СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Транзисторные переключающие устройства

Транзисторные переключающие устройства находят широкое применение для формирования импульсов в системах управления преобразователями частоты

Рассмотрим два вида переключающих устройств, наиболее ча­сто применяемых в системах частотного управления - одностабиль - ные и двустабильные. Односта­бильными являются устройства, которые при помощи сигнала, по­ступающего на их входы, перево­дятся в противоположное состоя­ние, а в исходное состояние воз­вращаются или по истечении определенного времени, завися­щего от параметров схемы, или по истечении времени действия этого сигнала. Двустабильными являются устройства, которые мо­гут находиться как угодно долго в каждом из двух состояний, причем эти состояния изменяются при помощи сигналов, подавае­мых либо на различные входы общий вход.

К одностабильным переключающим устройствам относится спус­ковая схема Шмидта (полупроводниковое реле). Полупроводнико­вое реле (рис. 48) представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на двух транзисторах Т и Т2 и охваченный положительной обратной связью, которая может быть либо последовательной — эмиттерной, выполненной с помощью со­противления R0 с, являющегося общим эмиттерным сопротивлением обоих каскадов, либо параллельной — коллекторной, выполненной с помощью сопротивления Roc, включенного между коллектором транзистора второго каскада и базой транзистора первого каскада, либо комбинированной — эмиттерной и коллекторной.

В зависимости от характера обратной связи свойства полупро­водникового реле имеют некоторые отличия.

При выполнении полупроводникового реле с эмиттерной обрат­ной связью напряжение обратной связи U0 с, снимаемое с сопро­тивления R0 с, подается на вход усилителя последовательно с со­противлением Rc источника сигнала управления ес. Если ес=0, то первый транзистор заперт (режим отсечки), а второй открыт (ре­жим насыщения). При этом полярность напряжения на сопротив­лении Rq г указана на рис. 48. Увеличение величины входногонапряжения ес вызывает уменьшение запирающего потенциала £/б-э на переходе база — эмиттер первого транзистора, так как

(178)

Когда напряжение Uб_э приближается к нулю, первый транзи­стор переходит из состояния отсечки в активную область.

При дальнейшем повышении напряжения сигнала е0 происхо­дит увеличение токов базы и коллектора первого транзистора и, следовательно, уменьшение тока базы второго транзистора. На­ступит момент, когда оба транзистора окажутся в активной обла­сти. В этом случае благодаря наличию положительной обратной связи в схеме разовьется лавинообразный процесс отпирания пер­вого транзистора Ті и запирания второго транзистора Тг уже при неизменном значении напряжения входного сигнала. Этот процесс происходит следующим образом.

Небольшое приращение входного сигнала вызывает уменьше­ние тока базы второго транзистора, а следовательно, и уменьше­ние его тока коллектора, что, в свою очередь, приводит к сниже­нию запирающего потенциала U0.с на сопротивлении обратной связи R0 с В связи с этим первый транзистор еще больше откры­вается. Процесс полностью заканчивается, когда второй транзистор переходит в режим отсечки, а первый, в зависимости от парамет­ров схемы и от величины напряжения ес, либо остается в активной области, либо переходит в режим насыщения, т. е. происходит от­пускание реле. Это состояние схемы продолжается до тех пор, пока под действием уменьшения напряжения ес не начнется снижение тока коллектора первого транзистора и тока базы второго. Даль­нейшее снижение напряжения ес выведет оба транзистора в актив­ную область. В этом случае в схеме возникнет лавинообразный процесс запирания первого транзистора и отпирания второго уже при неизменной величине напряжения ес. По окончании процесса реле возвратится в свое первоначальное состояние.

На рис. 49, а представлена характеристика вход — выход реле с эмиттерной положительной обратной связью, т. е. зависимость тока in в сопротивлении нагрузки RB от величины напряжения сиг­нала на входе реле. На рис. 49, б приведены кривые изменения на­пряжения входа ес и напряжения на коллекторе второго транзи­стора UK2, а также указаны потенциалы срабатывания Ес. с и от­пускания Ес. о реле.

Потенциалы срабатывания и отпускания реле при условии, что коэффициенты усиления транзисторов велики (рь р2>50), а сопротивление R0 с СЯс, могут быть определены из уравнений

[Л. 45]:

Значения /у. о и /у. нас могут быть с достаточной степенью точности найдены из выражений:

/ (к!0 • j — 1*:-на±. (181)

где /кю, /к. нас —токи коллектора первого транзистора на грани­цах отсечки И насыщения (коэффициент усиления Pi определяется

на границе насыщения транзи­стора).

Значения Uу. о и (/у. нас могут быть определены по переходной характеристике транзистора при напряжении коллектора, равном нулю:

Uу. о = ^нас 1 (^к1о)

И ^у. нас ~ ^насі(^к. нас )' (ВД

Для обеспечения релейного режима работы схемы сопротив­ление обратной связи должно удовлетворять соотношению

«о, О. (183)

*н

где Uy, n = Uy. o — і^унас — напря­жение переключения; 1 у. п=^у. о — —^у. нас —ток переключения;

IH^EH/RH—ток нагрузки.

Учитывая, что при работе реле ток управления изменяется скачком от значения /у. Нас до Іу. о, для создания релейного эф­фекта на величину сопротивления источника входного напряжения накладывают дополнительное ус­ловие!

‘у. п

Другими словами, релейный эффект исчезает, если управление реле производится от источника с большим входным сопротивле­нием.

Для создания релейного эффекта при большом значении вели­чины входного сопротивления может быть использована положи­тельная обратная связь, выполненная при помощи сопротивления Rо. с (пунктир на рис. 48). Как показано в работе [JL 45], релейный эффект' в схеме исчезает при снижении входного сопротивления источника сигнала ниже критической величины, и поэтому реле с такой связью используются при управлении от источника тока.

Конденсаторы Сі и С2, шунтирующие сопротивления связи, при данном способе управления служат лишь для ускорения процесса переброски триггера за счет форсировки токов баз в момент подачи импульсов.

Быстродействие триггера во многом зависит от состояния тран­зисторов (степени насыщения), их частотных свойств, способов уп­равления и т. д. Однако ввиду того, что в рассмотренных ниже системах частотного управления маломощный триггер используется в системах управления мощными транзисторами, времена включе­ния и выключения которых составляют десятки микросекунд, во­прос о получении максимального быстродействия триггера в данном случае не является актуальным и не рассматривается.

При статическом расчете триггера по схеме рис. 50 вводятся упрощения, заключающиеся в том, что напряжения на всех эмит­терах насыщенного транзистора и напряжение на переходе база — эмиттер выключенного транзистора принимаются равными нулю. В этом случае значения сопротивлений R3 и R^ могут быть опреде­лены из уравнения

где /комакс—остаточный ток коллектора при максимальной темпе­ратуре; £См—напряжение смещения; рЕ, pR— допуски на измене­ния напряжения питания и величин сопротивлений. Обычно прини­мается, что рв = рл = ОД.

Сопротивление /?2 определяется из уравнения

1 RK. (186)

где Рмин — минимальный коэффициент усиления транзистора по току.

Сопротивление коллекторной нагрузки RK1 и амплитуда вы­ходного напряжения триггера, т. е. напряжения на коллекторе за­крытого транзистора, определяются из уравнений:

Значение емкости ускоряющего конденсатора можно прибли­женно определить из формулы

В тех случаях, когда триггер используется в качестве счетчика, например в кольцевых схемах, стартовые импульсы положительной или отрицательной полярности подаются одновременно на базы обоих транзисторов (на общий вход триггера) либо через раздели­тельные конденсаторы, либо через разделительные диоды. При этом наличие ускоряющих конденсаторов обязательно, поскольку они действуют как элементы, запоминающие предыдущее состояние триггера, и позволяют осуществить его правильное переключение при подаче на его вход очередного стартового импульса [Л. 49; 54].