18.2. Система широтно-імпульсного керування

Вибір структури СК залежить від умов, зумовлених техноло­гічним процесом, а також від типу вибраного електронного ключа. Схемотехнічне рішення СК проходить, як правило, у два етапи:

• розроблення структурної схеми;

• схемної реалізації, розрахунку і вибору елементної бази.

Структурну схему простого широтно-імпульсного перетворювача з прямим принципом регулювання показано на рис. 98.

Рис. 98. Структурна схема широтно-імпульсного перетворювача з прямим принципом регулювання: Uв_X.K — вхідна напруга керування (керуючої величини); ГЛЗН — генератор лінійно-змінної напруги; СП — схема порівняння; ФКС — формувач керуючих сигналів; ЕК — електронний ключ

Вибір того чи іншого типу СП здійснюється з врахуванням типу і м нового ЕК, який визначає схему формувача керуючих імпульсів. У випадку застосування транзисторного ЕК як елемента порівняння, мож­на використати швидкодіючий операційний підсилювач, а для схеми керування тиристорним ЕК — компаратор, вихідний сигнал якого узгоджений з рівнем керуючих сигналів цифрових мікросхем. Основ­ною ознакою компаратора є великий коефіцієнт підсилення за напру­гою (Ku > 1000) та передатний коефіцієнт ланки зворотного зв'язку, що дорівнює одиниці.

Робота СК на базі широтно-імпульсного перетворювача пояснюється часовими діаграмами напруг, що зображені на рис. 99.

Рис. 99. часові діаграми напруг широтно-імпульсного регулятора: генератор лінійно-змінної напруги з тиристорним ключем

Схеми порівняння (компаратори) виконують функцію по­рівняння двох напруг. У цьому випадку напруги генератора лінійно-змінної напруги Uглзн і вхідної напруги керування U_{м к} (опорної напру­ги). Вихідна напруга компаратора U_K встановлюється на рівні логічної одиниці, якщо U_вхк > Uглзн або логічного нуля, якщо U_BXK < U_ГЛЗН. Компаратори можуть бути реалізовані на інтегральних мікросхемах з високою швидкістю наростання вихідної напруги (ОП серії 140УД10; 154УДЗ тощо) та передатним коефіцієнтом ланки зворотного зв'язку, що дорівнює одиниці (рис. 100). Струмообмежувальні резистори R\, R₂ вибирають в межах 10' ÷l0 ⁶) Ом. Тип стабілітрона VD2 вибира­ють з умови обмеження вихідної напруги U_K ОП. Якщо ця напруга є вхідною для цифрових мікросхем, то її величина повинна бути менша ніж 5В. Діод VD1 вибирають з невеликим спадом напруги у відкри­тому стані (0,2-7-0,4) В за умови, що Uв.макс > Uk.

Рис. 100. Схема порівняння та її часові діаграми

Високостабільний компаратор з мінімальним числом додат­кових елементів реалізують на мікросхемах серій 521СА1, 521САЗ. Рівень вихідної напруги цих мікросхем узгоджений з рівнем вхідних напруг цифрових мікросхем (0,3<U_К <5) В.

Формувачі керуючих сигналів для транзисторних ек

Рис. 101. Схема формувачів керуючих сигналів транзисторних ключів: кремнієвих (а); германієвих (б)

Схеми формування керуючих сигналів (ФКС) для кремнієвих і германієвих транзисторів принципово відмінні (рис. 101). Для закривання кремнієвих силових транзисторів в кола емітерів вмикають резистори опором Re1 ≈ Re2 ≈ 1 кОм. Германієві силові транзистори закриваються поданням напруги с/_БЕ зворотної полярності до відкриваючої ампліту­дою (1÷5) В. Входи формувачів керуючих сигналів транзисторних ЕК, як правило, під'єднують безпосередньо до виходів схем порівняння.

ФКС кремнієвих силових транзисторів

Схема такого ФКС (рис. 101, а) забезпечує узгодження за трьома параметрами: допустимим вихідним струмом СП на операційних під­силювачах; струмом керування силових кремнієвих транзисторів і кое­фіцієнтом підсилення транзисторів. Така схема увімкнення транзис­торів називається складеним транзистором Дарлінгтона.

Вихідний струм ФКС — це струм керування силового ЕК, тобто Ікер = Ібнас який визначений для стану насичення транзистора ЕК, і за значенням якого розраховується напруга керування

де Яб — опір резистора в колі бази силового транзисторного ЕК; UбEnac — напруга насичення база-емітер транзистора силового ЕК.

Струм колектора формуючого транзистора VT2 визначають за виразом

За значеннями /_Кнас та є/_кн ~ с7_ж вибирають тип формуючого тран­зистора VT1. Опір струмообмежуючого резистора R розраховують за виразом

Колекторний струм транзистора попереднього підсилення при інже­нерних розрахунках приймається таким, що дорівнює струму бази VT2

(I _{кнас vt1} ≈ І_Е.vti ⁼ I_{б vt2})- За значенням цього струму та напруги Uke.vti = Цк вибирається тип транзистора VT].

Необхідне значення вихідного струму схеми порівняння

Де, І вих. доп сп – допустиме значення вихідного струму операційного підсилювача чи компаратора, які використані для реалізації СП. В паспортних даних подається значення І вих.доп сп чи R н.мін, тоді

Опір стумообмежуючого резистора в колі бази VТ1обчислюється так:

При використанні операційних підсилювачів для СП необхідно захистити перехід база-емітером транзистора VТ1 від напруги від’ємної полярності. З цією метою використовують імпульсний діод VD, тип якого вибирають за значенням анодного струму

і за значення зворотної напруги U _зв = ( U_{БЕ насVT1} + U_кер ).