Главная > Разное > Конструирование роботов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

3.9.3. Импульсные схемы питания

Принцип работы схемы. Импульсное питание обеспечивает работу двигателя в четырех квадрантах. Схема такого питания приведена на рис. 3.39. Устройства и статические переключатели. Диоды выполняют функцию диодов обратного тока (холостого хода), а катушки индуктивности

ограничивают ток, когда он проходит через и Их можно не применять, если ввести запаздывание между командами включения и выключения

Ниже мы будем считать, что статические переключатели являются идеальными, и рассмотрим работу мощных транзисторов и тиристоров в качестве переключателей.

Рис. 3.39. Принципиальная биполирная схема импульсного питания.

Проанализируем для этого один режим функционирования, так как другие режимы могут быть получены довольно просто.

Этап 1. Пусть переключатели открыты, а заперты. В этом случае напряжение на нагрузке равно и ток

Этап 2. Пусть переключатель открыт, а переключатели заперты. Тогда ток протекает через диод и напряжение равно нулю, если пренебречь падением напряжения на внутренних сопротивлениях. В первом приближении ток изменяется экспоненциально, дроссели увеличивают постоянную времени и энергия источника не расходуется.

Этап 3. Предположим, что после первого этапа одновременно запираются переключатели Тогда ток протекает через диоды и источник Ток уменьшается быстрее, так как источник играет роль противо-э.д.с. Это возможно лишь в случае, когда принцип действия источника позволяет пропускать ток во встречном направлении.

Этап 4. При открытых и закрытых напряжение и ток I изменяет знак.

Примечание. Схема на рис. 3.40 не имеет катушек индуктивностей со средними точками включения. В ней используются в качестве переключателей транзисторы.

Регулирование напряжения и тока. Будем считать, что статические переключатели работают идеально и времена их

включения и выключения малы по сравнению с временами работы и покоя. Изменения напряжения на нагрузке показаны на рис. 3.41.

Среднее значение напряжения определяется выражением

Отсюда видно, что, изменяя можно легко регулировать напряжение.

Рис. 3.40. Принципиальная схема биполярного преобразователи.

Регулирование напряжения можно осуществлять также с помощью импульсов, модулированных по длительности или частоте повторения, или же с помощью более сложной системы, имеющей ограничения по напряжению и току. На самом деле отделить ток от напряжения невозможно.

Рис. 3.41. Эпюры тока и напряжения при импульсном питании.

При работе система описывается дифференциальным уравнением

При запертых имеем

Резистор и индуктивность создают падение напряжения, при этом все параметры определяются источником питания и переключателями. Изменения тока показаны на рис. 3.41. Здесь

предполагается, что постоянная времени не совсем мала по сравнению с временем действия импульсов и включения переключателей. Поэтому колебаниями тока можно пренебречь и считать его постоянным. Средние величины связаны соотношением

где соответственно средние значения напряжения и тока

Очевидно, что существует некоторое несоответствие между тем, что мы считаем пульсации тока малыми, и тем, что электромагнитная постоянная пренебрежимо мала по сравнению с электромеханической постоянной.

Рис. 3.42. Ограничение тока и снижение времени его нарастания при увеличении напряжения.

Если постоянная времени очень мала, то падает до нуля и импульсное управление неоправданно вследствие возникновения колебаний движущего момента и вибраций. Поэтому приходится вводить дополнительные индуктивности, а для снижения времени реакции подавать напряжение, намного превышающее требуемое напряжение. Ток ограничивается при этом приблизительно на постоянном уровне (рис. 3.42). Регулирование тока осуществляется с помощью лишь одного статического переключателя, включенного в каждую цепь. Разность Д? зависит от частоты повторения сигнала, управляющего статическим переключателем. Эта разность больше для более мощных транзисторов.

Использование тиристоров в качестве переключателей постоянного тока. Напомним, что тиристор становится проводящим при положительном напряжении между анодом и катодом, когда поступает импульсный сигнал на управляющий электрод тиристора. Тиристор не проводит, если ток между анодом и катодом равен нулю (на самом деле он должен быть несколько

ниже порогового тока). Таким образом, нельзя управлять тиристором без дополнительного устройства, способного создавать необходимую величину тока.

Существуют запираемые тиристоры, у которых отпирание и запирание производятся импульсом, поступающим на управляющий электрод Тиристора. Они еще не применяются широко на практике, поэтому мы не будем их здесь рассматривать.

Рис. 3.43. Принципиальная схема тиристорного переключателя постоянного тока.

В настоящее время разработаны многочисленные устройства для запирания тиристоров. Рассмотрим на примере ограничения, которые накладываются на напряжение питания и частоту переключения. Устройство на рис. 3.43 состоит из основного тиристора вспомогательного тиристора Та (служащего для запирания тиристора диода последовательно соединенного с индуктивностью конденсатора представляет индуктивность источника питания). Нагрузка представлена условно. В схему входит диод выполняющий функцию цепи обратного тока (холостого хода). Предположим, что в начальный момент времени оба тиристора заперты, тогда ток нагрузки может проходить через диод и напряжение на нагрузке равно О, а конденсатор оказывается заряженным (рис. 3.43). Последовательность состояний схемы приведена ниже.

Включение тиристора приводит к тому, что конденсатор С разряжается через тиристор и индуктивность Контур является колебательным, и диод а запирается при нулевом значении тока. Конденсатор при этом перезаряжается. В результате через диод протекает ток в направлении, противоположном первоначальному. Когда сумма этих токов становится равной 0, диод запирается, а ток проходит через тиристор и нагрузку (рис. 3.43).

Включение тиристора приводит к разряду конденсатора С через тиристоры Т и Ток ограничивается индуктивностью источника питания. Он имеет направление, противоположное

основному. Тиристор запирается, когда ток становится ниже порогового значения. Источник питания связан с нагрузкой через конденсатор С и тиристор Та. Конденсатор снова перезаряжается. Основной контур является также колебательным. Тиристор Та запирается, когда ток достигает нуля. Диод начинает проводить ток, если напряжение на нагрузке становится отрицательным.

Рис. 3.44. Эшоры напряжений при включении и выключении статического переключателя.

Схема снова приводится в исходное состояние. На рис. 3.44 показаны эпюры напряжений и тока протекающего через конденсатор. Время срабатывания тиристора не может быть меньше На самом деле конденсатор должен быть полностью заряжен, чтобы в момент срабатывания ток, протекающий через был равен 0. Запирание тиристора не может происходить за время, меньшее минимального (примерно Таким образом, период переключений ограничен временами

Примечания. 1. Диод (рис. 3.43) препятствует разряду конденсатора через источник питания.

2. Напряжение питания не может быть меньше величины, определяемой конденсатором.

3. Средняя величина напряжения на нагрузке изменяется за счет дополнительного напряжения, создаваемого конденсатором.

Выбор режимов работы статического тиристорного переключателя достаточно сложен. Читатель может подробно ознакомиться с этим вопросом, обратившись к специальной литературе.

Мощные транзисторы. Существуют два типа мощных транзисторов: биполярные и полевые. Проводимость первых зависит от тока в базе.

Рис. 3.45. Биполярный транзистор.

Полевые транзисторы управляются напряжением, подаваемым на затвор от источника тока с малым током потребления (несколько наноампер). Ниже мы рассмотрим более подробно оба типа этих транзисторов.

Биполярные транзисторы. Показанный на рис. 3.45 транзистор имеет -структуру. Ток в них протекает от коллектора к эмиттеру. При отсутствии тока базы транзистор закрыт, если напряжение не превышает допустимой величины Транзистор пропускает ток, если ток базы превышает величину необходимую для насыщения транзистора при заданном токе коллектора. В этом случае транзистор имеет малое сопротивление.

Для обеспечения нормального режима работы необходимо следующее:

• рабочая точка не должна выходить из допустимой зоны как в стационарном, так и в переходном режиме;

• площадь рабочего цикла обычно пропорциональна потерям в транзисторе, поэтому ее необходимо уменьшать;

• при переключении транзистора могут возникать повышенные значения напряжения, особенно в случае наличия индуктивностей, поэтому необходимо вводить дополнительный контур (рис. 3.46, а);

• ток базы должен соответствовать току коллектора: большая степень насыщения приводит к возрастанию времени переключения (для устранения этого эффекта вводится цепь, препятствующая насыщению (рис. 3.46, б));

• для устранения паразитных влияний и улучшения защиты от колебаний напряжений на коллекторе необходимо на базе

поддерживать отрицательный потенциал во время периода запирания.

Приведем несколько характерных значений. При активной нагрузке время включения достигает 1-3 мкс, а время выключения 2-5 мкс. Эти времена увеличиваются для индуктивной нагрузки. Тем не менее частота переключения может быть гораздо больше, чем для тиристоров, и достигать нескольких десятков килогерц.

Рис. 3.46. Вспомогательная схема коммутации (а) и цепь, исключающая режим насыщения (б). Штриховой линией показана цепь для обеспечения отрицательного тока при запирании.

Поэтому не следует использовать длинных линий связи и надо тщательно проверять состояние кабеля.

Основной недостаток биполярного транзистора состоит в том, что необходимо постоянно поддерживать напряжение на базе во время работы и нельзя пренебрегать током базы, так как он может составлять 20% тока коллектора. Транзистор более чувствителен к повышенным напряжениям, но благодаря простоте управления его применение оказывается предпочтительным в схеме питания с мощностью нагрузки, достигающей нескольких киловатт.

Схема Дарлингтона. Эта схема содержит два транзистора, один из которых создает ток для базы второго транзистора (рис. 3.47). Напряжение насыщения, потери мощности и время переключения имеют большие значения. Достоинство схемы Дарлингтона состоит в том, что она изготовляется в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

Полевые транзисторы. Эти транзисторы имеют три вывода: сток, затвор и исток (рис. 3.48). Основное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоит в следующем:

очень малый ток управления; очень большой входной импеданс; возможность параллельного подключения; очень малое время переключения (несколько наносекунд). С помощью полевых транзисторов пока нельзя получить такую же мощность переключения, как с помощью биполярных транзисторов.

Рис. 3.47. Принципиальная схема Дарлингтона.

Рис. 3.48. Схема полевого транзистора с изолированным затвором (МОП-транзистора).

Существуют транзисторы, с помощью которых можно переключать ток 8 А при напряжении 300 В. Здесь также возникает необходимость включения дополнительных цепей для уменьшения вероятности пробоя при переключениях. Диоды следует подбирать более тщательно с целью снижения времени переключения. Стоимость полевых транзисторов пока высока и для них требуется больше кремния. Но их основное преимущество состоит в совместимости с интегральными КМОП-микросхемами управления.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление