книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

При равенстве нулю мнимой части на частоте со0 = 1/(ЯСл/б) образу-

ется фазовый сдвиг - я, а модуль коэффициента передачи у(со0) = 1/29. Поэтому для возникновения колебаний требуется коэффициент усиления KUZ 30. Увеличение числа ÆC-звеньев фильтра до четырех снижает требо­ вания к коэффициенту усиления К и> 20.

Применяется также схема на базе ЯС-фильтра, называемого м о с ­ том В и н а (рис. 12.27,6). Комплексный коэффициент передачи цепи ОС

Y(yœ) = 1/3 + Л(«У®о) - (®о/“ )1

на частоте (о0 = 1/(RC) имеет модуль у= 1/3 при нулевом фазовом сдвиге.

Для генерации усилитель на ОУ, охваченный резистивной ООС, должен обеспечить К“> 3.

Г е н е р а т о р ы р е л а к с а ц и о н н ы х (разрывных) к о л е б а н и й с контуром ОС, не обладающим резонансной характеристикой, работают в режиме нелинейных ограничений при глубокой ПОС, обеспечивающей большой уровень подводимой энергии. При этом выходной сигнал или его производные претерпевают скачки. Частота и форма колебаний определя­ ются параметрами усилителя и цепи ОС. Релаксационные генераторы вы­ рабатывают последовательности прямоугольных, треугольных, пилообраз­ ных, трапецеидальных и других импульсов. В информационных устройст­ вах наиболее распространены генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов.

М у л ь т и в и б р а т о р - один из распространенных типов гене­ раторов прямоугольных импульсов, реализуемый на транзисторах, логиче­ ских элементах или ОУ. Существует достаточно большое число схем муль­ тивибраторов на ОУ. Типичной является схема с интегрирующей ПОС и резистивной ООС (рис. 12.28,а).

Рис. 12.28. Схема мультивибратора (а), характеристика ОУ (б) и диаграммы работы мультивибратора (в)

Наличие ПОС через ЯС-цепь приводит к периодическому повторе­ нию переходных процессов перезаряда конденсатора. Переключение уст­ ройства, т. е. скачкообразное изменение уровня выходного напряжения и3, Для ОУ с большим коэффициентом усиления (рис. 12.28,6) происходит при Достижении напряжения и2 = щ = ис = ±уUm, зависящего от коэффициента Передачи ООС у = /?,/(/?, + /?2)« Рассмотрим процессы в мультивибрато­ ре, начиная с момента t ~ 0, когда напряжение на конденсаторе ис (0) срав­

нялось с напряжением и2 = —уUm. Это привело к скачкообразному измен, нию выходного напряжения с щ = —Umдо щ = Um и вызвало процесс пер. заряда конденсатора. При работе ОУ на пологом участке характеристики несложно записать дифференциальное уравнение для напряжения ис:

RC(duc/dt) = - и с + Uт.

Решение полученного уравнения при начальном условии ис(0) =^yUm uc(t) = Um- ( l +y)Ume-‘«RC)

имеет вид нарастающей экспоненты и стремится к +Um(рис. 12.28,в). Нарастание напряжения на конденсаторе происходит в течение ин­

тервала времени, пока выполняется условие Аи = (и2- щ) = (уUm - ис) > 0. В момент tx= RC ln[(l + у)/(1 - у)] при Ды= 0 происходиг переключени выходного напряжения. В предположении идеальной модели ОУ переклю­ чение осуществляется мгновенно, и процесс перезаряда конденсатора по­ вторяется. Для периода колебаний справедливо соотношение

Т = 2RC ln[ (1 + у )/(1 - у)].

Учет весьма большого значения коэффициента усиления ОУ дает достаточно малый, но конечный интервал лавинного процесса переключе­ ния мультивибратора.

Генераторы импульсов (мультивибраторы) для цифровых устройств можно реализовать на базе логических элементов. Классическая симмет­ ричная схема мультивибратора содержит два инвертора (например ТТЛ ) с резистивно-емкостной обратной связью (рис. 12.29,а). Если в начальный момент t = 0 на выходе инвертора D\ имеется высокое напряжение щ = I то конденсатор Ci перезаряжается и его ток создает высокое напряжение на резисторе Rx(входе инвертора D2). В силу низкого значения напряжения па выходе инвертора D2 ток через конденсатор С2 практически отсутств) что обеспечивает низкий уровень напряжения на входе инвертора Dj.

Рис, 12.29. Схема (а) и диаграммы работы (б) мультивибратора на ЛЭ

По мере разряда конденсатора Ci ток его уменьшается и напряжение и2о снижается. При равенстве м20 напряжению переключения Unв момент t\ происходит смена состояния инвертора D2 и установление на выходе вы­ сокого напряжения и2 —U1 Перепад напряжения с выхода через конденса­ тор С2 передается на вход инвертора Di, вызывая его переключение. Дай

В качестве ключа обычно используют транзистор Т, управляемый выходным сигналом быстродействующей схемы сравнения (компаратора) D2 (рис.12.31,6). При низком уровне напряжения на выходе компаратора транзистор закрыт, конденсатор С заряжается и выходное напряжение ин тегратора изменяется по линейному закону и, =~Vt/(RC) (рис. 12.31,в). В момент равенства выходного напряжения u\(t\) и напряжения опорного сигнала С/0 компаратор выдает на выходе высокое напряжение, которое открывает транзистор, обеспечивая быстрый разряд емкости интегратора Затем схема возвращается в исходное состояние, и процесс интегрирова­ ния повторяется.

В микроэлектронных устройствах нашли применение многофунк циональные ИМС генераторов импульсов. Универсальная схема таймера содержит набор элементов, необходимых для построения различных гене раторов (рис. 12.32,а).

Рис. 12.32. Структура таймера (о), схема блока (б) идиаграммы работы (в)

В состав таймера входят два компаратора D, и D2, /^-триггер Тг, рач рядный транзистор Т и буферный усилитель (инвертор). Для получения автоколебаний заданной формы необходимо подключить к таймеру источ­ ник напряжения V и внешние компоненты R2 и С (рис. 12.32,6). Вн\ ( ренний резистивный делитель задает на входах компараторов уровни на­ пряжений ^ а ^ Г / З и up=2V/3.

Вмомент включения электропитания конденсатор С разряжен (и 2 ^ 0)

ивысокое выходное напряжение компаратора Df, поданное на вход R трж гера обеспечивает его состояние ^ = 0и соответственно высокое напряжс ние на выходе щ= U x (рис. 12.32,в). При этом транзистор Т закрыт и кон­ денсатор С от источника V через последовательно соединенные резисторы

R\ и R 2 заряжается: u2{t) - F(l~e",/T‘ ),где ti = (R i+ R 2)C . В момент t\ при выполнении условия u2(t\) = IV/ 3 напряжение на неинвертирующем входе

компаратора D2 достигнет уровня срабатывания и на его выходе появится высокое напряжение, которое вызовет опрокидывание триггера и отпира­ ние транзистора Т. Через открытый транзистор и резистор R2 конденсатор будет разряжаться до напряжения u2(t)= (2V /3 )e ~t/Xj, где т2 = R2C. Про­ цесс разряда продолжается до момента t2, когда u2(t2)= V/ 3, после чего триг­ гер возвращается в исходное состояние. Режим перезаряда конденсатора приводит к периодическому переключению триггера и изменению уровней напряжения на выходе.

Подбирая внешние компоненты, можно получить колебания различ­ ной формы в широком частотном диапазоне.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие признаки положены в основу классификации аналоговых преобразователей сигналов?

2.Почему операционные усилители служат базовыми элементами при построении аналоговых преобразователей?

3.Какие преобразователи относятся к группе линейных безинерционных?

4.Каково назначение и принципы построения частотно-избирательных линейных преобразователей?

5.На каких элементах можно реализовать схемы, имитирующие индуктивность?

6.Каковы принципы построения активных /?С-фильтров?

7.По каким признакам классифицируются частотные фильтры?

8.Что такое фазовращатель?

9.Каково назначение и основные области применения нелинейных преобразовате­ лей сигналов?

10.Что служит основой построения нелинейных преобразователей?

11.Как влияет положительная обратная связь на свойства преобразователей?

12.На чем базируется принцип действия автогенератора?

13.Какие факторы определяют тип генератора?

14.Что называют генератором релаксационных колебаний?

15.На каких принципах основана работа мультивибратора?

16.Чем определяется период повторения выходного сигнала мультивибратора?

17.Какова типовая структура микросхемы многофункционального генератора им­ пульсов?

Глава 13

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

13.1. Определение, основные параметры и классификация

Силовые преобразователи электрической энергии или энергетик ские преобразователи (ЭП) являются неотъемлемым атрибутом любой электронной системы управления, контроля и измерения. Они используют ся в источниках вторичного электропитания, устройствах управления ис­ полнительными электродвигателями, системах регулирования температу ры объектов и других приборах. Параметры энергетических преобразова­ телей, входящих в состав электронных приборов, оказывают существенное влияние на их общие свойства. Например, уровень напряжения электропи тания влияет на коэффициенты передачи усилителей, а выходной усили­ тель мощности практически определяет потребление электрической энср гии всем устройством.

Основным признаком, позволяющим объединить множество разно­ образных энергетических преобразователей в единую группу, является способность управлять параметрами источников электрической энергии Энергетический преобразователь можно определить как устройство, кото­ рое с помощью управляющего (информационного) сигнала х преобразуем энергию W\ электрической сети или автономного источника в энергию другого вида Wi, обладающую параметрами, которые задает управляющий сигнал (рис. 13.1,а).

Рис. 13.1. Структура энергетических преобразователей (а) и обозначения выпрямите­ ля (б), стабилизатора (в), регулятора (г), инвертора (б)

Вид электрической энергии (напряжения и тока) на входе и выходе преобразователя служит одним из главных классификационных признаков устройств:

1) выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока (рис 13.1,б);

2) стабилизатор преобразует неуправляемую энергию постоянного тока в напряжение и ток с заданными параметрами (рис. 13.1,в);

3)регулятор изменяет по заданному закону значение переменного на­ пряжения (рис. 13.1,г);

4)инвертор преобразует энергию постоянного тока в энергию пере­ менного тока (рис. 13.1,<)).

Более сложные преобразователи, например для управления асин­

хронным электродвигателем, можно построить с использованием соедине­ ния приведенных типовых блоков.

В качестве базового параметра энергетических (силовых) преобразо­ вателей выбрана э к о н о м и ч н о с т ь , характеризуемая коэффициентом полезного действия (КПД), который определяют как отношение полезной выходной мощности преобразователя к подводимой мощности. Экономич­ ность энергетического преобразователя зависит от структуры, элементов схемы и режима их работы, что несложно проиллюстрировать на примерах простых стабилизаторов напряжения.

В силовой электронике прослеживаются история и тенденции разви­ тия электрических и электронных управляющих приборов. На начальной стадии в качестве элементов, управляющих электрической энергией (пре­ образующих напряжения и токи), использовались электромашинные и магнитные усилители, имеющие большую инерционность. Ламповый этап становления электроники привел к созданию мощных электровакуумных и ионных приборов (триодов, тиратронов), составивших основу силовых преобразователей и устройств электропитания. Ламповые преобразователи обладали большими габаритами и значительной теплоотдачей, отличались невысокой надежностью, малым КПД, имели ограниченный срок службы, что служило препятствием в создании высокоэффективных электронных устройств управления, особенно для мобильных систем. Интенсивное раз­ витие энергетической электроники связывают с созданием мощных сило­ вых полупроводниковых приборов и систем управления ими. Основным преимуществом полупроводниковых силовых устройств является их высо­ кая эффективность при достаточно высокой надежности и малых габаритах. На базе типовых структурных, схемных и конструктивно-технологических решений силовой полупроводниковой электроники разработаны принципы проектирования энергетических устройств различного назначения.

Параметры силовых полупроводниковых преобразователей зависят от множества факторов, влияние которых можно проследить на примерах анализа простых устройств.

Одним из распространенных силовых устройств является источник с параметрической стабилизацией постоянного напряжения непрерывного типа. Он реализован с использованием проходного биполярного транзи­ стора Т, смещение рабочей точки которого задается напряжением стаби­ литрона Д (рис. 13.2). Выходное напряжение стабилизатора складывается Из напряжений 6/д стабилитрона и i f открытого перехода транзистора, т.е.

( / 2= { / д +

Рис. 13.2. Схема непрерывного параметрического стабилизатора

При малом токе смещения (/см « 1{) входной и выходной токи прак­ тически одинаковы (/2 = 1\). Разница между входным (Ci) и выходным (L напряжениями компенсируется падением напряжения на транзисторе AU = U2 - U] = Скэ. Соответственно, отличие мощностей на входе {Pi = Uxlx) и выходе (Р2 = U2 I2) приводит к выделению мощности в транзисторе, ра­ ботающем в активном линейном режиме (AP=AUKj 2)’ Отношение мощ­ ностей суммарных потерь к подводимой входной мощности преобразова­ теля а - АР/Р] = AU\/U\ пропорционально относительному изменению входного напряжения. При большом диапазоне регулирования напряжения потери мощности АР в транзисторе велики и КПД rj = P2/PI =(Pj - АР) !\ характеризуется невысокими значениями.

С целью повышения эффективности преобразования непрерывное регулирование напряжения заменяют дискретным, используя транзистор­ ный ключ (рис. 13.3,а).

Рис 13.3. Импульсный стабилизатор напряжения (от) идиаграмма его работы (б)

Подверженное изменениям входное напряжение V с помощью ши­ ротно-импульсного модулятора (ШИМ) преобразуется в последователь­ ность импульсов, имеющих постоянный период повторения Т и управляе­ мую длительностью tH(рис. 13.3,6). Выходное напряжение U2= VtKIT пол>- чается из импульсной последовательности u\(t) выделением постоянной составляющей с помощью (ФНЧ) и поддерживается неизменным при ва­ риациях входного сигнала V за счет реализуемого ШИМ закона управле­ ния KfH=const.

Потери энергии импульсного стабилизатора АР складываются из по­ терь в переключателе, фильтре и модуляторе. Информационное управ ляющее устройство (модулятор) потребляет весьма малую мощность. Фильтр НЧ можно реализовать в виде LC-фильтра с небольшими потеря­ ми. Таким образом, эффективность преобразователя определяется в основ ном потерями в переключателе, которые можно снизить за счет использо­ вания импульсного (ключевого) режима работы регулирующего элемента (транзистора).

Типичная структура импульсного энергетического преобразователя содержит блок силовых электронных ключей, схему сглаживания (фильт­ рации) напряжения и устройства управления с использованием цепей об­ ратной связи (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Структурная схема импульсного силового преобразователя

Под действием сигналов управления gi,...,g„ производится коммута­ ция силовых ключей для преобразования неуправляемых напряжений Uiu...9Ulk сети электропитания в напряжения U2\,...,U2k потребителя (на­ грузки), обладающие заданными параметрами. Алгоритм работы управ­ ляющего устройства определяют сигналы уставки (у) и обратных связей по напряжениям (хы) и току (х,-). В качестве ключей используются полупро­ водниковые структуры (управляемые диоды, тиристоры, транзисторы), ра­ ботающие в режиме переключения.

При несомненном преимуществе импульсных преобразователей коммутация больших токов при высоких напряжениях с малыми времена­ ми переключения служит причиной образования мощных электромагнит­ ных помех, распространяющихся по линиям связи и в окружающем про­ странстве. Это требует применения дополнительных мер по конструктив­ ному и схемотехническому обеспечению электромагнитной совместимости электрических и электронных устройств.

Энергетические характеристики преобразователя существенно зави­ сят от основных параметров силовых ключей: допустимых коммутируе­ мых тока и напряжения, остаточного напряжения замкнутого ключа, ско­ рости переключения. При больших значениях коммутируемых токов (де­ сятки и сотни ампер) и высоких напряжениях (сотни вольт) в моделях пе­ реключающих приборов необходимо учитывать большое число парамет­ ров, в том числе паразитных.

Непрерывное совершенствование полупроводниковой технологии и повышение степени интеграции позволили создать энергетические модули, объединяющие силовые приборы и информационные системы управления, что значительно повысило надежность устройств. Вместе с тем надеж­ ность системы в целом, массогабаритные параметры преобразователей и их характеристики зависят как от типа полупроводниковых элементов, так и от параметров фильтрующих устройств. Весьма актуальной при проек­ тировании силовых преобразователей является проблема совместной ми­

ниатюризации и поиск возможностей использования интегральной техш логии для построения устройств. Минимизация уровня рассеиваемой мощ ности требует решения задач расчета тепловых режимов.

13.2* Силовые полупроводниковые приборы

Энергетические и массогабаритные показатели силового оборудова ния обеспечиваются выбором принципа действия, схемы, элементной ба ,ь и режимов работы преобразователей. Полупроводниковые структуры i приборы на их основе (диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны, ва ристоры) составляют основную часть элементной базы силовых преобра зователей. Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки ии дуктивности, трансформаторы) применяются для задания условий и режи­ мов работы полупроводниковых приборов, а также в составе отдельных простых преобразователей (частотных фильтров, устройств управления).

Особенности структуры и режимов работы силовых полупроводи и ковых приборов в энергетических преобразователях связаны с требовани­ ем получения высокого КПД. Это приводит к эксплуатации приборов режимах, близких к предельно допустимым значениям токов и напряже­ ний. Работа при больших уровнях сигналов связана с необходимостью ис­ пользования для анализа сложных нелинейных моделей, построенных на основе имеющихся в технических условиях параметров максимальных ре жимов.

В ы п р я м и т е л ь н ы е д и о д ы служат для преобразования при ложенного переменного напряжения в пульсирующий ток за счет нели­ нейности вольт-амперной характеристики. Мощные силовые диоды, как правило, имеют р +-п структуру (изготовлены на основе кремния с электро проводностью /î-типа) и работают в диапазоне частот от 50 Гц до 20 к1 ц. Основными параметрами этих диодов являются:

•максимально допустимое значение прямого тока /тпр;

•допустимое значение прямого импульсного тока /пр и;

•прямое напряжение открытого диода Unpпри 1тпр;

•максимально допустимое значение обратного напряжения Uç&v,

•максимальное значение обратного тока Imoбр.

Типовые значения прямого тока силовых диодов лежат в пределах от единиц до тысяч ампер при прямом напряжении примерно 1В. Допусти­ мые обратные напряжения достигают сотни - тысячи вольт.

Б и п о л я р н ы е т р а н з и с т о р ы представляют собой полупро­ водниковые приборы, осуществляющие управление большим выходным током коллектора с помощью малого тока базы.

Силовые транзисторы работают в ключевом режиме, характеризуе­ мом быстрым переходом из состояния насыщения с большими токами в состояние отсечки с высоким обратным напряжением. Во время процессов