Проектирование автоматизированнь2х станков и комплексов (831035), страница 28
Текст из файла (страница 28)
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫСИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ13.2.1. Дискретные электронные компоненты системавтоматического управленияЗнание работы основных электронных компонентов систем автоматического управления (САУ)позволяет усвоить правила построения системуправления и энергообеспечения.
Дискретные электронные компоненты применяют в основном на периферии, в линиях связи с объектом управления, вустройствах формирования требуемых энергетических потоков (электронныхключах) и как вспомогательные элементы для подключения различных интегральных схем.В САУ биполярные транзисторы как отдельные компоненты используют восновном в ключах. В них транзистор практически не работает в режиме уси-13.2.141Электронные компоненты систем автоматического управленияления базового тока (основной режим), а бывает илиполностью закрыт, или полностью открыт, т.
е. находится в состоянии насыщения. На рис.13.5показанVD\типовой ключ на биполярном транзисторе, включающий некоторую нагрузку, сопротивление которой Rнносит индуктивный характер, например катушку электромагнитного клапана. ДиодVTIVD2шунтирует ЭДСVD 1самоиндукции, возникающую на индуктивной нагрузке в момент открьпия ключа. При этом ток черезнагрузку возрастает; ее индуктивность вырабатываетРис.ЭДС, стремящуюся ток уменьшить, а напряжение наколлекторе Ик превосходит даже напряжение питаниянагрузки Ин.
Диодряды, диодVD2VDl13.5.биполярномКлючнатранзис-тореотводит индуцированные заработает аналогичным образом призакрытиитранзистораVТl.Вычислительное ядро формирует ток базы / 6 ключа. Фронт сигнала в типовых случаях длится менее микросекунды. Транзистор переходит в активный режим, его коллекторный ток Iк растет пропорционально току базы/ 6•Падение напряжения на нагрузке возрастает пропорционально току коллектора, и напряжение на коллекторе падает. На транзисторе в момент переключения происходит рассеяние мощности, т.
е. динамические потери. Далеенаступает момент, когда напряжение на коллекторе Ик становится меньшенапряжения на базе И6 • Это и есть состояние насыщения. Увеличение базового тока уже перестает увеличивать коллекторный ток. Напряжение на коллекторе составляет доли вольта.Статический КПД ключа равен отношению мощности, выделяемой внагрузке, к суммарной мощности, выделяемой в ключе и нагрузке:Т'Jклfк(Ин -Ик)=-------'--fкИк +fк(Ин -Ик)fк(Ин -Ик)Ин -ИкfкИнИн= 24При напряжении на нагрузке Ин(13.1)В КПД ключа на биполярном транзисторе в состоянии насыщения составляет более96 %.При увеличениинапряжения питания нагрузки КПД еще более возрастает. У ключа на биполярном транзисторе три основных недостатка: большие токи базы, заметныединамические потери при переключениях и неустойчивое тепловое равновесие.Коэффициент усиления по токуh21существенно зависит от тока коллектора и у силовых транзисторов в состоянии насыщения или близком к немусоставляет уже5 ...
20.Для повышения коэффициента усиления по току бьшразработан составной транзистор Дарлингтона, который имеет два биполярных(рис.транзистора,13.6).включенныхпосхемеэмиттерногоповторителяНа принципиальных схемах его изображают как обычный бипо-лярный транзистор.14213.Микроэлектронные устройства в станках и станочных комплексахКоэффициент усиления по току для такой схемы раквен произведению коэффициентов усиления отдельныхтранзисторовБ10 ООО,исоставитвактивнома в режиме насыщения-режимеболее100.околоДля обеспечения линейности схемы в режиме малых токов базовый ток, открывающий второй транзистор, поступаетчерез сопротивлениеэРис.транзисторавстроенного в схему резистора,минуя первый транзистор. У типового составного транСхема13.6.R6зистора, рассчитанного на предельный ток вДар-1О А, базовый ток в режиме насыщения не превышает 20 мА.лингтонаДля ключа, включающего или отключающего какой-либопривод,динамическиепотеринесущественны.Они становятся заметными при переключениях на частотах в несколько десятков килогерц.
Для уменьшения этих потерь следует применять более высокочастотные полевые транзисторы, работающие на носителях заряда одного типа, поскольку у них отсутствуют потери времени на рекомбинацию носителей.Неустойчивость теплового равновесия открьпого биполярного транзистораобусловлена повьппенной плотностью тока в разогретых участках р-п-перехода.Это приводит к локальному разогреву перехода и может вывести транзистор изстроя. Поэтому в структуру биполярного транзистора включают резистивныеучастки с положительным температурным коэффициентом сопротивления иприменяют радиаторы для охлаждения транзистора.
Последовательно с нагрузкой рекомендуется также включать низкоомный резистор с сопротивлениемоколо0,3Ом и высоким положительным температурным коэффициентом сопротивления.ПолевыеМОЛ-транзисторы(металл-оксид-полупроводник)такжешироко применяют в САУ в качестве ключей.
МОП-транзистор ведет себя какуправляемое потенциалом переменное сопротивление. У маломощных элементов, используемых в САУ в качестве коммутаторованалоговыхсигналов,сопротивление+ Ив.яканала во включенном (открытом) состояниисоставляет Rвкл ~100Ом. При выборе коммуVD Iтатора нужно оценивать, допустимы ли такиепотери или для коммутации целесообразнееиспользовать реле. Важно отметить, что температурный коэффициент сопротивления канала положительный, поэтому тепловое равновесие внутри прибора устойчивое.Схема ключа на МОП-транзисторе представлена на рис.13.7.Здесь вычислительноеядро с напряжением +Ив.я гальванически несвязано с объектом управления.
Если наРис.13.7. Схема типового ключана МОП-транзисторе13.2.Электронные компоненты систем автоматического управлениявходе ключа Х присутствует логическая«1», ток через143светодиод транзисторной оптопары не идет и база фототранзистора не освещена. Резисторограничивает темновой ток фототранзистора, поэтому на затвореVTlR2уровень напряжения близок к нулю и транзистор закрыт. Подобную гальваническую развязку применяют и для ключей на биполярных транзисторах.У ключа на МОП-транзисторе сопротивление в открытом состоянии может составлять доли ома, а статический КПД2'11кл=fcRн2Rн2fc Rн + fc RвклRн+ Rвкл(13.2),где Iс - ток стока МОП-транзистора.Значение 11кл здесь стремится к единице при высокоомных нагрузках, биполярные же ключи при прочих равных условиях выгоднее при высоковольтных нагрузках.
Поскольку напряжение питания мощных нагрузок обычноболее100В, статический КПД ключа на дешевом биполярном транзисторесоставляет0,99и более. Однако, как уже отмечалось выше, такие ключиимеют неустойчивое тепловое равновесие.В конце 80-х годов прошлого века были созданы биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGВТ-транзисторы), совместившие в себепростоту управления и устойчивое тепловое равновесие полевого транзистора с независимым от тока нагрузки падением напряжения на выходе биполярного. По своим частотным свойствам IGВТ-транзисторы близки к биполярным и имеют допустимые динамические потери при частотах переключения ДО50 ...
100 кГц.В основе IGВТ-транзистора-составной биполярный, базовый ток которого формируется МОП-транзистором. Благодаря тому что сопротивлениеканала имеет положительный температурный коэффициент сопротивления,локального перегрева переходов составного биполярного транзистора ненаблюдается. При повышении плотности тока в каком-либо месте переходавозрастающая температура приводит к сокращению поступающего туда токаполевого транзистора.Статический КПД ключа на IGВТ-транзисторе рассчитывают по формуле(13.1).Такие транзисторы широко используют для изготовления интегральныхинверторовключей, способных формировать положительные или отрица-тельные импульсы.
Трехфазные инверторы применяют для частотной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей.На рис.13.8показано формирование одного из трех фазных напряжений(фазы А). Сначала переменное трехфазное напряжение выпрямляется (входы+И и -И).Затем в течение первого полупериодафазного напряженияуправляющие импульсы подаются на затвор одного из двух IGВТ-транзисторов (на рис.13.8этоG2),формируя на выходе А импульсное напряжениеотрицательной полярности. В течение второго полупериода транзисторG214413.Микроэлектронные устройства в станках и станочных комплексах+ ИРис.13.8.Схема трехфазного инвертора на JGВТ-транзисторе и формирование имнапряжения на фазе Азакрывается и управляющие импульсы подаются на затвор транзистораG 1.При этом импульсы напряжения на выходе А становятся положительными.Частота следованияимпульсов составляет несколько десятков килогерц.Соотношение между шириной !пм и периодом Тпм следования импульсов(скважность импульсов) по всему периоду изменения фазного напряжения ТФвыбирается таким образом, что после их фильтрации и сглаживания наиндуктивной нагрузке формируется синусоидальное фазное напряжение Ил.Период фазного напряжения ТФ определяет скорость вращения электродвигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
