Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Общие положения

Любая САУ состоит из следующих основных элементов:

1) средства сбора информации (датчик);

2)  устройства обработки сигнала;

3) регулирующее устройство;

4)  исполнительный механизм;

5)  регулирующий орган;

6)  объект регулирования;

7)  вспомогательные устройства (источники питания, регулятор напряжения и тока, генератор периодических сигналов, средства отображения информации).

 

                         3. Аналоговые компараторы

Компаратор – это устройство для сравнения двух сигналов. Если в процессе изменения входных сигналов один превышает другой, то компаратор изменяет свое состояние на противоположное. Чаще всего из двух входных сигналов один имеет фиксированное значение, это опорный сигнал – U _оп, который определяет уровень срабатывания компаратора. Другой входной сигнал U _вх может непрерывно меняться. Выходной сигнал компаратора U _вых может принимать значение логического нуля или логической единицы в зависимости от того, меньше или больше U _вх относительно U _оп. При этом компаратор может перестраиваться в процессе работы на различные уровни срабатывания путем изменения опорного напряжения U _оп. Таким образом, аналоговый компаратор преобразует непрерывный входной сигнал в дискретный (цифровой).

Области применения компараторов:

1) Для дискретизации уровня входного сигнала в АЦП.

2) В позиционных регуляторах и сигнальных устройствах технологических параметров.

3) Для сортировки деталей на 2 или 3 группы ("норма", "меньше", "больше").

4) Системы импульсно фазового управления (СИФУ).

5)  В преобразователях напряжение - частота.

Существуют три разновидности аналоговых компараторов:

1) однопороговые

2) регенеративные

3) двухпороговые

Аналоговые компараторы выполняются в виде типовой ИС, имеющей повышенное быстродействие (К597СА1), а также могут выполняться на основе усилителя с навесными элементами.

Однопороговый компаратор

Схема однопорогового компаратора:

Назначение элементов в схеме:

R1, R2 – резисторы для выравнивания входных токов ОУ (при отсутствии или равенстве входных сигналов) и уменьшения погрешности компаратора за счет уменьшения напряжения смещения U_см

При исполнении ОУ на ПТ резисторы R1 и R2 отсутствуют

R3 – потенциометр для установки опорного напряжения U_оп, а в конечном итоге, для перестройки компаратора на различные уровни срабатывания

R4 – задает рабочий ток стабилитрона VD2

R5 – обеспечивает согласование компаратора по сопротивлению с ЛЭ ТТЛ (R5 = 390÷560 Ом) или ЛЭ КМОП (R5 = 10÷20 кОм)

DA1 – повышает чувствительность компаратора и обеспечивает функцию переключения выходного напряжения при сравнении входных сигналов

VD1 – исключает отрицательное напряжение на выхо­де компаратора

VD2 – нормирует уровень напряжения на выходе компаратора. В данной схеме U_вых = U_ст. Если компаратор исполняется на ЛЭ КМОП, то VD2 может отсутствовать.

 

Статическая характеристика:

U_вых = f (U_вх)

 

Принцип действия:

1) Когда входной сигнал находится в диапазоне 0≤U_вх<U_оп ОУ переключается на максимальное положительное напряжение U_ОУ = +U_{ОУ макс}. Диод VD1 открывается и на выходе компаратора формируется сигнал логической единицы: U_вых = U¹_вых = U_ст.

При использовании на выходе ЛЭ КМОП U¹_вых ≈ + U_{ОУ макс} (т.к. VD2 и R4 отсутствуют).

2) Когда U_вх≥U_оп меняется знак разности на входах ОУ и ОУ переключается в другое крайнее состояние: U_ОУ = -U_{ОУ макс}. Диод VD1 закрывается и на выходе компаратора формируется сигнал логического единицы: U_вых = U⁰_вых ≈0.

                              Точность компаратора:

Точность срабатывания компаратора определяется напряжением смещением нуля ОУ, а так же температурным и временным дрейфом этого напряжения: U_см, ∆U^Т_см, ∆U^t_см. На точность компаратора также влияет коэффициент усиления ОУ k_о.

Точность компаратора нормируется параметром «порог чувствительности» U₀, который показывает на сколько отличается фактическое напряжение переключения U_п от заданного U_оп.

U₀ = |U_оп - U_п|

U₀ = U_см + ∆U^Т_см + ∆U^t_см + U_{ОУ макс} / k_о

Влияние первой составляющей U_см можно компенсировать настройкой ОУ. Составляющую ∆U^Т_см можно уменьшить введением терморезисторов, установленных в соответствующем месте схемы, а также путем термостатирования ОУ. Влияние четвертой составляющей можно уменьшить выбором большего значения k_о (от 500 000). Влияние составляющей ∆U^t_см компенсировать невозможно, т.к. она имеет случайный характер.

                       Быстродействие компаратора:

Быстродействие компаратора характеризуется временем восстановления t_в. Время восстановления – это часть переходного процесса, при котором выходной сигнал U_вых(t) достигает величины, соответствующей порогу срабатывания ЛЭ ТТЛ (U_ср ≈1,5 В). При этом на вход компаратора подается нормированный перепад напряжения ∆U_вх = 0,05 В.

Практически на t_в основное влияние оказывает частота единичного усиления f₁ ОУ, а также емкость нагрузки С_н.

В специализированных компараторах на ИС время восстановления t_в очень мало. Для К597СА1 t_в ≤10 мс.

Однако использование ОУ с навесными элементами вместо интегральных компараторов оказывается предпочтительным, когда тре­буется высокая точность сравнения сигналов (десятки микровольт), малое потребление мощности и широкие функциональные возможности схемы.

 

Регенеративный компаратор

Отличительной особенностью этого компаратора является наличие цепи ПОС.

Схема регенеративного компаратора:

VD3, R6 – образуют цепь ПОС

Принцип действия:

В исходном состоянии (U _вх = 0) на выходе имеем высокий уровень:

U _{в ы х}= U ¹ _{в ы х} = U _ст

При этом часть выходного напряжения U _вых подается на положительный вход ОУ и складывается с U _оп. При увеличении сигнала U _вх переключение компаратора произойдет, когда входной сигнал U _вх превысит не только U _оп, но и добавленный к нему сигнал ПОС. Это соответствует верхнему порогу переключения:

Если после переключения компаратора уменьшать U _вх обратное переключение произойдет, когда U _вх ≤ U _п–U _оп. Это обеспечивается отсутствием сигнала ПОС после первого переключения.

Таким образом, образуется гистерезис статической характеристики. При этом схема имеет как бы две структуры:

1) с ПОС, когда d U _вх > 0;

2) без ПОС, когда d U _вх < 0.

За счет действия ПОС процесс переключения компаратора происходит лавинообразно, что существенно повышает быстродействие компаратора.

Зона переключения:

Недостатком данной схемы является изменение зоны переключения при перестройке компаратора на различные уровни срабатывания (за счет изменения U _оп). Возможна подстройка компаратора за счет изменения R6.

                        Статическая характеристика:

U _н - нижний порог переключения

U _в - верхний порог переключения

Особенности применения:

1) Быстродействие регенеративного компаратора значительно выше по сравнению с однопороговым компаратором, а время его переключения не зависит от скорости изменения входного сигнала, поэтому регенеративный компаратор целесообразно применять при малых скоростях изменения входного сигнала U _вх.

2) Гистерезис статической характеристики позволяет исключить влияние помех на работу компаратора при выполнении условия:

∆U ≥ 2U_помех

Двухпороговый компаратор

Состояние двухпорогового компаратора изменяется два раза при увеличении входного сигнала, т.е. у его два порога переключения: U _н - нижний порог переключения, U _в - верхний порог переключения.

Двухпороговый компаратор можно получить на основе двух однопороговых компараторов с разной настройкой при объединении их сигнальным входом. Существует схема двухпорогового компаратора на основе одного ОУ.

Схема двухпорогового компаратора на основе одного ОУ

Назначение элементов в схеме:

R1, R2 – обеспечивают вычитание сигналов U_вх и U_оп при разных знаках (образуют токовый узел).

R3 – обеспечивает уменьшение напряжения смещения U_см и повышает срабатывание компаратора.

VD1 – VD4 – образуют нелинейную цепь ООС.

R4, R5 – ограничивают с одной стороны токи через диоды от источников напряжения смещения U_см1 и U_см2.

Для индикации состояния компаратора к его выходу можно подключить светодиоды VD5, VD6 с балластным резистором R6.

                           Статическая характеристика:

Принцип действия:

1) При 0≤U_вх≤U_н на выходе ОУ получаем максимальное положительное напряжение U_вых = + U_{ОУ макс} (т.к. –U_оп подается на инвертирующий вход ОУ и используется максимальный коэффициент усиления ОУ). При этом закрыты диоды VD2 и VD3, а цепь ООС оборвана.

2) При U_в≤U_вх (U_вх>U_оп)на выходе ОУ получаем максимальное отрицательное напряжение U_вых = - U_{ОУ макс} (т.к. +U_оп подается на инвертирующий вход ОУ и используется максимальный коэффициент усиления ОУ). При этом цепь ООС также разомкнута, т.к. закрыты диоды VD1 и VD4.

3) Когда U_вх находится в зоне переключения (U_н≤U_вх≤U_в)открыты все диоды VD1 – VD4, цепь ООС замкнута. При этом коэффициент усиления определяется формулой:

где r _откр – сопротивление открытых диодов в приращениях

Следовательно, U_вых ≈ 0.

Пороги срабатывания U _Н, U _В и зона переключения D U компаратора при определяются выражениями:

 

Преимущества схемы:

1) Простота по сравнению со схемой с двумя однопороговыми компараторами.

2) Зона переключения D U не зависит от U_оп, что упрощает операцию настройки на различные уровни срабатывания (меняется только U_оп).

Применение схемы:

1) В качестве трехпозиционного регулятора и сигнализатора технологических параметров.

2) Для сортировки деталей на 3 группы: "норма", "меньше", "больше" (по весу, размеру и т.п.).

 

Схема двухтактного УВХ.

 

 

Назначение элементов:

К1 − ключ, замыкается в режиме выборки информации и размыкается в режиме хранения; выполняется на основе ПТ.

VD1 − двуханодный (симметричный) стабилитрон, ограничивает уровень выходного напряжения DA1 и ускоряет переходный процесс в схеме УВХ.

Остальные элементы − аналогично предыдущей схеме.

 Рассмотрим принцип действия на примере устройства для регистрации амплитуды входного сигнала:

 

 

На вход управления выборкой подаются короткие импульсы U_в в моменты, соответствующие амплитудным значениям U_вх для положительной полуволны. Эти импульсы можно получить с помощью дифференцирующего устройства, нуль − органа и ждущего мультивибратора, запускаемого по фронту импульсов нуль − органа. При поступлении импульсов U_в К1 замыкается и С1 быстро заряжается до амплитудного значения U_вх. Затем, К1 размыкается и на входе схемы сохраняется значение амплитуды входного сигнала до следующего импульса выборки. Длительность импульса выборки t_в необходимо повышать для повышения точности в режиме выборки. В результате, на выходе УВХ отражаются все изменения амплитуды входного сигнала в виде ступенчатой функции с интервалом дискретизации, равным периоду входного сигнала.

Для уменьшения времени заряда ёмкость С1 необходимо уменьшать.

 

В режиме хранения ёмкость С1 необходимо увеличивать.

Разряд С1 осуществляется по цепям:

1) r_вых.ОУ + r_{разомк.К1} ≈ r_раз ≈ 5 МОм;

2) r_{вх. с.ф.ОУ} ≈ 200 МОм;

3) через себя r_{утечкиС1} ≈ 1000 МОм;

τ_разр ≈ r_разрС1

Общая ООС через R1 увеличивает быстродействие и точность УВХ. U_ст.VD1 выбирается из условия U_ст < U_{ОУ max}.

Параметры типового УВХ на ИС КР1100СК2:

    время выборки: t_в = 10мкс (при С1 = 1000 пФ);

    скорость спада выходного напряжения: V = 5 мВ/мс (при С1 = 1000 пФ).

    При выборе ёмкости С1 для обработки периодического сигнала целесообразно выполнить следующие условия: τ_разр ≥ 20Т, Т − период входного сигнала. Если входной сигнал имеет постоянную амплитуду, то данная схема используется как идеальный сглаживающий фильтр. Такой фильтр целесообразно применять при инфрачастотах (< 10 Гц).

 

                                11. Активные фильтры

 

    АФ применяются в преобразовательных устройствах, когда требуется выделить полезный сигнал, или подавить сигнал помехи. Кроме того, АФ могут использоваться при синтезе корректирующих звеньев САР. По сравнению с пассивными RC − фильтрами, применение ОУ в АФ обеспечивает усиление сигнала, необходимое согласование фильтра с источником сигнала и нагрузкой, а так же, повышение точности и стабильности параметров фильтра.

    Использование АФ наиболее эффективно на низких частотах (1 − 1000 Гц). При этом исключаются катушки индуктивности и уменьшаются габариты и стоимость фильтра.

    Основное применение находят четыре разновидности активных фильтров: ФНЧ − фильтр низших частот; ФВЧ − фильтр высших частот;

ПФ − полосовой фильтр; РФ − режекторный фильтр (заградительный).

 

ФНЧ первого порядка

, где

Z_OC ( p ) – операторное сопротивление цепи ООС.

Z ₁ ( p ) = R 1 – операторное сопротивление входной цепи.

 

 

 

 

  

                                  

ФНЧ «заваливает» высшие частоты и пропускает низшие относительно частоты сопряжения ω_С.

 

ФВЧ первого порядка

 – реальное дифференцирующее звено.

ФНЧ «заваливает» низшие частоты, пропуская высшие относительно ω_С.

 

                              11.3. Полосовой фильтр

ПФ можно получить последовательным соединением ФВЧ и ФНЧ при условии ω_с(ФНЧ) > ω_c(ФВЧ) или T_ФНЧ < Т_ФВЧ.

Для построения фильтров большего порядка с большим углом наклона ЛАЧХ (40 дБ/дек, 60, ...) применяют более сложные RC-цепи, но при этом на одном ОУ строятся фильтры не более 2-го порядка, а затем используется соединение фильтров 1-го и 2-го порядков.

В общем случае передаточная функция представляет собой отношение полиномов. Желаемый вид ЛАЧХ определяется выбором коэффициентов этих полиномов. В литературе приводятся коэффициенты полиномов для аппроксимации типовых полосовых фильтров. При этом к типовым фильтрам относятся следующие:

1. Фильтр Баттерворта (наиболее плоская вершина ЛАЧХ);

2. Фильтр Чебышева (максимальная крутизна наклонного участка);

3. Фильтр Бесселя (линейная зависимость фазового сдвига от частоты).

Передаточная функция фильтра 2-го порядка:

 

Мультивибраторы

Мультивибратор – это устройство, имеющее два неустойчивых состояния и формирующее сигнал прямоугольной формы.

 

Мультивибратор на основе ОУ

Назначение элементов:

R1, C1 – образуют цепь ООС, которая обеспечивает заданное время пребывания ОУ в одном из крайних состояний и определяет частоту выходных импульсов f _вых.

R2, R3 – образуют цепь ПОС. Обеспечивают лавинообразный процесс переключения ОУ, т.е. прямоугольную форму выходных импульсов.

 

После включения напряжения питания U_П ОУ переключается в одно из крайних состояний U_ВЫХ = +U_{ОУ макс} за счет действия ПОС и напряжения смещения нуля. Выходным напряжением начинает заряжаться С1. Когда напряжение U_C достигает уровня +U _Å (на «+» входе ОУ) и несколько превышает его, изменится знак разности между входами ОУ и он переключится в другое состояние: U_ВЫХ = –U_{ОУ макс}. После этого С1 перезаряжается отрицательным напряжением –U_ВЫХ, и когда оно превысит сигнал ПОС, произойдет новое подключение ОУ и т.д. В результате на выходе схемы формируется периодическое переменное напряжение прямоугольной формы.

Частота зависит от постоянной времени заряда  и коэффициента ПОС K_ПОС:

 

Мнемонические индикаторы

Представляют собой светящееся поле в виде определенных фигур (прямоугольник, круг, ромб, стрелка, треугольник).

Позволяют составлять мнемосхемы различных конфигураций. Совместно с маской позволяют изображать текст или любые символы.

Выпускаются типовые мнемонические индикаторы ИФЛ-I (индикатор электролюминесцентный). Размер от 5 х 7 мм до 140 х 140 мм. Могут быть 3 цветов свечения: голубой, желтый и зеленый.

Параметры:

напряжение питания U_П = 220 В;

ток, потребляемый одним элементом: I_П = 20 мА;

частота напряжения: f _РАБ = 400 Гц

Линейные индикаторы

                        15.2.1. Индикатор тлеющего разряда

Представляет собой баллон со светящимся столбом инертного газа, высота которого прямо пропорциональна подаваемому напряжению между электродами.

ИН13: Lmax = 100 мм (высота столба);

       Δ = ± 2% (погрешность)

Этот индикатор является аналоговым прибором.

 

                   15.2.2. Светодиодная шкала (АЛС–345А)

Представляет собой 8 точечных светодиодов, расположенных в ряд.

Конструкция индикатора позволяет наращивать разрядность отображения информации, как по вертикали, так и по горизонтали. При этом возможно отображение гистограмм и графиков функций по двум координатам.

Эти индикаторы используются совместно с дешифраторами, преобразующими двоичный код в позиционный.

К155ИД11 – формирует светящийся столбик с переменной высотой

 

К155ИД12 – меняет положение светящейся точки.

 

 

U_пр = 2 В

I_потр = 12 мА

 

                              15.3. Цифровые индикаторы

       15.3.1. Неоновые индикаторы тлеющего разряда

Это газонаполненные приборы, которые в настоящее время не применяются: ИН2, ИН6, ИН8, ИН12, ИН16

 

Общие положения

Любая САУ состоит из следующих основных элементов:

1) средства сбора информации (датчик);

2)  устройства обработки сигнала;

3) регулирующее устройство;

4)  исполнительный механизм;

5)  регулирующий орган;

6)  объект регулирования;

7)  вспомогательные устройства (источники питания, регулятор напряжения и тока, генератор периодических сигналов, средства отображения информации).

 

                         3. Аналоговые компараторы

Компаратор – это устройство для сравнения двух сигналов. Если в процессе изменения входных сигналов один превышает другой, то компаратор изменяет свое состояние на противоположное. Чаще всего из двух входных сигналов один имеет фиксированное значение, это опорный сигнал – U _оп, который определяет уровень срабатывания компаратора. Другой входной сигнал U _вх может непрерывно меняться. Выходной сигнал компаратора U _вых может принимать значение логического нуля или логической единицы в зависимости от того, меньше или больше U _вх относительно U _оп. При этом компаратор может перестраиваться в процессе работы на различные уровни срабатывания путем изменения опорного напряжения U _оп. Таким образом, аналоговый компаратор преобразует непрерывный входной сигнал в дискретный (цифровой).

Области применения компараторов:

1) Для дискретизации уровня входного сигнала в АЦП.

2) В позиционных регуляторах и сигнальных устройствах технологических параметров.

3) Для сортировки деталей на 2 или 3 группы ("норма", "меньше", "больше").

4) Системы импульсно фазового управления (СИФУ).

5)  В преобразователях напряжение - частота.

Существуют три разновидности аналоговых компараторов:

1) однопороговые

2) регенеративные

3) двухпороговые

Аналоговые компараторы выполняются в виде типовой ИС, имеющей повышенное быстродействие (К597СА1), а также могут выполняться на основе усилителя с навесными элементами.

Однопороговый компаратор

Схема однопорогового компаратора:

Назначение элементов в схеме:

R1, R2 – резисторы для выравнивания входных токов ОУ (при отсутствии или равенстве входных сигналов) и уменьшения погрешности компаратора за счет уменьшения напряжения смещения U_см

При исполнении ОУ на ПТ резисторы R1 и R2 отсутствуют

R3 – потенциометр для установки опорного напряжения U_оп, а в конечном итоге, для перестройки компаратора на различные уровни срабатывания

R4 – задает рабочий ток стабилитрона VD2

R5 – обеспечивает согласование компаратора по сопротивлению с ЛЭ ТТЛ (R5 = 390÷560 Ом) или ЛЭ КМОП (R5 = 10÷20 кОм)

DA1 – повышает чувствительность компаратора и обеспечивает функцию переключения выходного напряжения при сравнении входных сигналов

VD1 – исключает отрицательное напряжение на выхо­де компаратора

VD2 – нормирует уровень напряжения на выходе компаратора. В данной схеме U_вых = U_ст. Если компаратор исполняется на ЛЭ КМОП, то VD2 может отсутствовать.

 

Статическая характеристика:

U_вых = f (U_вх)

 

Принцип действия:

1) Когда входной сигнал находится в диапазоне 0≤U_вх<U_оп ОУ переключается на максимальное положительное напряжение U_ОУ = +U_{ОУ макс}. Диод VD1 открывается и на выходе компаратора формируется сигнал логической единицы: U_вых = U¹_вых = U_ст.

При использовании на выходе ЛЭ КМОП U¹_вых ≈ + U_{ОУ макс} (т.к. VD2 и R4 отсутствуют).

2) Когда U_вх≥U_оп меняется знак разности на входах ОУ и ОУ переключается в другое крайнее состояние: U_ОУ = -U_{ОУ макс}. Диод VD1 закрывается и на выходе компаратора формируется сигнал логического единицы: U_вых = U⁰_вых ≈0.

                              Точность компаратора:

Точность срабатывания компаратора определяется напряжением смещением нуля ОУ, а так же температурным и временным дрейфом этого напряжения: U_см, ∆U^Т_см, ∆U^t_см. На точность компаратора также влияет коэффициент усиления ОУ k_о.

Точность компаратора нормируется параметром «порог чувствительности» U₀, который показывает на сколько отличается фактическое напряжение переключения U_п от заданного U_оп.

U₀ = |U_оп - U_п|

U₀ = U_см + ∆U^Т_см + ∆U^t_см + U_{ОУ макс} / k_о

Влияние первой составляющей U_см можно компенсировать настройкой ОУ. Составляющую ∆U^Т_см можно уменьшить введением терморезисторов, установленных в соответствующем месте схемы, а также путем термостатирования ОУ. Влияние четвертой составляющей можно уменьшить выбором большего значения k_о (от 500 000). Влияние составляющей ∆U^t_см компенсировать невозможно, т.к. она имеет случайный характер.

                       Быстродействие компаратора:

Быстродействие компаратора характеризуется временем восстановления t_в. Время восстановления – это часть переходного процесса, при котором выходной сигнал U_вых(t) достигает величины, соответствующей порогу срабатывания ЛЭ ТТЛ (U_ср ≈1,5 В). При этом на вход компаратора подается нормированный перепад напряжения ∆U_вх = 0,05 В.

Практически на t_в основное влияние оказывает частота единичного усиления f₁ ОУ, а также емкость нагрузки С_н.

В специализированных компараторах на ИС время восстановления t_в очень мало. Для К597СА1 t_в ≤10 мс.

Однако использование ОУ с навесными элементами вместо интегральных компараторов оказывается предпочтительным, когда тре­буется высокая точность сравнения сигналов (десятки микровольт), малое потребление мощности и широкие функциональные возможности схемы.

 

Регенеративный компаратор

Отличительной особенностью этого компаратора является наличие цепи ПОС.

Схема регенеративного компаратора:

VD3, R6 – образуют цепь ПОС

Принцип действия:

В исходном состоянии (U _вх = 0) на выходе имеем высокий уровень:

U _{в ы х}= U ¹ _{в ы х} = U _ст

При этом часть выходного напряжения U _вых подается на положительный вход ОУ и складывается с U _оп. При увеличении сигнала U _вх переключение компаратора произойдет, когда входной сигнал U _вх превысит не только U _оп, но и добавленный к нему сигнал ПОС. Это соответствует верхнему порогу переключения:

Если после переключения компаратора уменьшать U _вх обратное переключение произойдет, когда U _вх ≤ U _п–U _оп. Это обеспечивается отсутствием сигнала ПОС после первого переключения.

Таким образом, образуется гистерезис статической характеристики. При этом схема имеет как бы две структуры:

1) с ПОС, когда d U _вх > 0;

2) без ПОС, когда d U _вх < 0.

За счет действия ПОС процесс переключения компаратора происходит лавинообразно, что существенно повышает быстродействие компаратора.

Зона переключения:

Недостатком данной схемы является изменение зоны переключения при перестройке компаратора на различные уровни срабатывания (за счет изменения U _оп). Возможна подстройка компаратора за счет изменения R6.

                        Статическая характеристика:

U _н - нижний порог переключения

U _в - верхний порог переключения

Особенности применения:

1) Быстродействие регенеративного компаратора значительно выше по сравнению с однопороговым компаратором, а время его переключения не зависит от скорости изменения входного сигнала, поэтому регенеративный компаратор целесообразно применять при малых скоростях изменения входного сигнала U _вх.

2) Гистерезис статической характеристики позволяет исключить влияние помех на работу компаратора при выполнении условия:

∆U ≥ 2U_помех

Двухпороговый компаратор

Состояние двухпорогового компаратора изменяется два раза при увеличении входного сигнала, т.е. у его два порога переключения: U _н - нижний порог переключения, U _в - верхний порог переключения.

Двухпороговый компаратор можно получить на основе двух однопороговых компараторов с разной настройкой при объединении их сигнальным входом. Существует схема двухпорогового компаратора на основе одного ОУ.

Схема двухпорогового компаратора на основе одного ОУ

Назначение элементов в схеме:

R1, R2 – обеспечивают вычитание сигналов U_вх и U_оп при разных знаках (образуют токовый узел).

R3 – обеспечивает уменьшение напряжения смещения U_см и повышает срабатывание компаратора.

VD1 – VD4 – образуют нелинейную цепь ООС.

R4, R5 – ограничивают с одной стороны токи через диоды от источников напряжения смещения U_см1 и U_см2.

Для индикации состояния компаратора к его выходу можно подключить светодиоды VD5, VD6 с балластным резистором R6.

                           Статическая характеристика:

Принцип действия:

1) При 0≤U_вх≤U_н на выходе ОУ получаем максимальное положительное напряжение U_вых = + U_{ОУ макс} (т.к. –U_оп подается на инвертирующий вход ОУ и используется максимальный коэффициент усиления ОУ). При этом закрыты диоды VD2 и VD3, а цепь ООС оборвана.

2) При U_в≤U_вх (U_вх>U_оп)на выходе ОУ получаем максимальное отрицательное напряжение U_вых = - U_{ОУ макс} (т.к. +U_оп подается на инвертирующий вход ОУ и используется максимальный коэффициент усиления ОУ). При этом цепь ООС также разомкнута, т.к. закрыты диоды VD1 и VD4.

3) Когда U_вх находится в зоне переключения (U_н≤U_вх≤U_в)открыты все диоды VD1 – VD4, цепь ООС замкнута. При этом коэффициент усиления определяется формулой:

где r _откр – сопротивление открытых диодов в приращениях

Следовательно, U_вых ≈ 0.

Пороги срабатывания U _Н, U _В и зона переключения D U компаратора при определяются выражениями:

 

Преимущества схемы:

1) Простота по сравнению со схемой с двумя однопороговыми компараторами.

2) Зона переключения D U не зависит от U_оп, что упрощает операцию настройки на различные уровни срабатывания (меняется только U_оп).

Применение схемы:

1) В качестве трехпозиционного регулятора и сигнализатора технологических параметров.

2) Для сортировки деталей на 3 группы: "норма", "меньше", "больше" (по весу, размеру и т.п.).

 

Тиристорные регуляторы напряжения

Тиристорные регуляторы напряжения чаще всего выполняются в виде управляемых выпрямителей, которые применяются в автоматизированном электроприводе металлорежущих станков и другого оборудования. Кроме того, ТРН применяются для регулирования температуры в рабочей зоне электротермических установок ТП4, ТВ4, режимов работы гальванических ванн, сварочных регуляторов, в электроосветительном оборудовании.

Схема тиристорного регулятора напряжения

Назначение элементов в схеме:

VS1 – рабочий тиристор

R_Н – нагрузка (спираль электронагревателя, якорь ДПТ, лампа накаливания)

VD1 – VD4 – выпрямительный мост

СИФУ – система импульсно-фазового управления; предназначена для формирования коротких импульсов управления тиристором VS1 с регулируемым фазовым сдвигом функции входного сигнала U_вх.

Нагрузка R_н может включаться на стороне переменного напряжения U_с.

Диаграмма напряжений тиристорного регулятора напряжения:

 

 

Принцип действия:

На управляющий электрод VS1 поступают импульсы управления U_у от СИФУ с фазовым сдвигом α от начала каждого полупериода напряжения сети U_с. При поступлении этого импульса тиристор открывается и остается открытым до конца другого полупериода. В конце полупериода он закрывается по аноду, когда U_п ≈ 0.

В результате на нагрузке R_Н получаем пульсирующее однополярное напряжение, соответствующее остаткам синусоиды. При увеличении угла α тиристор открывается позже, меньшее время проводит ток, в результате чего среднее значение напряжения U_Н.СР уменьшается с увеличением α, поэтому зависимость обратная.

Диаграмма напряжения на аноде тиристора U_а(t) дополняет диаграмму напряжения на нагрузке U_н(t) таким образом, что их сумма в каждый момент времени равна U_п(t).

Получим напряжение для регулировочной (статической) характеристики ТРН.

U_н.ср = f(α)

U_н.ср – это такое напряжение постоянного тока, которое на диаграмме U_н(t) образует прямоугольник с площадью, равной площади остатков синусоиды U_н(t) на инервале от α до π.

                          (1)

Выражение (1) получено для идеального тиристора и не учитывает падение напряжения на открытом тиристоре U_отк.

Выражение U_н.ср с учетом U_отк получить самостоятельно.

Зависимость U_н.ср(α) обратная, нелинейная, подчиняется закону косинуса.

 

 

В данной схеме тиристор работает в режиме естественной коммутации, т.е. закрывается за счет формы переменного напряжения U_с, и не требует дополнительных мер.

На диапазон регулирования U_н.ср, кроме U_отк, влияет также индуктивная составляющая нагрузки за счет влияния противо-ЭДС на условия выключения тиристора.

 

              5. ТРН с источником питания постоянного тока

Схема ТРН с источником питания постоянного тока:

Назначение элементов в схеме:

VS1 – рабочий тиристор

VS2 – вспомогательный (выключающий) тиристор

R_б – балластный резистор

C_к – коммутирующий конденсатор

ГИ – генератор двух серий импульсов U₁ и U₂ с регулируемым фазовым сдвигом α между ними функции U_вх

Диаграмма напряжений ТРН с источником питания постоянного тока:

Принцип действия:

При включении напряжения питания +U_п оба тиристора VS1 и VS2 закрыты. После подачи первого импульса U₁ на VS1 он открывается и через нагрузку протекает постоянный ток I_н = (U_п - U_отк)/R_н. При этом C_к заряжается по цепи: +U_п → R_б → C_к → VS1→ -U_п. Знак напряжения на конденсаторе C_к «–» «+». 

При поступлении очередного импульса U₂ на VS2 он открывается, а VS1 закрывается, т.к. на его анод подается отрицательное напряжение от C_к. Далее C_к перезаряжается зарядным током цепи: +U_п → R_н → C_к → VS2→

 –U_п. Знак напряжения на конденсаторе C_к меняется на противоположный «+» «–». 

При поступлении очередного импульса U₁ на VS1 он вновь открывается, а VS2 закрывается обратным напряжением на аноде, поступающим от C_к. Далее процесс повторяется.

В результате через нагрузку R_н протекают импульсы тока прямоугольной формы, и среднее значение напряжения U_н.ср. определяется длительностью этих импульсов, т.е. фазовым сдвигом α между U₁ и U₂.

U_н.ср. = k× α

 

Емкость конденсатора С_к определяется из условия гарантированного подключения тиристора за время t_вык, которое нормируется для каждого типа тиристора (из справочника).

Данная схема является основой для построения инвертора – преобразователя постоянного напряжения в переменное при α = π , когда длительность импульса и пауза в диаграмме U_н(t) равны.