Структурные схемы СНРЭ

Как показано выше, для формирования сигналов управления ключом необходимо располагать копией воздействия. Для получения напряжения Mx (t), пропорционального воздействию, используются датчики. В зависимости от вида воздействия (напряжение, потокосцепление, заряд, ток) входная цепь датчика подключается параллельно силовой цени СНРЭ или последовательно с ней. Управляющие сигналы формируются в схемах управления ключом, принципы построения которых проиллюстрированы на рис. 8.5. Таким образом, на основе цепи, составленной из управляемого ключа и накопителя энергии, при использовании датчика воздействующих колебаний и схемы управления ключом могут быть синтезированы НРЭ с характеристиками, изображенными на рис. 8.4. Структурные схемы СНРЭ последовательного и параллельного типов приведены соответственно на рис. 8.8, а, б.

Рис. 8.8. Структурные схемы СНРЭ последовательного (а) и параллельного (б) типов.

Рассмотрим особенности схемной реализации управляемых ключей и датчиков.

Управляемые ключи.

Особенности работы ключей в цепях с одним накопительным элементом. Для выявления условий или режимов работы ключей в емкостных цепях можно воспользоваться временными диаграммами, приведенными на рис. 8.2, в и 8.3, в. Из них ясно, что:

• • напряжения и токи управляемых ключей в последовательной и параллельной цепях равны между собой при одинаковой форме и соответствующем выборе амплитуд воздействий и оптимальных условий коммутации, т. е. режимы работы ключей совпадают;
• • замыкание и размыкание ключа происходят при нулевом уровне напряжения на ключе;
• • в каждом из запертых состояний напряжение на ключе униполярно, однако при смене состояний полярность может изменяться;

• • в каждом из проводящих состояний ключа ток может протекать в обоих направлениях;
• • при переходе из одного состояния в другое ток ключа изменяется скачкообразно.

Приведенные условия работы ключей относятся к СНРЭ с характеристиками общего вида, которые изображены на рис. 8.2, д и 8.3, д.

На основании принципа дуальности цепей получаем следующие условия работы ключей в цепях с индуктивным накопителем энергии:

• • замыкание и размыкание ключа происходят при нулевом токе;
• • в каждом из запертых состояний через ключ протекает ток одной полярности; при смене состояний ключа полярность тока может изменяться;
• • в каждом из проводящих состояний напряжение на ключе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность;
• • при переходе из одного состояния в другое напряжение на ключе изменяется скачкообразно.

Таким образом, в общем случае для построения СНРЭ необходимо располагать управляемыми ключами со свойствами обычных механических переключателей, способными:

• • находиться в запертом состоянии при обеих полярностях приложенного напряжения;
• • проводить ток в обоих направлениях в проводящем состоянии;
• • под действием управляющего сигнала переходить из одного состояния в другое независимо от значений протекающих токов и приложенных напряжений.

Такие ключи будем называть управляемыми ключами двухстороннего действия (УКДД). Отсутствие УКДД в виде готовых изделий заставляет прибегать к их синтезу с помощью различных полупроводниковых приборов. Здесь рассмотрим ключи на биполярных транзисторах. Особенности УКДД на МОПи КМОП-транзисторах будут рассмотрены в параграфе 13.4. Отметим, что комплементарные (КМОП) транзисторы представляют собой пару МОП-транзисторов п- и p-типов с идентичными характеристиками. Следует отметить, что современные полупроводниковые технологии позволяют реализовать УКДД как отдельное законченное изделие.

Схемные решения УКДД. Биполярные транзисторы разрабатывались как приборы, предназначенные для работы в цепях с источником постоянного напряжения, поэтому обеспечивают одностороннюю проводимость. Для их применения в качестве управляемых ключей в цепях переменного тока необходимо на коллекторе поддерживать напряжение одной полярности. Для создания униполярного режима работы транзисторов в УКДД вводят полупроводниковые диоды. На рис. 8.9 приведены некоторые схемы управляемых ключей на биполярных транзисторах, при этом:

• • в схеме на рис. 8.9, а для униполярного режима работы биполярного транзистора используется мост. При одной полярности напряжения ток протекает через VD_v VT, VD_v при другой — через VD_v VT, VD₄;
• • в схемах на рис. 8.9, б, в для пропускания тока в обоих направлениях используются два однотипных или комплементарных транзистора. Диоды служат для их защиты от обратных напряжений;
• • тиристорные ключи (рис. 8.9, г) с естественным выключением способны работать только в индуктивных СНРЭ.

Рис. 8.9. Схемы УКДД:

а — с диодным мостом; б — с однотипными транзисторами; в — с комплементарными транзисторами; г — с тиристорами.

Условия работы ключей в СНРЭ с характеристиками, имеющими один излом. На рис. 8.10, а — г представлено четыре разновидности силовых цепей СНРЭ. Для каждой цени приведены:

• • форма характеристики, соответствующая изменению состояния ключа через каждые полпериода;
• • воздействие в виде гармонического колебания и отклик цепи;
• • временные диаграммы напряжения u_s на ключе и протекающего через него тока i_s
• • реализация силовых цепей СНРЭ с использованием диоднотранзисторных ключей.

Из временных диаграмм для напряжения u_s и тока i_s следует, что:

• • в емкостных цепях (см. рис. 8.10, а, б) при разомкнутом состоянии ключа на него воздействует униполярное напряжение u_s < 0, при замкнутом состоянии через ключ протекает ток i_s в обоих направлениях. Поэтому можно использовать параллельный диоднотранзисторный ключ. В непроводящем состоянии u_s < 0, следовательно, диод заперт, а на базу транзистора должно быть подано отрицательное напряжение. В первой фазе после перехода в проводящее состояние ток протекает через диод, а во второй — через транзистор;
• • в индуктивных цепях (см. рис. 8.10, в, г) при замкнутом состоянии ключа через пего протекает ток i_s в одном направлении, а при разомкнутом состоянии на него воздействует напряжение обеих полярностей. Поэтому можно использовать последовательный диоднотранзисторный ключ. В проводящем состоянии ключа ток протекает через открытый транзистор и диод. В непроводящем состоянии на базу транзистора должно быть подано отрицательное напряжение. В первой фазе после перехода ключа в непроводящее состояние, когда напряжение u_s > 0, заперт диод, а во второй — транзистор.

Рис. 8.10. Условия работы ключей в емкостных (а, б) и индуктивных (в, г) СНРЭ последовательного (а, г) и параллельного (б, в) типов с характеристиками, имеющими один излом.

Общие требования к УКДД могут быть отражены в виде вольтамперных характеристик. На рис. 8.11 приведено три вида характеристик и схемы ключей для их реализации. Для идеального ключа вольт-амиерные характеристики совпадают с координатными осями (рис. 8.11, а). В СНРЭ с характеристиками, имеющими один излом, можно использовать ключи, вольт-амиерные характеристики которых содержат три ветви из четырех (рис. 8.11, б, в).

Рис. 8.11. Вольт-амперные характеристики и схемы ключей с двунаправленным током и биполярным напряжением (а), двунаправленным током и однополярным напряжением (б), однонаправленным током и биполярным напряжением (в) Датчики воздействующих колебаний. Для формирования сигналов управления ключом необходимо располагать копией воздействия. В зависимости от типа СНРЭ воздействием могут служить напряжение, заряд, потокосцепление, ток. Датчик должен преобразовать воздействие с сохранением формы в напряжение. В СНРЭ последовательного типа (см. рис. 8.8, а) датчик подключается непосредственно к силовым зажимам СНРЭ. Чтобы не оказывать шунтирующего действия, сопротивление датчика должно быть большим. В СНРЭ параллельного типа (см. рис. 8.8, 6) датчик включается последовательно с силовой цепью, его сопротивление должно быть малым. Со стороны выходных зажимов датчик как источник напряжения должен иметь малое внутреннее сопротивление.

Схемы датчиков приведены на рис. 8.12. Датчики, используемые в емкостных СНРЭ последовательного типа, преобразуют напряжение в напряжение (и —*• и_{) и в простейшем случае представляют собой делители напряжения. Потенциометрический датчик (рис. 8.12, а) позволяет сохранить информацию о постоянной составляющей воздействующего на СНРЭ напряжения и (1). В ин;

Рис. 8.12. Схемы датчиков напряжения (а), потокосцепления (б, в),.

заряда (г) и тока (д) дуктивных СНРЭ последовательного типа необходимо потокосцепление в напряжение (|/ —? и _х). Поскольку напряжение и = di/dt, в качестве датчиков потокосцепления применяют интеграторы напряжения. Действительно,.

где k = const. На рис. 8.12, б, в приведены схемы датчиков в виде пассивной RC-цепи и интегратора на ОУ.

В СНРЭ параллельного типа (см. рис. 8.8, б) датчики должны выполнять преобразования <7 —? г/_д и г —? г/_д, для чего можно использовать конденсатор С, и резистор R" с малым сопротивлением (рис. 8.12, г, д).

Схемы управления ключом строятся по изложенным выше алгоритмам. Основу таких схем может составить компаратор, обеспечивающий наилучшие условия коммутации управляемого ключа в СНРЭ. Стандартные компараторы имеют достаточную выходную мощность; время переключения выходных сигналов составляет десятки (и даже единицы) наносекунд; разрешающая способность — десятые и сотые доли милливольта. На высоких частотах можно использовать пассивную цепь управления, совмещенную с колебательной системой устройства на СНРЭ.