ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ — ОСНОВНАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua

Привод ЭПУ 25А с дросселем - 5500грн

Название операционный усилитель (ОУ) было дано первоначально усилите­лям с большим коэффициентом усиления, предназначенным для выполнения ма­тематических операций сложения, вычитания, умножения н деления. Это были, в основном, ламповые усилители, работающие с высокими напряжениями. От них и заимствовал свое название современный линейный интегральный операци­онный усилитель.

Интегральный ОУ обладает следующими основными свойствами:

— симметрия двух дифференциальных входов;

— нулевое напряжение на выходе при отсутствии сигналов на входах;

— большие коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности (в иде­але — бесконечность);

— большая полоса пропускания, начиная от постоянного тока (в идеале — бесконечность);

— большое входное сопротивление (в идеале—бесконечность);

— малое выходное сопротивление (в идеале—нуль);

Такие замечательные свойства, приданные ему разработчиками, позволяют ОУ служить схемотехнической основой разнообразных схем, свойства ко - j торых определяются подключенными к нему внешними компонентами, J а не собственно операционным усилителем. На принципиальных схемах jj

ОУ обычно изображается в ви­де треугольника или прямо-;

— неинвертирукяций вход

(+);

— выход.

Остальные выводы являются вспомогательными и предназначе­ны для подключения элементов коррекции, указываемых в пас­портных данных каждого ОУ.

Следует обратить внимание на то, что для гштания ОУ приме­няется источник с расщепленным питанием, при этом земля (общая точка) не подключена к ОУ.

Полярность напряжения на выходе ОУ зависит от разности напряжений на входах усилителя.

Ј/bHX=KO(ЈW-Ј/«-), где Ко — коэффициент усиления ОУ по напряжению в схеме включения без об­ратной связи;

Uвх+ — напряжение на неинвер - тирующем входе;

Uvx — напряжение на инверти­рующем входе.

Величина Ко очень велика, по­этому ОУ переходит в состояние насыщения прн малых входных сигналах (рис. 3.2, 3.3).

Здесь можно говорить об ОУ Как об идеальном компараторе. Входной сигнал сравнивается с нулевым опорным напряжением на втором входе, и переход входного напряжения через ноль определяет момент переключения выходного напряжения.

Если яа второй вход ОУ по­дать некоторое опорное напряже­ние, то получится детектор ненуле­вого уровня (рис. 3.4).

Сделаем оценку диапазона входного сигнала, при котором ОУ Работает в линейной зоне, т. е. не достигает насыщения.

Рис. 3.4. Влияние смещения на форму выходного напряжения

Очевидно, что ± ^вхтах= ±—dr5"- Если учесть, что при УПнт = ±15 В, на-

Ко

Пряжение насыщения около 13 В, а коэффициент усиления достигает величины 150 000 и более, то

В условиях производства и даже в лаборатории измерение подобных вели­чин представляет собой весьма трудную задачу, поэтому можно сделать очень важное упрощение: в практических случаях, если Свых не равно насыщению, напряжение между входными зажимами ОУ можно считать равным нулю.

Отрицательная обратная связь в операционном усилителе (ООС)

Охват ОУ отрицательной обратной связью (рис. 3.5) позволяет получить схему, коэффициент передачи которой определяется только внешними элемента­ми, подключенными к ОУ, и не зависит от коэффициента усиления %о самого ОУ.

Получить расчетную формулу для коэффициента передачи такой схемы можно двумя способами: на основе соотношения между напряжениями или между токами, протекающими в схеме. Приведем оба способа, что позволит лучше понять физику происходящих здесь процессов. При этом будем считать ОУ идеальным {Ко -*■ оо; RBx -*■ °о; Явых -»- 0)'.

1. Анализ на основе токовых соотношений

Поскольку напряжение между входами ( + ) и (—) практически равно ну­лю, то можно считать, что вход (—) потенциально заземлен, и, следовательно, все входное напряжение приложено к Ri. Тогда

Весь входной Ток протекает через сопротивление Roc, так как ОУ тока не потребляет (#Вх-+-°о). Следовательно, £/дос =IBxRoo- Одни вывод Roc подсо-

Едииеи к выходу, а второй—к потенциально заземленному входу (—), поэтому Итак, /вх =

. Знак «минус» учитывает разные по-

R Roc Аос

Ляриости напряжений Ун и Uвых. Окончательно коэффициент передачи схемы

К0

Т. е. не зависит от параметров самого операционного усилителя.

2. Анализ на основе соотношений напряжений В общем случае выходное напряжение ОУ равно:

U вых = - Ко(£/вх+—UBz-)-

В нашем случае UBx+ = 0, a UВх - состоит из двух составляющих: части на­пряжения UBI, снимаемого с делителя напряжения Ru Roc, и части выходного напряжения Uа'ых, подаваемого через цепь обратной связи иа вход. Величина последнего определяется делителем Roc, RI - Итак,

Roc , r,

~ р + Увых р, р

Тогда

■ = - каи.

R + Roc

KQUKRoc

Ri+Ro< Ко

Или коэффициент передачи Кос =

Рис. 3.6. Обобщенная схема ОУ

Ниже приводится выведенная аналогичным способом зависимость выходного напряжения от входных для обобщенного дифференциального ОУ (рис. 3.6).

Uaun —Rxq

Положительная обратная связь в операционном усилителе (ПОС)

ПОС осуществляется путем подачи части выходного напряжения на неин - вертирующий вход. Это напряжение является своего рода «опорным», благодаря которому достигается «гистерезис» в выходной характеристике ОУ (рис. 3.7).

Таким образом, ПОС дает эффект триггера Шмитта и положительно сказы­вается при работе с сигналами, имеющими большую амплитуду шумов. Если «опорные» напряжения превышают по величине амплитуду шумов, то полностью исключаются ложные срабатывания схемы (рис. 3.8).

Включив в цепь ПОС диод, можно получить одностороннюю гистерезисную характеристику.

Дифференциальный усилитель (ДУ)

Дифференциальные усилители предназначены для усиления разности снгна-

Лов, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам н широко

"Вх

Ивык

Рис. 3.8. Влияние ПОС на форму выходного напряжения при наличии «шумор»

На входе:

А—при отсутствии ЛОС; б — при наличии ПОС

Используются в преобразовательной технике. Типовая схема такого усилителя доказана на рнс. 3.9.

Воспользовавшись формулой для выходного напряжения обобщенного уси­лителя, получим

1 1 + ~7Г

MR

MR R

Коэффициент т называют дифференциальным коэффициентом усиления. При f/axi = Ј/ai2 напряжение на выходе равно нулю.

Таким образом, коэффициент усиления для синфазного входного напряже­ния, т. е. напряжения, подаваемого одновременно на оба входа, будет также

MR

A

R

Ugx1 о—a

R

ИвХг о—ЕЗ

1

Рис. 3.9. Дифференциальный ОУ

Равен нулю. Это обстоятельство часто используют, подавая задающее напряже­ние управления приводом, в случае длинных связей, через ДУ. Тогда сигналы, помех, наводимые в нулевой шине, оказываются включенными сиифазио и ие усиливаются.

Функциональные усилители

Функциональные усилители — это устройства с отрицательной обратной свя­зью, коэффициент усиления которых зависит от уровня входного сигнала, т. е. они фактически являются нелинейными усилителями.

Обратимся к классическому усилителю-инвертору (см. рис. 3.5). В общем

Случае для увеличения коэффициента усиления Кос------------- п с ростом входио-

Го напряжения UBZ требуется уменьшение глубины обратной связи, а для уменьше­ния Кос с ростом UАх, наоборот, ее увеличение.

На рис. 3.10 показаны две возможные простые схемы, поясняющие форми­рование нелинейной зависимости UB!AI=F(UBZ). По мере изменения входного и выходного сигналов последовательно открываются смещенные диоды, подключая к основным сопротивлениям Ri или Roc дополнительные параллельные, изменяя тем самым коэффициент передачи схемы.

Генератор пилообразного напряжения (ГПН)

Схема типового ГПН и диаграмма его работы показаны на рис. 3.11. При разомкнутом ключе происходит заряд конденсатора С, подключенного в цепь отрицательной, обратной связи ОУ. Поскольку сам ОУ тока не потребляет,

U/x

Рис. 3.10. Функциональные усилители: о — увеличение Кус; б — уменьшение Кус

То ток заряда определяется входным £/вх

Током /с=/вх= ——. Тогда напря - Н

Жение на конденсаторе, как известно из основ электротехники, равно

Ив

RC

Напряжение на выходе ОУ имеет обратный знак

Uвых — ^вх у-

Постоянство тока заряда обес­печивает линейность характеристики.

При замкнутом ключе конденса­тор быстро разряжается, и выходное напряжение падает до нуля.

Замыканием и размыканием клю­ча в моменты достижения выходным напряжением уровня насыщения до­стигается формирование пилообраз - ногр напряжения. Частота генерации определяется выражением

, ^вх 1 „ 1

/ = — • —, а период

U.

Генератор напряжения треугольной формы

Схема генератора и диаграмма напряжений его работы показана на рис. 3.12. Схема включает два элемента: генератор линейно-изме - няющегося напряжения и компа­ратор. Понять, принцип работы такой схемы довольно сложно. Анализ значительно упростится, если его разбить на три этапа.

На первом этапе рассмотрим работу генератора линейно-изменя­ющегося напряжения, управляе­мого вручную (рис. 3.13). Когда переключатель находится в верх­нем по схеме положении, на входе ОУ напряжение —15 В н выход­ное напряжение U>Ы1 растет; при нижнем положении переключателя Uвых падает.

В момент £==0 при верхнем положении переключателя на схе­му подается питание. Напряжение Uвх отрицательное, UBых растет. При достижении UB Ых верхнего порогового напряжения Un в ключ переключается в нижнее положе­ние, f/вх становится положитель­ным, а выходное напряжение спа­дает. В момент достижения ниж­него порогового напряжения Un.N Вновь переключается ключ, Uвых снова растет и т. д. Чтобы добить­ся автоматического переключения, необходимо заменить ручной ключ компаратором.

На втором этапе следует разо­браться в работе компаратора, вы­полненного на операционном уси­лителе с положительной обратной связью (см. рис. 3.7). Принцип его работы приведен выше, только вместо синусоидального входного

Сигнала в нашем случае используется сигнал треугольной формы4 (см. рис. 3.13).

На третьем этапе подключим выход генератора линейно-нарастающего на­пряжения ко входу компаратора, а выход компаратора — ко входу генератора, т. е. получим полную схему генератора напряжения треугольной формы, пока­занного иа рис. 3.12. Работа генератора ясна из приведенной на этом же рисун­ке диаграммы.

Используя аналогичный принцип заряда-разряда конденсатора, можно стро­ить различные схемы одновибраторов, мультивибраторов, временных элементов. При необходимости следует обратиться к специальной литературе [9, 10].

Генератор синусоидальных колебаний

Как известно из теории колебаний, для возникновения самовозбуждения не­обходимо выполнение двух условий:

— в замкнутой цепн коэффициент передачи должен быть равным единице, т. е. выполняться баланс амплитуд. '

— сумма фазовых сдвигов при прохождении сигнала определенной частоты по тракту схемы должна быть равна 2 Кк (где К= 1, 2, ..., п), т. е. выполняться баланс фаз*

На рис. 3.14 приведена одна из возможных схем генератора синусоидальных колебаний — мостового генера­тора Вина. Предположим, что на выходе генератора возникло синусоидальное напряжение ивых определенной частоты 1

*0 = "о—~Бг~ и амплитуды.

Z ТС t U

Это напряжение по цепн обрат­ной связи подается наЛС-цепоч - ку, представляющую собой час­тотный селектор по схеме моста Вина. Напряжение UBX с выхо­да этого моста поступает на неннвертирующий вход ОУ. Ча­стотный селектор ослабляет сигнал с частотой fo в три раза. Если коэффициент усиления ОУ сделать равным трем, что легко осуществить регулировочным потенциометром, то на выходе возникнет такой же выходной сигнал Uвы*, с которого мы начали свои рассуждения. Таким образом, будут выполнены условия баланса амплитуд1 н баланса фаз, т. е. возникнут незатухающие колебания.

DJ R

Схема выделения абсолютной величины сигнала (выделения модуля)

Подобные схемы применяются, когда нужно получить информацию о вели­чине разиополяриого сигнала, одновременно приведя его к одному знаку. При­мер такой схемы показан иа рис. 3.15. Для сигнала отрицательной полярности диод Д1 открыт, а диод Д2 заперт. При этом входной сигнал подается иа ин­вертирующий вход ОУ, и выходной сигнал будет положительной полярности. Для положительного сигнала заперт диод Д1, а диод Д2 открыт, что обеспечи­вает поступление сигнала иа иеиивертирующий вход. Выходной сигнал в этом случае будет также положительной полярности. При равенстве величин сопро­тивлений всех резисторов коэффициент передачи схемы для обеих полярностей входного напряжения будет равным единице.

Регулирование коэффициента передачи

Прн использовании ОУ часто необходимо изменять коэффициент передачи схемы. На ряс. 3.16 показаны некоторые нз возможных вариантов схем регули­рования:

г г г г ' Roc R' _ _

А) 1/вых = —а(/вх——, где а = —

"п

TOC o "1-3" h z a Roc R'

Б) ^вых = — ^вх ~^----------------------------------- , ГДе а— ,

АОС

% 1—» R'

В) ивых=—UBx-------------------------------------------------- , где а

А

Rn'

Ri ' Rn '

На рис. IJ.17 показана схема регулирования коэффициента передачи диффе­ренциального усилителя. Зависимость коэффициента передачи от угла поворота потенциометра обратно пропорциональная:

T/вых = 2 (l + fj-^BX, - t/вх,).

Компенсация погрешностей ОУ

При использовании ОУ в реальных усилителях постоянного тока возникают ошнбкн в выходном напряжении по сравнению с идеальным ОУ. Основные па­раметры, вносящие ошибки, следующие:

— входные токи смещения;

— входной ток сдвига;

— входное напряжение сдвига;

— дрейф усилителя.

При нспользованнн ОУ в усилителях переменного тока перечисленное пара­метры практически не влияют на выходное напряжение.

С физикой причин возникновения ошибок можно познакомиться в специаль­ной литературе [9], здесь же приведем несколько практических схем (рис. 3.18).

Для компенсации токов смещения и сдвига необходимо соблюдать слёдую-

А

Рис. 3.18. Способы компенсации погрешностей ОУ

Щее правило: сопротивление постоянному току между входом ( + )-'и общей точ­кой должно быть равно сопротивлению между входом (—) и общей точкой. На рис. 3.18, а в цепь неннвертнрующего входа включено компенсационное сопротив­ление величиной Rcu = • На рис. 3.18, б, в, г показаны различные способы компенсации напряжения сдвига, в зависимости от типа ОУ.

Унифицированные регуляторы на базе ОУ

В общем случае на входе и в цепи обратной связи ОУ, выполненного с ООС~ (см. рис. 3.5), могут быть включены комплексные сопротивления Z(P) и гос(р). Передаточная функция такого усилителя по аналогии будет иметь. вид Туу. V ЕЛш«(Р) Zoc(P)

И/(р) = ——--- — = — ——- . При этом имеется возможность реализации бо-

Ив х(р) Zt(p)

Лее сложных математических операций и передаточных функций различных зве­ньев. Легко реализуются различные законы регулирования: пропорциональный (П), интегральный (И), дифференциальный (Д), интегрально-пропорциональный (ИП), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорциоиально-иитегральио-диф - ференциальный (ПИД) и др.

Например, для ПИ-регулятора:

■/?ос+"

W(P) —__ ^ос(р)_____ рСос _ . _ PRocC ОС + 1 рт ОС +1

Zi(p) Я, pR. Poc рТ„

Где Toc=RocCoc — постоянная времени цепи обратной связи; 7B=i? iC0o — посто­янная времени интегрирования.

В табл. 3.1 приведены схемы наиболее распространенных регуляторов, их передаточные функции и переходные характеристики.

Таблица 3.1

Активные корректирующие устройства на операционных усилителях

Продолжение

LE+L, Т2Р+

R2

Где * = ^ . = R3C1',

Щр)=

Тгр

(Г, р+1)(Г2 р+1) где Г, = RiCi', T2—R2C2', Тг =7?2С[.

ЩР) = К

R2 .

Где К—

Ri

T=Vr2r, c1c

Я2С1

R3c2