Промежуточный полупроводниковый усилитель класса д для системы регулируемых электроприводов с магнитными усилителями Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Том 153

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1955

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА Д ДЛЯ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С МАГНИТНЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ

В. А. СЕВАСТЬЯНОВ, А. П.' ИНЕШИН, А. И. ЕСИН (Рекомендовано научным семинаром электромеханического факультета Томского политехнического института)

В настоящее время накоплен значительный опыт по внедрению и эксплуатации промежуточных полупроводниковых усилителей главным образом для схем электромашинной автоматики [1, 2].

С наилучшей стороны зарекомендовали себя полупроводниковые усилители с преобразованием сигнала, так называемые «усилители переменного тока», отличающиеся высокой эксплуатационной надежностью. Возникновение практически любой неисправности в таком усилителе приводит к прекращению усиления сигнала несущей частоты и к нулевому выходу, а следовательно, и к остановке привода.

гки

Ми

_ _ _ _ _ Умер

О

Рис. 1. Блок-схема усилителя класса Д.

Данная статья посвящена особенностям разработки, исследованию и вопросам эксплуатации более мощных ППУ класса Д, работающих на цепи управления силового магнитного усилителя с самонасыщением (МУС).

Принцип действия усилителя класса Д поясняется блок-схемой рис. 1. Генератор коммутирующих импульсов (ГКИ), роль которого, в частности, может выполнять источник напряжения 50 гц, вырабатывает симметричные прямоугольные импульсы напряжения частотой ^ , поступающие на широтно-импульсный модулятор — ШИМ. Последний преобразует напряжение управления на входе усилителя в относитель-

Т

. ную длительность импульсов 7 = " ■ , где Ти — продолжитель-

ность импульса, а Тк

— период повторения. Эти импульсы усили-

ваются и преобразуются по форме импульсным усилителем — ИУ. Выходное напряжение ИУ прямоугольной формы.и относительной длительности 1 управляет работой выходного каскада усилителя — полупроводникового ключа — К в цепи нагрузки — обмотки управления МУС. Для снижения постоянной времени ОУ последовательно с ней включается добавочное сопротивление НЛопЗ>гог , поэтому

Т =

1 (у

I

оу

» Т'

I

су

оу

оу

оу

Г я

доп

Модулятор длительности ШИМ входит в промежуточный полупроводниковый усилитель как самостоятельное звено, работает на промежуточный импульсный усилитель и выполняет функции преобразования и усиления управляющего сигнала иу . Основным требованиям, предъявляемым к этому звену (обеспечение основного усиления по напряжению и помехоустойчивость), удовлетворяет схема ШИМ, принцип работы которой поясняется рис. 2.

Источником коммутирующего напряжения и к является сеть (50 гц. 33 в), откуда сигнал подается через ограничительное сопротивление И б на кремниевый стабилитрон (типа Д 813). Кремниевый

цсм

Тр

И -/¿V

Рис. 2. Принципиальная схема широтно-импульсного модулятора ШИМ.

стабилитрон, обладая несимметричной характеристикой, несимметрично ограничивает синусоидальное напряжение коммутации и используется как «пробиваемое» сопротивление (типа ключа), управляющее процессами заряда-разряда конденсатора «С».

Процесс заряда конденсатора «С» происходит в отрицательный полупериод коммутирующего напряжения по цепи: источник ик — диод д2 (Д2Е) — емкость «С» — сопротивление Кб . Напряжение на емкости при заряде достигает величины обратного пробивного напряжения ист-об кремниевого стабилитрона (порядка 13в). Постоянная времени этой цепи выбирается из условия обеспечения полного заряда емкости за время полупериода коммутирующего напряжения и равна:

Т,: Гк

8 '

Процесс разряда емкости «С» в положительный полупериод коммутирующего напряжения происходит по цепи: заряженная емкость «С», являющаяся источником напряжения, — диод д3 (Д2Е) — коллекторная цепь полупроводникового триода Тр (П9) — кремниевый стабилитрон д,, «пробитый» коммутирующим напряжением в прямом направлении. Постоянная времени цепи разряда емкости «С» равна:

Граз — С ( Ист-ир "Г Г^з

и определяется в основном эквивалентным сопротивлением 1?т коллекторного перехода триода Тр. управляемого напряжением входного сигнала иу Ввиду большого внутреннего сопротивления триода разряд емкости линеаризируется, ток при разряде почти не меняется и определяется выражением:

!Р - В 1б ,

где 1б— ток базы, В — коэффициент усиления триода.

При отсутствии управляющего напряжения на входе модулятора (иу = 0) полупроводниковый триод введен в режим насыщения по цепи базы И м источником тока смещения ( + ) ис1. Сопротивление перехода коллектор—эмиттер в режиме насыщения мало (десятки ом) и постоянная времени цепи разряда в основном определяется сопротивлениями диодов ох и дг в проводящем направлении. Поэтому разряд емкости «С» протекает за малое время, а выходное напряжение модулятора минимально по амплитуде и длительности.

При наличии управляющего напряжения на входе модулятора соответствующей полярности (иу <0) просходит перераспределение токов входной цепи модулятора: входной ток 1зх увеличивается, ток базы 1б триода уменьшается. Полупроводниковый триод выводится из режима насыщения в режим усиления. Разряд емкости проходит с постоянным током 1р, обратно пропорциональным величине управляющего сигнала

1р = в= •

и протекает за определенное время, пропорциональное управляющему сигналу

т„ = к2иу

Здесь К1 и К2 коэффициенты пропорциональности. На коллекторе триода Тр появляются импульсы выходного напряжения остроконечной фор-

12 Известия, т. 153. 177

мы, амплитуда 11м и длительность Ти которого пропорциональны величине Ьту.

Относительная длительность выходного импульса 7 изменяется в пределах от 0 до 0,6 (причем умак = 0,6>0,5), так как максимально

Т -

возможная продолжительность времени разряда Тнм >заряда ввиду несимметричной характеристики кремниевого стабилитрона (рис. 2).

Начальное смещение триода, определяемое сопротивлением ИСм, выбирается из условия ввода его в режим насыщения с учетом шунтирующего действия цепи источника управляющего сигнала. Поэтому 7 = Диу) имеет зону нечувствительности по сигналу управления, необходимую для вывода триода из режима насыщения в режим усиления

Рис. 3. Характеристики модулятора для двух случаев настройки.

При обрыве входной цепи усилителя (1ИХ~ 0) ток базы 1б возрастает и полупроводниковый триод вводится в режим глубокого насыщения, что приводит к надежному запиранию всего тракта усиления полупроводникового и магнитного усилителя. Режим насыщения триода модулятора определяет также улучшенную помехозащищенность входной цепи усилителя.

В промежутки времени разряда емкости С осуществляется воздействие входного сигнала с наложенной помехой на процесс ШИМ. На остальное время ШИМ как бы самоотключается от источника входного сигнала и помехи. Основная помеха передается на вход ШИМ цепью электромагнитной коррекции [4] и представляет собой трансформированное в обмотке коррекции выходное напряжение ППУ, работающего в ключевом режиме. Путем включения в цепь коррекции настроенного фильтра удается добиться выполнения условия синфазности ШИМ и напряжения помехи на его входе. При этом воздействие суммарного входного напряжения на ШИМ происходит лишь в промежутки времени, совпадающие со значением основной полезной части управляющего сигнала постоянного тока, а периодическая помеха на ШИМ влияния не оказывает [3].

Полная схема широтно-импульсного модулятора, приведенная на рис. 4, отличается от рассмотренной принципиальной схемы (рис. 2) наличием второй аналогичной цепи управления зарядом-разрядом емкости С. Коммутирующее напряжение, управляющее работой этой цепи,

Рис. 4. Полная схема модулятора длительности — ШИМ.

сдвигает на иолупериод процессы заряда-разряда емкости по сравнению с первой цепью. Этим обусловливается поочередная разрядка обоих конденсаторов на общее управляемое входным сигналом сопротивление — полупроводниковый триод. Напряжение на полупроводниковом триоде представляет собой серию импульсов, следующих с удвоенной частотой 21 к —100 гц и изменяющейся от 0 до 1 в зависимости от величины управляющего напряжения иу (рис. 5). Это напряжение подается через разделительный кремниевый стабилитрон на выходной каскад модулятора, собранный по обычной схеме включения полупроводникового триода (типа П-13) с общим эмиттером. При отсутствии входного сигнала 1)у выходной каскад модулятора выведен в состояние насыщения цепью смещения базы. При наличии на входе модулятора управляющего сигнала на базу триода выходного каскада поступают положительные импульсы напряжения, выводящие триод в состояние отсечки на время своей длительности. На выходе модулятора образуется серия импульсов отрицательной полярности примерно прямоугольной формы, относительная длительность которых изменяется в зависимости от иу от 0 до 1 (рис. 5). Характеристика модулятора примерно линейная и обладает регулируемой зоной нечувствительности, крутизна характеристики модулятора составляет

К

Дт

ли.

0,01

1

мв

и достаточна для обеспечения величины диапазона регулирования скорости электропривода порядка 200:1 без применения дополнительных каскадов усиления по напряжению.

На рис. 6 представлена схема выходного каскада, ее основной отличительной особенностью является то, что при отсутствии управляющего сигнала на входе усилителя (иу = О) выходной полупроводнико-

12*

179

вый ключ открыт (находится в режиме насыщения). Кроме этого, «нормально открытое» состояние выходного триода позволяет совместить функции управления и смещения на одной и той же ОУ силового МУС.

Рис. 5. Осциллограммы работы широтно-импульсного модулятора

Схема состоит из двух каскадов усиления на полупроводниковых триодах (типа П-13 и П4В), коллекторные цепи зачитываются напряжением (—20 в) отрицательной полярности. Первый предварительный каскад по схеме с общим эмиттером на маломощном триоде П13 служит для усиления и инвертирования управляющего импульсного сигнала Ц., при отсутствии которого триод находится в состоянии отсечки

1£0

(выключен) путем пассивного запирания от насыщенного выходного триода модулятора.

Второй, собственно выходной каскад усиления мощности (ключ) выполнен па триоде типа П4В по схеме с общим эмиттером и нормаль-

-203

усилителя класса Д.

но (при отсутствии управляющего сигнала) открыт — находится в режиме насыщения. Выходной триод образует управляемое плечо моста, состоящего, с одной стороны, из выходного триода и его коллекторного сопротивления , с другой стороны, из омического делителя на сопротивлениях Кдоп и И,. Большая часть коллекторного тока насыщенного выходного триода, протекая по ОУ и дополнительному сопротивлению Ндоги образует ток смещения 1см МУС.

Входной управляющий сигнал подается с выхода модулятора в виде серии, импульсов отрицательной полярности также с частотой 2\к =100 гц. Первый триод при наличии импульсов управления открывается, переходя в режим насыщения, а выходной триод запирается, переходя в режим отсечки под действием источника напряжения положительной полярности в базовом делителе 1?б2 — ИСм • При больших управляющих сигналах у -> 1, ток ОУ падает до 0 и затем реверсируется, полностью открывая силовой МУС.

Полупроводниковый диод дА (типа Д7В) защищает выходной триод ог коллекторных перенапряжений.

Возникающее при включении силовой цепи МУС импульсное перенапряжение, имеющее полярность « + » на начале ОУ, замыкается в разрядном контуре: ОУ— 1^лпп — открывающийся диод Полупроводниковый диод д:> (типа Д7Ж) при этом препятствует прохождению импульса перенапряжения в другие цепи ППУ, отключая контур его прохождения.

В реальных приводах с МУС на вход ППУ поступает спектр помех двух явно выраженных частот: преобладающей в большинстве случаев помехи промышленной частоты = 50 гц и частоты ШИМ— 100 гц.

На осциллограмме рис. 7 б показано прохождение помехи =-50гц

100

через ШИМ. Так как 1П —-—> то для °ДН0Г0 импульса ШИМ она действует как положительная обратная связь, а для другого — как .

отрицательная. На осциллограмме четко видны указанные пары, импульсов, один из которых расширен пропорционально сигналу

ли.

л другой сужен пропорционально сигналудиу — ди„. I ¡ри

этом средняя величина 7 за два периода коммутации остается примерно той же. Поэтому влияние ?„ = 50 гц. при работе усилителя на линейной части характеристики (вход—выход) па работу привода с МУС не сказывается. При выходе усилителя в зону насыщения это действие сводится в основном к снижению коэффициента усиления ППУ. Теоретически наиболее опасными являются помехи, частоты которых близки к таковой внутренней коммутации ППУ класса Д. На осциллограмме рис. 7 а показано прохождение искусственно созданной помехи частоты Гп — 95 гц через ШИМ. В этом случае па выходе усилителя образуются низкочастотные биения, отрабатываемые исполнительным электродвигателем рис. 7а пунктиром). В реальных же системах приводов появление таких помех маловероятно. На осцил-

а)

*

нолевая жнив

Л*

•V М N IV N ^ А 1А1 1л

л/w^AЛлK?w\л/v/

<п

нулевая /шния

сек

! /? /7 О I

Рис. 7. Осциллограмма прохождения сигнала помехи через усилитель класса Д. а—напряжение помехи частотой 95 гц; б—напряжение помехи частотой 50 гц.

лограммах под нулевой линией изображены импульсы выходного напряжения II Ш1у усилителя и помеха и„ с частотой !„ . Внизу осциллограмм приведены отметки времени с Т = 0,02 сек.

Выходные импульсы усилителя дополнительно промодулированы по амплитуде с частотой 300 гц. пульсирующим выходным напряжением выпрямителя.

Рассмотренный ППУ был изготовлен и исследован в отраслевой лаборатории Ульяновского политехнического института и на УЗТС.

Выводы

1. Полупроводниковый усилитель класса Д отличает высокая надежность и повышенная выходная мощность, что необходимо при согласовании ППУ с МУС.

2. Разработанный вариант схемы широтно-импульсного модулятора при соответствующей настройке фильтра в цепи коррекции обладает удовлетворительной помехозащищенностью.

3. Положительные результаты, полученные при испытании усилителя класса Д в заводских условиях, позволяют рекомендовать его для использования в качестве предварительного каскада усиления электропривода тя^келых станков,

ЛИТЕРАТУРА

1. Сборник" 1 «Регулируемые электроприводы и бесконтактная автоматика в машиностроении», МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1962.

2. Ленинградский ДНТП, Т. А. Глазенко. «Полупроподниковые усилители класса Д для систем электромашинной автоматики на постоянном токе», Ленинград, 1963.

3. Я. 3. Цыпкин. «Теория импульсных систем», Фцзмат, 1958.

4. М. А. Р о з е н б л а т. «Магнитные усилители», Госэнергоиздат, 1960.