Усилители с шим

С целью уменьшения мощности, выделяющейся на выходном каскаде устройства регулирования, часто применяют регуляторы, выходной сигнал которых представляет собой импульсы с переменной длительностью и переменным периодом.

Как правило, объект в этом случае по отношению к импульсному сигналу выполняет функцию ФНЧ и поэтому осуществляется квазинепрерывное регулирование.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, pulse-width modulation - PWM). В этом случае выходное напряжение переключается между двумя постоянными значениями с высокой частотой, обычно в диапазоне нескольких килогерц. Средний уровень напряжения поддерживается изменением (модуляцией) ширины импульсов. На Рис 8.1 приведен пример такого сигнала. "Узкие" импульсы соответствуют низкому а «широкие» - высокому среднему напряжению. Устройство ШИМ включено в схему управления мощностью на основе твердотельных выключателей типа транзисторов, мощных полевых МОП-транзисторов или тиристоров. В преобразователях для мощностей порядка 300 кВт используются так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBT). Для больших уровней мощности целесообразно применять запираемые тиристоры (Gate Turn Off thyristors - GT0 thyristors).

Технология ШИМ используется в тех случаях, когда обычный усилитель просто сгорит из-за высокого уровня мощности. Переключения приводят к тому, что твердотельные приборы загружены полной мощностью лишь короткое время и, соответственно рассеивание мощности в них мало, а значит, ШИМ-усилители имеют высокую эффективность. Дополнительным преимуществом ШИМ-усилителей является возможность непосредственного управления переключениями через цифровой выходной порт компьютера.

ШИМ-управление широко используется в технике исполнительных механизмов непрерывного действия- таких как двигатели переменного и постоянного тока и гидропривод. Если частота переключений ШИМ-усилителя достаточно высока по сравнению с постоянной времени исполнительного механизма, то результирующий сигнал имеет некое среднее значение (рис. 8.1). Входное напряжение переключатся между нулевым и максимальным значениями, в результате вырабатывается определенное среднее значение выходной мощности. Если частота переключения достаточно высока по сравнению с постоянной времени управляемой системы, то колебания выходных величин пренебрежимо малы.

Рис. 8.1. Огибающая результирующего напряжения в цикле широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Напряжение переключается между тремя значениями (ноль, положительный максимум и отрицательный минимум). Синусоидальная кривая — эффективное напряжение, приложенное к нагрузке

Частотный преобразователь (frequency converter) - это регулятор частоты вращения и момента двигателя, основанный на применении ШИМ-технологии: он применяется для двигателей переменного тока. Частотные преобразователи можно пользовать как в новых системах, так и для модификации старых. Поскольку большинство насосов и компрессоров уже имеют асинхронные двигатели, то в некотором смысле они подготовлены к применению частотных преобразователей. При реализации сложных режимов с широким рабочим диапазоном, при низких скоростях и больших моментах может потребоваться дополнительное охлаждение по сровнению с обычно применяемым в двигателях.

З

Рис. 8.2.

десь приняты следующие обозначения:

Рег – регулятор с непрерывным управляющим воздействием (П, ПИ, ПИД-регуляторы);

ШИМ – широтно-импульсная модуляция;

ИМ – исполнительный механизм.

Р ассмотрим схему ШИМ на ОУ:

Д

Рис. 8.3.

иаграммы работы:

Рис. 8.4.

Функциональный состав:

генератор прямоугольных импульсов.

Выполнен на элементах: R1, C1, R2, R3, DA1/

формирователь пилообразного напряжения:

C2, R7, C4, DA2.

компаратор:

R4, R5, C3, DA3.

выходной усилительный каскад:

R6, VD1, VT1.

Транзистор работает в ключевом режиме. Непрерывный регулятор формирует сигнал управления, который поступает на положительный вход компаратора. Одновременно на инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное напряжение, сформированное генератором (1) и формирователем (2). Результат сравнения этих двух сигналов поступает на выходной усилитель (4).

Скважность вычисляется по формуле:

Где τИ – длительность импульса, а TИМП – период ШИМ.