Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

§ 12. Широтно-импульсные модуляторы

Широтно-импульсным модулятором называется им­ пульсная схема, вырабатывающая последовательность

управляющего сигнала. Коэффициент заполнения К можно регулировать двумя способами: путем изменения длительности вершины импульса /и при постоянном пе­ риоде следования импульсов и путем изменения периода следования импульсов Т при постоянной длительности вершины импульса tu.

В первом случае регулирование коэффициента запол­ нения осуществляется при неизменной частоте f импуль­ сов, во втором — при меняющейся частоте. В соответ­ ствии с этим широтно-импульсные модуляторы подраз­ деляются на схемы с неизменной частотой и схемы с ме­ няющейся частотой следования импульсов.

Широтно-импульсные модуляторы с неизменной ча­ стотой применяются в тех случаях, когда вырабатывае­ мая модулятором последовательность импульсов долж­ на быть синхронна с каким-либо напряжением импульс­ ного устройства, например, с напряжением сети перемен­ ного тока. Качество широтно-импульсного модулятора характеризуется следующими параметрами: динамиче­ ским диапазоном по входному сигналу At/Bx. макс = = UBx. макс — ^вх. мин,-динамическим диапазоном по выход-

характеристики К„ел = —------ - (см. гл. I).

Для широтно-импульсных модуляторов с переменной частотой важным параметром является также диапазон

Широгпо-импульсные модуляторы в сочетании с мощ­ ным транзисторным или тиристорным выходным каска­ дом можно использовать в качестве управляющего уси­

178

лителя в цепи якоря или в цепи возбуждения машин по­ стоянного тока, а также в цепи любой другой мощной нагрузки. Кроме того, широтно-импульсные модуляторы применяют в схемах умножения двух электрических ве­ личин. В этих схемах одним из сомножителей является входное напряжение, управляющее коэффициентом за­ полнения импульсного сигнала, вторым сомножителем служит напряжение коллекторного питания выходного каскада.

На выходе схемы включается интегрирующая RC цепь, сглаживающая импульсный сигнал. Напряжение на выходе интегрирующей схемы пропорционально про­ изведению величин напряжения входного сигнала и на­ пряжения коллекторного питания.

Формирование временных интервалов в широтно-им­ пульсном модуляторе в любом случае основано на срав­ нении времязадающего напряжения Uc, меняющегося во времени по линейному или экспоненциальному зак'ону с некоторым пороговым напряжением. Однако управляю­ щий сигнал Uy может изменить длительность формируе­ мого импульса двумя путями — воздействием на величи­ ну пилообразного напряжения, либо на порог срабаты­ вания пороговой схемы. Воздействие управляющего на­ пряжения на величину пилообразного напряжения может осуществляться также двумя путями — изменением ско­ рости нарастания или спада пилообразного напряжения, а также изменением начального значения пилообразного напряжения при постоянной скорости изменения напря­ жения.

Основные элементы широтно-импульсного модулято­ ра — генератор пилообразного напряжения и пороговый элемент — могут быть представлены в широтном моду­ ляторе явно, в виде отдельных схем, либо быть объеди­ нены в переключающей схеме типа одновибратора или мультивибратора. Наиболее часто широтные модулято­ ры классифицируют по виду управляемого элемента на схемы с управляемым пороговым элементом, схемы с управляемым одновибратором или мультивибратором, а также схемы с управляемым мультивибратором, имею­ щим регулируемую несимметрию. В широтно-импульс­ ных модуляторах с управляемой пороговой схемой вер­ шина импульса соответствует времени, в течение которо­ го величина линейно меняющегося напряжения меньше

179

напряжения входного сигнала, определяющего порог

срабатывания.

Пауза импульса соответствует времени, в течение ко­ торого величина линейно меняющегося напряжения ис больше напряжения входного сигнала (рис. 70, а). В ши­ ротно-импульсных модуляторах с управляемым мульти­ вибратором, имеющим регулируемую несимметрию, управляющий сигнал, как правило, воздействует на ве­ личину времязадающего напряжения правой и левой по­ ловин мультивибратора, увеличивая ее в одной половине и уменьшая в другой. Причем, как было указано выше, воздействие управляющего напряжения может прояв­ ляться в виде регулирования скорости изменения пило­ образного напряжения ис или в виде регулирования на­ чального значения пилообразного напряжения. Времен­ ные диаграммы работы схемы при различных способах управления величиной пилообразного напряжения приве­ дены на рис. 70, б, в.

По схемному признаку широтно-импульсные модуля­ торы могут различаться видом схемы генератора линей­ но изменяющегося напряжения, а также видом схемы порогового элемента. Существенное различие имеют ши­ ротно-импульсные генераторы с индуктивной времязадающей цепью и емкостной времязадающей цепью.

На рис. 71, а показана блок-схема широтно-импульс­ ного модулятора с управляемым пороговым элементом и генератором пилообразного напряжения, синхронизиро­ ванным напряжением сети переменного тока. Для син­ хронизации генератора пилообразного напряжения сете­ вое напряжение трансформируется, подвергается двухполупериодному выпрямлению и, далее, с помощью фор­ мирующего импульсного усилителя преобразуется в им­ пульсный сигнал с малой длительностью импульсов. Этот сигнал затем используется для запуска генератора пило­ образного напряжения — ГПН.

В течение времени, соответствующего превышению напряжения порога срабатывания Uy над текущими значениями пилообразного напряжения, пороговой схе­ мой ПС вырабатывается интервал времени, соответст­ вующий длительности вершины импульса. Когда же те­ кущие значения пилообразного напряжения становятся выше напряжения порога срабатывания, пороговая схе­ ма переключается и формирует паузу импульсного

181

ляп.

а

т/у

в,

Рис. 71. Схемы широтно-импульсных модуляторов:

а — с управляемой пороговой схемой; б — с управляемым ждущим одновибратором; в — с управляемым мультивибратором и неуправля­ емым одновибратором

сигнала, длящуюся с момента срабатывания пороговой схемы до момента восстановления пилообразного напря­ жения.

Широтно-модулированный импульсный сигнал поро­ говой схемы, как правило, далее усиливается по напря­ жению.

На рис. 71, б показана блок-схема широтно-импульс­ ного модулятора с управляемым одновибратором. В этой схеме возбуждающий тактовый сигнал также может быть получен путем формирования двухполупериодного выпрямленного напряжения сети переменного тока. Вер­ шина широтно-модулированного импульсного сигнала соответствует неустойчивому состоянию одновибратора, в которое он периодически переходит при поступлении импульсов тактового сигнала. Устойчивое состояние од­ новибратора соответствует паузе импульсного сигнала. Динамический диапазон широтно-импульсного модуля­ тора, выполненного по этой схеме, может быть достаточ­

182

но велик лишь в том случае, если максимальная длительность импульса, формируемого одновибратором, бу­ дет равна периоду тактовых импульсов.

§ 13. Тиристорные переключающие схемы

Тиристорные ключи принято классифицировать по способу управления включением и по способу управле­

ния выключением.

Управляют включением тиристора, подавая на его управляющий вход сравнительно небольшой по амплиту­ де (не более 10 В) управляющий сигнал положительной полярности. Подают управляющий сигнал с помощью емкостной (рис. 72, а, б) или трансформаторной связи

(рис. 72, в).

Поскольку при запирающем смещении управляющего электрода тиристора возможен его пробой, необходимо в управляющей цепи использовать диодный элемент за­ щиты, пропускающий на вход тиристора сигнал только отпирающей полярности. Защитный диод включают в управляющую цепь последовательно (рис. 72, а) либо параллельно управляющему входу (рис. 72, б).

Маломощные тиристоры с предельным анодным то­ ком до 2—5 А являются весьма чувствительными прибо­ рами и способны отпираться под действием паразитных наводок во входной цепи. Для уменьшения чувствитель­ ности тиристорной схемы, к действию помехи входную цепь тиристора шунтируют конденсатором небольшой ем­ кости (порядка 1000 пФ). Эта мера уменьшает также склонность тиристора к самозапуску под действием им­ пульсных помех в анодной цепи.

Для уменьшения помех в управляющей цепи целесо­ образно применять экранировку входных цепей тиристо­ ра. Наиболее помехоустойчивой схемой управления включением тиристора является трансформаторная схе­ ма, если трансформатор размещен в непосредственной близости от тиристора.

Ограничение управляющего тока во многих случаях осуществляется за счет высокого входного сопротивле­ ния управляющей схемы. Однако, если выходное сопротивление управляющего каскада низко, то во входную цепь тиристора вводят ограничительное со­ противление, препятствующее увеличению управляющего

183

б

Рис. 72. Способы включения тиристорного ключа:

а — емкостное включение; б — емкостное включение с параллельным за­

щитным диодом; в — трансформаторное включение; г — емкостное вклю­ чение через промежуточный тиристор

тока выше величины, оговоренной в паспортных данных тиристора.

Для запуска мощных тиристоров при малой мощно­ сти управляющего сигнала целесообразно использовать предварительный каскад усиления на тиристорах малой мощности (рис. 72, г).

Сопротивление R в анодной цепи тиристора предва­ рительного усиления Т\ служит для ограничения управ­ ляющего тока выходного тиристора Т2. Если рассматри­ ваемый тиристорный ключ предполагается использовать для коммутации индуктивной нагрузки, то анодное со­ противление R тиристора предварительного усиления Т\

184