интегрального регулятора, который не имеет дополнительной обратной связи.

Регулятор импульсный - автоматический регулятор прерывистого действия, выходной сигнал (управляющее воздействие) которого имеет характер модулированной последовательности импульсов.

Необходимым элементом импульсного регулятора является импульсный элемент (модулятор), осуществляющий модуляцию выходной импульсной последовательности в соответствии с величиной сигнала ошибки. В зависимости от вида импульсной модуляции различают амплитудно-, широтно- и частотно-импульсные регуляторы.

Импульсный характер управления облегчает решение ряда технологических проблем, возникающих при разработке автоматических регуляторов, и позволяет создавать некие регулирующие устройства, обладающие существенными конструктивными и эксплуатационными преимуществами.

Одним из главных преимуществ импульсного регулятора является то, что в них с помощью простых и экономичных технических средств можно разрешить противоречие между точностью и мощностью управляющих сигналов.

При непрерывном характере управления первичный измерительный прибор (магнитоэлектрический гальванометр, логометр, гироскоп и т. п.) постоянно соединен с датчиком-преобразователем, который преобразует показания прибора в мощный сигнал, управляющий работой исполнительного механизма.

Датчик является дополнительной нагрузкой на подвижную систему прибора, снижающий точность его показаний. В импульсном регуляторе имеется возможность подключать датчик к первичному прибору лишь на время действия управляющего импульса.

На это время подвижная система измерительного прибора фиксируется в том положении, в котором она находилась перед появлением импульса, так что точность показаний прибора не ухудшается.

Существенным преимуществом регуляторов с амплитудно- и широтно-импульсной модуляцией (АИМ, ШИМ) является возможность осуществлять многоканальное регулирование.

При этом один импульсный регулятор управляет работой нескольких объектов управления ОУ1, ОУ2, ОУN за счет временного разделения каналов регулирования, осуществляемого импульсными элементами ИЭ-1, ИЭ-2,…,ИЭ-N, работающих с одинаковыми или кратными периодами повторения Т, но сдвинутых по фазе на величину?Т.

Рисунок 2. - Многоканальная импульсная САР:

а - структурная схема;

б - диаграмма работы импульсных элементов;

xi - регулируемые величины;

еi - сигналы ошибок;

ui - управляющие воздействия.

Основным преимуществом импульсных регуляторов с частотно- и широтно-импульсной модуляцией (ЧИМ и ШИМ) является сочетание высокого качества регулирования с конструктивной простотой и надежностью, характерными для релейных систем. Высокое качество регулирования обеспечивается здесь линеаризующим действием ЧИМ или ШИМ, благодаря которому динамические характеристики импульсного регулятора приближаются к характеристикам линейных регуляторов.

В то же время релейный характер выходного сигнала таких регуляторов позволяет применять простые и надежные исполнительные механизмы с релейным управлением: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, гидравлические или электропневматические приводы, соленоидные клапаны, шаговые двигатели и т. п.

В качестве примера на рисунке 3 изображена блок-схема простейшего частотно-импульсного регулятора. Сигнал ошибки e(t), усиленный усилителем напряжения (УН), поступает на интегрирующий RC-фильтр. Сигнал после фильтра, усиленный усилителем мощности (УМ), подается на реле РУ, управляющее работой исполнительного механизма (ИМ) и реле времени (РВ). РВ, срабатывая с небольшой временной задержкой?t, разряжает конденсатор С.

Это приводит к возврату РУ и остановке ИМ. В результате на выходе РУ появляются прямоугольные импульсы с постоянной длительностью?t и с частотой, приблизительно пропорциональной сигналу ошибки e(t). По динамическим свойствам такой импульсный регулятор близок к простейшему линейному астатическому регулятору, а по конструктивной простоте и надежности - к трехпозиционному релейному регулятору.

Рисунок 3. - Блок-схема частотно-импульсного модулятора:

Импульсный способ передачи информации обладает повышенной помехозащищенностью. Поэтому импульсные регуляторы применяют в системах автоматического управления, содержащих проводные или радиотехнические каналы связи. Примерами таких систем являются радиолокационные станции сопровождения, системы телеуправления промышленными объектами и т. п.

В электроэнергетике большое распространение получили регуляторы напряжения, частоты и активной мощности с ШИМ и ЧИМ. В СССР выпускался большой ассортимент устройств для одно- и многоканального импульсного и цифрового регулирования типа МИР-63, пневматические обегающие устройства типов УМО-8 и УМО-16, предназначенные для 8- и 16-канального импульсного регулирования и выпускающиеся в составе системы «СТАРТ», машины для централизованного контроля и многоканального цифрового регулирования типов «ЭЛРУ», «Зенит», «Цикл-2», «АМУР», «МАРС-200Р» и др.

Импульсные регуляторы вместе со специальными логико-вычислительными устройствами позволяют создавать системы экстремального регулирования, предназначенные для автоматического подержания максимального (минимального) значения регулируемой величины. Примерами экстремальных импульсных регуляторов являются частотно-импульсный экстремальный регулятор «ЭРА-1» и экстремальные пневматические регуляторы серии АРС (система «СТАРТ»).

Заключение

Совершенствование технологии и повышение производительности труда во всех отраслях народного хозяйства относятся к важнейшим задачам технического прогресса нашего общества. Решение этих задач возможно лишь при широком внедрении систем автоматического регулирования и управления как отдельными объектами, так и производством, отраслью и всем народным хозяйством в целом.

Научно-техническая революция, вызванная созданием цифровых вычислительных машин, сказалась на развитии многих отраслей науки и техники. Особо сильному влиянию подверглись теория и практика автоматического регулирования и управления объектами и совокупностями объектов как в гражданской, так и в военной технике.

Применение цифровой вычислительной техники открывает большие возможности при управлении такими сложными устройствами и системами, как прокатные станы, домны, бумагоделательные машины, поточные линии, подвижные объекты (самолеты, ракеты, космические корабли и др.), автоматизированные системы управления производством, железнодорожным транспортом, воздушным движением и т. п.

Список использованных источников

• 1. Шандров, Б.В. Технические средства автоматизации Текст: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б.В. Шандров, А.Д. Чудаков. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 368 с. - ISBN: 978-5-7695-3624-3.
• 2. Ткачук, Ю.Н. Технические средства автоматизации полиграфического производства Текст: учеб. пособие / Ю.Н. Ткачук, Ю.В. Щербина. - Моск. гос. ун-т печати. - М.: МГУП - 2010. - 230 с. - ISBN 978-5-8122-1114-1.
• 3. Клюев, А.С. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / А.С. Клюев, А.Т. Лебедев, С.А. Клюев, А.Г. Товарное, под ред. А.С. Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2009. - 368 с: ил. - ISBN: 5-903034-84-5 978-5-903034-84-0.
• 4. Каганов, В.И. Компьютерный анализ импульсной системы автоматического регулирования / В.И. Каганов, С.В. Терещенко // Вестник Воронежского института МВД России. - 2011. - №2. - С. 6-12. - ISSN 2071-3584. датчик импульсный модулятор
• 5. Пурро В. Автоматизация процессов.

И ТРАНЗИСТОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Ключи на биполярных транзисторах составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, с их помощью реализуются широко используемые схемы транзистор-транзисторной логики ТТЛ. Наибольшее распространение получил ключ с общим эмиттером (рис. 5.1), в котором нагрузка R К включена в цепь коллектора транзистора.

Рисунок 5.1 - Схема транзисторного ключа

В ключевом режиме транзистор находится в двух основных состояниях.

1 Состояние (режим) отсечки (ключ разомкнут). При этом через транзистор протекает минимальный ток I К = I КО » 0. Для того, чтобы транзистор находился в состоянии отсечки, необходимо сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора, т.е. для транзистора n-p-n типа выполнить условие U БЭ < 0. Это достигается либо при U ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е СМ, которое обеспечит U Б < 0 при U ВХ = 0.

Мощность, теряемая на транзисторном ключе в режиме отсечки Р К = U К I К, очень мала ток как мал ток.

2 Состояние (режим) насыщения (ключ замкнут). В этом режиме оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, т.е. электрическое сопротивление цепи коллектор - эмиттер очень мало (близко к нулю). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется резистором R .К:

I КН = (Е К - U КН)/R К » Е К / R К, (5.1)

так как U КН » 0.

Режим насыщения достигается при

I Б = I БН = I КН / K I = I КН / h 21Э. (5.2)

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (5.2) выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления h 21Э = h 21Э min для транзисторов данного типа. При этом входное напряжение должно удовлетворять условию

U ВХ /R 1 - Е СМ / R 2 ³ I БН g = gI КН / h 21Эmin (5.3)

где g - степень насыщения (g = 1,2...2).

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Р К = U К I К очень мала, так как мало напряжение U КЭН. Напряжение U КЭН приводится в справочниках. Для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U КЭН << Е К.

Ключевые элементы применяются также в импульсных регуляторах напряжения, имеющих высокий КПД. Регулировать среднее значение напряжения на нагрузке можно изменением параметров импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный способ регулирования, при котором амплитуда и период следования импульсов постоянны, а изменяется длительность импульса и паузы, а также частотно-импульсный метод, при котором постоянны амплитуда и длительность импульса, а изменяется период следования импульсов.

Импульсные регуляторы широко применяют как регуляторы и стабилизаторы напряжения, используемые для питания обмоток возбуждения электрических машин, электродвигателей постоянного тока, нагревательных элементов и других устройств и процессов, допускающих питание импульсным напряжением.

Импульсные регуляторы выполняются на тиристорах или транзисторах.

Транзисторный импульсный регулятор напряжения содержит генератор импульсов, параметры которых могут регулироваться вручную или автоматически, а на выходе генератора включен транзистор, работающий в ключевом режиме.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса t И называется скважностью Q И = Т/t И. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения a = 1/Q И = t И /Т.

Среднее напряжение на нагрузке

U Н.СР = aЕ, (5.4)

где Е - напряжение питания выходного транзистора и последовательно включенной нагрузки.

Действующее значение напряжения

U Н..Д = ÖaЕ. (5.5)

Для активной нагрузки существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер, то она должна шунтироваться диодом, включенным в обратном направлении. Диод защищает выходной транзистор от перенапряжений, возникающих в индуктивности при резком спаде тока в момент запирания транзистора. При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то от источника питания Е, когда ключ замкнут, то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут, за счет энергии, запасенной в индуктивности.

При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени t = L Н /R Н.

5.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

Транзистор КТ808ГМ;

Набор резисторов;

Источники регулируемого напряжения;

Импульсный регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

Вольтметры и миллиамперметры;

Электронный осциллограф.

ПОЗИЦИОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Позиционные регуляторы реализуют пропорци­ональный закон регулирования при k n - »-oo. В отличие от аналоговых регуляторов позиционные регуляторы формируют выходной сигнал U p , имеющий определенное число постоянных значений, например, два или три, соответствующие двух- или трехпозиционным регулято­рам.

В двухпозиционных регуляторах при переходе выходной величи­ны Y через заданное значение У зад изменяется регулирующее воздей­ствие Up , которое переводит регулирующий орган из одного крайнего положения в другое: «открыт» - «закрыт», «включен» - «выключен». Работа идеального двухпозиционного регулятора может быть записа­на в следующем виде:

(3.3.3)

где Де - зона нечувствительности (параметр настройки позиционных регуляторов).

Схематический и графические алгоритмы трехпозиционного ре­гулятора показаны на рис. 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Алгоритм действия трехпозиционного регулятора: а - схематическая форма; б - графическая

Введение зоны нечувствительности особенно важно при реализа­ции двух противоположно направленных управляющих воздействий, например, нагрева и охлаждения. При отсутствии зоны нечувстви­тельности процесс регулирования будет иметь ярко выраженный ав­токолебательный характер. Выражения (3.3.2) и (3.3.3) представляют характеристики идеальных позиционных регуляторов. В реальных регуляторах из-за наличия зазоров, сухого трения, гистерезиса и т. п. могут появляться зоны неоднозначности U p при срабатывании и от­пускании регулятора.

В технике автоматизации систем кондиционирования и вентиля­ции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (тер­мостаты), давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса. Двухпозиционные регуляторы используются также в сис­темах автоматической защиты, блокировок и переключения режимов

работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчи­ки-реле.

Для примера рассмотрим термостат типа MCR 2000 фирмы GEA для управления двух- и четырехтрубными фэнкойлами (рис. 3.3.3).

Рис. 3.3.3. Схема принципиальная электрическая термостата MCR 2000 для управления фэнкойлами:

а - двухтрубным; б - четырехтрубным

Двухпозиционное регулирование осуществляется в двухтрубных фэнкойлах с помощью электромагнитного клапана К н/0 . Выбор режи­ма нагрев/охлаждение может производиться ручным способом (переключатель 5) или с помощью датчика температуры наружного воздуха R H . Трехпозиционное регулирование для четырехтрубного фэнкойла осуществляется клапанами К п и К 0 . Кроме того, термостат позволяет пользователю выбрать одну из трех скоростей вентилятора фэнкойла. Конструктивно термостат выполнен в пластмассовом кор­пусе, на передней панели которого размещены органы управления: задатчик температуры, выключатель термостата и переключатель скоростей вентилятора. Диапазон задатчика 5-30 °С может быть из­менен с помощью ограничителей, расположенных под рукояткой задатчика (рис. 3.3.4).

Внутри корпуса расположен электронный блок, на котором уста­новлены два переключателя (джам-пера) и потенциометр настройки зоны нечувствительности (рис. 3.3.5). Джампер JP1 - наличие датчика наружного воздуха, джампер JP2 -выбор типа фэнкойла: двух- или четырехтрубный. Зона нечувстви­тельности может быть выбрана в диа-

Рис. 3.3.4. Механизм изменение пгз0П е ОТ ±0,3 К ДО ±3 К.

диапазона задатчика термостата MCR 2000

Рис. 3.3.5. Электронный блок термостата MCR 2000

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Повышение качества регулирования позицион­ных регуляторов может быть достигнуто путем преобразования вели­чины выходного сигнала U p в длительность выходных импульсов относительно периода их следования:

(3.3.4)

где Г и - длительность управляющего импульса;

Т к - период следования импульса (период квантования).

То есть максимальные U p max (или минимальные U p mm) значения напряжения на выходе позиционного регулятора формируются не в те­чение всего времени наличия рассогласования e (t ) регулируемого па­раметра, а периодически. Это поз­воляет с известной степенью точ­ности реализовать любой закон регулирования, если длитель­ность управляющего импульса бу­дет пропорциональна комбинации П, И и Д-составляющих. Достига­ется это с помощью широтно-им-пульсной модуляции (ШИМ-ре-гуляторов). Смысл широтно-им-пульсной модуляции заключается в преобразовании уровня выход­ного сигнала U p в соответствую­щую ему длительность выходного сигнала (рис. 3.3.6).

При П-законе регулятор выдает импульсы, в которых присутствует только пропорциональная состав­ляющая величины отклонения регулируемого параметра (рис. 3.3.7, а). При реализации ПИ-закона ШИМ-регулятор с появлением e (t )

3.6. Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

вы­дает импульсы, длительность которых постепенно увеличивается. В каждом импульсе присутствует как пропорциональная составляю­щая (не заштрихованная часть импульса), так и интегральная (зашт­рихованная часть), которая зависит от Т и (рис. 3.3.7, б).

При управлении исполнительным механизмом трехходового кла­пана или заслонки необходимо две пары контактов. При подаче управляющих импульсов на первую пару контактов механизм пере­мещается в одну сторону, например, открывается, при подаче импуль­сов на вторую пару - закрывается.

Рис. 3.3.7. Реализация законов регулирования с помощью ШИМ-регуляторов:

а - П-регулятор; б - ПИ-регулятор

Если исполнительный механизм имеет датчик положения, то ре­гулятор вычисляет выходной сигнал U p и перемещает задвижку в нужное положение (до совпадения U p с сигналом датчика положе­ния). Такие регуляторы иногда еще называют позиционерами.

Если датчик положения отсутствует, то регулятор вычисляет сред­нюю скорость перемещения задвижки У ср, которую затем преобразует в относительную длительность импульса Г и. В этом случае реализуется только ПИ-закон регулирования.

Классическим примером импульсного регулятора является регу­лятор ТРМ 12 (Россия). ТРМ 12 - одноканальный трехпозиционный ПИД-регулятор, имеющий один вход для подключения датчика и два выхода на исполнительные устройства (рис. 3.3.8). Тип подключаемого датчика (термосопротивление, термопара) и выходных устройств (реле, оптотранзистор, оптосимистор) определяются при заказе. Регулятор может работать в двух режимах: как ПИ-регулятор при уп­равлении задвижками или трехходовыми клапанами без учета их ис­полнения или как ПИД-регулятор, при управлении системой «наг­рев-охлаждение».

Элементы индикации и управления регулятора ТРМ 12 показаны на рис. 3.3.9.

Рис. 3.3.8. Функциональная схема регулятора ТРМ 12

Аналогичный принцип импульсного управления использован и в регуляторах температуры фирмы REGIN, предназна­ченных для поддержания заданной температуры с помощью изменения мощности электрических нагревателей. Регулирование мощности происходит за счет изменения времени включения и вы­ключения полной мощности нагревате­ля. Переключение нагрузки осуществля­ется с помощью симисторов в тот момент, когда ток и напряжение на нагревателе равны нулю. Это уменьшает потребление электроэнер­гии, исключает возникновение электромагнитных помех и увеличи­вает время безотказной работы.

1.9. Органы управления и индикации регулятора ТРМ 12

Регуляторы автоматически изменяют закон управления в зависи­мости от динамических свойств объекта. При быстро изменяющейся температуре (например, при регулировании температуры приточного воздуха) регуляторы работают в режиме ПИ-регулирования с фикси­рованной зоной пропорциональности 20 К и временем интегрирова­ния равным 6 мин. При медленно изменяющейся температуре (нап­ример, при регулировании температуры в помещении) они работают в режиме П-регулирования с фиксированной зоной пропорциональ­ности 2 К.

В случае повышения потребляемой мощности нагревателя свыше допустимой величины нагрузку можно разделить на несколько ступе­ней. Для этого имеются вспомогательные блоки ТТ SLAV, которые уп­равляют дополнительными ступенями в позиционном режиме ВКЛ/ВЫКЛ. Технические характеристики регуляторов температуры для управления нагревателями фирмы REGIN приведены в табл. 3.3.1, а конструктивное исполнение показаны на рис. 3.3.10.

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.

Предлагаю простую схему ШИМ регулятора. Питается устройство от источника постоянного напряжения 12В. При указанном экземпляре транзистора, выдерживает ток до 10А.

Рассмотрим работу устройства: На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования импульсов около 7кГц. С коллектора транзистора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой. Скважность регулируется переменным резистором R4. При крайнем левом положении движка этого резистора, см. верхнюю диаграмму, импульсы на выходе устройства узкие, что свидетельствует о минимальной выходной мощности регулятора. При крайнем правом положении, см. нижнюю диаграмму, импульсы широкие, регулятор работает на полную мощность.

Диаграмма работы ШИМ в КТ1

С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом. В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!

И в заключении следует сказать, что данный регулятор работает в моей машине с двигателем обогрева салона уже более двух лет.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
VT1, VT2	Биполярный транзистор	KTC3198	2			В блокнот
VT3	Полевой транзистор	N302AP	1			В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	220мкФ 16В	1			В блокнот
C2, C3	Конденсатор	4700 пФ	2			В блокнот
R1, R6	Резистор	4.7 кОм	2			В блокнот
R2	Резистор	2.2 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	27 кОм	1			В блокнот
R4	Переменный резистор	150 кОм	1			В блокнот
R5	Резистор