книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

I/, = 250...300 В поступает на мостовой инвертор, выполненный на базе силовых транзисторов Tj,...,T4.

Рис. 1331. Схема бестрансформаторного ИВЭП с импульсным стабилизатором

На выходе инвертора образуется переменное напряжение прямо­ угольной формы иис частотой порядка 10...30кГц. Трансформатор, рабо­ тающий на высокой частоте, и элементы сглаживающего фильтра имеют сравнительно небольшие габаритные размеры. Управление транзисторами инвертора осуществляется сигналами 111ИМ, изменяющими длительность открытого состояния транзисторов.

Таким образом, инвертор со схемой управления обеспечивает стаби­ лизацию выходного напряжения. Цепь управления (обратной связи) со­ держит усилитель разностного сигнала выходного и опорного напряжений, а также задающий генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), задающий период следования импульсов инвертора и модуляци­ онную характеристику ШИМ.

Отсутствие входного понижающего трансформатора приводит к то­ му, что инвертор питается от высокого нестабилизированного постоянного напряжения, а схемы управления подключены к низкому стабилизирован­ ному выходному напряжению, что создает трудности их защиты от боль­ ших уровней напряжения между входом и выходом. В реальных устройст­ вах электропитания применяют различные способы гальванической раз­ вязки с помощью дополнительного разделительного трансформатора или оптической изоляции на оптронах.

Преимущественное применение для питания электронного оборудо­ вания бестрансформаторных источников с импульсными стабилизаторами обостряет проблемы электротехнической и электромагнитной совмести­ мости различных устройств. Коммутация больших токов при высоких на­ пряжениях с малыми интервалами времени переключения приводит к об­ разованию мощных импульсных помех, которые распространяются по проводам и излучаются ими, как антеннами, в окружающее пространство. С целью защиты электронной аппаратуры от проникновения этих помех на входах электропитания устанавливают различные фильтры (от про­ стейших RC до цифровых высокого порядка). Для снижения уровня излу­ чаемых электромагнитных помех применяют экранирование блоков элек­ тропитания и их элементов.

Импульсные помехи, создаваемые ИВЭП, через входные зажимы пе­ редаются в первичные электрические сети и, распространяясь, могут дос­ тигать входов электронной аппаратуры. Для снижения помех, распростра­ няющихся по сетям электропитания, на входе источников необходимо ус­ танавливать сетевые помехоподавляющие фильтры (СППФ). Даже доста­ точно простые схемы пассивных фильтров (рис. 13.32) существенно сни­ жают уровень импульсных и высокочастотных помех, создаваемых источ­ ником и проходящих из сети в схему источника.

К выпрямителю

Рис. 13.32. Сетевой помехоподавляющий фильтр

Для подавления излучаемых помех разработан набор конструктив­ ных и схемных мер. Корпус источника электропитания конструируют с учетом выполнения им функции экранирования радиоизлучений. Сниже­ нию уровня излучений и распространения электрических помех по прово­ дам способствует рациональный выбор общих точек схемы и их заземле­ ние, т. е. соединение с корпусом.

В связи с широким распространением электрооборудования и элек­ тронных устройств преимущественно с импульсными системами управле­ ния появляются новые проблемы —как обеспечить полное и качественное использование электроэнергии и электротехническую совместимость си ловых устройств. Эти проблемы требуется решать не только в условиях производства с мощными потребителями, но и в офисных подразделениях и бытовых помещениях, которые характеризуются большой насыщенно­ стью электронными приборами.

Понятие качества электрической энергии включает такие показатели, как отклонение установившегося значения от номинального, небаланс (асимметрия) фазных напряжений, искажение формы напряжения (пульса­ ции и несинусоидальность фазных ЭДС, импульсные нагрузки и помехи), отклонение установившегося значения частоты напряжения.

Резкие изменения нагрузки вызывают провалы напряжения в сети. Значительные токи потребления при наличии реактивных компонентов больших номиналов создают огромные выбросы напряжений и токов. Для снижения влияния указанных факторов на системы управления применяет ся фильтрация входных и выходных сигналов, а также используются схе­ мы исключения переходных процессов при коммутациях.

Наряду с нелинейными искажениями важным показателем, характе­ ризующим потребление электроэнергии, является коэффициент мощности cos<p = PI S . Разработаны и широко применяются пассивные корректоры, основанные на компенсации фазового сдвига включением дополнительных

Генератор прямоугольных импульсов (ГИ) высокой частоты (десятки килогерц) периодически коммутирует ключ на полевом транзисторе Ть При замкнутом ключе в индуктивности L\ накапливается энергия, которая передается в нагрузку, когда ключ разомкнут. Регулирование уровня вы­ ходного напряжения осуществляет управляющее устройство, содержащее источник опорного напряжения (ИОН) и схему сравнения (СС), производя­ щую включение или отключение ГИ в зависимости от соотношения выход­ ного и опорного напряжений. Нижняя подсхема, имеющая структуру инвер­ тирующего стабилизатора, создает отрицательное выходное напряжение.

Функционально завершенная система электропитания представляет собой весьма сложное электронное устройство, оказывающее существен­ ное влияние на параметры электронных средств и электрической сети.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы основные требования, предъявляемые к энергетическим преобразователям"

2.В чем преимущества импульсных силовых преобразователей и какие основные элементы входят в их структуру?

3.Каковы особенности силовых биполярных транзисторов?

4.Каковы структура и принцип действия тиристора?

5.Каковы особенности мощных полевых транзисторов?

6.В чем состоят особенности применения пассивных элементов в силовой аппаратуре

7.От каких величин зависят габаритные размеры силового трансформатора?

8.Какой преобразователь называют выпрямителем?

9.Каковы основные типы выпрямителей?

10.Какое влияние оказывает характер нагрузки на работу выпрямителя?

11.На чем основана работа управляемого выпрямителя?

12.Каковы назначение и основные характеристики сглаживающего фильтра?

13.Что такое стабилизатор и каковы его основные параметры?

14.Каковы структура и назначение элементов компенсационного стабилизатора?

15.В чем особенности импульсного компенсационного стабилизатора?

16.Каковы функции и схемные реализации инверторов?

17.Какие признаки служат основой классификации источников вторичного электро питания?

18.Какие элементы входят в типичную структуру источника вторичного электропитания

19.Каково назначение сетевого помехоподавляющего фильтра?

Глава 14

ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

14.1.Дискретные преобразователи аналоговых сигналов

Вэлектронной аппаратуре широко применяются экономичные уст­ ройства на базе полупроводниковых приборов, работающих в режиме пе­ реключения при воздействии импульсных сигналов, которые гарантируют высокую помехоустойчивость при их преобразовании и передаче.

Дискретные (импульсные) устройства оперируют с импульсными последовательностями, параметр которых изменяется (модулируется) в со­ ответствии с аналоговыми информационными сигналами. В качестве ин­ формационного параметра последовательности импульсов, например, пря­ моугольной формы может быть амплитуда, длительность, частота следова­ ния импульсов. Частотно-временное представление сигналов характеризу­ ется точностью преобразования и высокой помехоустойчивостью. После­ довательности импульсов с частотно-импульсной (ЧИМ) или широтно­ импульсной (ШИМ) модуляцией нашли применение в системах обработки на основе микропроцессоров, обладающих возможностью реализации встроенных функций и имеющих порты приема ЧИМ или ШИМ сигналов.

Дискретные (цифровые) устройства различного назначения на осно­ ве микропроцессоров служат основой большинства современных систем управления и контроля, в которых обработка и хранение информации осу­ ществляются в цифровой форме. Аналоговые величины, получаемые непо­ средственно с датчиков, преобразуются в числовые кодированные после­ довательности импульсов. Прошедшие обработку цифровые последова­ тельности обычно требуется перевести в аналоговую форму для воздейст­ вия на исполнительные устройства (электродвигатели, нагревательные элементы, электромагниты). В общем случае аналого-цифровая система обработки информации включает аналоговые устройства, цифровой вы­ числитель (микропроцессорную систему), а также преобразователь анало­ гового сигнала в числовую последовательность и блок восстановления не­ прерывного сигнала по его цифровому представлению (рис. 14.1).

Непрерывно изменяющееся во времени напряжение u(t), поступаю­ щее с датчика (Д) физической величины Ç в аналоговое устройство пред­ варительной обработки (УПО), подвергается усилению, масштабированию, фильтрации. Затем полученный сигнал х(/) преобразуется с помощью ана­ лого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровую форму Хп. Цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) обрабатывает поступившие данные и отображает на дисплее результат. Преобразованная ЦВУ числовая после­ довательность Гп с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) превращается в соответствующий аналоговый сигнал y(t), который управ­ ляет исполнительным аналоговым устройством (АИУ). Параметры АЦП и ЦАП (разрядность, быстродействие, число каналов) существенно влияю! на характеристики всей системы обработки информационных сигналов.

Аналоговые частотно-зависимые устройства предварительной обра­ ботки сигналов (усиления, фильтрации) преимущественно строятся на ос­ нове операционных усилителей с резистивно-емкостными цепями ОС. Хо­ рошие метрологические параметры УПО можно получить при использова­ нии высокоточных резисторов, которые занимают большие площади на кристалле и трудно реализуются в интегральной технологии. Для повыше­ ния степени интеграции аналогового преобразователя сигналов использу­ ют цепи с коммутируемыми,или переключаемыми,конденсаторами (ЦГОО. полностью выполненные по МДП-технологии. Конденсаторы, коммути­ руемые с помощью быстродействующих ключей, имитируют высокоточ­ ные резисторы. Принцип моделирования процессов в резисторе с помо­ щью ЦПК базируется на выражении среднего тока конденсатора через из­ менение его заряда и разности потенциалов на зажимах /ср= kq/T = СДф/7 , которое для резистора можно представить в форме соотношения icp = и/К

где Rc= Т/С.

Совместную работу аналоговых и цифровых устройств обеспечива ют самые различные элементы и блоки сопряжения с кнопками управления и клавиатурой, релейными схемами, АЦП и ЦАП, системами индикации и отображения информации.

Простые устройства внешнего ввода сигналов в цифровые устройст­ ва реализуются на отдельных логических элементах или с использованием буферных усилителей периферийных устройств. При этом решаются впот не конкретные задачи: исключение дребезга контактов механических пе реключателей, обеспечение требуемой для управления мощности и скоро сти переключения. Ввод сигналов в ЦВУ может осуществляться с помощью механических ключей (кнопок) по простой схеме, приведенной на рис. 14.2,я.

Вход инвертора при замкнутом ключе имеет нулевой потенциа. (низкий уровень напряжения), а при разомкнутом ключе он через резистор R\ подключен к источнику напряжения, обеспечивающему единичный уровень входного сигнала.

Приведенная схема применима только в устройствах, допускающих согласование выходных параметров ОУ с входными ЛЭ. Например, с по­ мощью ОУ при однополярном питании несложно получить напряжения, уровни которых обеспечивают функционирование КМОП-инвертора.

Обычно для преобразования аналогового сигнала в цифровые уровни напряжения используется специальный элемент - компаратор (рис. 14.3,6) При подаче на входы компаратора сигнального ис и опорного Uon напря жений на его выходе образуется логический сигнал ип нулевого или еди ничного уровней. Различные типы выпускаемых компараторов согласо­ ваны по уровням и мощности сигналов с соответствующими сериями цифровой логики.

Логические уровни цифрового сигнала используются для управления различными устройствами (реле, оптронами) и элементами индикации (лампами, светоизлучающими диодами). При этом нагрузочный элемен. подключается либо непосредственно к шине электропитания и выходу ЛЭ (рисЛ 4.4,а \ либо через дополнительные буферные усилители или приемо­ передатчики (transceiver), увеличивающие нагрузочную способность вы­ ходной логики (рис. 14.4,6).

Рис. 14.4. Подключение нагрузки к логической схеме непосредственно (а) и через буферный элемент (б)

Типичной операцией обработки информации в различных областях техники (цифровых измерительных приборах, устройствах числового про­ граммного управления технологическим оборудованием, цифровой аудио- и видеотехнике, телефонии, телевидении) является взаимное преобразова ние аналоговых и цифровых сигналов. Возможность эффективной обра­ ботки непрерывных сигналов цифровыми методами, как правило, опреде­ ляется техническим уровнем аналого-цифрового и цифроаналогового пре­ образования.

Процедура преобразования аналогового напряжения в цифровую форму содержит ряд операций (дискретизацию, квантование, кодирова­ ние), осуществляемых соответствующими преобразователями (рис. 14.5).

Подаваемое на вход АЦП аналоговое напряжение предварительно необходимо усилить до требуемого уровня и ограничить его частотный спектр (снизить высокочастотные составляющие с помощью ФНЧ) для устранения наложения спектров при дискретизации.

Устройство выборки-хранения (УВХ) осуществляет дискретизацию аналогового сигнала (взятие выборок с интервалом времени Т ) и запоми­ нание отсчетов (значений в фиксированные моменты времени) и может быть выполнено на основе полупроводникового ключа на МОПтранзисторе и конденсатора, подключенного к входу операционного уси­ лителя (рис. 14.6,я).

Рис. 14.6. Устройство выборки-хранения (а) и диаграммы его работы (б)

За время действия короткого тактирующего импульса иупр конденса­ тор заряжается до значения входного напряжения щ(пТ). По окончании импульса транзистор запирается и напряжение конденсатора, практически на изменяясь u2(t) = щ(пТ) , передается на выход операционного усилителя в режиме повторителя.

Квантователь предназначен для распределения амплитуд дискретных выборок по уровням с заданным шагом. Диапазон непрерывных значений входного сигнала U = (UmaxUmin) подразделяется на Травных интервалов с шагом квантования h = U/N Если входное напряжение удовлетворяет условию (к -1 )h < u < k h y т. е. находится в к-м интервале, то выходной сигнал принимает значение UK= kh. Проходная характеристика квантова­ теля, реализующего указанную операцию, имеет вид ступенчатой (нели­ нейной) зависимости (рис. 14.7,а).

Для удобства последующего двоичного кодирования общее число уровней дискретизации выбирается из условия N = 2n-1, где п - число раз­ рядов двоичного кода.

Ступенчатую характеристику квантователя можно реализовать с по­ мощью схемы, содержащей резистивный делитель напряжения С/оп на Л уровней переключения Ui,Ü2,...,U^ и компараторы. На один вход компара­ тора подается входной сигнал и, а другой подключен к делителю напряжг ния (рис. 14.7,6). Единичный сигнал U1установится на выходах компарато­ ров, для которых выполняется соотношение Uj > и.

Совокупность высоких и низких уровней напряжений на выходах компараторов несложно преобразовать в двоичный код номера интервал, в котором находится значение входного напряжения. Полученный двоич­ ный код преобразуется шифратором в помехоустойчивый оптимальный код, удобный для передачи и обработки в ЦВУ.

Восстановление аналогового сигнала по его дискретным отсчетам (числовой последовательности данных после цифровой обработки) заклю­ чается в выработке непрерывного во времени сигнала, определяемого со ответствующими кодами последовательности чисел.

Взятие выборок непрерывного сигнала (дискретизация по времени) и последующее восстановление аналогового сигнала по его дискретным зна­ чениям после цифровой обработки связана с внесением искажений. Их ми­ нимизация базируется на теореме отсчетов, формулирующей требования к максимальной частоте дискретизации при известном спектре сигнала. В соответствии с теоремой отсчетов восстановление аналогового сигнала с финитным (конечным) спектром, ограниченным частотой FCJ возможно по его дискретным значениям, взятым через интервал T < 1/(2FC).

Цифроаналоговое преобразование состоит в суммировании эталон ных величин (токов или напряжений), пропорциональных значениям раз­ рядов входного кода. Вначале поступающий на вход произвольный кол преобразуется в параллельный двоичный код, который с помощью дешиф­ ратора задает состояние ключей коммутатора. Из стабильного опорного напряжения формируются соответствующие значениям разрядов входною кода эталонные уровни тока или напряжения, которые суммируются и об­ разуют дискретные значения выходной аналоговой величины (напряжения или тока).

Реализующая приведенный алгоритм схема содержит ключи К2, Лз, Ко, управляемые разрядами входного кода а = а2 aj ао, и матрицу резисто­ ров R, RJ2,..., R/2k, где к - номер разряда входного двоичного кода. Ста­ бильный источник напряжения Uon создает в резисторах взвешенные токи /о = Uon /R, 1\ =2 /0, h = 4 /о, которые в зависимости от положения ключа подключаются к суммирующему узлу Ç операционного усилителя либо замыкаются на корпус (рис. 14.8,а).