Импульсные регуляторы постоянного напряжениядля питания многоуровневых инверторов. Автоматические регуляторы импульсного действия

И ТРАНЗИСТОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Ключи на биполярных транзисторах составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, с их помощью реализуются широко используемые схемы транзистор-транзисторной логики ТТЛ. Наибольшее распространение получил ключ с общим эмиттером (рис. 5.1), в котором нагрузка R К включена в цепь коллектора транзистора.

Рисунок 5.1 - Схема транзисторного ключа

В ключевом режиме транзистор находится в двух основных состояниях.

1 Состояние (режим) отсечки (ключ разомкнут). При этом через транзистор протекает минимальный ток I К = I КО » 0. Для того, чтобы транзистор находился в состоянии отсечки, необходимо сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора, т.е. для транзистора n-p-n типа выполнить условие U БЭ < 0. Это достигается либо при U ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е СМ, которое обеспечит U Б < 0 при U ВХ = 0.

Мощность, теряемая на транзисторном ключе в режиме отсечки Р К = U К I К, очень мала ток как мал ток.

2 Состояние (режим) насыщения (ключ замкнут). В этом режиме оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, т.е. электрическое сопротивление цепи коллектор - эмиттер очень мало (близко к нулю). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется резистором R .К:

I КН = (Е К - U КН)/R К » Е К / R К, (5.1)

так как U КН » 0.

Режим насыщения достигается при

I Б = I БН = I КН / K I = I КН / h 21Э. (5.2)

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (5.2) выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления h 21Э = h 21Э min для транзисторов данного типа. При этом входное напряжение должно удовлетворять условию

U ВХ /R 1 - Е СМ / R 2 ³ I БН g = gI КН / h 21Эmin (5.3)

где g - степень насыщения (g = 1,2...2).

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Р К = U К I К очень мала, так как мало напряжение U КЭН. Напряжение U КЭН приводится в справочниках. Для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U КЭН << Е К.

Ключевые элементы применяются также в импульсных регуляторах напряжения, имеющих высокий КПД. Регулировать среднее значение напряжения на нагрузке можно изменением параметров импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный способ регулирования, при котором амплитуда и период следования импульсов постоянны, а изменяется длительность импульса и паузы, а также частотно-импульсный метод, при котором постоянны амплитуда и длительность импульса, а изменяется период следования импульсов.

Импульсные регуляторы широко применяют как регуляторы и стабилизаторы напряжения, используемые для питания обмоток возбуждения электрических машин, электродвигателей постоянного тока, нагревательных элементов и других устройств и процессов, допускающих питание импульсным напряжением.

Импульсные регуляторы выполняются на тиристорах или транзисторах.

Транзисторный импульсный регулятор напряжения содержит генератор импульсов, параметры которых могут регулироваться вручную или автоматически, а на выходе генератора включен транзистор, работающий в ключевом режиме.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса t И называется скважностью Q И = Т/t И. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения a = 1/Q И = t И /Т.

Среднее напряжение на нагрузке

U Н.СР = aЕ, (5.4)

где Е - напряжение питания выходного транзистора и последовательно включенной нагрузки.

Действующее значение напряжения

U Н..Д = ÖaЕ. (5.5)

Для активной нагрузки существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер, то она должна шунтироваться диодом, включенным в обратном направлении. Диод защищает выходной транзистор от перенапряжений, возникающих в индуктивности при резком спаде тока в момент запирания транзистора. При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то от источника питания Е, когда ключ замкнут, то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут, за счет энергии, запасенной в индуктивности.

При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени t = L Н /R Н.

5.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

Транзистор КТ808ГМ;

Набор резисторов;

Источники регулируемого напряжения;

Импульсный регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

Вольтметры и миллиамперметры;

Электронный осциллограф.

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.

Предлагаю простую схему ШИМ регулятора. Питается устройство от источника постоянного напряжения 12В. При указанном экземпляре транзистора, выдерживает ток до 10А.

Рассмотрим работу устройства: На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования импульсов около 7кГц. С коллектора транзистора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой. Скважность регулируется переменным резистором R4. При крайнем левом положении движка этого резистора, см. верхнюю диаграмму, импульсы на выходе устройства узкие, что свидетельствует о минимальной выходной мощности регулятора. При крайнем правом положении, см. нижнюю диаграмму, импульсы широкие, регулятор работает на полную мощность.

Диаграмма работы ШИМ в КТ1

С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом. В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!

И в заключении следует сказать, что данный регулятор работает в моей машине с двигателем обогрева салона уже более двух лет.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
VT1, VT2	Биполярный транзистор	KTC3198	2			В блокнот
VT3	Полевой транзистор	N302AP	1			В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	220мкФ 16В	1			В блокнот
C2, C3	Конденсатор	4700 пФ	2			В блокнот
R1, R6	Резистор	4.7 кОм	2			В блокнот
R2	Резистор	2.2 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	27 кОм	1			В блокнот
R4	Переменный резистор	150 кОм	1			В блокнот
R5	Резистор

Схема очень простого мощного импульсного регулируемого стабилизатора напряжения с высоким КПД

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Сегодня мы с вами рассмотрим схему мощного импульсного регулируемого стабилизатора напряжения . Данная схема может применяться как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением, так и в блоках питания с регулируемым выходным напряжением. Хотя схема очень проста, но она обладает достаточно хорошими характеристиками и доступна для повторения радиолюбителями с любой начальной подготовкой.

Основой данного стабилизатора является специализированная микросхема LM-2596T-ADJ , которая как-раз и предназначена для построения импульсных стабилизаторов регулируемого напряжения. Микросхема имеет встроенную защиту по выходному току и тепловую защиту. Кроме того в схеме имеется диод D1 – диод Шоттки типа 1N5822 и дроссель заводского изготовления (в принципе, его можно изготовить самостоятельно) индуктивностью 120 микрогенри. Конденсаторы С1 и С2 – на рабочее напряжение не ниже 50 вольт, резистор R1 мощностью 0,25 ватт.

Для получения регулируемого напряжения на выходе, необходимо к контактам 1 и 2 подключить переменный резистор (с как можно меньшей длиной проводов подключения). Если необходимо на выходе получить фиксированное напряжение, то вместо переменного резистора устанавливается постоянный, номинал которого подбирается опытным путем.

Кроме того, в серии LM-2596 есть фиксированные стабилизаторы на напряжение 3,3 В, 5В и 12 В схема подключения которых еще проще (можно просмотреть в даташите).

Технические характеристики:

Как видите характеристики для применения этой схемы в блоке питания довольно приличны (по даташиту выходное напряжение регулируется в пределах 1,2-37 вольт). Эффективность стабилизатора при входном напряжение 12 вольт, выходном – 3 вольта и токе нагрузки 3 ампера – составляет 73%. При изготовлении данного стабилизатора нельзя забывать, что чем больше входное напряжение и меньше выходное – допустимый ток нагрузки будет уменьшаться, поэтому данный стабилизатор необходимо установить на радиатор с площадью не менее 100 кв.см. Если схема будет работать при небольших токах нагрузки, то радиатор ставить необязательно.

Ниже приводятся внешний вид основных деталей, их примерная стоимость в интернет-магазинах и расположение деталей на плате.

Исходя из схемы расположения деталей, самостоятельное изготовление печатной платы не представляет трудностей.

Данная схема может работать в режиме стабилизации выходного тока, что позволяет применять ее для заряда аккумуляторных батарей, питания мощного или группы мощных светодиодов и т.п.

Для включения схемы в режим стабилизации тока, необходимо параллельно резистору R1 установить резистор, номинал которого определяется по формуле: R=1,23/I

Себестоимость данной схемы составляет приблизительно 300 рублей, что как минимум на 100 рублей дешевле покупки готового изделия.

Автоматический регулятор прерывистого действия, выходной сигнал (управляющее воздействие) которого имеет характер модулированной последовательности импульсов. Необходимым элементом Р. и. является импульсный элемент (модулятор), осуществляющий модуляцию выходной импульсной последовательности в соответствии с величиной сигнала ошибки. В зависимости от вида модуляции импульсной различают амплитудно-, широтно- и частотно-импульсные регуляторы.

Импульсный характер управления облегчает решение ряда тех. проблем, возникающих при разработке автомат, регуляторов, и позволяет создавать регулирующие устройства, обладающие существенными конструктивными и эксплуатационными преимуществами. Одним из главных преимуществ Р. и. является то, что в них с помощью простых и экономичных тех. средств можно разрешить противоречие между точностью и мощностью управляющих сигналов. При непрерывном характере управления первичный измерительный прибор (магнитоэлектрический гальванометр, логометр, гироскоп и т. п.) постоянно соединен с датчиком-преобразователем, который преобразует показания прибора в мощный сигнал, управляющий работой исполнительного механизма. Датчик является дополнительной нагрузкой на подвижную систему прибора, снижающей точность его показаний. В Р. и. имеется возможность подключать датчик к первичному прибору лишь на время действия управляющего импульса. На это время подвижная система измерительного прибора фиксируется в том положении, в котором она находилась перед появлением импульса, так что точность показаний прибора не ухудшается.

Существенным преимуществом регуляторов с амплитудно- и широтно-импульсной модуляцией (АИМ, ШИМ) является возможность осуществлять многоканальное регулирование. При этом один Р. и. управляет работой нескольких объектов управления (рис. 1, а) за счет временного разделения каналов регулирования, осуществляемого импульсными элементами , работающих с одинаковыми или кратными периодами повторения Т, но сдвинутых по фазе на величину АТ (рис. 1, а и б). Для исключения взаимного влияния каналов должно соблюдаться условие: , если в Р. и. применяется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), или тмакс если в Р. и. применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Здесь N - число каналов регулирования, - длительность управляющих импульсов, модулируемых по амплитуде, а - макс., длительность импульсов,

модулируемых по ширине. Такой способ регулирования удешевляет систему автомат, управления за счет экономии регулирующей аппаратуры.

Осн. преимуществом Р. и. с частотно- и широтно-импульсной модуляцией (ЧИМ и ШИМ) является сочетание высокого качества регулирования с конструктивной простотой и надежностью, характерными для релейных систем. Высокое качество регулирования обеспечивается здесь линеаризующим действием час-тотно-импульсной модуляции (ЧИМ) или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), благодаря которому динамические характеристики Р. и. приближаются к характеристикам линейных регуляторов.

1. Многоканальная импульсная система автоматического регулирования: а - структурная схема; б - диаграмма работы импульсных элементов; - регулируемые величины, fi - задающие сигналы, сигналы ошибок, воздействия

2. Блок-схема частотно-импульсного регулятора.

В то же время релейный характер выходного (управляющего) сигнала таких Р. и. позволяет применять простые и надежные исполнительные механизмы с релейным управлением: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, электрогидравлические или электропневматические приводы, соленоидные клапаны, шаговые двигатели и т. п. В качестве примера на рис. 2 изображена блок-схема простейшего частотно-импульсного регулятора. Сигнал ошибки , усиленный усилителем напряжения УН, поступает на интегрирующий ДС-фильтр. Сигнал после фильтра, усиленный усилителем мощности УМ, подается на реле РУ, управляющее работой исполнительного механизма ИМ и реле времени РВ. Реле РВ, срабатывая с небольшой временной задержкой , разряжает конденсатор С.

Это приводит к возврату реле РУ и остановке ИМ. В результате на выходе РУ появляются прямоугольные импульсы с постоянной длительностью частотой, приблизительно пропорциональной сигналу ошибки . По динамическим свойствам такой Р. и. близок к простейшему линейному астатическому регулятору (И-регулятору), а по конструктивной простоте и надежности - к -позиционному релейному регулятору. Импульсный способ передачи информации обладает повышенной помехозащищенностью. Поэтому Р. и. применяют в системах автомат, управления, содержащих проводные или радиотехнические каналы связи. Примерами таких систем являются радиолокационные станции сопровождения, системы телеуправления промышленными объектами и т. п. В электроэнергетике большое распространение получили широтно- и частот-но-импульсные регуляторы напряжения, частоты и активной мощности. В СССР серийно выпускается большой ассортимент устройств для одно- и многоканального импульсного и цифрового регулирования, напр., серия Р. и. типа РП, электронная система многоканального импульсного регулирования типа пневматические обегающие устройства типов предназначенные для 8- и 16-канального импульсного регулирования и выпускающиеся в составе системы «СТАРТ», машины для централизованного контроля и многоканального цифрового регулирования типов «ЭЛРУ», «Зенит», «Цикл-2», «АМУР», «МАРС-200Р» и др.

Р. и. вместе со спец. логико-вычисл. устройствами позволяют создавать системы экстремального регулирования, предназначенные для автоматического поддержания максимального (минимального) значения регулируемой величины. Примерами экстремальных Р. и. являются частотно-импульсный экстремальный регулятор «ЭРА-1» и экстремальные пневматические Р. и. серии АРС (система «СТАРТ»). Лит.: Цыпкин Я. 3. Теория линейных импульсных систем. М., 1963 [библиогр. с. 926-963]; Боярченков М. А. [и др.]. Импульсные регуляторы на бесконтактных магнитных элементах. М.- Л., 1966 [библиогр. с. 119]; Кунцевич В. М., Чеховой Ю. Н. Нелинейные системы управления с частотно- и широтно-импульсной модуляцией. К., 1970 [библиогр. с. 330-336]. Ю. Н. Чеховой.

ПОЗИЦИОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Позиционные регуляторы реализуют пропорци­ональный закон регулирования при k n - »-oo. В отличие от аналоговых регуляторов позиционные регуляторы формируют выходной сигнал U p , имеющий определенное число постоянных значений, например, два или три, соответствующие двух- или трехпозиционным регулято­рам.

В двухпозиционных регуляторах при переходе выходной величи­ны Y через заданное значение У зад изменяется регулирующее воздей­ствие Up , которое переводит регулирующий орган из одного крайнего положения в другое: «открыт» - «закрыт», «включен» - «выключен». Работа идеального двухпозиционного регулятора может быть записа­на в следующем виде:

(3.3.3)

где Де - зона нечувствительности (параметр настройки позиционных регуляторов).

Схематический и графические алгоритмы трехпозиционного ре­гулятора показаны на рис. 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Алгоритм действия трехпозиционного регулятора: а - схематическая форма; б - графическая

Введение зоны нечувствительности особенно важно при реализа­ции двух противоположно направленных управляющих воздействий, например, нагрева и охлаждения. При отсутствии зоны нечувстви­тельности процесс регулирования будет иметь ярко выраженный ав­токолебательный характер. Выражения (3.3.2) и (3.3.3) представляют характеристики идеальных позиционных регуляторов. В реальных регуляторах из-за наличия зазоров, сухого трения, гистерезиса и т. п. могут появляться зоны неоднозначности U p при срабатывании и от­пускании регулятора.

В технике автоматизации систем кондиционирования и вентиля­ции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (тер­мостаты), давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса. Двухпозиционные регуляторы используются также в сис­темах автоматической защиты, блокировок и переключения режимов

работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчи­ки-реле.

Для примера рассмотрим термостат типа MCR 2000 фирмы GEA для управления двух- и четырехтрубными фэнкойлами (рис. 3.3.3).

Рис. 3.3.3. Схема принципиальная электрическая термостата MCR 2000 для управления фэнкойлами:

а - двухтрубным; б - четырехтрубным

Двухпозиционное регулирование осуществляется в двухтрубных фэнкойлах с помощью электромагнитного клапана К н/0 . Выбор режи­ма нагрев/охлаждение может производиться ручным способом (переключатель 5) или с помощью датчика температуры наружного воздуха R H . Трехпозиционное регулирование для четырехтрубного фэнкойла осуществляется клапанами К п и К 0 . Кроме того, термостат позволяет пользователю выбрать одну из трех скоростей вентилятора фэнкойла. Конструктивно термостат выполнен в пластмассовом кор­пусе, на передней панели которого размещены органы управления: задатчик температуры, выключатель термостата и переключатель скоростей вентилятора. Диапазон задатчика 5-30 °С может быть из­менен с помощью ограничителей, расположенных под рукояткой задатчика (рис. 3.3.4).

Внутри корпуса расположен электронный блок, на котором уста­новлены два переключателя (джам-пера) и потенциометр настройки зоны нечувствительности (рис. 3.3.5). Джампер JP1 - наличие датчика наружного воздуха, джампер JP2 -выбор типа фэнкойла: двух- или четырехтрубный. Зона нечувстви­тельности может быть выбрана в диа-

Рис. 3.3.4. Механизм изменение пгз0П е ОТ ±0,3 К ДО ±3 К.

диапазона задатчика термостата MCR 2000

Рис. 3.3.5. Электронный блок термостата MCR 2000

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Повышение качества регулирования позицион­ных регуляторов может быть достигнуто путем преобразования вели­чины выходного сигнала U p в длительность выходных импульсов относительно периода их следования:

(3.3.4)

где Г и - длительность управляющего импульса;

Т к - период следования импульса (период квантования).

То есть максимальные U p max (или минимальные U p mm) значения напряжения на выходе позиционного регулятора формируются не в те­чение всего времени наличия рассогласования e (t ) регулируемого па­раметра, а периодически. Это поз­воляет с известной степенью точ­ности реализовать любой закон регулирования, если длитель­ность управляющего импульса бу­дет пропорциональна комбинации П, И и Д-составляющих. Достига­ется это с помощью широтно-им-пульсной модуляции (ШИМ-ре-гуляторов). Смысл широтно-им-пульсной модуляции заключается в преобразовании уровня выход­ного сигнала U p в соответствую­щую ему длительность выходного сигнала (рис. 3.3.6).

При П-законе регулятор выдает импульсы, в которых присутствует только пропорциональная состав­ляющая величины отклонения регулируемого параметра (рис. 3.3.7, а). При реализации ПИ-закона ШИМ-регулятор с появлением e (t )

3.6. Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

вы­дает импульсы, длительность которых постепенно увеличивается. В каждом импульсе присутствует как пропорциональная составляю­щая (не заштрихованная часть импульса), так и интегральная (зашт­рихованная часть), которая зависит от Т и (рис. 3.3.7, б).

При управлении исполнительным механизмом трехходового кла­пана или заслонки необходимо две пары контактов. При подаче управляющих импульсов на первую пару контактов механизм пере­мещается в одну сторону, например, открывается, при подаче импуль­сов на вторую пару - закрывается.

Рис. 3.3.7. Реализация законов регулирования с помощью ШИМ-регуляторов:

а - П-регулятор; б - ПИ-регулятор

Если исполнительный механизм имеет датчик положения, то ре­гулятор вычисляет выходной сигнал U p и перемещает задвижку в нужное положение (до совпадения U p с сигналом датчика положе­ния). Такие регуляторы иногда еще называют позиционерами.

Если датчик положения отсутствует, то регулятор вычисляет сред­нюю скорость перемещения задвижки У ср, которую затем преобразует в относительную длительность импульса Г и. В этом случае реализуется только ПИ-закон регулирования.

Классическим примером импульсного регулятора является регу­лятор ТРМ 12 (Россия). ТРМ 12 - одноканальный трехпозиционный ПИД-регулятор, имеющий один вход для подключения датчика и два выхода на исполнительные устройства (рис. 3.3.8). Тип подключаемого датчика (термосопротивление, термопара) и выходных устройств (реле, оптотранзистор, оптосимистор) определяются при заказе. Регулятор может работать в двух режимах: как ПИ-регулятор при уп­равлении задвижками или трехходовыми клапанами без учета их ис­полнения или как ПИД-регулятор, при управлении системой «наг­рев-охлаждение».

Элементы индикации и управления регулятора ТРМ 12 показаны на рис. 3.3.9.

Рис. 3.3.8. Функциональная схема регулятора ТРМ 12

Аналогичный принцип импульсного управления использован и в регуляторах температуры фирмы REGIN, предназна­ченных для поддержания заданной температуры с помощью изменения мощности электрических нагревателей. Регулирование мощности происходит за счет изменения времени включения и вы­ключения полной мощности нагревате­ля. Переключение нагрузки осуществля­ется с помощью симисторов в тот момент, когда ток и напряжение на нагревателе равны нулю. Это уменьшает потребление электроэнер­гии, исключает возникновение электромагнитных помех и увеличи­вает время безотказной работы.

1.9. Органы управления и индикации регулятора ТРМ 12

Регуляторы автоматически изменяют закон управления в зависи­мости от динамических свойств объекта. При быстро изменяющейся температуре (например, при регулировании температуры приточного воздуха) регуляторы работают в режиме ПИ-регулирования с фикси­рованной зоной пропорциональности 20 К и временем интегрирова­ния равным 6 мин. При медленно изменяющейся температуре (нап­ример, при регулировании температуры в помещении) они работают в режиме П-регулирования с фиксированной зоной пропорциональ­ности 2 К.

В случае повышения потребляемой мощности нагревателя свыше допустимой величины нагрузку можно разделить на несколько ступе­ней. Для этого имеются вспомогательные блоки ТТ SLAV, которые уп­равляют дополнительными ступенями в позиционном режиме ВКЛ/ВЫКЛ. Технические характеристики регуляторов температуры для управления нагревателями фирмы REGIN приведены в табл. 3.3.1, а конструктивное исполнение показаны на рис. 3.3.10.