2.1.2.2 Електричні фільтри

Електричні фільтри ‑ це пристрої, які пропускають сигнали одних частот і затримують сигналі інших. Діапазон частот, в якому коефіцієнт передачі фільтра змінюється в заданих межах, називається смугою пропускання. Діапазон частот, в якому коефіцієнт передачі не перевищує деякого заданого значення, називається смутою затримки фільтра.

У системах керування фільтри використовуються для усунення перешкод, які виникають внаслідок пульсацій напруги випрямлячів джерел живлення, роботи тиристорних перетворювачів, колекторних пульсацій електричних машин (у тому числі тахогенераторів), а також для корегування частотних характеристик різних елементів і керуючих пристроїв, уповільнення або прискорення перехідних процесів, тощо.

Розрізняють фільтри нижніх і верхніх частот, смугові, смуго-затримуючі, інтерполюючі (які відновлюють безперервний сигнал за дискретними відліками) та інші.

Активні малопотужні фільтри будуються на основі ОП. Вони являють собою пристрої, за допомогою яких можна як ослабити, так і підсилити окремі частоти або смуги частот. Найбільшого поширення в схемотехніці систем керування набули фільтри нижніх частот (ФНЧ). Схему і частотну характеристику ФНЧ першого порядку (порядок фільтра визначається порядком характеристичного рівняння) показано на рис. 2.1.11,а,б.

Рис. 2.1.11

Параметри передаточної функції ФНЧ визначаються співвідношеннями:

де К₀ ‑ коефіцієнт передачі фільтра на постійному струмі; ‑ частота зрізу.

Схему і частотну характеристику фільтра верхніх частот (ФВЧ) першого порядку показано на рис. 2.1.12,а,б.

Рис. 2.1.12

Передаточна функція ФВЧ:

де

Якщо необхідно збільшити крутість спадання або зростання частотної характеристики, то застосовують активні фільтри більш високих порядків.

Тема 2.2 керуючі пристрої на основі нелінійних схем операційних підсилювачів

Лекція 15. Функціональні пристрої на основі операційних підсилювачів із нелінійними елементами (аналогові компаратори, функціональні перетворювачі, обмежувачі, стабілізатори напруги послідовного та паралельного типу).

Завдання на СРС. Вивчення типових нелінійних схем операційних підсилювачів.

Література: 1, с.102-110; 2, с.144-154; 8, с.158-167; 1а, с.311-314.

Питання для самоконтролю:

1. Аналогові компаратори.

2. Нелінійні функціональні перетворювачі на операційних підсилювачах.

3. Обмежувачі напруги.

Нелінійні схеми OП застосовуються в системах керування електроприводів в якості обмежувачів напруги, послідовних та паралельних коригувальних пристроїв. В цих схемах використовується природне обмеження вихідної напруги ОП, а також спеціальні характеристики деяких напівпровідникові приладів – діодів, стабілітронів і т. ін.

2.2.1 Аналогові компаратори

Компаратори призначені для порівняння двох аналогових сигналів. У момент рівності вхідних сигналів вихідна напруга компаратора стрибкоподібно змінюється. Наявність двох входів та великий коефіцієнт підсилення ОП дають можливість реалізувати компаратор на його основі.

Компаратори характеризуються такими параметрами:

• чутливістю (розподільною здатністю), тобто мінімальною різницею сигналів, що порівнюються, при якій спрацьовує компаратор;

• часом перемикання, тобто інтервалом часу між моментом, коли сигнали зрівняються і моментом, коли вихідна напруга компаратора досягає рівня напруги спрацьовування.

Схему найпростішого компаратора для порівняння однополярних сигналів і часову діаграму його роботи показано на рис. 2.2.1,а,б, де , ‑ вхідні напруги, що порівнюються, ‑ вихідна напруга компаратора; ‑ напруга насичення ОП.

а) б)

Рис. 2.2.1

Полярність визначається більшою з напруг або тому що

.

Вихідна напруга внаслідок великого коефіцієнта підсилення ОП в розімкненому стані стає рівною при досить незначній різниці та . До моменту часу (див. рис. 2.2.1,б) > і = + . При незначному перевищенні над компаратор перемикається і напруга на виході стає рівною - .

Часова характеристика вихідної напруги реального компаратора (суцільна лінія) відрізняється від характеристики ідеального компаратора (переривчаста лінія), що пояснюється інерційністю ІМС.

При = 0 перемикання компаратора відбувається при . Такий компаратор називається детектором нульового рівня (нуль-органом).

Схему та діаграму роботи кoмпapaтopa, призначеного для порівняння різнополярних напруг, що подаються на інвертуючий вхід, зображено на рис. 2.2.2,а,б.

Рис. 2.2.2

Якщо опори резисторів і вибрано рівними, то перемикання компаратора з одного стану в іншій відбуватиметься при рівності за модулем і .

Розглянуті схеми компараторів на ОП без зворотних зв`язків мають недостатній захист від перешкод. При низькій швидкості зміни сигналів, що порівнюються, можливі помилкові спрацьовування компаратора внаслідок наявності перешкод у корисному сигналі. Цей недолік усувається в компараторі, схема якого відома під назвою тригера Шмітта або порогового пристрою. В цій схемі ОП охоплено позитивним зворотним зв’язком по неінвертуючому входу (рис. 2.2.3,а).

Рис. 2.2.3

Позитивний зворотний зв’язок зумовлює гістерезис (див. рис. 2.2.3,б). Переходи від значення + до - відбуваються при різних значеннях . Це пояснюється тим, що коли , напруга на неінвертуючому вході ОП дорівнює , де ‑ опорна напруга, -напруга, яка надходить на неінвертуючий вхід по колу позитивного зворотного зв’язку. Тому перемикання компаратора може відбуватися тільки тоді, коли перевищить на величину . Аналогічно схема працює і при = - . Ширина петлі гістерезису визначається співвідношенням опорів резисторів і , тобто значенням коефіцієнта зворотного зв’язку за напругою.

Значення сигналу позитивного зворотного зв’язку визначає ширину зони нечутливості компаратора, а отже, і максимально припустиму амплітуду сигналу перешкоди, при якій не відбудеться помилкового спрацьовування компаратора. Слід також відзначити, що позитивний зворотний зв’язок підвищує швидкість перемикання компаратора, проте знижує його чутливість.

Чутливість і час перемикання компараторів на серійних ОП дорівнюють, орієнтовно, десяткам мікровольт та десяткам наносекунд, відповідно. Промисловістю випускаються також компаратори у вигляді спе­ціалізованих ІМС.