СИФУ предназначена для формирования нормированных импульсов управления, их распределения по фазам (по 3-х фазовой системе) и регулирования фазового сдвига этих импульсов.
В зависимости от принципа действия различают горизонтальные, вертикальные и цифровые СИФУ.
В горизонтальных СИФУ управляющие импульсы формируются из синусоидального напряжения, которое сдвигается по фазе с помощью RC-цепей, а затем преобразуется в прямоугольное напряжение (с помощью ТК или однопорогового компаратора). Затем формируются короткие импульсы в моменты перехода этого напряжения через 0. Горизонтальные СИФУ имеют ограниченное применение из-за низкой точности.
При вертикальном управлении используется принцип сравнения опорного напряжения пилообразной или другой формы с постоянным входным напряжением с изменяемым уровнем.
Цифровые СИФУ отличаются большей сложностью и их применение целесообразно в цифровых САУ.
Функциональная схема горизонтальной СИФУ
Назначение элементов:
СУ – синхронизирующее устройство. СУ обеспечивает начало отчета фазового угла α относительно сетевого (фазного) напряжения Uс и осуществляет запуск ГПН. СУ выполняется в виде нуль-органа.
ГПН – генератор пилообразного напряжения. ГПН формирует периодическое линейно нарастающее напряжение на частоте фазного силового напряжения. ГПН выполняется на основе зарядно-разрядной RC-цепи с ключевым элементом.
Недостаток схемы: нелинейная форма выходного напряжения, соответствующая начальному участку экспоненты.
При выборе R и C целесообразно выполнить условие: τзар ≥ 10Т
Для улучшения формы напряжения ГПН вместо резистора R можно использовать стабилизатор тока на транзисторе.
К – компаратор; сравнивает Uгпн с уровнем входного сигнала Uвх, переключается в моменты их равенства и формирует импульсы с переменной длительностью функции Uвх, т.е. обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Компаратор выполняется в виде ОК.
ДУ – дифференцирующее устройство. ДУ выделяет фронт импульсов Uк в виде коротких импульсов с переменным фазовым сдвигом α. ДУ выполняется в виде реальной дифференцирующей RC-цепи с диодом VD.
ИУМ – импульсный усилитель мощности. ИУМ нормирует выходные импульсы по амплитуде и мощности для согласования с последующими силовыми устройствами. ИУМ выполняется в виде транзисторного силового ключа.
УГР – устройство гальванической развязки. УГР обеспечивает беспроводную развязку слаботочных и силовых цепей. УГР может выполняться в виде импульсного трансформатора или оптрона.
Для идеальной СИФУ статическая характеристика линейна.
Диапазон регулирования угла α практически зависит от длительности импульсов синхронизации tс (их необходимо уменьшать) и от порога чувствительности компаратора. Внутри интервала регулирования α форма характеристики может быть нелинейной – вогнутой, если используется простой ГПН на RC-цепи.
7. Модулятор – демодулятор
МДМ применяются в измерительно-преобразовательной технике, в частности демодулятор (ДМ) служит для фазочувствительного выпрямления сигналов переменного тока. Используется в измерительных системах с индуктивными, фотоэлектрическими и тензорезисторными преобразо-вателями (датчиками).
Особенность применения ДМ состоит в том, что знак выходного напряжения ДМ меняется на противоположный при изменении фазы входного сигнала на 1800. Это дает возможность регистрировать, кроме величины перемещений, направление этих перемещений.
Устройства, аналогичные рассматриваемому демодулятору, до появления ОУ выполнялось в идее диодного моста с дополнительным источником опорного переменного напряжения (кольцевой демодулятор). Они имели недостатки: низкое входное сопротивление, низкая чувствительность, нелинейная характеристика, отсутствие усиления сигнала.
В настоящее время ДМ строится на основе ОУ. Это позволяет повысить точность преобразования, чувствительность и линейность.
Для ДМ и МД используется одна схема, меняется только режим работы.
На вход подается переменное входное напряжение Uвх, фаза которого может сдвигаться на угол π. Кроме того, схема содержит источник опорного переменного напряжения Uоп с неизменными фазой и амплитудой.
Назначение элементов в схеме:
R1, R2 – образуют цепь ООС, причем для основной схемы R1 = R2.
R3 – ограничивает входной ток в замкнутом состоянии.
К1 – ключ, работающий на частоте входного сигнала, который в идеальном случае должен иметь прямоугольную форму.
DA1 – ОУ на полевых транзисторах, что исключает изменение входного тока на положительном входе ОУ при коммутации ключа К1 и повышает точность преобразования.
7.1. Режим демодулятора
Ключ К1 периодически замыкается на частоте входного сигнала синхронно с ним.
1) Когда ключ К1 замкнут, ОУ работает как инвертор, т.е. повторяет величину и меняет знак входного сигнала:
2) Когда ключ К1 разомкнут, ОУ работает как повторитель, т.е. повторяет и величину, и знак входного сигнала:
В результате, на выходе схемы получаем однополярный пульсирующий сигнал Uвых.
При изменении фазы входного сигнала (a = π) фаза сигнала управления ключом К1 не меняется, а выходной сигнал Uвых меняет знак.
Недостаток схемы: отсутствие усиления входного сигнала.
Для получения усиления входного сигнала необходимо выполнить два условия:
1) R2 = Ку × R1
где Ку – необходимый коэффициент усиления
2) Для выравнивания Кu в соседних полупериодах вводится резистор:
7.2. Режим модулятора
На вход подаётся постоянное или медленно изменяющееся напряжение Uвх, которое может менять знак. На вход управления, ключом К1, подаётся импульсное напряжение Uоп, частота которого fм будет определять частоту выходного переменного напряжения.
При замыкании и размыкании ключа К1 получаем на выходе разную полярность выходного напряжения в соседних полупериодах. В результате образуется переменное выходное напряжение с формой близкой к прямоугольной, у которого амплитуда изменяется в соответствии с характером изменения уровня входного сигнала.
Изменение знака входного сигнала вызывает изменение фазы выходного напряжения на угол π. В качестве ключа К1 может использоваться БТ или ПТ работающий в импульсном режиме. Для того, чтобы работа ключа не зависела от Uвх необходимо выполнить условие:
Uоп > Uвх.макс.;
Статическая характеристика схемы:
Диапазон линейной работы схемы МДМ определяется:
Uвых.макс = Uоу макс
Uвх.макс =Uоп – 0,6 
Недостатком этой схемы является разное входное сопротивление при замкнутом и разомкнутом состоянии К1.
8. Стабилизаторы напряжения и тока
Эти устройства входят в состав вторичных источников питания и обеспечивают поддержание заданной степени точности выходного напряжения или тока при изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки. СН могут работать также в качестве сглаживающего фильтра при пульсирующем входном напряжении.
Принципиальное отличие СН и СТ характеризуется погрешностью при холостом ходе и коротком замыкании выхода. У СН наибольшая погрешность возникает при коротком замыкании выхода, когда Rн = 0. У СТ наоборот, максимальная погрешность стабилизации тока возникает при обрыве выходной цепи, когда Rн = ∞, минимальная погрешность возникает при режимах близких к к.з. когда Rн ≈ 0.
Существуют параметрический и компенсационный стабилизаторы. В параметрических стабилизаторах используется нелинейность ВАХ стабилитрона (для СН) или барретора и транзистора (для СТ). В компенсационных стабилизаторах используется принцип обратной связи, и они представляют собой замкнутую САР.
8.1. Последовательный компенсационный СН
ИОН − источник образцового напряжения − задающее устройство, практически, параметрический стабилизатор напряжения.
УН − усилитель напряжения − выполняет функцию усиления сигнала ошибки и одновременно функцию элемента сравнения. Практически, в схемах используется ОУ на ИС. Конечная функция: введение УН повышает точность стабилизации.
РЭ − регулирующий элемент − обеспечивает регулирующее воздействие на выходе стабилизатора. Практически, это усилитель мощности на ПТ.
ДН − делитель напряжения. Выполняет функцию датчика напряжения. Формирует сигнал ООС.
Принцип действия СН:
При подключении нагрузки Rн, выходное напряжение Uвых в первый момент падает за счёт конечного значения выходного сопротивления Rвых РЭ. При этом разность напряжений на входе УН увеличивается: 
Эта разность усиливается и подаётся на РЭ. Транзистор РЭ открывается в большей степени и Uвых увеличивается, компенсируя тем самым действие нагрузки. Схема работает аналогично при изменении Uвх. Однако, Uвых восстанавливается не полностью. Ошибка регулирования определяется свойствами статической САР. Из ТАУ известно выражение для статической ошибки по возмущающему воздействию:
(1) где h → ΔIн возмущающее воздействие;
− коэф-т передачи по возмущающему воздействию;
− коэф-т передачи прямой цепи;
− коэф-т передачи цепи ОС;
− погрешность стабилизации;
Оценим эту погрешность и влияющие на неё факторы:
Из выражения (1) следует, что для повышения точности стабилизации и уменьшения статической ошибки 
необходимо, в первую очередь, увеличивать коэффициент усиления 
. Практически, 
берут в пределах до 5000. Дальнейшее увеличение 
ограничивается возможностью возникновения автоколебаний, т.е. потери устойчивости САР.
Кроме рассмотренных элементов в практических схемах СН предусматривается блок защиты выхода от к.з. (или блок токоограничения).
Основные параметры СН:
1) Коэффициент нестабильности по напряжению:
2) Коэффициент стабилизации напряжения:
3) Коэффициент сглаживания пульсаций:
, где 
− амплитуда пульсаций на входе и выходе
4) Выходное сопротивление 
Все рассмотренные параметры СН нормируются только в рабочем диапазоне входных напряжений и выходных токов: 
При практической реализации возможны три варианта выполнения схемы СН:
1) Полностью на дискретных элементах (транзисторы, резисторы, стабилитроны);
2) С дискретными элементами и интегральным ОУ в качестве усилителя сигнала ошибки;
3) Полностью в интегральном исполнении.
8.2. СН полностью на дискретных элементах
Функции, выполняемые элементами схемы:
Задатчик напряжения: VD1+R1
R1 − задаёт номинальный ток стабилизации
Датчик напряжения: делитель R3-R4
Элемент сравнения: цепь-контур: VD1 → Э-Б VT1 → R4.
Усилитель напряжения: VT1+R2 (R2 − резистор внутренней нагрузки)
Регулирующий элемент: VT2 (по схеме эмиттерный повторитель).
При подключении нагрузки Rн, напряжение Uвых в первый момент уменьшается за счёт конечного значения Rвых VT2. Соответственно UOC уменьшается и VT1 приоткрывается, напряжение на его коллекторе увеличивается, VT2 открывается в большей степени и напряжение на выходе увеличивается, компенсируя действие нагрузки.
Схема действует аналогично при изменении Uвх. Статическая ошибка при изменении Uвх больше, т.к. меняется образцовое напряжение Uо за счёт погрешности стабилитрона VD1.
В данной схеме коэффициент стабилизации напряжения kсн ограничен значением 100 − 200 из-за слабого усилителя.
8.3. СН с дискретными элементами и интегральным ОУ
Усилитель сигнала ошибки: DA1
При подключении нагрузки Uвых в первый момент уменьшается, а разность на входе DA1 увеличивается. 
.
В данной схеме kсн значительно выше в сравнении с предыдущей за счёт большего усиления VD1 k0 = 5000 − 10000.
В схеме предусмотрен узел токоограничения УТО. Если ток в нагрузке Iн превышает определённое значение, то падение напряжения на R5 открывает VT2, который, тем самым, прикрывает VT1 и ток нагрузки ограничивается.
Недостаток схемы: бесполезная потеря мощности на VT1. Существуют отключающие устройства триггерного действия, в которых этот недостаток отсутствует. Восстановление рабочего режима схемы может осуществляться вручную или автоматически, после исключения аварийной ситуации.
где ΔI н = I н ; k ЭП=0,96; 
;
.
Существуют типовые интегральные СН с фиксированным значением выходного напряжения 5В, 6В, 8В, 9В, 12В, 15В, 24В.
Например: КР142ЕН5А
Uвх=9 − 16В;
Uвых=5В;
Iн. max=3A;
8.4. Стабилизаторы тока
Компенсационный СТ − это САР с ОС по току. Все функциональные элементы в схеме СТ аналогичны СН, кроме датчика тока, в качестве которого низкоомный резистор RТ, включенный последовательно с нагрузкой Rн.
;
;
;
Недостатком схемы является отсутствие общей точки между нагрузкой и источником питания UП.
Схема СТ на дискретных элементах.
Датчик тока: R2;
Сигнал обратной связи: UOC=IHR2;
Регулирующий элемент: VT2;
Задатчик + элемент сравнения: электрический контур (Б-Э) VT1 → R2;
Опорное напряжение: UO=Uотк≈0,66 (Si);
Усилитель сигнала ошибки: VT1+R1 (резистор внешней нагрузки)
При изменении сопротивления нагрузки Rн ток нагрузки Iн поддерживается за счёт автоматического изменения напряжения на нагрузке из-за изменения выходного сопротивления VT2 под действием изменения напряжения ΔUкэ1.
Точность стабилизации тока Iн зависит от коэффициента усиления ku VT1 и от величины изменения тока нагрузки.
Первичная стабилизация тока в данной схеме осуществляется параметрически (без ОС) за счёт нелинейности выходной характеристики VT2.
8.5. Импульсный стабилизатор напряжения
ИСН по сравнению с непрерывными СН имеет более высокий КПД (0,8-0,9). Меньшие габариты и массу. Эти преимущества проявляются в большей степени при низких уровнях входного напряжения и больших токах нагрузки.
Функциональная схема ИСН, как и непрерывного СН содержит цепь ООС, источник образцового напряжения Uo, элемент сравнения, усилитель сигнала ошибки, регулирующий элемент.
Отличие состоит в том, что РЭ (силовой транзистор) работает в импульсном (ключевом) режиме, поэтому потеря мощности на РЭ значительно меньше. Это позволяет исключить крупногабаритный радиатор и повысить КПД. Анализ литературных источников показывает, что удельная мощность (на единицу объёма) вторичных ИП на линейных (непрерывных) компанентах достигает 30 Вт/дм3. В середине 80-х импульсные СН имели удельную мощность 180 Вт/дм3, в середине 90-х − 1000 Вт/дм3, после 2000 года − 2300 Вт/дм3.
Структурная схема импульсного СН:
ШИМ − широтно-импульсный модулятор − формирует периодические импульсы управления с переменной длительностью функции напряжения при постоянной частоте следования.
РЭ − транзистор, работающий в импульсном режиме.
Ф − фильтр; при f=const tи=kUУН; фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения и тока при импульсном режиме работы РЭ.
Пример схемы выходного каскада ИСН:
Cхема содержит LC фильтр (Lф, Cф) и VD1 − диод, являющийся обязательным элементом схемы, который выполняет две функции:
1) Обеспечивает протекание тока через нагрузку Rн когда ключ РЭ разомкнут (в паузах между импульсами управления)
2) Уменьшает импульсное напряжение на Rн при размыкании ключа РЭ.
В паузах ток через VD1 и Rн создаётся за счёт энергии накопленной в катушке Lф. При выборе частоты коммутации РЭ должна решаться задача оптимизации. Для уменьшения габаритов и массы СН частоту f целесообразно увеличивать. Для уменьшения потерь на РЭ и Lф частоту необходимо уменьшать. Практически, рабочие частоты коммутации выбираются в пределах 50 − 100 кГц.
9. Амплитудные детекторы
АД предназначены для запоминания экстремальных значений входных сигналов. АД выполняются на основе ОУ по однокаскадной или двухкаскадной схеме.
Назначение элементов:
R1 − создаёт цепь ООС, а так же ограничивает входной ток DA1 в переходных режимах.
DA1 − ОУ, обеспечивает необходимую линейность статической характеристики АД при наличии нелинейного элемента − диода VD1 в прямой цепи.
VD1 − исключает разряд запоминающего конденсатора C1 через источник заряда DA1.
VD2 − используется при входном сигнале переменного тока и обеспечивает надёжное его выпрямление.
С1 − запоминающий конденсатор, обеспечивает запоминание экстремального значения входного сигнала.
К1 − ключ для сброса заряда С1 в конце цикла хранения, путём подачи сигнала Uc.
DA2 − буферный каскад − является повторителем напряжения с большим Rвх, согласует АД с нагрузкой Rн и исключает разряд С1 через неё. Принципиально, данную схему можно заменить на:
Однако при подключении Rн, С1 разряжается через Rн и «забывает» запомненное значение.
При возрастании входного сигнала (первая полуволна синусоиды) АД непрерывно отслеживает (повторяет) входной сигнал за счёт непрерывного заряда конденсатора С1 через открытый VD1. Когда Uвх достигнет амплитудного значения и несколько уменьшится, напряжение на С1 станет больше чем Uвых ОУ DA1 и диод VD1 закроется и заряд на С1 сохраняется до следующего периода входного сигнала. Далее С1 подзаряжается до четвёртой амплитуды входного сигнала и после этого Uвых.m=Uвх.m4 сохраняется на интервале наблюдения (регистрации).
Переход АД в режим хранения происходит автоматически, при смене знака производной 
.
Все статические сдвиги напряжений прямой цепи (Uсм, Uпр, Uсм2) компенсируются за счёт глубокой ООС. 1+kukос≈ku. Кроме этого, увеличивается быстродействие АД в режиме слежения.
При необходимости усиления входного сигнала в схему вводят R2. Погрешность АД в режиме хранения определяется степенью разряда С1. Разряд С1 может происходить по следующим цепям: через VD1 (rобр ≈ 1МОм); через разомкнутый ключ К1 (rразомк ≈ 1МОм); через вход DA2 (rвх.с.ф. ≈ 100 МОм); через себя (rутечки ≈ 1000 МОм). Наибольшим из этих сопротивлений является rутечки, влиянием которого можно пренебречь. Также можно пренебречь rвх.с.ф., значит:
Быстродействие АД определяется постоянной времени заряда τзар при отслеживании входного сигнала. При этом заряд происходит через сопротивление Rвых.DA1 и rпр.VD1. На быстродействие АД влияет также глубина ООС. Для увеличения быстродействия ёмкость С1 необходимо уменьшать, а для повышения точности ёмкость С1 необходимо увеличивать, следовательно, необходимо решать задачу оптимизации.
10. Устройство выборки − хранения (УВХ)
УВХ относится к элементам аналоговой памяти. Оно хранит в течение заданного времени мгновенное значение входного сигнала Uвх, выбранное в заданный момент времени. УВХ имеет два режима работы:
1) выборка информации;
2) хранение;
В режиме выборки УВХ следит за изменением входного сигнала Uвх и отражает эти изменения на выходе. При переходе в режим хранения, который обусловлен сигналом управления Uy. УВХ запоминает текущее значение входного сигнала и хранит его до подачи следующего сигнала и хранит его до подачи следующего сигнала выборки (управления).
УВХ применяется в измерительно − преобразовательной технике для преобразования импульсного напряжения в постоянное напряжение; в схемах быстродействующих фильтров низких частот и др.
В настоящее время УВХ выпускается в виде ИМС КР1100СК2.
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 Uв в моменты, соответствующие амплитудным значениям Uвх 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 Uв К1 замыкается и С1 быстро заряжается до амплитудного значения Uвх. Затем, К1 размыкается и на входе схемы сохраняется значение амплитуды входного сигнала до следующего импульса выборки. Длительность импульса выборки tв 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) rвых.ОУ + rразомк.К1 ≈ rраз ≈ 5 МОм;
2) rвх. с.ф.ОУ ≈ 200 МОм;
3) через себя rутечкиС1 ≈ 1000 МОм;
τразр ≈ rразрС1
Общая ООС через R1 увеличивает быстродействие и точность УВХ. Uст.VD1 выбирается из условия Uст < UОУ max.
Параметры типового УВХ на ИС КР1100СК2:
время выборки: tв = 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: τразр ≥ 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
ZOC ( p ) – операторное сопротивление цепи ООС.
Z 1 ( p ) = R 1 – операторное сопротивление входной цепи.
ФНЧ «заваливает» высшие частоты и пропускает низшие относительно частоты сопряжения ωС.
ФВЧ первого порядка
– реальное дифференцирующее звено.
ФНЧ «заваливает» низшие частоты, пропуская высшие относительно ωС.
11.3. Полосовой фильтр
ПФ можно получить последовательным соединением ФВЧ и ФНЧ при условии ωс(ФНЧ) > ωc(ФВЧ) или TФНЧ < ТФВЧ.
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:
Дата: 2019-04-23, просмотров: 343.
