Функциональные элементы УРЗА на операционных усилителях. Учебное пособие

ниже напряжения на конденсаторе C . Поэтому на нем выделяется максимальное значение входного сигнала с обратной полярностью. Полученное на конденсаторе напряжение подается на выход схемы через повторитель напряжения, выполненный на DA2 . Для обеспече-

ния быстрого приема амплитуды входного сигнала резистор R3 выбирается минимально возможного сопротивления с точки зрения допустимости работы DA1 на разряженный конденсатор.

Разряд конденсатора может происходить только через «Схему сброса», поскольку иных путей для разряда нет: через цепь заряда путь закрыт диодом VD2 , а входное сопротивление неинвертирующего вхо-

да DA2 бесконечно велико. Поэтому для осуществления сброса заряда

конденсатора и выполнения повторного замера амплитуды входного напряжения необходимо от внешнего устройства обеспечить разряд конденсатора. Обычно эта схема включает в себя транзистор, закорачивающей конденсатор через достаточно малое сопротивление, и цепи управления им.

Для компенсации погрешности, обусловленной прямым падением напряжения на открытом диоде VD2 , включен дополнительный диод

VD1 последовательно с резистором цепи отрицательной обратной связи R2 , включение которого увеличивает выходное напряжение DA1 на соответствующую величину.

Генератор треугольных колебаний

Во многих устройствах автоматики используется широтно-им- пульсная модуляция сигналов. Одним из важнейших узлов в этом случае является генератор периодических колебаний, имеющих линейных характер нарастания и спада выходного сигнала и одинаковую длительность положительного и отрицательного фронтов.

На рис. 42 показаны схема генератора треугольных колебаний и диаграмма напряжений в этой схеме. Основой схемы является интегратор, выполненный на ОУ DA2 . На его вход подается напряжение с вы-

хода DA1 , работающего в режиме компаратора. Операционный усилитель DA1 как при положительном, так и при отрицательном выходном напряжении находится в состоянии насыщения.

61

ния uB на рис. 42), на выходе интегратора формируется линейно изменяющийся сигнал, знак изменения которого противоположен знаку текущего значения выходного напряжения компаратора DA1 . Крутизна наклона линейных участков определяется постоянной времени R1C . Задание длительности интегрирования осуществляется выбором сопротивлений резисторов R2 и R3 , с помощью которых задается момент переключения компаратора. Напряжение на неинвертирующем входе DA1 определяется выражением

Переключение происходит, когда напряжение на неинвертирующем входе uA становится равным нулю, т. е. выполняется условие

Таким образом, при заданной крутизне наклона линейных участков длительность периода колебаний определяется отношением сопротив-

лений R2 , которое должно быть больше единицы.

R3

Показанная на рис. 42 схема позволяет формировать треугольные импульсы, имеющие одинаковую длительность нарастания и спада сигнала, симметричного относительно оси времени.

При необходимости получения различной крутизны выходного сигнала при нарастании и спаде необходимо задать различные постоянные времени интегратора при изменении полярности его входного сигнала. Для этого достаточно зашунтировать резистор R1 нелинейной

цепью, содержащей резистор и диод.

При необходимости ввести смещение выходного сигнала относительно оси времени достаточно зашунтировать резистор R3 нелинейной цепью, содержащей резистор и диод.

63

Схема совпадения

При построении измерительных органов, реагирующих на две электрические величины и использующих схему сравнения по фазе, используются схемы совпадения входных напряжений по знаку. В серийных реле широко применяется схема совпадения напряжений противоположного знака, изображенная на рис. 43. Для обеспечения работы схемы

поступает разность напряжений, обусловленная падением напряжения на резисторах R3 , R4 и диодах VD1 VD4 и вызывающая его насыщение с отрицательным напряжением на выходе.

Если одно из входных напряжений равно нулю (например, uвх1 ), а другое отлично от нуля (например, uвх2 0 ), то состояние схемы не изменяется. В самом деле, потенциал неинвертирующего входа обусловлен падением напряжения на открытом диоде VD6 , по которому протекает ток, обусловленный напряжением uвх2 , и составляет приблизительно +0,6 В. Потенциал инвертирующего входа ОУ выше на сумму величин падения напряжения на R3 , VD1 , VD3 и R4 . Благодаря

64

этому ОУ остается насыщенным с отрицательным напряжением на выходе. При рассмотрении случая, когда uвх1 0 , а uвх2 0 , благодаря протеканию тока, обусловленного входным напряжением, открывается диод VD5 , и напряжение на инвертирующем входе ОУ составляет при-

близительно –0,6 В. Потенциал неинвертирующего входа при этом становится ниже на сумму величин падения напряжения на тех же элементах. Таким образом, при подаче сигнала только на один вход схемы состояние ОУ остается таким же, как и при отсутствии входных сигналов.

Если оба входных сигнала отличны от нуля, но имеют одинаковые знаки, то поведение схемы остается таким же, как и в предыдущем случае, и выходной сигнал ОУ имеет отрицательную полярность.

Теперь рассмотрим случай, когда оба входных сигнала отличны от нуля, а их знаки не совпадают. Пусть, например, uвх1 0 , а uвх2 0 .

Тогда положительное напряжение открывает диод VD6 , а отрицательное – диод VD5 . При этом потенциал неинвертирующего входа стано-

вится равным +0,6 В, а потенциал инвертирующего входа – –0,6 В. В результате этого выходной сигнал ОУ изменяет знак и переходит в насыщенное состояние с положительным напряжением на выходе.

Таким образом, положительный сигнал на выходе схемы формируется только в том случае, если на обоих входах имеются ненулевые и не совпадающие по знаку сигналы. Для обеспечения четкой работы схемы на ее входы обычно подаются напряжения с выходов усилите- лей-ограничителей (см. рис. 33).

Схема сравнения средних значений двух электрических величин

При построении ряда измерительных органов устройств релейной защиты и системной автоматики возникает необходимость сравнения двух электрических величин по абсолютному значению. В традиционных устройствах такие органы выполнялись с использованием электромеханических систем (в последнее время – магнитоэлектрических реле). Благодаря довольно низкому быстродействию таких устройств, эти органы реагируют на средние значения входных сигналов. В ряде случаев это является предпочтительным при построении измерительных органов, сравнивающих электрические величины. На рис. 44 пока-

65

зана принципиальная схема такого органа, осуществленного на ОУ. Как видно из рисунка, она состоит из интегратора и триггера Шмитта,

выполненных на DA1 и DA2 соответственно.

Рис. 44. Схема сравнения двух электрических величин по среднему значению

Входным сигналом интегратора является сумма трех входных напряжений, одно из которых подается от источника питания Eпит че-

рез очень большое сопротивление резистора R3 . Такое подключение обеспечивает надежную установку начального состояния рассматриваемого органа. При отсутствии входных сигналов uвх1 и uвх2 инте-

гратор устанавливается в насыщенное состояние с напряжением положительной полярности на выходе. Этим обеспечивается выдача с триггера Шмитта сигнала отрицательной полярности в исходном состоянии устройства.

Сравниваемые сигналы uвх1 и uвх2 имеют различную полярность,

причем сигнал, вызывающий срабатывание, должен быть положительным, а тормозной – отрицательным.

Наличие в схеме триггера Шмитта обеспечивает надежное удержание органа в сработанном состоянии при колебаниях выходного сигнала интегратора. Для большей надежности делитель напряжения в положительной обратной связи триггера Шмитта выбирают таким образом, чтобы напряжение переключения триггера составляло около 10 В. Такой выбор исключает явление «дребезга контактов».

66

Схема сравнения двух электрических величин по фазе

При построении дистанционных органов на базе ОУ наибольшее распространение получили схемы сравнения двух электрических величин по фазе. На рис. 45 показана структурная схема измерительного органа со схемой сравнения двух электрических величин по фазе.

Рис. 45. Структурная схема измерительного органа со схемой сравнения двух электрических величин по фазе

В общем случае на вход ИО подаются напряжение U и ток I , из которых формируются напряжения E1 и E2 , подаваемые на входы

схемы сравнения. Поскольку в схеме сравнения по фазе важно выявить угол между сформированными ЭДС, для их формирования использованы рассмотренные ранее усилители-ограничители (см. рис. 33). Полученные от усилителей-ограничителей напряжения подаются на «Схему совпадения» (см. рис. 43), которая формирует положительные

импульсы только в моменты совпадения импульсов E1 и E2 противо-

положной полярности. Для оценки соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов совместно используются «Интегратор» и «Триггер Шмитта», выполненные по схеме, представленной на рис. 46.

При отсутствии совпадения по времени сигналов противоположной полярности на вход интегратора поступает отрицательное напряжение, в результате интегрирования которого на выходе DA1 устанавливается

максимальное напряжение насыщенного ОУ. Это соответствует отсутствию срабатывания схемы сравнения. При длительности отрицательных импульсов на выходе схемы совпадения, превышающих длительность положительных импульсов, выходное напряжение интегратора

67

ется напряжение с выхода компаратора, формирующего импульсы, длительность которых следует сравнивать с заданной уставкой. На рис. 47 приведен один из вариантов исполнения такой схемы.

пряжение uоп . Характер входного сигнала может быть различным, но

признаком, на который реагирует устройство, является то, что длительность импульсов, формируемых на выходе компаратора, зависит от величины входного сигнала.

При отсутствии входного сигнала на выходе компаратора имеется напряжение положительной полярности, конденсатор C заряжен тоже в положительной полярности до напряжения стабилизации стабилитрона VD1 , выходной триггер Шмитта формирует на выходе устройст-

ва сигнал низкого уровня.

Если мгновенное значение входного сигнала превышает опорное напряжение, на выходе компаратора появляется сигнал отрицательной полярности, длительность которого зависит от величины подведенного сигнала. Отрицательное напряжение на выходе компаратора вызывает перезаряд конденсатора C . Для срабатывания органа необходимо, чтобы длительность перезаряда в сторону отрицательной полярности была достаточной для достижения порога переключения триггера Шмитта. При снижении мгновенного значения входного напряжения ниже порога переключения компаратора конденсатор начинает вновь заряжаться в направлении положительной полярности.

Для срабатывания органа необходимо, чтобы в течение периода конденсатор перезаряжался в отрицательной полярности больше, чем в положительной. Для этого требуется иметь импульсы отрицательной

69

полярности на выходе компаратора достаточной длительности и соответственно достаточную величину входного сигнала.

Обычно оказывается необходимым иметь постоянную времени заряда конденсатора в положительном направлении большей, чем постоянную времени его заряда в отрицательном направлении. Для получения такого соотношения вводят в интегрирующее звено дополнитель-

ную нелинейную цепь VD2 – R2 . Для приближения характеристик заряда и разряда конденсатора к линейным в схему введен стабилитрон VD1 . В некоторых случаях используется активная интегрирующая цепь, для чего в схему может быть введен дополнительный ОУ.

Элементы задержки срабатывания

При построении быстродействующих устройств релейной защиты часто возникает необходимость формирования задержек срабатывания органов в миллисекундном диапазоне. Для этого можно использовать

схему, приведенную на рис. 48. Показанный на схеме усилитель DA1

работает в дискретном режиме, т. е. на его выходе может быть только два состояния: насыщен в положительной или отрицательной полярности.

Исходным является состояние схемы, при котором DA1 насыщен в

отрицательной полярности. При этом конденсатор C полностью разряжен, и напряжение на нем равно нулю. Выходной усилитель схемы

70