Основные электронные схемы

Импульсный преобразователь. Тиристорный импульсный преобразователь в определенном смысле работает как трансформатор постоянного тока, т. е. преобразует входное напряжение постоянного тока в выходное напряжение требуемого значения. Мощность на выходе преобразователя равна мощности на входе, если не учитывать к. п. д преобразователя.

Импульсный преобразователь является по существу мощным переключателем постоянного тока, обладающим большой скоростью переключения. Кратковременно подключая питающее напряжение к индуктивной нагрузке, преобразователь дозирует отбор тока от источника питания в нагрузку. Ток нагрузки можно регулировать, изменяя скважность питающих импульсов, т. е. соотношение длительностей импульса и паузы.

Работу импульсного преобразователя в режиме ключа характеризуют кривые рис. 3. При замкнутом ключе ток нагрузки может нарастать до критических значений /_кз с постоянной времени ту.

Рис. 3. Изменение тока нагрузки при регулировании его тиристорным импульсным преобразователем

где L - индуктивность нагрузки; Яь- сопротивление нагрузки; Яг - внутреннее сопротивление источника питания; и_п - напряжение источника питания.

Если по условиям работы необходим меньший ток, то в момент подается сигнал, запирающий тиристор, при этом ток снижается с постоянной времени т₂ = ЫЯ/.. В момент ^₂ подается отпирающий импульс на главный тиристор, ток возрастает до требуемого значения и т. д. Следует иметь в виду, что основным параметром процесса регулирования в режиме ключа является отклонение тока А1 от его среднего значения /_ср.

Схемы импульсных преобразователей многообразны, но только некоторые из них нашли практическое применение. Одним из наиболее широко применяемых является импульсный преобразователь, выполненный по схеме одноколебательного контура с косвенной вынужденной коммутацией. Такой преобразователь с учетом его свойств и использован в системе независимого электродинамического торможения для возбуждения тяговых двигателей.

Преобразователь (рис. 4) состоит из следующих основных элементов: главного тиристора Т2, выключающего тиристора ТІ, коммутирующего конденсатора С_к, дросселя Ы и диода Д1.

Принцип работы импульсного преобразователя состоит в следующем. После включения управляющего регулятора RLS на его выходе появляются импульсы, отпирающие выключающий тиристор Т1, при этом конденсатор С_к заряжается до напряжения источника питания так, что плюс будет на его пластине, соединенной с катодом тиристора Т1. В момент, когда при заданном значении тока нагрузки отпирающие импульсы начнут поступать на главный тиристор Т2, тиристор откроется и ток в обмотках возбуждения тяговых двигателей начнет повышаться. При этом тиристор Т2 и конденсатор С_к соединяются последовательно с дросселем Ы и диодом Д1, образуя колебательный контур, частота которого определяется индуктивностью дросселя и емкостью коммутирующего конденсатора. Диод Д1 ограничивает процесс колебания, пропуская ток только в течение одного полупериода.

Когда ток в цепи L1 - С_к переходит через нуль, диод Д1 запирает цепь, не позволяя току изменить направление. Так как напряжение в контуре смещено на 90°по отношению к току, то конденсатор С_к заряжается, изменяя полярность пластин, до первоначального напряжения источника. При таком состоянии коммутирующего коденсатора (рис. 5) выключающий тиристор Т1 подготовлен к тому, чтобы выключить главный тиристор Т2 и, следовательно, разомкнуть цепь питания обмоток возбуждения электродвигателей.

В том случае, когда ток нагрузки превысит требуемое значение, от управляющего регулятора поступят отпирающие импульсы на выключающий тиристор Т1. Тиристор Т1 при этом подключит конденсатор С_я к тиристору Т2 таким образом, что положительно заряженная пластина конденсатора окажется соединенной с катодом главного тиристора, а отрицательно заряженная - с его анодом. При этом ток будет проходить через конденсатор С_к> который разрядится на нагрузку. Таким образом, ток нагрузки не проходит через главный тиристор и он выключается.

Рис. 4. Принципиальная схема импульсного преобразователя с вынужденной коммутацией

В схеме рис. 4 предусмотрен так называемый нулевой диод Д2, через который замыкается цепь тока нагрузки во время выключения главного тиристора Т2. Этот ток создается э. д. с. самоиндукции в обмотках возбуждения тяговых двигателей. Диод Д5 предотвращает возникновение паразитных колебаний в цепи в моменты коммутации тока импульсным преобразователем. Частота коммутации в импульсном преобразователе такова, что при повышении и понижении ток нагрузки не выходит за допустимые пределы.

Конденсатор Сф служит, главным образом, для формирования импульсов при отборе питания от источника и выполняет одновременно функцию фильтра.

Элементы управляющего регулятора. В управляющем регуляторе применены полупроводниковые элементы, резисторы и конденсаторы, отвечающие требованиям работы на подвижном составе: в широком рабочем диапазоне температур (от -55° до +80° С) они обладают высокой стабильностью параметров, имеют большой срок службы, устойчивы в работе.

Все элементы управляющего регулятора делят на пассивные и активные. К пассивным элементам относятся резисторы, конденсаторы и диоды, к активным - кремниевые транзисторы и интегральные операционные усилители.

Резисторы применены металлизированные ТК151, ТК152 и ТК153; металлизированные с допустимыми отклонениями сопротивления ± 0,5%; или + 1% типов ТР162, ТИШЗ; проволочные глазурованные ТИбЗб, ТИбЗб, ТИбЮ.

В основном использованы конденсаторы ТС276 (выполнены на основе терилена и залиты эпоксидными смолами). Применены также конденсаторы слюдяные ТС210 и электролитические ТЕ 150 (на основе тантала).

В защитах регулятора и выпрямителях установлены кремниевые диоды КХ В цепях обработки сигналов и защиты входов операционных усилителей применены высокочастотные диоды КА. Кроме того, в регуляторе широко используются опорные диоды (диоды Зеннера). Диоды N270 и К270О применены для стабилизации напряжения, а К2270 с прямоугольной характеристикой, параметры которых почти не зависят от температуры, использованы для создания опорного напряжения и для ограничения регулируемых сигналов.

Транзисторы с п-р-п переходом типа КЕ508, КЕУ46, КС507, КП612 и кремниевые транзисторы с р-п-р переходом типа КрХв работают в основном в режиме «ключа». Известно, что в этом режиме транзистор работает устойчиво в течение длительного времени.

В регуляторе ИЬБ применен интегральный операционный усилитель серии МАА500 (рис. 6). Резистор и конденсаторы С_а, С_в предназначены для коррекции частотной характеристики усилителя. Сопротивление и емкости, обеспечивающие необходимую частотную характеристику, определяются степенью применения обратных связей. В некоторых случаях на выходе операционных усилителей последовательно включают резистор Я_Б для защиты усилителя по току при длительных перегрузках. Обратные связи в этом случае подключают в точке за резистором.

Интегральный операционный усилитель МАА500 и его модификации имеют следующие параметры.

* Приведены значения соответственно номинальное и максимальное. ** Приведены значения соответственно номинальное и минимальное.

Напомним основные свойства операционных усилителей. Операционный усилитель имеет большой коэффициент усиления к_и по напряжению порядка 10⁴. Например, у цепи с входным напряжением = 0,1 мВ и коэффициентом усиления усилителя к_и - 5 • 10⁴ на выходе будет II₂ = = и₀к_и = 0,1 - 5 - 10⁴ мВ = 5 В.

У операционного усилителя два входа: инвертирующий- входное напряжение усиливается и изменяется полярность выходного сигнала; неинвертирующий - входное напряжение только усиливается, полярность сигнала сохраняется. В основном используется инвертирующий вход.

Операционным усилителям свойствен большой частотный диапазон от 0 до 1 МГц, что позволяет включать их в цепи с устойчивыми жесткими обратными связями. Операционный усилитель может быть использован в качестве усилителя ( рис. 7, а) и сумматора (рис. 7, б).

Рис. 7. Схемы включения операционного усилителя как усилителя (а) и как сумматора (б)

По закону Кирхгофа для точки на входе усилителя справедливо

Отсюда следует, что коэффициент усиления схемы рис. 7, а

(6)

Обычно #_вх > 100 кОм, к_и >- 50 000, поэтому можно поддерживать соотношение сопротивлений ^ 1МОм ^ ^ 10 #_вх. Учитывая это, вторым множителем в формуле (6) можно пренебречь, тогда

Это значит, что коэффициент усиления по напряжению в схеме рис. 7, а будет зависеть только от сопротивления резисторов И #2-

Следовательно, операционный усилитель может работать как сумматор п сигналов на входе.

Если вместо резистора сопротивлением в цепь обратной связи включить конденсатор, то получим схему(рис. 8, а) выходное напряжение которой будет зависеть не только от значения входного напряжения, но и от времени его действия. Схема представляет собой интегратор входного напряжения по времени, работа ее описывается уравнением

где ЯС = т - постоянная времени интегратора.

Как видно из рис. 8, б, выходное напряжение и₂ нарастает с постоянной скоростью и за время т повышается до значения входного ?/_а (за время 2 т до 2 ?/_а и т. д.). При входном напряжении, равном нулю, на выходе интегратора напряжение останется таким же, как в момент когда напряжение и₁ стало равным нулю. Если подать на вход напряжение обратной полярности, то на выходе интегратора напряжение будет понижаться. За время т оно понизится на величину и_б, равную входному напряжению (за время 2т - на 2 и₅ и т. д.), как показано на рис. 8, б.

Рис. 8. Схема включения операционного усилителя как интегратора (а), временные диаграммы входного щ и выходного «₂ напряжений (б), схема многовходового интегратора (в)

Рис. 9. Схемы, осуществляющие однотактное выпрямление (а), ограничение напряжения одной полярности (б), ограничение напряжения обеих полярностей (виг), и их характеристики

Рис. 10. Схема, обеспечивающая реализацию сложной нелинейной характеристики с помощью операционного усилителя (а), и результирующая характеристика (б)

Рис. 11. Схемы и характеристики компараторов на основе операционных усилителей

Если интегратор имеет несколько входов (рис. 8, в), то

где «а ... и_1п - входные напряжения; /?ц .../?_1п - сопротивления входных резисторов; С - емкость в цепи обратной связи.

Применяя операционные усилители, выполненные на резисторах, диодах, опорных диодах, можно реализовать ряд нелинейных зависимостей. Самыми простыми нелинейными функциями являются различные ограничения характеристик выходного напряжения (рис. 9). Более сложная нелинейная выходная характеристика (рис. 10, б), состоит из двух участков с одной точкой излома. Для участка /

Рис. 12. Схемы компараторов, работающих в режиме «ключа»

где - напряжение на диоде в прямом направлении.

Способом, показанным на рис. 10, б, можно реализовать характеристику с любым числом точек излома.

Если сопротивление резисторов 7?₃, I?₄ значительно меньше 7? _1; то участок II характеристики практически параллелен оси абсцисс. Выходное напряжение ограничено величиной и_у - напряжением в точке излома. Цепь работает как ограничитель напряжения, в котором величина ограничения может быть точно установлена подбором резисторов К з и Т?₄. Кроме того, ее можно менять, изменяя напряжение и, если имеется такая возможность.

Используя большое усиление операционного усилителя без обратной связи, можно построить очень чувствительный компаратор (рис. 11, а). Если и Т?₂ значительно меньше 7?_вх, то для схемы рис. 11, а

Если на входы компаратора подаются разнополярные напряжения, то при условии ^ на выходе будет на пряжение, значение которого зависит только от типа применяемого операционного усилителя, а полярность определяется полярностью меньшего из входных напряжений. При использовании неинвертирующего входа операционного усилителя, включенного по схеме компаратора, полярность выходного напряжения определяется полярностью большего из напряжений на входе.

Вводя положительную обратную связь, получим компаратор с характеристикой выходного напряжения в виде прямоугольной петли гистерезиса ( рис. 11, б). Компаратор может работать как «ключ», срабатывая при определенном значении входного напряжения, если одно из входных напряжений является опорным и_оп (рис. 12).

Операционный усилитель с инвертирующим и неинвертирующим входами ( рис. 13) можно использовать для усиления симметричного сигнала - напряжения между двумя токонесущими изолированными от земли проводниками. Это так называемый дифференциальный усилитель. Выходной сигнал такого усилителя несимметричный.