Шишлаков В.Ф. Проектирование электронных усилительных устройств систем автоматического управления

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Ãîñóäàðñòâåííîå îáðàçîâàòåëüíîå ó÷ðåæäåíèå

âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ

ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ

ÀÝÐÎÊÎÑÌÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß

В. Ф. Шишлаков

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã

2005

УДК 681.527.001.63

ББК 32.965-04-02

Ш65

Шишлаков В. Ф.

Ш65 Проектирование электронных усилительных устройств систем

автоматического управления: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2005.

151 с.: ил.

ISBN5-8088-0144-3

Рассмотрены вопросы расчета линейных усилителей мощности. Изложена

методика и последовательность расчета усилителей мощности на транзисто-

рах, выбора интегральных операционных усилителей, расчета сопротивлений в

цепи отрицательной обратной связи. Особое внимание уделено учету ошибок,

связанных с неидеальностью характеристик операционных усилителей и погреш-

ностями резисторов. Приведена методика получения передаточной функции

усилителя и коррекции его динамических свойств.

Учебное пособие предназначено для использования в курсовом и дип-

ломном проектировании студентами специальностей 2101, 2103, 1801 и дру-

гих, связанных с проектированием элементов и устройств систем автомати-

ческого управления.

Рецензенты:

кафедра систем управления и информатики Санкт-Петербургского института

точной механики и оптики (Технический университет);

доцент кандидат технических наук А. Д. Жуков

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

государственный университет

аэрокосмического приборостроения», 2005

ISBN5-8088-0144-3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Усилительно-преобразовательные устройства, входящие в состав раз-

нообразных систем автоматического управления (САУ), оказывают су-

щественное влияние на статические и динамические характеристики

САУ в целом. Среди многообразия усилительно-преобразовательных

устройств в настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы про-

ектирования транзисторных усилителей медленно меняющихся сигна-

лов, как имеющие весьма широкое распространение.

В учебном пособии рассматриваются следующие основные вопросы

проектирования электронных усилителей:

классификация усилительных устройств по классам работы и схем-

но-техническим решениям построения схем;

выбор силовых транзисторов и проектирование конструкции тепло-

отвода;

компоновка усилителя, расчет оконечных и предоконечных каскадов

усиления;

расчет параметров цепей обратной связи, охватывающей усилитель;

получение передаточных функций отдельных каскадов усиления и

усилителя в целом;

синтез корректирующих звеньев методом логарифмических ампли-

тудно-частотных характеристик;

разработка печатной платы и конструкции усилителя.

Рассматриваемые в настоящем учебном пособии вопросы полнос-

тью соответствуют программе курса «Электроника» специальностей

«Управление и информатика в технических системах», «Роботы и ро-

бототехнические системы», а также программе курса «Физические ос-

новы электроники» специальности «Электромеханика».

Техническое задание

Проектируемый усилитель предназначен для работы в составе сис-

темы автоматического управления. При этом его функции заключаются

в выполнении операции суммирования сигнала входного датчика, сиг-

налов главной и корректирующей обратных связей системы управле-

ния и усилении сигнала рассогласования по величине и мощности.

Исходными данными для проектирования усилителя являются:

1) параметры и характеристика нагрузки:

активное сопротивление R

;

индуктивность L

;

максимальный ток нагрузки I

нmax

;

рабочий диапазон частоты преобразователя ω

, ω

;

2) данные источников входных сигналов:

внутреннее сопротивление датчиков сигнала управления R

упр

; кор-

ректирующей обратной связи R

КОС

и главной обратной связи R

ГОС

;

отклонение внутренних сопротивлений δR

упр

= δR

КОС

= δR

ГОС

= δR

= 0,1;

максимально возможное напряжение (ЭДС) U

упр max

; U

КОС max

; U

ГОС

max

;

остаточное напряжение источников сигналов U

упр.ост

= 10

–5

упр max

;

КОС ост

= 10

–2

КОС max

; U

ГОС ост

= 10

–5

с.у max

;

3) основные требования к качеству работы усилителя:

коэффициенты передачи по напряжению по сигналам управления

упр

; корректирующей обратной связи U

КОС

и главной обратной

связи U

ГОС

;

допустимые отклонения коэффициентов передачи δU

упр

= δU

КОС

= δU

ГОС

= δU

доп

= 0,1–0,2;

максимально допустимое значение дрейфа входного сигнала δU

вых max

;

входное сопротивление усилителя по каждому из трех входов R

вхi

;

4) эксплуатационные и конструктивные требования:

диапазон изменения температуры окружающей среды –60 °С–+60 °С;

среднее время безотказной работы 5000–10000 ч;

при конструировании должны быть обеспечены возможно мень-

шие массогабаритные показатели;

усилитель монтируется на плате; соединения с источниками пи-

тания, входными сигналами, нагрузкой и т. д. осуществляются с

помощью разъема.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

В соответствии с требованиями технического задания усилитель дол-

жен включать в свой состав следующие элементы: сумматор, осуществ-

ляющий суммирование U

упр

; U

КОС

; U

ГОС

и определяющий сигнал рас-

согласования, который представляет собой входное напряжение

усилителя U

вх

; сумматор, осуществляющий сравнение входного напря-

жения усилителя U

вх

с сигналом отрицательной обратной связи, охва-

тывающей усилитель U

ООС

; предварительный усилитель, обеспечиваю-

щий усиление сигнала рассогласования

вх

∗

и защиту усилителя от

перенапряжений. Усилитель мощности обеспечивает передачу необхо-

димой мощности в нагрузку и защиту усилителя от перегрузок по току.

Цепь отрицательной обратной связи, охватывающая усилитель в це-

лом, обеспечивает заданную точность и стабильность характеристик уси-

лителя. Таким образом, структурная схема проектируемого усилителя

имеет вид, показанный на рис. 1.1.

Требования технического задания по максимальным значениям на-

пряжения и тока нагрузки допускают применение транзисторов в каче-

стве мощных усилительных элементов. Применение для этой цели ти-

ристоров в данном случае нецелесообразно, поскольку приведет к

КОС

упр

ГОС

–

вх

ОС

–

Предваритель-

ный усилитель

Усилитель

мощности

Источник

питания

Обратная

связь

Нагрузка

вых

Рис. 1.1

существенному усложнению предварительного усилителя из-за необхо-

димости формирования специальных управляющих сигналов.

Транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим рабо-

ты выбирают в основном из условий обеспечения заданной мощности

и высокого коэффициента полезного действия при допустимых линей-

ных и частотных искажениях. При выборе предварительной схемы уси-

лителя необходимо принимать во внимание то, что оконечные каскады

могут быть собраны по однотактной и двухтактной схеме.

Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и полу-

чить достаточно малый коэффициент гармоник 2–7%, однако она рабо-

тает только в классе А и теоретически не может дать коэффициент по-

лезного действия выше 50%. При этом нужно учитывать, что при

отсутствии входного сигнала такой усилитель потребляет большую энер-

гию. Для уменьшения потерь энергии, иногда применяют специальные

меры: рабочую точку выбирают на нижнем участке входных характери-

стик, обеспечивая этим малое потребление энергии от источника пита-

ния в отсутствии входного сигнала. При наличии входного сигнала и с

ростом его рабочая точка автоматически перемещается по динамичес-

кой характеристике, так что потребляемая от источника питания энер-

гия изменяется пропорционально выходной мощности. У подобных кас-

кадов среднее значение коэффициента полезного действия несколько

больше, чем у обычных усилителей класса А с неизменной постоянной

составляющей тока коллектора.

Для обеспечения наибольшего значения коэффициента полезного дей-

ствия усилительные элементы должны работать в классах AB, B или D.

Двухтактная схема, работающая в классе В, теоретически может обес-

печить коэффициент полезного действия до 78%, при этом минималь-

ный коэффициент гармоник равен 6–10%.

Двухтактный каскад в режиме АВ обеспечивает меньшие нелиней-

ные искажения, чем в классе В, но имеет меньший коэффициент полез-

ного действия.

Управляющие устройства усилителя класса D существенно сложнее

предварительных каскадов линейного усилителя. Кроме того, в задани-

ях по курсовому проекту мощность, отдаваемая в нагрузку, сравнитель-

но невелика. Поэтому в качестве основного варианта будем рассматри-

вать режим работы усилителя класса B. Поскольку отклонение сигнала

рассогласования, формируемого сумматором, может быть как положи-

тельным, так и отрицательным, усилитель мощности необходимо стро-

ить по двухтактной схеме, позволяющей избежать искажения формы

входного сигнала, при сохранении высокого значения коэффициента

полезного действия.

Для обеспечения малых линейных и частотных искажений транзис-

торы в плечах двухтактного усилителя необходимо подбирать так, что-

бы они составляли комплиментарные пары или, в крайнем случае, их

граничные частоты и коэффициенты усиления отличались не более чем

на 20%.

В оконечных каскадах транзисторы могут быть включены любым из

трех известных способов.

Схема с общей базой позволяет получить наименьшие нелинейные

искажения, но сравнительно малое усиление по мощности. Параметры

каскадов в этом случае мало зависят от температуры окружающей сре-

ды и замены транзисторов, поэтому в двухтактных схемах при включе-

нии транзисторов с общей базой коэффициенты усиления транзисто-

ров могут отличаться до 30%.

Схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление, но

зато вносит сравнительно большие нелинейные искажения.

Схема с общим коллектором обеспечивает примерно такое же усиле-

ние, как схема с общей базой, и несколько меньшие нелинейные иска-

жения, чем схема с общим эмиттером. Входное сопротивление каскада

оказывается самым высоким. Параметры каскада в этом случае зависят

от изменения температуры окружающей среды и замены транзисторов.

Межкаскадные связи проектируемого усилителя медленных сиг-

налов должны быть гальваническими или оптронными. Оптроны

имеют достаточно низкий коэффициент передачи, поэтому в разра-

батываемом усилителе будут использоваться гальванические межкас-

кадные связи.

В качестве предварительного суммирующего усилителя целесообраз-

но применять интегральные операционные усилители, обладающие боль-

шим коэффициентом усиления, значительным входным и относительно

малым выходным сопротивлениями, а также обеспечивающих легкость

суммирования сигналов. Поскольку операционные усилители способ-

ны отдавать в нагрузку достаточно небольшой ток, как правило, суще-

ственно меньший единиц ампера и напряжение 10–15 В, то усилитель

мощности должен обеспечить согласование операционного усилителя с

нагрузкой.

Ориентировочно требуемое число каскадов усилителя мощности

можно оценить, принимая коэффициент передачи тока одного транзис-

торного каскада

ср

β 10...30

≈=

тогда из соотношения

вых ОУ н max

IKI

≥

следует

нmax

выхОУ







≥

Из полученного соотношения следует, что число каскадов усиления

зависит от тока нагрузки, определенного техническим заданием, и выб-

ранным типом операционного усилителя. Очевидно, чем больший ток

может обеспечивать микросхема, на которой построен первый каскад

усилителя, тем общее число каскадов будет меньше. Однако, как пра-

вило, микросхемы достаточно маломощны и способны отдавать в на-

грузку ток в пределах 5–10 мА, поэтому проектируемый усилитель мощ-

ности должен быть двух-трех каскадным.

Для удобства суммирования входных сигналов целесообразно исполь-

зовать параллельную отрицательную обратную связь и суммирование

на инвертирующем входе операционного усилителя. В результате мо-

жет быть составлена предварительная принципиальная электрическая

схема усилителя медленно меняющихся сигналов, которая является ос-

новой для дальнейшего проектирования.

Вспомогательные части схемы: вторичные источники питания, цепи

смещения и динамической коррекции, фильтры и т. д. разрабатываются

в случае необходимости при построении окончательной схемы выбран-

ного варианта.

1.1. Особенности построения силовых каскадов

В большинстве случаев проектируемые электронные усилительные

устройства являются устройствами, входящими в состав сложных сис-

тем автоматического управления. Поэтому для выбора структуры уси-

лителя и его расчета следует четко представлять функции, которые они

выполняют в системе, и условия работы системы в целом.

При проектировании усилителей мощности, прежде всего, необхо-

димо иметь в виду род тока источника питания и нагрузки. Для подав-

ляющего большинства задач достаточно рассмотреть четыре вариан-

та: постоянный ток; пульсирующий синусоидальный ток; переменный

синусоидальный и переменный ток прямоугольной формы. Хотя фор-

мально последние два случая отличаются друг от друга, но применяе-

мые при этом схемотехнические решения для усилителей оказывают-

ся близкими.

По характеру сигнала на нагрузке целесообразно выделить три вариан-

та: постоянный ток; пульсирующий ток и переменный ток. При этом пер-

вый и второй варианты также оказываются близкими по схемотехнике.

Необходимо учитывать также особенности процессов управления

нагрузкой, которые в одной и той же схеме влияют на расчет элементов

усилителя. Несмотря на многообразие видов нагрузок электронных ус-

тройств, в качестве типовых для устройств автоматики можно рассмат-

ривать электродвигатели постоянного и переменного тока.

Импульсное управление нагрузкой наиболее полно использует пре-

имущества транзисторных выходных каскадов, работающих в режиме

переключения, а сами каскады при этом обладают повышенной надеж-

ностью и высоким коэффициентом полезного действия транзисторов.

Сущность импульсного управления угловой скоростью двигателей

постоянного тока состоит в регулировании среднего значения напряже-

ния на обмотке якоря путем изменения соотношения времени включе-

ния (режим насыщения) и отключения (режим отсечки) состояний тран-

зисторов выходного каскада усилителя. Импульсный характер

напряжения на обмотке якоря двигателя приводит к пульсации тока в

обмотке якоря, а следовательно, к пульсации вращающего момента и,

как следствие, к пульсации угловой скорости в интервале времени пе-

риода импульсного напряжения на обмотке якоря. Очевидно, что раз-

мах колебаний угловой скорости зависит от частоты следования им-

пульсов. Чем выше частота переключения транзисторов, тем меньше

колебаний угловой скорости при прочих равных условиях, т. е. для по-

лучения высококачественных следящих приводов необходимы быстро-

действующие переключатели.

Реверсивное управление двигателями постоянного тока с независи-

мым возбуждением можно выполнить либо реверсивным управлением

по якорю, либо нереверсивным, но с релейным изменением полярности

на обмотке возбуждения.

Для двигателей переменного тока и асинхронных двухфазных двига-

телей используются четыре основных способа управления: амплитуд-

но-фазовый, частотный, амплитудный и фазовый. При амплитудно-фа-

зовом управлении изменяется как амплитуда напряжений на обмотках

управления и возбуждения, так и фазовый сдвиг между этими напряже-

ниями. При частотном управлении производится одновременное изме-

нение напряжения и частоты. При амплитудном и фазовом управлении

изменяется либо амплитуда, либо фаза выходного напряжения.

Если выходной каскад переменного тока работает в режиме пере-

ключения, то изменение амплитуды первой гармоники осуществляется

за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При постоянном значении частоты сигнала подключением компен-

сирующих конденсаторов возможно приведение активно-индуктивной

нагрузки к эквивалентной активной, что облегчает расчет усилителя.

Такой случай характерен при работе усилителя на двухфазный асинх-

ронный двигатель. Компенсация индуктивностей обмоток управления

может быть осуществлена либо при последовательном, либо при па-

раллельном включении конденсатора. Для расчета компенсирующей

емкости, который ведется для пускового режима (Ω

ДВ

= 0), используют-

ся следующие данные: L

у.о

– индуктивность обмотки управления; r

у.о

–

сопротивление обмотки управления; U

у.о

– напряжение на обмотке уп-

равления; ω = 2

– частота питания обмотки управления.

При последовательном включении конденсатора величина его емко-

сти, эквивалентное значение активного сопротивления нагрузки, на-

пряжение и ток, требуемый от усилителя, определяются следующими

соотношениями:

.о

;

экв у.о

;

у.о

;

у.о

222

у.о у.о

При параллельном соединении

y.o y.o y.o

y экв y.o y y.o y

222 2

y.o

y.o y.o

у.о

y.o

у.о

1; .

; ;

Rr I

=+ =











