10.1.1 Триггер с двумя динамическими входами (R,S).
В отличие от одновибраторов триггеры имеют два устойчивых состояния, т.е. внешним воздействием триггер можно установить в определенное состояние, в котором он будет находиться до тех пор, пока следующее внешнее воздействие не установит его в другое устойчивое состояние. Одно из состояний принимают за "1", другое за "0". Так же, как мультивибратор, триггер реализуется с помощью двух усилителей с ПОС, называемых плечами. Связь между плечами осуществляется не с помощью конденсаторов, а с помощью сопротивлений.
При подаче питания оба плеча находятся в одинаковом состоянии. Но даже вследствие небольшой флуктуации ток в одном из плеч может быть больше, чем в другом. Пусть в левом плече ток больше. Это значит, что транзистор VT1 открыт несколько больше, коллекторное напряжение на нем ближе к нулю. чем на VT2. Это приводит к уменьшению напряжения базы транзистора VT2,коллекторный ток его уменьшается, коллекторное напряжение увеличивается. Это напряжение подается на базу транзистора VT1,который вследствие этого еще больше запирается. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока транзистор VT1 перейдет в состояние насыщения. При этом транзистор VT2 запрется. Процесс зависит от соотношения сопротивлений R1, R4 и R5, R3, создающих положительную ОС, а так же от напряжения источника Еб. Чтобы ускорить процесс переключения, сопротивления R1 и R5 шунтируют небольшими емкостями.
При подаче отрицательного импульса на вход вх1 транзистор VT1 запирается, увеличивающееся коллекторное напряжение подается на базу VT2, который откроетсяи перейдет в состояние насыщения, приводя VT1 к отсечке. В таком состоянии триггер будет находиться до поступления на вход вх2 отрицательного импульса.
Источник питания Еб включен в схему минусом к базам транзисторов. Это дает возможность уверенного выхода транзисторов в режим отсечки, когда транзистор должен закрыться.
Когда транзистор VT1 открыт, на базе его положительное напряжение, большее чем напряжение эмиттера. Диод VD1 открыт. В схеме его наличие необязательно. Но когда транзистор VT1 закрыт, на его базе должно быть отрицательное напряжение. Это достигается с помощью диода VD1. Эти же рассуждения подходят и к диоду VD2.
Входы и выходы триггера имеют свои обозначения. Единичный (прямой) выход триггера обозначается буквой Q, инверсный (обратный) символом Ǭ. Вход, по которому устанавливается "1" на прямом входе обозначают буквой S, вход для установки в состояние "1" выхода Ǭ обозначается буквой R. Совершенно понятно, что при Q=1, Ǭ=0 и наоборот: при Ǭ=1, Ǭ=0.
Рассмотренный триггер переключается перепадами напряжений на входах. Медленно меняющееся напряжение не вызовет переключения так как оно не будет передано конденсатором. Переключение будет происходить при быстром перепаде из "1" в "0". Такие входы, в отличие от таких, которые не зависят от формы входного сигнала, называются динамическими. Те входы, которые зависят только от величины сигнала, т.е. не зависят от формы сигнала, называются статическими.
Рассмотренный триггер имеет динамические входы.
10.1.2. Триггер со счётным входом (Т-триггер)
Т-триггер так же является триггером с динамическим входом. Получается он объединением двух динамических входов в один. При этом достаточно одного базового сопротивления R2 вместо двух. При включении устройства одно из плеч автоматически установится открытое состояние, другое – в закрытое. При подаче на вход отрицательного импульса напряжение на базе открытого транзистора становится отрицательным. Транзистор закрывается. На базу второго транзистора входной отрицательный импульс не воздействует: там и так было отрицательное напряжение. Но происходящий регенеративный процесс изменит напряжения баз и триггер переключится в противоположное состояние. Таким образом, с приходом каждого импульса триггер переключается в противоположное состояние. Триггер с одним входом, переключающийся с каждым импульсом в противоположное состояние, называется Т—триггером или счетным триггером. Счетный триггер является основным триггером в построении счетчиков. Применяется он и в других устройствах автоматики и вычислительной техники.
В приведенных схемах переключающие импульсы отрицательны. Несложно сделать, чтобы переключающие импульсы были положительными. Для этого достаточно изменить полярность диодов, т.е. катоды подключить к базам.
10.2 Триггеры на логических ИС
10.2.1 RS—триггеры.
Интегральная схемотехника дает широкие возможности для создания различных триггеров, которые могут быть созданы как на основе логических элементов, так и за счет специализированных микросхем. Триггеры на ИС обладают более высокими эксплуатационными качествами, чем выполненные на навесных элементах. Триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах запись информации осуществляется в момент, когда величина на информационном (логическом) входе достигает определенного значения. В синхронных триггерах имеются информационные входы, на которые поступает запоминаемая информация (логическая единица или логический ноль), и входы управления, например, синхронизирующий вход, на который подается импульс записи информации (тактирующий импульс). Триггеры, переключающиеся по уровню входных сигналов, называют триггерами со статическим управлением. Триггеры, переключающиеся по фронтам или срезам импульсов, называют триггерами с динамическим управлением.
RS- триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными. На рис.приведено графическое изображение статического RS-триггера. Входы триггера S и R, выходы
Для построения таблицы истинности необходимо заполнить значения входов и выходов в предыдущем состоянии, которое обозначается символом n и в последующем состоянии, которое обозначается символом n+1.
Таблица истинности статического RS-триггера
Sn
Rn
Qn+1
Ǭn+1
0
0
Qn
Ǭn
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
х
х
При Sn = Rn= 0 триггер остается в предыдущем состоянии. Эта позиция называется нейтральной. Если один из входов находится в состоянии 1, а другой в состоянии 0, триггер устанавливается в соответствующее состояние.
Состояние Sn = Rn=1 является запрещенным состоянием, которое обозначается символом х на выходах триггера.
Указанный триггер является триггером прямой логики (прямого управления), т.е. он устанавливается в соответствующее состояние единицей на входе. Могут быть и триггеры обратной логики (обратного управления), которые устанавливаются нулевыми уровнями на входах, что определяется кружочками на входах. В таких триггерах в таблице истинности выходу Q=1 соответствует S=0, R=1.
В синхронных триггерах имеется синхронизирующий вход С, по импульсу на котором устанавливается состояние на выходах, соответствующее состояниям на входах. Состояния на входах S и R не влияют на состояние триггера, если вход С=0. Триггер устанавливается в состояние, соответствующее входам, при С=1. Из этого следует. что информация на входах S и R должна изменяться в моменты, когда С=0.
RS-триггер достаточно просто создать с помощью элементов И-Не и ИЛИ-Не. Изображенный на рис. триггер, созданный с помощью элементов 2И-Не, работает в обратной логике. Для рассмотрения его работы следует доказать, что в изображенной структуре невозможны состояния Q =Ǭ =1 и Q = Ǭ=0. В первом случае на одном из входов каждого элемента "1". При R=0, S =1 должно быть Ǭ =1, Q= 0. Это значит, что если случайно установится Q =Ǭ =1, в следующее мгновение будет Ǭ =1, Q= 0. Во втором случае на одном из входов каждого элемента "0", что в соответствии с таблицей истинности элемента И-Не приведет к Q =Ǭ =1, т.е. к случаю, рассмотренному выше. Следовательно, выходы схемы должны быть инверсны (что и находит подтверждение в обозначении выводов).
а) При S =0, R=1 Q=1 независимо от второго входа элемента D1.1. На входе элемента D1.2 при этом две единицы. На выходе "0".
б) Точно так же при S =1, R=0 Q=0, Ǭ =1.
в) При S =1, R=1 сохраняется предыдущее состояние. Если Q=1 (Ǭ =0) на входах элемента D1.2 две единицы, т.е. Ǭ=0. Нижний вход элемента D1.1 находится в состоянии "0", Q=1—предыдущее состояние сохраняется. Если Q= 0 (Ǭ =1) верхний вход элемента D1.2 находится в состоянии "0", подтверждается состояние Ǭ =1. На входах элемента D1.1две единицы, т.е. Q= 0—подтверждается предыдущее состояние.
г) Состояние S=0, R=0 запрещено, так как независимо от предыдущего состояния на выходах установятся нули, что недопустимо.
При построении схемы с помощью элементов 2ИЛИ-Не создается RS-триггер с прямой логикой на входах, т.е. триггер соответствует приведенной выше таблице истинности.
С помощью показанных схем асинхронных триггеров можно построить и синхронные триггеры. Для этого на входе устанавливается схема, разрешающая воздействие на вход каждого из плеч сигналов S или R только при наличии импульса С. Следует напомнить, что импульс С должен происходить тогда, когда S и R противоположны.
10.2.2 D-триггеры.
Наибольшее применение получили синхронные D-триггеры с динамическим входом С. Установка триггера в состояние, определяемые входом D (1 или 0), происходит по фронту (срезу) импульса, поступающего на вход С. Обозначение D-триггера, обозначение его динамического входа (по фронту или по срезу) показаны на рис. Из рис. видно, что любой импульс имеет фронт и срез, которые условно можно представить в виде отрезка прямой. ГОСТ допускает и старое обозначение фронта и среза в виде треугольника. Если вершина треугольника направлена к триггеру, обозначен фронт, от триггера—срез синхроимпульса.
Состояние D-входа передается на выход по фронту (срезу) синхроимпульса. При отсутствии синхроимпульсов состояние входа D может меняться как угодно, состояние триггера при этом не меняется и наоборот: может поступить любое количество синхроимпульсов, но состояние выхода не изменится до тех пор, пока не изменится состояние входа D.
D-триггеры могут иметь потенциальный вход синхроимпульса. В этом случае его достаточно просто можно выполнить на логических элементах. Однако такие триггеры используются редко. D-триггеры применяются достаточно широко вследствие своей простоты, универсальности, удобства использования.
10.2.3 JK—триггеры.
JK—триггеры являются универсальными триггерами, так как на их основе можно построить другие типы триггеров. Наиболее часто используются синхронные триггеры с потенциальными входами J и K и с динамическим входом С. В отличие от D -триггера в JK—триггере два потенциальных входа, причем в зависимости от состояний входов J и K триггер ведет себя по-разному.
Для установки триггера в состояние "1" в момент прихода импульса синхронизации должно быть: J=1, K=0; для установки триггера Q=0 должно быть J=0, K=1. В разных системах элементов используются триггеры, работающие по фронту или по срезу. Например, в системе SN74 JK—триггер устанавливается в состояние, указанное потенциальными входами, по срезу импульса С. Возможны следующие комбинации входов: J=1, K=0;
J=0, K=1;
J= K =1;
J= K =0.
J
K
C
Qn
Qn+1
1
0
Х
Х
1
0
Х
1
0
1
Х
Х
0
1
Х
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
Х
Х
0
0
Х
Х
Основным режимом работы JK—триггера является режим с противоположными состояниями J и K.
В таблице символом Х обозначено любое возможное состояние. Если в столбиках Qn и Qn+1 показано состояние Х, состояние триггера не изменилось.
Из таблицы можно сделать следующие выводы.
1. По фронту синхроимпульса состояние триггера не изменяется (см. строки 1,3).
2. По спаду синхроимпульса и противоположных J и К триггер устанавливается в состояние, определяемое значением J (см. строки 2,4).
3. При J= K =1 каждый синхроимпульс переустанавливает триггер в противоположное состояние, т.е. триггер работает как Т-триггер (строки 5, 6).
4. При J= K =0 (строки 7 и 8) синхроимпульс не меняет состояния триггера. Этот режим, который называется режимом хранения, отличается от подобного режима RS-триггера, в котором такой режим (S=R=0) запрещен.
Если вместо двух сигналов J и K использовать один, на вход J триггераподать этот сигнал, на вход К –проинвертированный сигнал, JK—триггер будет работать как D-триггер.
Итак, JK—триггер может работать: а) как JK—триггер; б) как Т-триггер (при J= K =1); в) как D-триггер (входы J и K связываются внешним инвертором). Поэтому он называется универсальным.
10.3.1 Цифро-аналоговые преобразователи.
Многие устройства работают при непрерывных воздействиях, с непрерывными сигналами (аналоговые устройства). Другие—наоборот, с числовыми сигналами. Для их согласования применяются преобразователи сигналов. При преобразовании из числовой (цифровой) формы в аналоговую используются ЦАП—цифро-аналоговые преобразователи, из аналоговой в числовую (цифровую) –АЦП.
ЦАП можно условно разделить на две группы: ЦАП с прецизионными резистивными матрицами; безматричная. Матричные ЦАП могут строиться на принципе суммирования токов, суммирования напряжения, с делением напряжения.
В безматричных ЦАП деление тока осуществляется активными элементами. Ниже показана структурная схема ЦАП с суммированием токов. Сопротивления R0...Rn выбирают так, чтобы ток каждого последующего разряда был в два раза выше тока предыдущего разряда. Сумма токов поступает на вход операционного усилителя, работающего как сумматор токов. Ток соответствующего разряда поступает на вход операционного усилителя в зависимости от состояния входов х0…хn, представляющих собой разряды преобразуемого двоичного числа и могут иметь состояния 0 или 1. Суммарный ток соответствует значению двоичного числа на входе.
Точность работы такого ЦАП зависит от точности подбора сопротивлений. На практике используются резистивные матрицы, которые в интегральном исполнении дают наибольшую точность. Кроме того, большую роль играет схема связи резисторов между собой. Другим решением является использование многоэмттерных транзисторов, ток которых зависит от количества эмиттеров, подключенных к одной базе: при двух эмиттерах ток в два раза выше, чем при одном, при четырех—в четыре, при восьми—в восемь и т.д. Это как раз соответствует весовым коэффициентам двоичного числа.
Наиболее прогрессивным решением является использование микроконтроллеров, производство которых и с цифровыми, и с аналоговыми входами и выходами освоили многие фирмы.
10.3.2 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
В АЦП непрерывная величина преобразуется в дискретную с цифровым кодированием. Существует множество методов построения АЦП, главные из которых можно разбить на три типа.
1. Время - импульсный метод. Входное (преобразуемое) напряжение Ux сравнивается с равномерно (линейно) растущим напряжением U, максимальное значение которого равно Umax. Линейно растущее напряжение создается генератором пилообразного напряжения (ГП). Напряжение U достигает Umax за время Т. Входное напряжение Ux не должно превышать Umax.
Напряжение U достигает значения Ux в момент Тх.
Для осуществления операции сравнения имеется сравнивающее устройство (=), которое выдает стробирующий импульс длительностью Тх. Чем больше интервал времени Тх, тем больше
преобразуемое напряжение Ux. Время Тх пропорционально преобразуемому напряжению. Чтобы преобразовать это время в числовой код, соответствующий преобразуемой величине, имеется генератор импульсов (F) такой постоянной частоты, что за время Т возникнет число импульсов Nmax, равное ( в числовой форме) Umax (например, при максимальном преобразуемом напряжении Umax=1000мВ Nmax=1000) . В промежутке Тх число импульсов Nx пропорционально Тх и равно преобразуемому напряжению Ux. Для того, чтобы преобразовать число импульсов Nx в числовой код, имеется счетчик (CТ). Двоичный счетчик выдаст это число в двоичном коде, двоично-десятичный—в двоично-десятичном коде. Структурная схема, соответствующая время-импульсному преобразователю содержит устройство управления УУ, роль которого заключается в синхронизации работы устройств, которая нужна для своевременного сброса счетчика и запуска пилообразного напряжения.
Погрешность такого преобразователя зависит от многих факторов в том числе от стабильности напряжения питания, стабильности генераторов, дискретности преобразования, погрешности подсчета импульсов в стробирующем импульсе. Реальные преобразователи значительно сложнее .
2. Частотно-импульсный метод. Метод заключается в преобразовании напряжения в пропорциональную ему частоту, которая измеряется в цифровой форме. Измерение частоты происходит, как в частотомерах: подсчитывается число импульсов за заданный промежуток времени, который задается специальным генератором.
3 Метод следящего уравновешивания. Разновидностью метода является метод баллансного уравновешивания.В состав этих АЦП входи ЦАП, который преобразует выходную величину в аналоговую. Эта величина сравнивается с преобразуемой. При равенстве величин код, поступающий на вход ЦАП, выдается на выход.
Наибольшую точность преобразования обеспечивают АЦП в интегральном исполнении. Максимальные возможности создают АЦП, выполненные на микроконтроллерах.
Вторичные источники питания.
11.1 Общие сведения об источниках питания.
Стационарные устройства или устройства, потребляющие достаточно большую мощность, обычно используют энергию трехфазной или однофазной электрической сети, наиболее употребительного напряжения 400/230 В. Предпочтительно, чтобы потребители потребляли энергию непосредственно от сети. Но во многих случаях это невозможно. Например, микросхемы, другие электронные потребители должны питаться от достаточно низкого напряжения. Кроме того напряжение должно быть выпрямленным. Поэтому источники питания принято разделять на первичные (непосредственно от сети) и вторичные, содержащие понижающие трансформаторы и различные преобразователи.
Источники вторичного напряжения можно различать по разным признакам. Ниже такая классификация производится.
1. Источники постоянного и переменного напряжения. Переменное напряжение во вторичных источниках применяется редко в связи с трудностями сохранения формы, стабилизацией напряжения и др
Вторичные источники постоянного напряжения применяются преимущественно. Это связано с возможностью стабилизации напряжения при изменении напряжения сети или изменением нагрузки.
2. Трансформаторные и бестрансформаторные источники вторичного напряжения. Пониженное напряжение можно получить с помощью понижающих трансформаторов. В этом случае нагрузка может потреблять достаточно большую мощность. Если мощность, потребляемая нагрузкой невелика, напряжение нагрузки можно понизить путем последовательного включения в ее цепь добавочного сопротивления. Это сопротивление может быть активным, емкостным или индуктивным. Активное сопротивление потребляет мощность, и потому нагревается. Индуктивное сопротивление имеет достаточно большие размеры и, кроме того, от постоянной составляющей сопротивления избавиться не удается. Наиболее употребительными гасителями переменного напряжения являются емкости. Бестрансформаторные источники вторичного напряжения используются для токов до сотен мА.
3. Однофазные и трехфазные—по числу фаз первичного напряжения, использующихся для выпрямления во вторичных источниках. Трехфазные выпрямители позволяют получить большую мощность и поэтому используются в устройствах большой и средней мощности.
4. Стабилизированные и нестабилизированные источники вторичного напряжения. Многие потребители требуют таких параметров вторичного напряжения, которые невозможно создать путем простого выпрямления. В таких случаях используют стабилизацию напряжения. Стабилизаторы создают постоянное по величине вторичное напряжение, уменьшая его скачки при изменении нагрузки или первичного напряжения. Многие стабилизаторы уменьшают и пульсации.
Основными элементами вторичных источников питания являются выпрямители, основными параметрами выпрямителей являются следующие:
а) среднее значение выпрямленного тока Iср,
б) среднее значение выпрямленного напряжения Uср,
в) коэффициент полезного действия η,
г) коэффициент пульсаций Кп= ,
где Um1—амплитуда напряжения первой гармоники,
Uср—среднее значение выпрямленного напряжения.
11.2 Однофазные и трехфазные выпрямители. Сглаживающие фильтры.
11.2.1. Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители
В однополупериодных выпрямителях используются обычно полупроводниковые диоды. Выпрямители могут быть включены или непосредственно в сеть или подключены ко вторичной обмотке трансформатора. Так как диод пропускает ток только в одном направлении, один из полупериодов сети не используется. При активной нагрузке ток в нагрузке будет иметь форму полупериода синусоиды, т.е.в определенные моменты будет синусоидальным, а в противоположном полупериоде будет отсутствовать. Такой ток называют пульсирующим. Подключение параллельно нагрузке конденсатора Сф уменьшает пульсации. Дело в том, что при прямом токе нагрузки по конденсатору тоже течет ток и заряжает его. Если сопротивление нагрузки велико, конденсатор заряжается до максимального напряжения. При дальнейшем уменьшении напряжения сети напряжение конденсатора становится больше напряжения трансформатора. Конденсатор разряжается через нагрузку. Результирующее напряжение на нагрузке показано на рисунке. Выпрямленный ток протекает по нагрузке в оба полупериода, но имеет пульсации, зависящие от сопротивления нагрузки. Конденсатор Сф называют сглаживающим конденсатором или сглаживающим фильтром. Применяют однополупериодные выпрямители при большом сопротивлении нагрузки.
При отсутствии конденсатора диод должен выдерживать обратное напряжение, равное напряжению вторичной обмотки трансформатора. При наличии конденсатора к диоду прилагается обратное напряжение сети и напряжение конденсатора. Так как максимальное напряжение конденсатора равно напряжению сети, то к диоду прикладывается обратное напряжение, равное двум напряжениям трансформатора.
Чем меньше обратный ток диода, тем выше его коэффициент выпрямления.
Недостатки однополупериодного выпрямителя (большие пульсации, зависимость напряжения от сопротивления нагрузки, высокое обратное напряжение на диоде, дополнительная нагрузка на трансформатор) заставляют применять двухполупериодное выпрямление.
Для однофазной сети возможно создание двух схем двухполупериодного выпрямления: а) со средней точкой выходной обмотки трансформатора, б) мостовая. Обе схемы достаточно широко применяются.
В схеме со средней точкой используется трансформатор. вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки. Напряжения на обеих частях обмотки равны. С помощью диодов VD1 и VD2 нагрузка Rн подключается то к одной, то к другой половине. В один полупериод сети через нагрузку протекает ток в другой - Ток нагрузки состоит из обеих составляющих и имеет пульсирующий характер.
Если амплитудные значения тока и напряжения соответственно равны I2m и U2m, то средние значения тока и напряжения в нагрузке
I2ср.н = I2m , U2ср.н=U2m , а действующие значения
I2н=, U2н=
Через диоды и каждую половину обмотки трансформатора протекает лишь половина тока нагрузки. Поэтому средний ток катушки
I2Ср.к = 0,5 U2ср.н , а действующее напряжение, поскольку оно определяется как среднее квадратическое от мгновенного тока,
I2к = I2ср.н .
Как видно из рисунка, к каждому диоду прикладывается обратное напряжение, равное полному напряжению трансформатора, т.е. двойное напряжение нагрузки; ток в два раза меньше тока нагрузки.
Недостатком схемы выпрямления со средней точкой является необходимость диодов с допустимым обратным напряжением, равным двойному напряжению нагрузки, и неполное использование трансформатора по мощности, так как в каждом полупериоде в прямом направлении работает лишь половина вторичной обмотки трансформатора.
От этих недостатков можно избавиться, если напряжение одного направления всей вторичной обмотки трансформатора подать на нагрузку через один диод, а противоположного—через второй диод. К сожалению, это возможно лишь при применении еще одной пары диодов. Такая схема выпрямления называется мостовой. Часто её изображают в виде традиционного моста или, более строго, в виде стандартного (для однофазных и трехфазных цепей) изображения моста. В этой схеме в одном полупериоде сети в прямом направлении работают два диода: VD2 - VD4. Диоды VD3 – VD1 заперты. В другом полупериоде наоборот: VD3 – VD1 открыты, VD2 - VD4 заперты.
В мостовой схеме обмотки трансформатора используется полностью. Обратное напряжение равно половине амплитудного напряжения вторичной обмотки. Ток диода равен току нагрузки.
В обеих схемах выпрямления имеются достаточно большие пульсации, величина которых равна 0,67. При большом сопротивлении нагрузки пульсации можно уменьшить с помощью конденсатора большой мощности, подключенного параллельно нагрузке, который , как и в случае однофазного выпрямления, называется емкостным сглаживающим фильтром.
11.2.2 Трехфазные выпрямители.
В промышленности широко используется трехфазное напряжение. Так же, как для однофазной сети, может быть однополупериодное и двухполупериодное выпрямление, причем схем выпрямления достаточно много. Наиболее часто используются схемы однопериодного выпрямления в каждой фазе (схема Миткевича) и двухполупериодного выпрямления в каждой фазе (схема Ларионова).
В первой схеме не используется отрицательная полуволна напряжения в каждой фазе. Но и при прямом напряжении тоже не полностью используется положительная часть полупериода фазы вследствие перекрытия напряжений фаз. Мгновенное выпрямленное напряжение соответствует огибающей напряжений фаз. Частота пульсаций равна 3f, где f частота сети, т.е. в три раза выше частоты пульсаций однофазной сети. Напряжение пульсаций равно 0,5Еm. Вследствие однонаправленности тока сердечник трансформатора намагничивается, коэффициент использования габаритной мощности падает. Схема применяется для малых мощностей.
В схеме двухполупериодного выпрямления используются обе ветви напряжения каждой фазы, но и здесь перекрытие фаз не позволяет полностью использовать половину периода фазы. Амплитуда пульсаций очень мала и составляет 0,23Еm. Частота пульсаций составляет 6f, что во многих случаях позволяет не использовать сглаживающие фильтры. Вследствие двунаправленности токов в фазах сердечник трансформатора не насыщается. Схема преимущественно применяется при соединении вторичных обмоток трансформатора звездой. В этом случае схема более эффективна.
Схема Ларионова широко применяется на транспорте (например, в дизельэлектровозах), в выпрямительных установках электроприводов воздушного и гидравлического транспорта, в промышленности.
11.2.3 Управляемые выпрямители.
Выпрямленное напряжение есть возможность регулировать с помощью тринисторов. На рисунке показан пример регулирования напряжения на активной нагрузке Rн. Для управления тринисторами необходим блок управления УУ, который должен быть синхронизирован с сетью. В зависимости от управляющего сигнала Uу, соответствующего необходимой выпрямленной мощности, блок вырабатывает сдвиг по фазе φ1 или φ2, для подачи управляющих импульсов. Чем больше сдвиг, тем больше мощность подается в нагрузку, однако эта зависимость далеко не линейна. Зависимость среднего выпрямленного тока от угла φ называют регулировочной характеристикой выпрямителя. При индуктивной нагрузке в связи с несовпадением фаз напряжения на нагрузке и тока через тринисторы уменьшается среднее выпрямленное напряжение и пределы изменения угла управления, т.е. эффективность регулирования зависит от типа нагрузки.
11.2.4 Сглаживающие фильтры
Предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
Коэффициент сглаживания Ксг =
Фильтр не должен существенно влиять на работу выпрямителя и иметь малое время переходных процессов. Можно вывести соотношения между параметрами фильтра и коэффициентом сглаживания.
1 Индуктивный фильтр. Последовательно с нагрузкой. На постоянное напряжение индуктивность не влияет, а для переменного в цепи большое сопротивление. Достоинства :высокая надежность, большая проходная мощность. Недостатки: большие габариты, зависимость от сопротивления нагрузки.
2 Емкостный фильтр. Емкость параллельно нагрузке.. Применяют при малых токах нагрузки. Конденсатор заряжается почти до максимальных значений напряжения пульсации, а затем разряжается через нагрузку. Если сопротивление нагрузки велико, ток мал и напряжение держится достаточно долго.
3 Г-образный фильтр: последовательное звено—индуктивность, параллельное—емкость. Вместо индуктивности может использоваться активное сопротивление (резистор). Для переменной составляющей сопротивление последовательного звена должно быть значительно больше сопротивления параллельного. Это и создается резистором (хотя и с меньшей эффективностью).
4 П-образные фильтры. Различные сочетания индуктивности, емкости, резисторов.
5 Активные фильтры. В качестве активного элемента используются транзисторы. Пример активного фильтра. За счет сопротивления R база находится под меньшим напряжением, чем эмиттер. Транзистор открыт для постоянной составляющей напряжения. Переменная составляющая проходит через конденсатор. Ток через транзистор должен увеличиваться, но напряжение на конденсаторе тоже увеличивается, призакрывая транзистор. Пульсации уменьшаются.
11.3 Электронные стабилизаторы напряжения
11.3.1 Параметрические и компенсационные стабилизаторы напряжения.
Параметрические стабилизаторы напряжения—параллельно нагрузке устанавливается нелинейный элемент (стабилитрон, динистор). При пробое напряжение не изменяется выше напряжения пробоя. Недочтатки: нет плавной регулировки выходного напряжения, малая мощность, малый КПД.
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования.
РЭ-регулирующий элемент (транзистор).
ЭС—элемент сравнения; сравнивает опорное напряжение, подаваемое с источника опорного напряжения (ИОН) с напряжением на нагрузке. ИОН может быть, например, стабилитроном.
У- усилитель.
Если РЭ включен последовательно с нагрузкой. он воздействует на ток нагрузки, изменяя
выходное напряжение. Если РЭ включен параллельно нагрузке, через него протекает "избыток" тока, чтобы не создать на нагрузке дополнительного напряжения. В этом случае необходимо ограничивающее сопротивление R.
11.3.2 Интегральные стабилизаторы напряжения.
Это компенсационные стабилизаторы. Микросхемы: КР142ЕН1, ЕН2,ЕН3, ЕН4—с регулируемым выходным напряжением.
Импульсные стабилизаторы напряжения. РЭ работает в импульсном режиме,т.е меньше нагревается.
11.3.3 Импульсные источники питания.
Импульсные источники питания (ИИП) имеют настолько большие достоинства, что в современной аппаратуре практически (где это возможно) вытеснили аналоговые. На схеме показана типовая схема ИИП. Сетевое напряжение выпрямляется, с помощью силовых ключей оно преобразуется в импульсы большой частоты (10 КГц и более, до 100кГц). В мощных ИИП используются двухполярные ключи. Импульсное напряжение с помощью трансформатора преобразуется в выходное напряжение, которое выпрямляется и фильтруется. Таким путем трансформируется не входное напряжение частоты 50 Гц, а высокочастотное напряжение. В такой схеме получаются следующие преимущества.
1 Исключаются силовые трансформаторы –основа габаритов и массы, т.к. чем больше мощность, тем больше трансформатор. Нужны транзисторы большой мощности на напряжения около 350В.
2 Трансформирование осуществляется на ВЧ, что само по себе во много раз снижает размеры трансформатора. Кроме того, входное напряжение трансформатора импульсное, что заставляет его работать, в основном, на фронтах и срезах (импульсный трансформатор). Это еще более снижает размеры. Для ИИП используются, главным образом, ферриты, имеющие большую скорость перемагничивания.
3 Транзисторы работают в ключевом режиме, что почти исключает потерю мощности на них.
В указанной схеме фильтр на входе устанавливается с целью предотвращения попадания в сеть импульсов высокой частоты. ОС организована с помощью напряжения, поступающего с выходного выпрямителя через импульсный трансформатор на ОУ, на котором выполнен компаратор с опорным напряжением. Меняя опорное напряжение, можно менять выходное напряжение. Напряжение с компаратора воздействует на управляемый генератор, который служит для отпирания ключей. Обычно используется широтно-импульсная модуляция—изменение ширины импульса для регулирования напряжения. При этом частота регулирования достигает 400кГц.
Можно регулировать и частоту.
а)Транзисторы должны быть ВЧ.
б) Электролитические конденсаторы не подходят –керамические конденсаторы.
в) Быстродействие могут обеспечить лишь диоды Шоттки.
Недостаток: импульсы могут создавать помехи.
11.4Преобразователи напряжения
Преобразователями напряжения называются устройства, преобразующие напряжение в другое напряжение по номиналу или по роду тока.
Классификация.
1 Переменное в переменное (ас/ас)—трансформаторы. Переменное однофазное в переменное трехфазное.
2 Переменное в постоянное (ас/dc) —выпрямители.
3 Постоянное в переменное (dc/ас), в том числе в трехфазное—инверторы.
4 Постоянное в постоянное (dc/dc)—конверторы.
Структура устройств. Импульсные преобразователи.
11.5 Преобразователи частоты (ПЧ).
ПЧ служат для преобразования одной частоты в другую. Наиболее часто ПЧ используются для управления АД (n= ). Для управления АД преобразователи должны плавно изменять частоту при разгоне и торможении. Возможности преобразования частоты.
1 Выпрямить сетевое напряжение. При однополупериодном выпрямлении частота остается той же, при двухполупериодном—первая гармоника имеет частоту в два раза выше. Фильтры. При трехфазном напряжении можно получить 6f, но мощность и КПД очень малы (используется в маломощных устройствах).
2 Из частей синусоид вырезать участки более высокой частоты. При этом форма синусоиды сильно искажается. Особенно удобно это делать для трехфазной сети, так как в трехфазной сети не бывает, чтобы токи всех фаз одновременно были равны нулю. Тиристоры. Сложные устройства.
3. Со звеном постоянного тока: сетевое напряжение выпрямляется. Из выпрямленного напряжения с помощью мощных транзисторов формируется однофазная или трехфазная последовательность. Если импульсы прямоугольной формы, устройство проще. Можно импульсы как угодно близко приблизить к синусоидальной форме за счет время-импульсного регулирования. Сложные устройства. Микроконтроллеры. В АД обмотки имеют очень большие индуктивности. Поэтому прямоугольные импульсы принимают форму, близкую к синусоиде.
При подаче питания оба плеча находятся в одинаковом состоянии. Но даже вследствие небольшой флуктуации ток в одном из плеч может быть больше, чем в другом. Пусть в левом плече ток больше. Это значит, что транзистор VT1 открыт несколько больше, коллекторное напряжение на нем ближе к нулю. чем на VT2. Это приводит к уменьшению напряжения базы транзистора VT2,коллекторный ток его уменьшается, коллекторное напряжение увеличивается. Это напряжение подается на базу транзистора VT1,который вследствие этого еще больше запирается. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока транзистор VT1 перейдет в состояние насыщения. При этом транзистор VT2 запрется. Процесс зависит от соотношения сопротивлений R1, R4 и R5, R3, создающих положительную ОС, а так же от напряжения источника Еб. Чтобы ускорить процесс переключения, сопротивления R1 и R5 шунтируют небольшими емкостями.
Т-триггер так же является триггером с динамическим входом. Получается он объединением двух динамических входов в один. При этом достаточно одного базового сопротивления R2 вместо двух. При включении устройства одно из плеч автоматически установится открытое состояние, другое – в закрытое. При подаче на вход отрицательного импульса напряжение на базе открытого транзистора становится отрицательным. Транзистор закрывается. На базу второго транзистора входной отрицательный импульс не воздействует: там и так было отрицательное напряжение. Но происходящий регенеративный процесс изменит напряжения баз и триггер переключится в противоположное состояние. Таким образом, с приходом каждого импульса триггер переключается в противоположное состояние. Триггер с одним входом, переключающийся с каждым импульсом в противоположное состояние, называется Т—триггером или счетным триггером. Счетный триггер является основным триггером в построении счетчиков. Применяется он и в других устройствах автоматики и вычислительной техники.
RS- триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными. На рис.приведено графическое изображение статического RS-триггера. Входы триггера S и R, выходы
Состояние Sn = Rn =1 является запрещенным состоянием, которое обозначается символом х на выходах триггера.
В синхронных триггерах имеется синхронизирующий вход С, по импульсу на котором устанавливается состояние на выходах, соответствующее состояниям на входах. Состояния на входах S и R не влияют на состояние триггера, если вход С=0. Триггер устанавливается в состояние, соответствующее входам, при С=1. Из этого следует. что информация на входах S и R должна изменяться в моменты, когда С=0.
а) При S =0, R=1 Q=1 независимо от второго входа элемента D1.1. На входе элемента D1.2 при этом две единицы. На выходе "0".
Наибольшее применение получили синхронные D-триггеры с динамическим входом С. Установка триггера в состояние, определяемые входом D (1 или 0), происходит по фронту (срезу) импульса, поступающего на вход С. Обозначение D-триггера, обозначение его динамического входа (по фронту или по срезу) показаны на рис. Из рис. видно, что любой импульс имеет фронт и срез, которые условно можно представить в виде отрезка прямой. ГОСТ допускает и старое обозначение фронта и среза в виде треугольника. Если вершина треугольника направлена к триггеру, обозначен фронт, от триггера—срез синхроимпульса.
Состояние D-входа передается на выход по фронту (срезу) синхроимпульса. При отсутствии синхроимпульсов состояние входа D может меняться как угодно, состояние триггера при этом не меняется и наоборот: может поступить любое количество синхроимпульсов, но состояние выхода не изменится до тех пор, пока не изменится состояние входа D.
JK—триггеры являются универсальными триггерами, так как на их основе можно построить другие типы триггеров. Наиболее часто используются синхронные триггеры с потенциальными входами J и K и с динамическим входом С. В отличие от D -триггера в JK—триггере два потенциальных входа, причем в зависимости от состояний входов J и K триггер ведет себя по-разному.
В безматричных ЦАП деление тока осуществляется активными элементами. Ниже показана структурная схема ЦАП с суммированием токов. Сопротивления R0...Rn выбирают так, чтобы ток каждого последующего разряда был в два раза выше тока предыдущего разряда. Сумма токов поступает на вход операционного усилителя, работающего как сумматор токов. Ток соответствующего разряда поступает на вход операционного усилителя в зависимости от состояния входов х0…хn, представляющих собой разряды преобразуемого двоичного числа и могут иметь состояния 0 или 1. Суммарный ток соответствует значению двоичного числа на входе.
преобразуемое напряжение Ux. Время Тх пропорционально преобразуемому напряжению. Чтобы преобразовать это время в числовой код, соответствующий преобразуемой величине, имеется генератор импульсов (F) такой постоянной частоты, что за время Т возникнет число импульсов Nmax, равное ( в числовой форме) Umax (например, при максимальном преобразуемом напряжении Umax=1000мВ Nmax=1000) . В промежутке Тх число импульсов Nx пропорционально Тх и равно преобразуемому напряжению Ux. Для того, чтобы преобразовать число импульсов Nx в числовой код, имеется счетчик (CТ). Двоичный счетчик выдаст это число в двоичном коде, двоично-десятичный—в двоично-десятичном коде. Структурная схема, соответствующая время-импульсному преобразователю содержит устройство управления УУ, роль которого заключается в синхронизации работы устройств, которая нужна для своевременного сброса счетчика и запуска пилообразного напряжения.
,
11.2.1. Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители
в другой - 
Ток нагрузки 
состоит из обеих составляющих и имеет пульсирующий характер.
I2m , U2ср.н= 
, U2н= 
I2ср.н .
Как видно из рисунка, к каждому диоду прикладывается обратное напряжение, равное полному напряжению трансформатора, т.е. двойное напряжение нагрузки; ток в два раза меньше тока нагрузки.
От этих недостатков можно избавиться, если напряжение одного направления всей вторичной обмотки трансформатора подать на нагрузку через один диод, а противоположного—через второй диод. К сожалению, это возможно лишь при применении еще одной пары диодов. Такая схема выпрямления называется мостовой. Часто её изображают в виде традиционного моста или, более строго, в виде стандартного (для однофазных и трехфазных цепей) изображения моста. В этой схеме в одном полупериоде сети в прямом направлении работают два диода: VD2 - VD4. Диоды VD3 – VD1 заперты. В другом полупериоде наоборот: VD3 – VD1 открыты, VD2 - VD4 заперты.
В промышленности широко используется трехфазное напряжение. Так же, как для однофазной сети, может быть однополупериодное и двухполупериодное выпрямление, причем схем выпрямления достаточно много. Наиболее часто используются схемы однопериодного выпрямления в каждой фазе (схема Миткевича) и двухполупериодного выпрямления в каждой фазе (схема Ларионова).
Выпрямленное напряжение есть возможность регулировать с помощью тринисторов. На рисунке показан пример регулирования напряжения на активной нагрузке Rн. Для управления тринисторами необходим блок управления УУ, который должен быть синхронизирован с сетью. В зависимости от управляющего сигнала Uу, соответствующего необходимой выпрямленной мощности, блок вырабатывает сдвиг по фазе φ1 или φ2, для подачи управляющих импульсов. Чем больше сдвиг, тем больше мощность подается в нагрузку, однако эта зависимость далеко не линейна. Зависимость среднего выпрямленного тока от угла φ называют регулировочной характеристикой выпрямителя. При индуктивной нагрузке в связи с несовпадением фаз напряжения на нагрузке и тока через тринисторы уменьшается среднее выпрямленное напряжение и пределы изменения угла управления, т.е. эффективность регулирования зависит от типа нагрузки.
5 Активные фильтры. В качестве активного элемента используются транзисторы. Пример активного фильтра. За счет сопротивления R база находится под меньшим напряжением, чем эмиттер. Транзистор открыт для постоянной составляющей напряжения. Переменная составляющая проходит через конденсатор. Ток через транзистор должен увеличиваться, но напряжение на конденсаторе тоже увеличивается, призакрывая транзистор. Пульсации уменьшаются.
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования.
Импульсные источники питания (ИИП) имеют настолько большие достоинства, что в современной аппаратуре практически (где это возможно) вытеснили аналоговые. На схеме показана типовая схема ИИП. Сетевое напряжение выпрямляется, с помощью силовых ключей оно преобразуется в импульсы большой частоты (10 КГц и более, до 100кГц). В мощных ИИП используются двухполярные ключи. Импульсное напряжение с помощью трансформатора преобразуется в выходное напряжение, которое выпрямляется и фильтруется. Таким путем трансформируется не входное напряжение частоты 50 Гц, а высокочастотное напряжение. В такой схеме получаются следующие преимущества.
). Для управления АД преобразователи должны плавно изменять частоту при разгоне и торможении. Возможности преобразования частоты.