1.3 Принцип регулювання випрямленої напруги в керованих випрямлячах

В керованих випрямлячах, процес випрямлення сполучений з регулюванням напруги. Для цього застосовуються силові напівпровідникові прибори які працюють у ключовому режимі, тобто можуть знаходитись тільки в двох станах – повністю відкритому (режимі насичення) або повністю закритому. Проміжні стани для таких приборів (лінійні режими) допустимі лише на час тривалості перехідного процесу перемикання з відкритого до закритого стану і з закритого до відкритого. Тривалий режим роботи на лінійних режимах призводить до перегріву та виходу з ладу силового напівпровідникового прибору. Таким чином, для керування необхідно генерувати такий керуючий сигнал, що несе інформую лише про необхідний стан вентиля – ввімкнутий або вимкнутий (1 або 0). Іншими словами, необхідно застосовувати імпульсні системи керування.

В системах керування, для перетворення керуючого (цифрового або аналогового) сигналу в імпульси керування, застосовують методи імпульсної модуляції. Найбільш поширеними з них є широтно-імпульсна модуляція (ШІМ або Pulse-width modulation, PWM) та частотно-імпульсна модуляція (ЧІМ або Pulse-Frequency Modulation, PFM).

При ШІМ змінюють тривалість замкнутого стану вентиля, при постійному періоді повторення (t_i= var, Т=const). При ЧІМ змінюють частоту повторення при постійній тривалості імпульсу (t_i= const, Т = var).

В обох випадках впливають на скважність імпульсів,

При зміні скважності імпульсів, змінюється середня напруга на виході ШІМ або ЧІМ (рис. 1.3).

Оскільки в промисловій мережі змінного струму частота стала, то для керованих випрямлячів застосовують ШІМ - керування. ЧІМ-керування разом з ШІМ, може застосовуватись в інверторах.

а	б

Рис. 1.3 Часові діаграми напруги: а - при широтно-імпульсному регулюванні; б - при частотно-імпульсному

Аналоговий ШІ-модулятор (рис. 1.4) складається з компаратора – DD1, на один вхід якого подається трикутний або пилкоподібний періодичний сигнал з допоміжного генератора на елементах DA2, VT та C, а на іншій - аналоговий сигнал керування з підсилювача DA1 (модулюючий сигнал). На виході компаратора DD1 утворюються періодичні прямокутні імпульси зі змінною шириною, скважність яких змінюється за законом сигналу керування. Стан виходу компаратора, це ШІМ.

В схемі на рис. 1.4, на базовий вивід транзистора VT, від схеми синхронізації (не показана), надходять короткі імпульси синхронізації з подвійною частотою змінної напруги в силовій мережі. Вони формуються коли миттєве значення напруги в мережі знаходиться в межах нуля. За час дії імпульсу синхронізації, транзистор VT знаходиться в стані насичення (повністю відкритий) тим самим замикаючи накоротко конденсатор C і швидко розряджаючи його. Після закінчення дії імпульсу синхронізації, конденсатор повільно заряджається від стабілізованого джерела напруги і на виході підсилювача DA2 формується напруга з лінійно зростаючим фронтом, що триває до моменту надходження наступного імпульсу синхронізації, який призведе до швидкого спаду напруги. Далі процес повторюється.

Рис. 1.4 Принципова схема аналового блоку ШІМ

В цифровій техніці, ШІМ зазвичай реалізується апаратно. В мікроконтроллери часто вбудовуються модулі ШІМ, загальна функціональна схема яких наведена на рис. 1.5.

Цифровий модуль ШІМ містить чотири спеціальних n – бітних (розрядних) регістрів;

• регістр тривалості імпульсу R_t та його буферний регістр ВR_t,

• регістр тривалості періоду R_T,

• регістр таймера R_tt.

Крім того, до складу модуля входять дві схеми зрівняння та RS - тригер.

Значення R_t може постійно змінюватись при виконанні основної програми мікроконтроллера, тоді як значення R_T, зазвичай є константою. Вказані регістри дозволяють як записувати в них необхідний цифровий код, так і зчитувати його.

Перше значення тривалості імпульсу, до початку роботи модуля, завантажується в обидва регістри R_t та ВR_t. Наступні значення завантажуються тільки у буферний регістр ВR_t. Значення тривалості періоду завантажується в регістр періоду R_T також до початку роботи модуля і в процесі роботи не змінюється або лише періодично коригується.

Модуль ШІМ після активації, працює наступним чином. На вхід таймера безперервно подається послідовність тактових імпульсів, при цьому на кожному такті починаючи з «0» інкримінується (збільшується на одиницю) значення n – розрядного лічильника, поточний результат якого фіксується в регістрі таймера R_tt. Вміст R_tt постійно порівнюється з вмістом R_t та R_T. При збіганні вмісту регістра таймера R_tt з регістром R_t, відповідною схемою зрівняння генерується сигнал встановлення RS – тригера в активний стан. На виході модуля ШІМ виникає імпульс керування. При збіганні вмісту регістра таймера R_tt з регістром R_T, відповідною схемою зрівняння генерується сигнал скидання RS – тригера і на виході модуля ШІМ імпульс керування зникає що означає кінець періоду ШІМ. Одночасно з закінченням періоду, скидаються на нуль значення лічильника та регістра таймера R_tt а в регістр тривалості імпульсу R_t, перезаписується значення буферного регістра ВR_t та починається новий цикл. На рис. 1.6 часова діаграма роботи ШІМ-модуля мікроконтроллера, що демонструє вище наведений алгоритм.

Рис. 1.5 Функціональна схема цифрового блоку ШІМ

Рис. 1.6 Часова діаграма роботи цифрового модуля ШІМ