На тему: «Ключевые генераторные устройства»

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)

Факультет информационно-измерительных и биотехнических систем

Кафедра ЭУТ

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПРОЕКТ

На тему: «Ключевые генераторные устройства»

Выполнил: Юрьев А. В.

Группа: 3583

Руководитель: Степанов Б. Г.

Санкт-Петербург

2017 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..……3

ВИДЫ КЛЮЧЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ…………………………..…..4

КЛЮЧЕВЫЕ СВОЙСТВА ГЕНЕРАТОРА………………………………..…..6

ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ……………………………………...…8

ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР…………………………………………….14

КЛЮЧЕВОЙ ГЕНЕРАТОР С ФОРМИРУЮЩИМ КОНТУРОM..……......16

ГЕНЕРАТОР ШИМ………………….………………………………………...18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...21

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………....…...22

ВВЕДЕНИЕ

Устройства, генерирующие электрическую энергию различных форм широко используются во многих областях науки и техники. Электроэнергия в виде постоянного либо переменного тока используется для питания различного оборудования, вместе с этим в виде электрических сигналов различных форм и параметров, применяется в настройке электроприборов, определении частотных характеристик схем, например, усилителей и т. д. Интенсивное использование этой энергии связано со некоторыми ее особенностями: возможностью достаточно простого и экономичного преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.д.); возможность централизованного и экономичного получения на различных электростанциях [8]. Но тем не менее, ввиду того факта, что потребление возрастает, становится актуальным вопрос, касательный борьбы за экономию электроэнергии.

При проектировании различного рода генераторных устройств, будь то для электростанций, блоков питания или, например, измерительных генераторов перед инженерами встает важной задачей повышение их коэффициента полезного действия (КПД) на единицы, или даже на доли процентов. Очевидно, что столь же эффективным является повышение КПД потребляющих электроэнергию устройств.

В настоящее время большое распространение получили генераторы токов высокой частоты, работающие в диапазоне от единиц до сотен килогерц. Такие генераторы применяются в большинстве современной аппаратуры, требовательной к надежным и мощным электрическим блокам питания. КПД таких генераторов уже достигает 85-95% и даже более.

Экономия энергии ввиду повышения КПД является одним из главных преимуществ ключевых устройств, но не менее важным является значительное уменьшение габаритных размеров, а также стоимости готовых устройств.

ВИДЫ КЛЮЧЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Ключ – это электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи [5]. Разделяются на три основные группы: механические, электромагнитные и электронные.

Механические ключи:

• тумблеры;

• рубильники;

Cлужат для непосредственного управления цепью; рычаг механического ключа изготовлен из диэлектрика и, обычно, напрямую связан с токоведущими частями ключа. Применяются, обычно, в случаях, когда не требуется отделять управляемую цепь.

Электромагнитные ключи:

• реле;

• шаговые искатели;

• контакторы;

• магнитные пускатели;

Служат для дистанционного управления цепями, для управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), для создания гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, для синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Управляемые электронные ключи:

• электронная лампа;

• тиристор;

• симистор;

• транзистор;

Неуправляемые электронные ключи:

• диод;

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. При подаче на базу транзистора сигнала низкого уровня («0») относительно эмиттера транзистор «закрыт», ток через транзистор не идёт, на коллекторе транзистора всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). При подаче на базу транзистора сигнала «1», транзистор «открыт»; возникает ток в цепи коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе уменьшается до низкого уровня («0»).

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

КЛЮЧЕВЫЕ СВОЙСТВА ГЕНЕРАТОРА

В качестве простейшего примера генератора, работающего в ключевом режиме, подробно описанного автором в работе [1], можно представить себе электронную схему (Рис. 1), содержащую в себе ключ, будь то рубильник, контактор, реле, или любой другой аналогичный электронный прибор. С его помощью активное сопротивление нагрузки подключается к источнику постоянного напряжения . Если операции включения/выключения следуют через строго определенные интервалы времени, то на сопротивлении нагрузки возникают периодические колебания напряжения прямоугольной формы. Потери мощности на ключе в идеализированном генераторе отсутствуют, так как в разомкнутом состоянии ключ имеет бесконечное сопротивление и, соответственно, нулевое падение напряжения. В замкнутом состоянии ключ имеет нулевое сопротивление и нулевое падение напряжения. Из этого можно сделать вывод о том, что КПД такого идеального ключа будет равен 100%.

Рис. 1

Современные генераторные установки способны работать на огромных частотах (тысячные, миллионные доли секунд в периоде), поэтому в качестве ключа применяются современные полупроводниковые приборы, имеющие малую инерционность процессов включения и выключения. Такие приборы, к сожалению, нельзя считать идеальными, ввиду того, что во включенном («отпертом») состоянии на них имеется некоторое падение напряжения по причине присутствия внутреннего сопротивления . В результате этого при протекании тока в приборе возникают потери мощности

, (1)

преимущественно «уходящие» в нагрев прибора, вследствие чего требуется дополнительный теплоотвод.

Большинство современных приборов (например, транзисторов) в разомкнутом («запертом») состоянии обладают столь высоким внутренним сопротивлением, что протекающим током, и, соответственно потерями мощности можно пренебречь. Если положить, что минимально необходимое для пропускания заданного импульса тока падение напряжения на ключевом приборе приблизительно постоянно, или принять несколько усредненное (за время импульса тока) постоянное напряжение , то потери, обусловленные этим падением напряжения, будут равны

(2)

где – среднее значение (постоянная составляющая) тока ключевого прибора .

Ввиду того, что мощность, отдаваемая источником питания , равна

(3)

то электронный КПД, учитывающий только потери , равен

(4)

Для обеспечения эффективного ключевого режима, позволяющего в полной мере добиться максимальной мощности и, соответственно, КПД, необходимо учитывать свойства конкретного прибора (транзистора), такие как например граничная частота. При использовании ламп верхняя граничная частота определяется максимальной внутренней проводимостью и выходной емкостью. У тиратронов и тиристоров частотные свойства определяются временем «открытия» и «закрытия». В них время «открытия» обусловлено инерционностью носителей электрических зарядов и определяет максимально допустимую крутизну нарастания анодного тока, а, следовательно, максимальную частоту или мощность генерируемых колебаний.

ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ

Примером схем генераторов, построенных по ключевой схеме могут служить параллельный и последовательный инверторы на управляемых вентилях.

Схема такого инвертора содержит два тиристора и , питание которых осуществляется от источника через общий дроссель . (Рис. 2). Нагрузка и преимущественно имеет индуктивно-активный характер, а подключение ее производится через трансформатор Тр, индуктивность которого

Рис. 2

Так как для восстановления электрической прочности тиристора требуется создать нулевое или обратное напряжение на его аноде, параллельно вторичной (или первичной) обмотке трансформатора включается коммутирующая емкость, которая обеспечивает отключение одного тиристора в момент включения второго. Ввиду того, что сопротивление обмоток дросселя и трансформатора крайне малы, можно предположить, что в данной схеме тиристоры и источник питания соединены параллельно. Если цепь нагрузки содержит дополнительно последовательно соединенный конденсатор , то инвертор называется последовательным (Рис. 3).

Рис. 3

В случае параллельного инвертора, благодаря включенной параллельно нагрузке и коммутирующей емкости С обычно достигается более надежное, чем в последовательном, восстановление электрической прочности тиристоров в процессе их переключений.

Для понимания работы и принципа действия параллельного инвертора стоит рассмотреть их амплитудно-временные диаграммы для различных случаев. Подавая короткие импульсы на управляющие электроды тиристоров происходит их поочередное включение. (Рис. 4, а, б) Индуктивность дросселя выбирается большой, и ток в установившемся режиме практически не изменяется, ввиду чего импульсы тока на тиристорах имеют форму меандра. (Рис. 4, в, г). Анодное напряжение тиристора в «отпертом» состоянии близко к нулю (Рис. 4, д). В это же время конденсатор C заряжается, и его напряжение (Рис. 4, е) соответствующее анодному напряжению тиристора , увеличивается. При этом возрастает напряжение на аноде тиристора (Рис. 4, ж). В момент времени включается тиристор . Его анодное напряжение скачком уменьшается до величины, близкой к нулю. Скачкообразное изменение напряжения, благодаря конденсатору С передается на анод тиристора , потенциал которого становится отрицательным (Рис. 4, д), и тиристор выключается. Аналогично происходит и со вторым тиристором. Переменное напряжение конденсатора С прикладывается к нагрузке, вызывая в ней ток соответствующей формы.

Рис. 4

Еще одним примером генератора, работающем в ключевом режиме может служить генератор гармонических колебаний с индуктивным накопителем. Данный генератор отличается от обычного УВЧ (усилителя высокой частоты) класса B наличием индуктивности , включенной между анодом электронной лампы и колебательным контуром. Стоит отметить, что вместо лампы можно использовать обычный транзистор. В случае последовательного включения источника анодного питания схема генератора примет вид, как показано на Рис. 5, а при параллельном – на Рис. 6.

Рис. 5

Рис. 6

Рассмотрим работу генератора, показанного на Рис. 5, в установившемся режиме. До момента отпирания электронной лампы (Рис. 7, а) напряжение на аноде представляет собой сумму напряжений : напряжение анодного питания и напряжения на колебательном контуре

(5)

В момент времени на сетку лампы подается положительный импульс, в следствие чего лампа отпирается. Из-за наличия индуктивности анодный ток сначала очень мал, вследствие чего на аноде лампы напряжение также оказывается малым, а на индуктивности возникает падение напряжения, форма которого показана на Рис. 7, б.

Рис. 7

Анодный ток (Рис. 7, в), протекающий через , в момент обратится в нуль, когда сумма заштрихованных вольт-секундных площадей, изображенных на Рис. 17, б, равна нулю. Такое возможно только в случае, когда амплитуда колебаний напряжений на контуре больше напряжения источника питапния . Обращение тока в нуль необходимо для нормальной работы генератора, поскольку запирание лампы в рассматриваемой схеме допустимо лишь при нулевом токе. Иначе, обусловленная этим током энергия в индуктивности , в момент запирания лампы расходуется на паразитные колебания в цепи анода, вызывая потери энергии и значительные перенапряжения. Соответственно амплитуда входного сигнала (Рис. 7, г) должна превышать напряжение отпирания , в течении времени от . Однако от момента напряжение на аноде лампы отрицательно, и ток через нее, независимо от сеточного напряжения, равен нулю. Поэтому время отпирания лампы по сетке может быть продлено до любого момента, лежащего в интервале от . Это снижает требования к длительности отпирания лампы по сетки и позволяет варьировать ею в определенных пределах.

Для улучшения согласования лампы с нагрузкой и улучшения энергетических показателей целесообразно принять . Достоинством такого режима является отсутствие скачка напряжения на аноде лампы в момент .

ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Вся цифровая и импульсная техника, использующая в качестве ключа транзистор, основывается на работе последнего в так называемом ключевом режиме. В данной технике размыкание и замыкание цепи нагрузки – основное назначение транзистора. В работе [2] были рассмотрены основные типы включения транзисторов. Анализ некоторых вариантов включения будет представлен ниже.

Путем изменения состояния транзистора в цепи с резистором и источником питания осуществляется генерация импульсных сигналов различной формы, а также различные преобразования сигналов в узлах и схемах различных импульсных приборов.

Основой всех узлов техники, использующий импульсный режим является так называемая ключевая схема, другими словами каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение такой схемы схоже с построением усилительных каскадов. Есть три вида включения транзистора (в нашем случае биполярного) – с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Самая распространенная схема включения - с общим эмиттером. (Рис. 8)

Рис. 8

До момента времени t₁ эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В режиме отсечки ток базы I_б=0, коллекторный ток I_к равен начальному коллекторному току (обратный ток коллектора), а коллекторное напряжение и_кэ=Е_к.

В промежутке времени t₁… t₂ транзистор открыт. Такое состояние называется режимом насыщения. При этом ток базы определяется в основном сопротивлением резистора R_б и I_б=Е_к/R_б, поскольку сопротивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный переход также открыт, и ток коллектора I_к≈Е_к/R_к, а коллекторное напряжение U_к≈0. Из режима отсечки в режим насыщения транзистор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором).

Ключевой генератор с формирующим контуром

Ключевой генератор с формирующим контуром, описанный и подробно исследованный в работе [3], содержит ключевой генераторный прибор (электронная лампа, транзистор), нагрузочный контур и формирующий контур. Наличие дополнительного формирующего контура, настроенного на частоту, существенно отличающуюся от генерируемой частоты, позволяет получить оптимальный режим работы ключевого генератора, характеризующийся отсутствием скачков тока и напряжения на генераторном приборе в моменты его отпирания и запирания. Это существенно уменьшает коммутационные потери в генераторе, что позволяет значительно (не менее, чем на порядок) увеличить частоту эффективно генерируемых колебаний.

Одна из схем ключевого генератора с формирующим контуром приведена на Рис. 9.

Рис. 9

Известен также двухтактный ключевой генератор с формирующими контурами, рассмотренный в работе [4], который по существу представляет собой соединение двух однотактных генераторов. По принципу действия и характеристикам этот генератор практически не отличается от однотактного, однако в отличие от него в составе колебаний, генерируемых двухтактным генератором, не содержится четных гармоник. Этот генератор и принимается за ближайший аналог. Он содержит генераторные приборы УТ₁ и УТ₂, в качестве которых могут использоваться электронные лампы или транзисторы, формирующие контуры Г-образного типа С₁L₁,C₂L₂ нагрузочный контур.

Недостатком рассмотренных выше генераторов является значительная зависимость их энергетического режима, то есть мощности, максимальных значений напряжений на генераторном приборе и реактивных элементах нагрузочного и формирующих контуров от сопротивления нагрузки генераторов. В ряде случаев применения таких генераторов, например в качестве усилителя мощности радиопередающего устройства, нагрузка может меняться в значительных пределах. Эти изменения могут быть как медленными, статическими (при настройке системы выходных контуров и антенны), так и динамическими (при передаче сигналов в режимах амплитудной, частотной или фазовой модуляции). Возникающие при изменении нагрузки перенапряжения на элементах генераторов и экстратоки вызывают необходимость предусматривать значительные запасы по электрической прочности элементов генераторов, что приводит к неоправданному увеличению габаритов генераторов и уменьшению надежности их работы, особенно в радиопередатчиках большой мощности.

ГЕНЕРАТОР ШИМ

Говоря о тенденциях к миниатюризации и экономичности генераторов, нельзя не сказать об импульсных источниках питания, которые получили широкое распространение практически во всех сферах жизнедеятельности. По сравнению с линейными преобразователями и стабилизаторами энергии импульсные преобразователи обладают меньшим весом и размерами и более высоким КПД.

В линейных регуляторах напряжения излишки энергии рассеиваются на линейном регулирующем элементе. В импульсных системах питания регулирующий элемент представляет собой ключ с двумя состояниями – замкнутым и разомкнутым и не рассеивает мощности. Регулирование напряжения или тока происходит путем кратковременного периодического подключения постоянного источника энергии к нагрузке через замкнутый ключ. Если период следования импульсов постоянный, а длительностью импульсов регулируют напряжение (или ток), это называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). [6]

ШИМ-сигнал (PWM) представляет собой последовательность импульсов, частота которых неизменна, а модулируется длительность импульсов. Формирование ШИМ-сигнала производится с использованием программируемых микроконтроллеров либо с использованием дискретных элементов.

Регулирование напряжения в импульсном источнике осуществляется сигналом широтно- импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому необходим преобразователь постоянного напряжения в сигнал ШИМ. Такое преобразование реализуется с помощью генератора линейно-изменяющегося (или, как его называют, пилообразного) напряжения и компаратора (Рис. 10).

Рис. 10

Таким образом для начала необходимо сформировать последовательность пилообразных импульсов и подать ее на вход компаратора, рис. 11.

Рис.11. Формирование ШИМ-сигнала.

На второй вход компаратора подается модулирующий сигнал, например, напряжение с переменного резистора. Если напряжение генератора выше напряжения на втором входе — на выходе напряжение близко к напряжению питания. Если напряжение генератора ниже — на выходе ноль.

На рис.11 Uк — напряжение команды (постоянный уровень, заданный переменным резистором), Uген — напряжение генератора, UPWM — ШИМ-сигнал.

Все эти задачи можно легко выполнить при помощи двух операционных усилителей так как показано на схеме, рис.12. [7]

В схеме применена микросхема LM358N, которая использует однополярное питание и содержит два канала в одном корпусе SO8.

Рис.12. Схема генератора ШИМ.

В настоящее время использование таких компонентов как электронные лампы, тиратроны, тиристоры в современных схемах электронных генераторов медленно уходят в прошлое. На замену им приходят более сложные устройства – микросхемы, аналоговые и цифровые, способные при определенной обвязке или программировании генерировать сигналы различных форм, амплитуд и размеров. Они способны с огромной точностью генерировать необходимые сигналы, тем самым повышая КПД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом генераторы – устройства, играющие на сегодняшний день колоссальную роль в обеспечении как питания для оборудования и различных приборов, так и в их настройке, имея за собой множество различных режимов работы. В данном проекте были рассмотрены основные принципы работы ключевых генераторов, их схемы аналога и подробно изучены несколько типовых схем генераторов, работающих в ключевом режиме. Были описаны основные свойства ключевых генераторов и их параметры, а так же характеристики элементов, обеспечивающих ключевой режим. Были проанализированы схемы с описанием принципа работы транзисторного генератора. Также был рассмотрен ключевой генератор с формирующим контуром и генератор ШИМ, в которых уменьшаются коммутационные потери и увеличивается КПД.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артым А.Д. Ключевые генераторы. «Знание», Москва, 1969г. – 32c.

2. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники, учебное пособие для вузов, М.: Высшая школа, 1986. - 336 с.

3. Артым A.Д. Усилители класса Д и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, с. 92 – 105

4. Козырев В.Б., Лаврушенков В.Г., Леонов В.П. и др. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме. /Под ред. Попова И.А. М.: Радио и связь, 1985, с. 130

5. Ключ (Электротехника). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ключ_(электротехника), свободный, (дата обращения: 19.04.2017).

6. Импульсные источники питания. Широтно-импульсная модуляция. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.inp.nsk.su/students/radio/lectures/Pulse/09.pdf, свободный, (дата обращения: 19.04.2017).

7. Простой генератор ШИМ-сигнала. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.customelectronics.ru/prostoy-generator-shim-signala/, свободный, (дата обращения: 19.04.2017).

8. Электротехника. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://model.exponenta.ru/electro/0010.htm, свободный, (дата обращения: 19.04.2017).