Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Инструментальные усилители Один из недостатков обычных ОУ вЂ” конечная величина входного сопротивления. Хотя входное сопротивление ИС ОУ может быть весьма высоким, импеданс цепи с замкнутой петлей ОС зависит от величин выбранных резисторов. Например, входное сопротивление инвертирующего усилителя равно величине входного резистора. В некоторых приложениях требуется сочетание высокого входного сопротивления и значительного ослабления входного шума синфазного сигнала. В инструментальном уси- Прилогеение А.
Онерационные усилттели ° 325 лителе реализуется такая возможность. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) может достигать > 120 дБ. У обычных ОУ КОСС не более 80 дБ. На Рис. А.б приведена схема инструментального усилителя на основе трех ОУ. Входное сопротивление инструментального усилителя равно входному сопротивлению двух входных ОУ. КОСС определяется выходным дифференциальным ОУ и не зависит от входных ОУ. Вьиад Диффе циел Рис. А.б. Инструментальный усилитель В настоящее время инструментальный усилитель можно приобрести в виде отдельной микросхемы, а не собирать из разнородных ОУ и резисторов.
Например, ИС инструментального усилителя АПб24 фирмы Ана!о8 Юейсее доступна в 1б-выводном корпусе. ИС АО624 может быть запрограммирована для работы с коэффициентом усиления 1, 100, 200, 500 или 1000 различным соединением предусмотренных для этого выводов. В интегральных измерительных усилителях применяется лазерная подгонка встроенных резисторов, что обеспечивает очень хорошее согласование и точность. Резисторы образуют делитель, который внешним подключением к соответствующим выводам выбирает нужный коэффициент передачи. 326 ° Приложение Б. Широтно-импульсная модуляция Приложение Б.
Широтно-импульсная модуляция Под термином широтно-импульсная модуляция (ШИМ) часто подразумевают цифровые способы управления такими устройствами, как двигатели, нагреватели и даже аудиосистемы, в которых стереоусилители работают в специальном классе усиления 17 с применением ШИМ. Устройства на основе ШИМ часто оказываются более эффективными, чем аналоговые устройства. Работа в режиме ШИМ заключается в изменении ширины (длительности) импульса при постоянном периоде повторения для реализации управления. Почему ШИМ? Типичный аналоговый драйвер выглядит, как показано на Рис.
Б.1. Мощный элемент, который способен развивать большие токи на выходе ОУ, управляет нагрузкой, например, нагревателем. Допустим, сопротивление данного нагревателя 18 Ом, соответственно, при напряжении питания 12 В сила тока составит 667 мА. Входное напряжение определяет напряжение на нагревателе и, таким образом, количество вьщеляемого им тепла.
Управляющая электроника способна измерять температуру и соответственно регулировать входное напряжение. Виол управления Вольт.вмпернвя характеристика нагревателя то«1Я~ О,а 0.7 Нагреватель, 0.6 т5ом 05 0.4 о.з 0.2 0Л 1 2 3 4 5 6 7 6 9101112 Напряжение 161 Рис. Б.1. Нагреватель с аналоговым драйвером Прилолсепие Б. Широгпио-импульсная модуляция ° 327 Для питания подобного нагревателя напряжение питания должно составлять по крайней мере 16 В, так как выходное напряжение операционных усилителей обычно не достигает уровня напряжения питания. Допустим, установлено входное напряжение 6 В.
На выходе также установится 6 В, ток через нагреватель составит 6 В/15 Ом = 400 мА. Нагреватель, таким образом, потребляет мощность 6 В х 400 мА = 2.4 Вт. Операционный усилитель при напряжении питания 16 В должен отдавать 400 мА в нагрузку. Однако, поскольку напряжение питания 16 В, а напряжение на нагревателе 6 В, то на ОУ вЂ” будет падать (16 — 6 = 10 В).
Это значит, что ОУ будет рассеивать при этом 10 В х 400 мА = 4 Вт. Кроме того, что для отвода такой мощности требуется радиатор, сам ОУ будет нагревать окружающее пространство больше, чем нагреватель. Общий расход мощности данной схемы складывается из потребления ОУ и расхода нагревателя. Итого: 2.4 Вт + 4 Вт = 6.4 Вт. В Табл. Б.1 приведены значения мощности рассеивания, соответствующие различным напряжениям на нагревателе.
Таблица Б.1. Значения мощности рассеивания, соответствующие различным напряжениям На Рис. Б.2 показаны мощности, рассеиваемые ОУ и нагревателем, как функции от входного напряжения (напряжения на нагревателе). Рассеиваемая обоими устройствами мощность определяется, как произведение падения напряжения на устройстве на ток, протекающий через него. Основная часть мощности ОУ рассеивается на его выходных транзисторах. На- 328 ° Приложение Б. Широтно-импульсная модуляция иболее значительное рассеяние мощности на ОУ происходит, когда падение напряжения на нем составляет 8 В, то есть половину напряжения питания.
Несмотря на то что нагреватель в данной системе никогда не потребляет мощность, превышающую 9.6 Вт, источник питания должен быть рассчитан на мощность! 2.8 Вт, как минимум. Мощность 187| Мощность: 12 10 Нагревателя От 1 2 3 4 б б 7 8 9101112 Входное напряжение 1нвпряжение нагревателя) 1В! Рис Б.2. Рассеиваемая мощносп в нагревателе и аналоговом драйвере Метод управления на основе ШИМ показан на Рис. Б.3. Используем тот же источник питания, напряжением 16 В. Управляющая электроника включает и выключает нагреватель, коммутируя мощный транзистор (на схеме изображен биполярный транзистор, хотя может быть применен и МОП-транзистор).
На основе временных диаграмм можно понять, как работает схема с ШИМ. В течение первого изображенного интервала коллектор транзистора находится на низком уровне, таким образом, нагреватель оказывается включенным на 66.7% периода ШИМ. Остальные 33.3% периода нагреватель выключен. Рабочий цикл, или коэффициент заполнения, будет составлять 0.667, а обратная ему величина — скважность— 0=1.5. Чок нагревателя во время включенного состояния составляет 16 Вгг15 Ом = 1.0667 А. Однако нагрев будет осуществляться за среднее время протекания тока по нагревателю, то есть эквивалентный ток составит 1.0667 х 66.7% = О. 711 А. Приложение Тх Широтно-импульсная модуляция ° 329 изб Нагреватель, та Ом Нагреватель включен, когда на коллекторе транЗистора напряжение околоОВ Вход управления Период ОРР ОМ ОРР Ой ОРР Ой ОРР Ой Нагреватель Нагреватель включен бб.7% включен 33.3% времени(ОМ), времени(ой), выключен 33.3% (ОРР) выютючен бб.7% (ОРР) Рис.
Б.Я. Нагреватель с драйвером ШИМ На второй части временной диаграммы время нагрева составляет 33.3% всего периода, а 66.7% времени нагреватель находится в выключенном состоянии. Ток нагревателя во включенном состоянии, по-прежнему, 1.0667 А, но средний ток уже 1.0667 х 33.3% = 0.355 А. Для обеспечения требуемого среднего тока можно использовать следующие уравнения: Уой = )'3/А( 77=7 х Т Рдм = )гб х том х Том ,' где Той — ток нагревателя во включенном состоянии; )'3 — напряжение питания; А — сопротивление нагревателя; 1с — средний (усредненный по времени) ток; Том — длительность включенного состоЯниЯ; Рд„— срелняя рассеиваемая мощность.
На основании этих формул можно составить следующую таблицу времени включенного состояния со средним током для получения такого же нагрева, какой обеспечивал аналоговый драйвер (см. Табл. Б.2). (Надо отметить, что работа ШИМ-драйвера более эффективна, чем аналогового драйвера.) 330 ° Приложение Б.
Широтно-импульсная модуляция Таблица Б.2. Время включенного состояния ШИМ-драйвера Функция системы управления с ШИМ вЂ” переключение входного напряжения в определенном рабочем цикле. В приведенном примере никогда не используется время включенного состояния рабочего цикла более 56%, так как напряжение питания составляет 16 В, как и в примере с аналоговым управлением, и не требуется мощность выше 9.6 Вт. При 100%- ном рабочем цикле, можно было бы достичь мощности 17 Вт. Теоретически, общая рассеваемая мощность в системе ШИМ равна полезной мощности в нагрузке.
Это происходит потому, что управляющий транзистор не рассеивает мощности, когда выключен, так как ток через него равен нулю, и когда включен, так как в этом случае напряжение на нем равно нулю. В обоих случаях г'и 7 = О. Реальные транзисторы обладают очень малым, практически нулевым током утечки в выключенном состоянии, однако на транзисторе во включенном состоянии присутствует некоторое падение напряжения. Реальные компоненты рассмотрим позже. А сейчас давайте представим транзистор как идеальный.
Поскольку вся мощность в системе ШИМ расходуется на нагрузке (нагреватель в данном примере), драйвер практически ничего не потребляет. Следовательно, прн мощности нагрузки 9.6 Вт общая расходуемая мощность составит 9.6 Вт, вместо 12.8 Вт в рассмотренной ранее аналоговой цепи. В обоих примерах использован источник питания с напряжением 16 В. Можно было применить и другой источник, например, с напряжением Приложение Б. Широгнно-импульсная модуляция ° 331 18 В. В этом случае падение напряжения на аналоговом драйвере и общая рассеиваемая мощность аналоговой системы возросла бы при той же полезной мощности нагревателя. Но мы могли бы использовать для питания нестабилизированное напряжение, поскольку аналоговый драйвер все равно бы его отрегулировал. С другой стороны, система с ШИМ очень чувствительна к величине питающего напряжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
