Гловацкий В.Г., Пономарев И.В. Релейная защита и автоматика распределительных сетей. Версия 1.2

Подождите немного. Документ загружается.

7.1. Расчетная проверка на 10%-ную полную погрешность по кривым предельной кратно-

сти.

7.2. Расчетное определение полной погрешности трансформаторов тока Е по его вольт-

амперной характеристике.

7.3. Расчетная проверка надежного замыкания контактов электромеханических реле тока,

сопротивления и направления мощности.

7.4. Расчетное определение напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора

тока.

7.5. Приближенное определение вторичного тока трансформатора тока с учетом его то-

ковой погрешности f > 10%

7.6. Расчетное определение вторичной нагрузки трансформатора тока.

8. Графика включает пакет программ для черчения на экране и долгосрочное хранение

электрических схем распределительных сетей для облегчения наглядности проводимых рас-

четов т.к.з. и расчетов и выбора уставок релейной защиты.

Консультацию по эксплуатации ППП-РЗ можно получить по телефону 221-47-28 у Василия

Андреевича Саченко.

Все пожелания и замечания для учета их в последующих версиях ППП-РЗ просьба направлять

по адресу:

01032 КИЕВ-1 ул.Коминтерна,27 Центральная электроэнеретическая система

Служба вычислительной техники, Саченко Василий Андреевич

тел.(044) 221-47-28

факс (044) 221-47-38,221-47-90 E.mail : OV@RDC.CENTRE.ENERGY.GOV.UA

Следует иметь в виду, что указанная программа ориентирована на выбор уставок элек-

тромеханических защит, и поэтому может быть применена для выбора ТКЗ без измене-

ний, а для выбора уставок с корректировкой, учитывающей характеристики применяемых

сейчас микроэлектронных и микропроцессорных защит.

1.6.2. Использование стандартной программы Microsoft Excel для расчета токов ко-

роткого замыкания

Для тех кто не имеет программы расчета токов короткого замыкания и не собирается ее разрабаты-

вать с применением алгоритмических языков программирования, можем предложить способ разра-

ботки программы расчета с применением типовой

программы Microsoft Excel.

Табличный процессор Microsoft Excel выбраны, исходя из возможностей представляемых

программой для не слишком сложных но объемных обычных расчетов ТКЗ в распредсе-

тях.

Возможности необходимые для расчетов следующие:

Вводимые данные и результаты расчетов представляются в табличной форме, занимающей мало

места, которая легко вводится в текстовую программу

Microsoft Word или Adobe Acrobat.

Excel оперирует с адресами ячеек в которые вводятся данные, формула расчета вводит-

ся в ячейку а записывается в таблицу результат расчета.

Относительная адресация позволяет производить расчеты с другими данными используя

одну и ту же формулу, занесенную в предыдущую ячейку.

Расчет ТКЗ с применением

Microsoft Excel покажем на примере.

1. Основные характеристики

1.1. Схема представлена на рис. 1.30. Подстанция питается двумя линиями 110кВ, ко-

торые работают параллельно на шинах 110кВ ПС. Может быть отключена любая ВЛ.

1.2. Токи короткого замыкания на шинах подстанции:

Обе ВЛ в работе, максимальный режим: ток трехфазного КЗ- 6кА, однофазного –4кА.

В работе ВЛ-1, минимальный режим 1: ток трехфазного КЗ- 5кА, однофазного –3кА.

В работе ВЛ-2, минимальный режим 2: ток трехфазного КЗ- 3кА, однофазного –2кА.

1.3. Нейтрали стороны 110кВ трансформаторов разземлены.

1.4. Параметры трансформаторов ТДТН-25/110 взяты в соответствии с ГОСТ 12965-74:

номинальная мощность стороны ВН – 25МВт, НН- 12.5МВт.

номинальное напряжение стороны ВН 115, регулирование 9 ступеней по 1.78%;

номинальное напряжение расщепленной обмотки НН 11кВ;

напряжение Uк с учетом регулирования: 9.84, 10.5, 11.72 для минимального, среднего и

максимального положения переключателя РПН соответственно.

1.5. На стороне 6кВ четыре секции с АВР на СВ-I-III, и СВ II-IV.

Л1 Л2

Т1 Т2

1С 3С

2С 4С

Рис 1.30. схема подстанции.

2. Расчет токов короткого замыкания.

Проводится в именованных величинах, активным сопротивлением пренебрегаем:

2.1. Реактанс прямой последовательности на шинах 110кВ

максимальный режим: X1max = U/ (

√

3 * Iкз) = 115/ (1.73 *6) = 11 Ом.

минимальный режим: X1min = 115/ (1.73*3)= 22 ом.

2.2. Реактанс нулевой последовательности:

максимальный режим: Xодн.= 3*U/ (

√

3 * Iкз.одноф.) = 3* 115/ (1.73 *4)=49.8 Ом.

Xo = Xодн. - X1 - X2 = 49.8 – 11 – 11= 27.8.

минимальный режим Xодн = 3* 115/ (1.73 *2)=99.6 Ом.

Xo = Xодн. - X1 - X2 = 99.6 – 22 – 22= 55.6 Ом.

Дальнейшие расчеты выполняем в таблице Excel см. таблицу 1.1.

A B C D E F G H I

Табл.1.1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ТКЗ ЗА ТРАНСФОРМАТОРОМ

1. Расчет параметров трансформатора

Полож. РПН Напр. ВН Ток ВН Ток НН Напр. КЗ ХкзВНп. Хкз. ННп ХкзВНр Хкз. ННр

1 (U макc) 133,4 108,33 688,14 0,1172 83,43 1,03 156,42

10 (Uсредн.) 115 125,66 688,14 0,105 55,55 0,93 104,15

19 (Uмин) 96,6 149,59 688,14 0,0984 36,73 0,87 68,87

2.Расчет токов короткого замыкания

1. Максимальный режим 2. Минимальный режим

Полож.РПН ХкзВНр I кзВНр Хкз. ННр IкзННр ХкзВНр IкзВНр Хкз. ННр IкзННр

0 1 (U макc) 167,42 0,397 1,04 5,044 178,42 0,373 1,11 733

1 10 Uсредн.) 115,15 0,577 0,96 6,323 126,15 0,527 1,05 771

19 (Uмин) 79,87 0,832 0,94 7,657 90,87 0,732 1,07 730

В первой строке таблицы в ячейке B1записываем № таблицы, С1 – название таблицы.

Во второй строке в ячейке С2 записываем заголовок расчета.

В строке 3 будем записывать название колонки, а в колонке А название строки.

Колонка В. Выполняем расчет напряжений при крайних положениях РПН.

Ячейка В5. =G10/10,5*B4 записываем величину напряжения в среднем положении 115кВ.

Ячейка В4 – формулу для расчета напряжения в 1 положении РПН - 115+0.16*115 - по-

сле перехода в другую ячейку или нажатия Enter в ячейке получается результат:

133,4.

Если вернуться в эту ячейку снова, то в ней результат остается, а в строке формул появляется

формула, по которой производился расчет.

Ячейка В6 – формулу для расчета напряжения в 19 положении РПН - =115-0.16*115 - по-

лучается результат: 96,6.

В колонке С выполняем расчет номинального тока ВН для этих положений РПН:

В ячейку С4 записываем формулу: 25000/(1,73*B4), где 25000 – номинальная мощность

трансформатора, 1,73 = √3, в ячейке В4 расположено вычисленное ранее напряжение в

верхнем положении РПН. Следует учитывать, что табличный процессор распознает деся-

тичную дробь только в том случае, если дробная часть отделяется запятой. При исполь-

зовании десятичной точки, как в большинстве случаев в данной книге, Excel воспринима-

ет число как текст и вычисления производиться не будут.

Установим мышь в левый нижний угол ячейки - появится малый крест. После этого пере-

тащим Мышь на 2 ячейки вниз. В этих ячейках появятся вычисленные значения токов для

других положений РПН. В данном случае мы имеем дело с относительной адресацией

ячеек: при увеличении номера данной ячейки на единицу – одновременно происходит

увеличение на единицу номера ячейки, которая входит в формулу и производится необ-

ходимый расчет.

В ячейке D4 выполняем расчет тока НН. Заносим формулу - =12500/(1,73*10,5) – 12500 –

номинальная мощность обмотки НН, 10.5 ее напряжение в кВ. получаем результат расче-

та: 688.14А. Копируем результат в другие ячейки – он будет одинаковым для всех поло-

жений РПН. Для копирования помещаем указатель мыши в середину ячейки – появляется

большой крест и передвигаем указатель в другие 2 ячейки – в них появляется такой же

результат.

В колонку Е ячейки Е4 – Е6 заносим величину напряжения короткого замыкания для раз-

ных положений РПН.

В колонке F произведем расчет реактансов трансформатора для этих положений РПН

приведенный к напряжению ВН – заносим формулу: =B4/(1,73*C4/1000)*E4. В ячейке В4

находится напряжение ВН в кВ, в ячейке С4 – ток ВН в амперах – делим на 1000 чтобы

получить кА. в ячейке Е4. Переносим формулу в другие ячейки колонки с относительной

адресацией: Установим указатель мыши в левый нижний угол ячейки - появится малый

крест. После этого перетащим его на 2 ячейки вниз, появятся результаты расчета в ячей-

ках.

В колонке G выполним расчет реактанса приведенный к напряжению НН. Вводим форму-

лу: 10.5*E4/(1,73*(D4/1000)) – в ячейке Е4 - величина напряжения короткого замыкания,

D4 номинальный ток стороны 10кВ. Переносим формулу в другие ячейки колонки с отно-

сительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Рассчитанные реактансы относятся к режиму короткого замыкания сразу на 2 сторонах

НН – данные Uк даются для параллельной работы. Трансформатор работает раздель-

но, поэтому полученные параметры должны быть пересчитаны для режима раздельной

обмотки. Для этого умножим полученный результат на 1,875. Введем формулу =F4*1,875

для ячейки Н4. Переносим формулу в другие ячейки колонки с относительной адресаци-

ей. Появятся результаты расчета в ячейках.

Введем формулу =F4*1,875 для ячейки Н4. Переносим формулу в другие ячейки колонки

с относительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Введем формулу =G4*1,875 для ячейки I4. Переносим формулу в другие ячейки колонки

с относительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Расчет параметров закончен и перейдем к расчету ТКЗ на стороне НН. Продолжаем ту

же таблицу.

В ячейку С7 заносим заголовок: 2. Расчет токов короткого замыкания

В ячейку В8 - заголовок: 1. Максимальный режим. В ячейку F8 - заголовок: Минимальный

режим.

В ячейки А9-А12 копируем заголовки из ячеек А3-А6.

Колонка В10 – В12. Расчет реактанса КЗ на стороне НН в максимальном режиме. К реак-

тансу трансформатора добавляется реактанс системы в максимальном режиме.

Введем формулу =11+H4 для ячейки В10. Переносим формулу в другие ячейки колонки

с относительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Колонка С10 – С12. Расчет ТКЗ на стороне НН в максимальном режиме. Введем формулу

=115/(1,73*B10) для ячейки С10. Переносим формулу в другие ячейки колонки с относи-

тельной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Колонка D10 –D13. Расчет реактанса КЗ на стороне НН в максимальном режиме приве-

денный к стороне НН. Реактанс пересчитывается через отношение квадратов напряже-

ние сторон НН и ВН трансформатора. Введем формулу

=B10*СТЕПЕНЬ(10,5;2)/СТЕПЕНЬ(B4;2) для ячейки D10. Переносим формулу в другие

ячейки колонки с относительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Колонка E10 – E12. Расчет ТКЗ на стороне НН в максимальном режиме. приведенный к

стороне НН. Ток ВН пересчитывается через отношение напряжений ВН и НН. Введем

формулу =C10/10,5*B4 для ячейки С10. Переносим формулу в другие ячейки колонки с

относительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Повторяем результаты расчета для минимального режима. Для этого копируем колонки

интервала (В10 - В12) - (Е10 –E12) в колонки интервала (F9 – F12) – (I9 – I12).

После этого в ряду 10 изменяем формулы в ячейках F10 (=22+B10), G10

(=115/(1,73*F10), H10 (=F10*СТЕПЕНЬ(10,5;2)/СТЕПЕНЬ(B4;2), I10 (=G10/10,5*B4). Для

того чтобы изменить реактанс максимального режима на минимальный и восстановить

измененные в результате переноса адреса. Переносим формулы в другие ячейки колон-

ки с относительной адресацией. Появятся результаты расчета в ячейках.

Вместо копирования и изменения формул можно заполнить эти графы формулами само-

стоятельно, при этом время работы увеличится.

После окончания расчетов производится оформление таблицы - устанавливаются грани-

цы в ячейках, объединяются ячейки там, где размещаются надписи.

Полученную таблицу можно сохранить, при следующих однотипных расчетах с другими

параметрами трансформатора можно сделать копию таблицы, ввести в нужные ячейки

параметры нового трансформатора и параметры системы после этого автоматически бу-

дет выполнен расчет с новыми данными.

Полученную таблицу можно через буфер перенести в текстовый редактор Word или

Adobe Acrobat.

Глава 2. УСТРОЙСТВА РЗА НА МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ

ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ

2.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЗАЩИТ

Релейная защита содержит три части: измерительную, логическую и выходную. В измери-

тельную часть входят измерительные и пусковые органы защиты которые воздействуют на

логическую часть при отклонении электрических параметров (тока, напряжения, мощ-

ности, сопротивления) от значений, предварительно заданных для защищаемого объ-

екта.

Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки

времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пуско-

вых органов в соответствии с заложенной в логическую часть программой запускают

выходную часть.

Выходная часть связывает релейную защиту с цепями управления коммутационными аппа-

ратами (выключателями) и устройствами передачи команд по каналам связи и телеме-

ханики Выходные органы защиты имеют на выходе переключающие элементы доста-

точной мощности, обеспечивающие работу цепей управления.

До последнего времени все органы релейной защиты выполнились только с помощью

электромеханических реле. Необходимые выдержки времени создавались в логической

части защит такого исполнения посредством часовых механизмов, управляемых электро-

магнитными устройствами. Наряду с часовыми механизмами для той же цели при-

меняют электромагнитные реле с магнитной задержкой отпадания якоря.

Для получения реле с зависимой характеристикой выдержки времени используют меха-

нические системы с приводом, действующим на индукционном принципе. Скорость дви-

жения таких механизмов зависит от значения проходящего по ним тока.

Однако электромеханическая аппаратура устарела и нуждается в замене. На ней трудно

добиться высокой точности, быстродействия, выполнить сложные характеристики. Для

поддержания рабочего состояния защиты требуются значительные трудозатраты на тех-

ническое обслуживание. Аппаратура занимает много места и требует большого количе-

ства электротехнических материалов. Значительное потребление энергии требует мощ-

ных источников питания оперативным током, а также большой мощности измерительных

трансформаторов тока и напряжения. Нередко новые требования к релейной защите не

могут быть удовлетворены из-за несовершенства аппаратуры, содержащей электромеха-

нические устройства. Стало очевидным, что использование электромеханических уст-

ройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее развитие техники релейной за-

щиты как в качественном, так и в количественном отношениях.

Один из возможных выходов из создавшегося положения открылся благодаря успехам

современной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь - созданию инте-

гральных микросхем, которые и стали основой для создания нового поколения релейной

защиты.

Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней сте-

пени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций. В последние

годы электронная промышленность начала выпускать многоцелевые, так называемые

большие интегральные схемы (БИС) универсального назначения. В настоящее время

разработано и выпускается значительной количество приборов средней степени инте-

грации, на которых построены современные микроэлектронные устройства защиты. Эти уст-

ройства ориентированы на выполнение сразу нескольких функций, что упрощает и удешев-

ляет монтаж и экономит место на панелях и шкафах РЗА. Второе направление развития РЗА

– микропроцессорные устройства - обладают еще более высокой эффективностью, однако

стоимость их значительно превышает стоимость микроэлектронных, поэтому последние на-

ходят спрос в случаях, когда к устройствам не предъявляются высокие требования в точности

и многофункциональности. Микропроцессорные устройства будут рассмотрены в главе 3.

Имеется два основных вида интегральных микросхем. Один вид это так называемые

логические микросхемы. Их роль заключается в том, что они обеспечивают по-

добно промежуточным реле выдачу управляющих команд в логической части защиты.

Рис. 2.1. Общее условное изображение логического элемента

Представим себе такой идеальный логический элемент в виде некоторого переклю-

чающего устройства, обладающего несколькими входными зажимами Х1, Х

, Х3., . . . ,

и одним выходным зажимом Y.

За исходное состояние элемента примем такое, когда на его входные зажимы поданы

нулевые сигналы и когда его переключение происходит после поступления на его входы

некоторого сочетания единичных сигналов. Такие элементы зовутся элементами "единич-

ной", или "положительной", логики. Если в исходном состоянии к элементам подводятся

единичные сигналы, то их называют элементами "нулевой", или "отрицательной" логики.

В наших примерах рассматриваются элементы "положительной" логики.

Операции ИЛИ. У идеального элемента, обеспечивающего выполнение операции ИЛИ при

нулевых сигналах на всех его выходах, выходной сигнал имеет тоже нулевое значение.

Если хотя бы на одном из входных зажимов подается единичный сигнал, элемент немед-

ленно подействует, и на его

выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на

выходе сохранится при любом числе сигналов 1, поданных на его входы. Когда со всех

входных зажимов сигналы 1 снимаются, выходной сигнал ИЛИ опять становится нуле-

вым.На структурных схемах элемент ИЛИ принято изображать так, как показано на

рис. 2.2, а.

Операции И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых сигналах на всех

его входных зажимах имеет на выходном зажиме сигнал 0. Но в отличие от элемента

ИЛИ этот элемент переключится только тогда, когда единичные сигналы поступят на

все его входы. Только при этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1.

В случаях, когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов, на вы-

ходе элемента И будет оставаться нулевой сигнал. После срабатывания элемента И

сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех пор, пока не снимается единичный сиг-

нал хотя бы с одного из его входных зажимов.

Рис. 2.2. Условные изображения логических элементов:

а - элемент ИЛИ; б - элемент И; в - элемент НЕ; г - элемент И-НЕ;

д -элемент ЗАПРЕТ

На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на рис.2.2, б.

Операция НЕ или ИНВЕРСИЯ. В исходном положении элемента НЕ принято, что на его

единственном входном зажиме X имеется нулевой сигнал, при этом на его выходном

зажиме Y держится единичный сигнал. В случае появления на входном зажиме еди-

ничного сигнала сигнал на выходе элемента НЕ принимает нулевое значение. Действие

элемента НЕ называют в математической логике инвертированием сигнала или ин-

версией, а сам элемент - инвертором. Для его изображения применяется прямоуголь-

ник с небольшим кружочком, нанесенным посредине правой или левой его стороны (рис.

2, в).

Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические микросхемы, пред-

ставляющие собой набор из сложных элементов и предназначенные для одновременно-

го выполнения операций И и НЕ. Такой элемент сокращенно записывается так: элемент

И-НЕ.

Изображение элемента И-НЕ приведено на рис. 2, г. Ниже дана таблица переключений

для элемента И-НЕ; в целях упрощения принято, что элемент имеет всего два входа Х

и Х

Состояние элемента:

исходное ............... 0 0 1

поданы сигналы........... 1 0 1

0 1 1

0 1 0

Как видно, мы приняли за исходное состояние такое, когда на входы элемента поданы

нулевые сигналы, что соответствует "положительной" логике, применяемой в промыш-

ленной автоматике. Если представить себе, что в исходном положении на оба входа по-

даны сигналы 1, то на выходе установится сигнал 0 (нижняя строка таблицы). И тогда

достаточно заменить хотя бы один из входных сигналов нулевым, чтобы на выходе

появился сигнал 1. А такое действие элемента представляет собой уже операцию

ИЛИ-НЕ, но при единичных сигналах в исходном состоянии элемента. Она часто приме-

няется на практике.

Операция ЗАПРЕТ. В элементе, служащем для операции ЗАПРЕТ, на выходном за-

жиме Y будет сохраняться нулевой сигнал, если на отдельном, так называемом запре-

щающем зажиме Х

имеется единичный сигнал. При наличии этого запрещающего сигна-

ла независимо от того, какой сигнал появится на единственном входном зажиме эле-

мента X

, на выходном зажиме Y будет оставаться сигнал 0. После снятия запрещающе-

го сигнала - замены сигнала 1 на запрещающем входе сигналом 0 — изменение вы-

ходного сигнала произойдет тогда, когда на входном зажиме Х

возникнет сигнал 1.

Таким образом, для действия элемента ЗАПРЕТ нужно выполнить два условия: снять

запрещаю щий сигнал и подать на вход Х

сигнал 1. Операция ЗАПРЕТ может быть

также представлена как операция И с одним инвертированным входным сигналом, яв-

ляющимся запрещающим. Применяемое изображение элемента ЗАПРЕТ показано на

рис. 2, д.

Для применения в устройствах РЗА применяются специальные микросхемы, называемые

высокопороговыми. Из микросхем отечественного производства применяется серия К511

с добавлением в конце двух букв и цифры, относящихся к конкретным типам микросхем

этой серии. Она предназначена для работы в условиях повышенных электромагнитных

помех. В качестве переключающих электронных приборов в микросхемах этой серии ис-

пользуются биполярные транзисторы. По принципу исполнения серия входит в число

микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Для отстройки от помех в серии

К511 принята относительно большая разница между уровнями нулевого и единичного

сигналов, и поэтому она и считается высокопороговой.

Рис. 2.3. Выполнение логических операций НЕ (а), ИЛИ (б), И (в) на микросхеме

И-НЕ серии К511.

Все основные логические операции, описанные выше, могут быть осуществлены с помо-

щью только элементов И-НЕ серии К511. Эти элементы исполнены для выполнения опе-

рации И-НЕ при нулевых входных сигналах в исходном состоянии. Без всяких дополне-

ний они могут быть использованы для реализации операции ИЛИ-НЕ, если в исходном

режиме подавать на их входы единичные сигналы, а управление работой осуществ-

лять с помощью нулевых сигналов. На рис. 2.3 показано в качестве примера, как вы-

полняются операции И, ИЛИ, НЕ и ИЛИ-НЕ для единичных управляющих сигналов с по-

мощью микросхемы типа К511ЛА1, содержащей четыре двухвходовых элемента И-НЕ.

Так, операция НЕ обеспечивается при подаче единичного сигнала на объединенные входы

элемента, что видно из рис. 2.3, а. На рис. 2.3, б изображено исполнение операции ИЛИ, а

на рис. 2.3, в — операции И. Работа схем понятна из рисунков. Элементы И-НЕ серии

К511 могут присоединяться к выходу операционных усилителей через ограничивающий

резистор, имеющий сопротивление порядка 30 кОм.

В качестве реагирурующего органа используются операционные усилители.

Отметим основные свойства ОУ:

очень большой коэффициент усиления по напряжению, превышающий 10

и доходящий

до 5 • 10

;

малое потребление по входу, измеряемое долями микроампер и меньше;

небольшое выходное сопротивление, измеряемое десятками или сотнями Ом, что по-

зволяет не учитывать его при выборе нагрузки, которая ограничивается допустимым

током выхода ОУ, составляющим примерно 5 мА.

Питание операционных усилителей, применяемых при изготовлении реле защиты, осу-

ществляется от двух разнополярных источников напряжения постоянного тока с общей

нулевой точкой. Значения питающих напряжений берутся в диапазоне от ±5 до ± 15 В в

зависимости от конструкции ОУ. Операционный усилитель имеет два независимых

входа и один общий выход. Он является усилителем дифференциального типа и реа-

гирует на знак напряжения, определяемого разностью двух напряжений, поданных на

его входы. Тот из входов, при преобладании напряжения на котором знак выходного

напряжения совпадает с поданным на этот вход, называется неинвертирующим, или

сокращенно Н-входом. До последнего времени этот вход обозначался на схемах усили-

телей условным знаком плюс. Другой вход, преобладание напряжения на котором приво-

дит к изменению знака выходного напряжения на противоположный по сравнению со зна-

ком напряжения на этом же входе, называется инвертирующим, или сокращенно И-

входом. Ему присваивался условный знак минус.

Значения подаваемых на ОУ входных напряжений не должны превышать напряжения пи-

тания.

Рис.2.4. Условные изображения операционных усилителей: а - старое; б - допускаемое;

в – новое

Если на оба входа ОУ подать одинаковые по значению и знаку напряжения, называемые

синфазными, то выходное напряжение будет практически оставаться близким к нулю.

Значения синфазных напряжений, подаваемых на входы ОУ, не должны быть выше на-

пряжения питания.

На схемах, содержащих ОУ, встречаются три основных условных изображения операци-

онных усилителей: старое (рис. 4, а), которое продолжают и поныне применять во многих

информационных и проектных материалах, допускаемое (рис. 4, б), широко используе-

мое в настоящее время в технической литературе, и новое (рис. 4, в), принятое совсем

недавно. На всех изображениях не показаны источники питания и другие внешние

выводы.

Операционные усилители обладают общим недостатком, заключающимся в том, что даже

при полном отсутствии внешних входных сигналов, через входы усилителя протекают

небольшие так называемые нулевые токи, и может возникать некоторое напряжение

между входами, которое называют напряжением сдвига нуля. Их появление обус-

ловливается несбалансированностью входного каскада, которая зависит как от техно-

логических отклонений параметров входных транзисторов, так и от внешних условий, в

первую очередь от температуры окружающей среды и изменения напряжений питания.

Напряжение сдвига нуля создает на выходе ОУ выходное напряжение соответствующего

значения.

Этот недостаток оказывает существенное влияние на выбор параметров резисторов в

схемах применения ОУ.

По техническим условиям на ОУ появляющееся выходное напряжение сдвига должно

сводиться к нулю, если приложить между входами ОУ так называемое напряжение

смещения соответствующего знака, значение которого не должно превосходить 7,5 мВ.

Поэтому при расчете схем применения ОУ начальный уровень управляющего сигнала бе-

рется порядка 10 мВ. Это в свою очередь определяет нижний расчетный уровень выход-

ного напряжения ОУ. Верхний расчетный уровень выходного напряжения ОУ определя-

ется его напряжением насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на 1-2

В.

Благодаря своим свойствам операционный усилитель может быть с достаточной сте-

пенью точности представлен в виде идеального усилителя. Такой идеальный усилитель

имеет коэффициент усиления дифференциального сигнала, близкий к бесконечности

(А

→

∞

), и коэффициент усиления синфазных сигналов, равный нулю (А

cф

→0). Входные

токи идеального усилителя близки к нулю (I

ВХ

→ 0), а выходное внутреннее сопротив-

ление приближается к нулевому значению (Z

BbIX

→ 0). Для облегчения анализа схем, в ко-

торых используются реальные операционные усилители, рассмотрим основные схемы

их применения на примере идеальных усилителей дифференциального типа.

Идеальный усилитель обеспечивает максимальное значение выходного напряжения,

ограниченное лишь уровнями напряжений питания, при очень малой разности напря-

жений между его входами. Эта разность не соизмерима со значениями напряжений во

внешней части схемы. Получающуюся при этом на входных зажимах разность потенциа-

лов называют напряжением суммирующей точки. Его значение близко к нулю. Токи, по-

ступающие на входы идеального усилителя, также весьма малы и при рассмотрении

схем не учитываются.

Основные схемы применения ОУ строятся на использовании различных вариантов об-

ратных связей между выходом ОУ и его входами. Обратная связь в таких схемах осуще-

ствляется через соответственно подобранные линейные и нелинейные сопротивления в

зависимости от характера операций, выполняемых с помощью данной схемы. Связь

между выходом ОУ и Н-входом называется положительной обратной связью (ПОС),

связь между выходом ОУ и инвертирующим входом - отрицательной обратной связью

(ООС). Перейдем к описанию основных типовых схем применения ОУ.

Рис.2.5. Основные схемы применения операционных усилителей:

а — повторитель напряжения; б - неинвертирующий усилитель; в — инвертирующий уси-

литель.

Повторитель напряжения — схема, в которой выход ОУ соединен непосредственно с ин-

вертирующим входом через сопротивление, равное нулю. Управляющий сигнал подается

прямо на неинвертирующий вход (рис.2.5, а). Подобный вид обратной связи называют 100

%-ной отрицательной обратной связью (100 % ООС). При Uвх = 0 напряжение на выходе

тоже будет оставаться равным нулю, так как на непосредственно связанном с ним инвер-

тирующим входе не возникает разности напряжений по отношению к неинвертирующему

входу. В случае изменения входного напряжения на неинвертирующем входе между вхо-

дами будет поддерживаться ничтожно малая разность напряжений, определяемая значе-

нием напряжения суммирующей точки. Напряжение на выходе ОУ практически сравняет-

ся с поступающим сигналом и, по мере его изменения, будет совпадать с меняющимися

значениями входного сигнала. Таким образом, рассматриваемая схема является сле-

дящей, повторяющей на выходе входной сигнал. Отсюда ее название. Коэффициент уси-

ления повторителя напряжения, К

= Uвых / Uвх = 1.

Неинвертирующий усилитель. Показанная на рис. 5, б схема применяется для усиле-

ния сигналов, подаваемых на неинвертирующий вход. В данной схеме ОУ охвачен от-

рицательной обратной связью через резистор R2, а резистор R1 соединяет инвер-

тирующий вход с нулевой шинкой. Ток i

, проходящий по цепи обратной связи, оп-

ределяется значением Uвых. Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель на-

пряжения. Так как входные токи ОУ можно не учитывать, то напряжение на инвер-

тирующем входе будет равно Uвых *R1(R1 + R2). Учитывая, что значение напря-

жения в суммирующей точке несравнимо меньше Uвх, можно считать, что напряжение

на инвертирующем входе имеет то же значение, что и поступающий на неинвертирую-

щий вход сигнал. Отсюда Uвх = Uвых = R1/(R1+ R2). Коэффициент усиления такого

усилителя Кu = Uвых/Uвх = (R1+R 2)R1. Чтобы не нагружать выход ОУ, резисто-

ры R1 и R2 в реальных схемах принимают порядка десятков и сотен килоом. Из схе-

мы видно, что неинвертирующий усилитель имеет большое входное сопротивление,

которое зависит только от входного тока ОУ i

, приближающегося к нулю. На линейном

участке характеристики коэффициент усиления такого усилителя может быть весьма

большим (достигать нескольких сотен). О назначении резистора R3 сказано ниже.

Инвертирующий усилитель. Схема его (рис.2.5, в) отличается от предыдущей тем, что

управляющий сигнал подается на инвертирующий вход через резистор R1, а неинвер-

тирующий вход соединяется с нулевой шинкой через резистор R3, поэтому потенциал

суммирующей точки в рассматриваемой схеме равен примерно потенциалу нулевой

шинки. Резисторы R1 и R2, образующие делитель напряжения, имеют нулевой по-

тенциал в точке их соединения на инвертирующем входе. При подаче сигнала на ин-

вертирующий вход при заземленном неинвертирующем входе на выходе ОУ получает-

ся усиленный сигнал противоположного знака, так как в суммирующей точке происхо-

дит переход через нулевое значение. Так как собственный входной ток ОУ можно не

учитывать, принимаем, что по цепи из R1 и R2 течет один ток i

= Uвх/R1 = - Uвых /

R1. Знаком минус учитываются противоположные знаки (Uвх и Uвых. Отсюда

можно получить выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Кu = Uвых/Uвх = - R2/R1.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя значительно меньше, чем у неин-

вертирующего, так как равно сопротивлению резистора R1, которое берется в тех же пре-

делах, что и для неинвертирующего усилителя.

Из рассмотренных схем усилителей видно, что их коэффициент усиления определяется

только соотношением сопротивлений в цепи входов и обратной связи. И хотя эти дан-

ные получены для схем с идеальными ОУ, они с достаточной степенью точности могут

быть применены и к реальным ОУ. Благодаря этому ОУ имеют универсальное приме-

нение, взаимозаменяемы и не требуют подбора, как это часто бывает в схемах, содер-

жащих обычные транзисторы. Для понимания свойств реальных операционных усилите-

лей, отличающих их от идеальных, ознакомимся с устройством применяемых ОУ.

Рис.2.6. Структурная схема операционного усилителя