Układy scalone w technice sterowania

(TCA-785)

1.Nastawnik kąta opóźnienia załączania tyrystorów

Do sterowania prostowników tyrystorowych i sterowników napięcia przemiennego są stosowane nastawniki kąta opóźnie­nia załączania tyrystorów.Ogólną zasadę funkcjonowania ta­kiego układu można wyjaśnić na podstawie schematu i prze­biegów z rys.1.Wielkością wejściową jest napięcie sterujące u_ster,uzyskiwane np.z potencjometru.Zgodnie z wykresem ty­powych przebiegów(rys.1b) wartość napięcia sterującego jest porównywana z przebiegiem piłokształtnym,szynchronizowa-ny z sinusoidalnym napięciem linii zasilającej.W chwilach odpowiadających zrównaniu się wartości obu sygnałów są generowane impulsy u^'_l o krótkim czasie trwania.Zmieniając wartość u_ster,uzyskuje się zmianę czasu opóźnienia między chwilami odpowiadającymi zerowym wartościom napięcia linii i chwilami czoła impulsów ,które po wzmocnieniu służą do załączania tyrystorów.

Rys.1

Rys.1.Zasada nastawania kąta opóźnienia załączania w sterowniku napięcia przemiennego:

a)schemat funkcjonalny układu sterowania

b)przebiegi sygnałów sterujących i napięcia odbiornika

SGP-synchronizowany generator przebiegów piłokształtnych

UFIB-układ formowania impulsów bramkowych

WIB-wzmacniacz impulsów bramkowych

K-komparator

Ty-tyrystor triodowy symetryczny(triak)

 

Układy tego typu - nazywane przesuwnikami fazy lub sterownikami fazy - są stosowane również w prostownikach tyrystorowych.Ponieważ charakterystyki sterowania tej grupy przekształtników są nieliniowe,przeto w celu ich linearyzacji stosuje się niekiedy sygnał pomocniczy nie piłokształtny,lecz w postaci funkcji "cos". Dzięki temu uzyskuje się liniową zależność wartości średniej napięcia prostownika od wartości napięcia sterującego.

Specyficzną wersją układu sterującego załączeniem tyrystorów w urządzeniach kontroli napięcia przemiennego są układy umożliwiające tzw.sterowanie pakietowe.Są one użyteczne szczególnie przy regulacji temperatury,przy czym moc grzejnika jest regulowana przez zmianę stosunku liczby impulsów napięcia o kształcie pełnej fali sinusoidalnej do liczby odpowiadających okresowi powtarzania.

W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje się powszechnie specjalizowane układy scalone,które w połączeniu z niewielką liczbą elementów pomocniczych stanowią niezawodne w działaniu nastawniki kąta opóźnienia załączania tyrystorów lub triaków.Jednym z popularniejszych jest układ TCA 785 firmy Siemens (rys.2a).Numeracja wyprowadzeń odpowiada standardowi obudowy DIL 14 zgodnie ze szkicem na rys.2b.

Charakterystyczne przebiegi sygnałów,przedstawione na rys.2c, ilustrują zasadę działania układu.

Rys.2a)

Rys .2b)

Rys.2c)

Napięcie synchronizacji U_sync(rys.2a) jest doprowadzone do nóżki 5 z linii zasilającej przekształtnika przez rezystor o dostatecznie dużej rezystancji (ok.1 kΩ/1V) bądź za pośrednictwem transformatora zapewniającego separację galwaniczną.

Zastosowanie transformatora jest uzasadnione w przekształtnikach wielofazowych.W przypadku,gdy napięcie linii jest silnie odkształcone,konieczne jest zastosowanie filtru wejściowego-przy czym należy pamiętać,że taki filtr wprowadza przesunięcie fazowe.Przejścia przez zero sinusoidalnej fali napięcia synchronizującego są wykrywane przez komparator K1.

Układ kontroli synchronizacji na podstawie impulsów z tego komparatora oraz z komparatora K2 (przeznaczonego do kontroli rozładowania kondensatora C₁₀) steruje układem formowania przebiegu napięcia piłokształtnego.Liniowa zmiana napięcia jest uzyskiwania dzięki ładowaniu kondensatora z regulowanego źródła stałym prądem,którego wartość ustala się dobierając rezystor R₉.Co 180^○ el.,czyli dwa razy na okres napięcia linii,inicjowane jest rozładowanie kondensatora przez tranzystor T1,w rezultacie czego na doprowadzeniu 10 uzyskuje się pożądany kształt przebiegu napięcia.

Porównanie w komparatorze K3 sygnału piłokształtnego z napięciem sterującym U_s umożliwia uzyskanie impulsowego przebiegu o przesunięciu fazowym,względem przejścia przez zero napięcia linii,proporcjonalnym do wartości napięcia.

Ostateczna postać wyjściowych impulsów sterujących przekazywanych do tranzystorów wzmacniaczy bramkowych (lub niekiedy wprost do bramki tyrystorów) jest uzyskiwana przy udziale układu logicznego UL.W szczególności ,przez odpowiednie połączenie wyprowadzenia 12,jest możliwa regulacja czasu trwania impulsów wyjściowych.W przypadku braku jakiegokolwiek połączenia impulsy na wejściach Q₁ i Q₂ są bardzo krótkie (ok.30*10^-6s).Dołączenie kondensatora C₁₂ o niewielkiej pojemności umożliwia ustawienie typowej wartości czasu trwania impulsów bramkowych (do kilkuset mikrosekund).Po połączeniu doprowadzenia 12 z masą (GND) na wyjściach Q₁ i Q₂ pojawiają się impulsy o czasie trwania odpowiadającym kątowi (180-φ),jak to ilustrują przebiegi na rys.2c.W układzie sterownika przewidziano dodatkowo dwa wyjścia sygnałów nie-Q₁ i nie-Q₂,będące inwersją Q₁ Źi Q₂.

Doprowadzone do układu wejście Inhibit umożliwia blokadę impulsów natychmiast po zmianie wartości sygnału z 1 na 0.

Wejście przez doprowadzenie 13 służy do przedłużenia impulsów inwersyjnych nie-Q₁ i nie-Q₂.Sygnały Q_u (3) i Q_z (7) są wyprowadzane do układów logicznych zewnętrznych,niezbędnych w przypadku bardziej złożonych układów sterowania przekształtników.

Obwody wyjściowe główne Q₁ i Q₂,są przewidziane do zwiększonego obciążenia (do 400 mA),dzięki czemu mogą być bezpośrednio wykorzystane do sterowania bramki (rys.3).

Ponieważ do bramki tyrystora triodowego symetrycznego (triaka) Ty1 impulsy muszą być doprowadzane w każdej półfali napięcia ,więc zastosowano sumator diodowy (D5,D6).

Jeżeli rodzaj przekształtnika uniemożliwia zastosowanie transformatorów separujących.W przypadku tyrystorów wielkiej mocy możliwe jest zastosowanie dodatkowych tranzystorwych stopni wzmacniających.

Rys.3

Przykład połączenia TCA 785 w aplikacyjnym układzie do sterowania napięcia przemiennego

W rozpowszechnionym układzie trójfazowego prostownika mostkowego sterowanie kątem fazowym impulsów bramkowych 6 tyrystorów jest możliwe przy zastosowaniu 3 układów TCA 785 zgodnie z rys.4.Napięcie synchronizacyjne doprowadza się za pośrednictwem transformatorów włączonych po stronie pierwotnej na napięcie międzyprzewodowe lub też napięcia fazowe - z zastosowaniem filtru zapewniającego wymagane przesunięcie synchronizacji i zabezpieczającego przed zakłóceniami. Ponieważ w układzie mostkowym do załączenia każdego tyrystora są potrzebne dwa impulsy przesunięte o 60^˚ el.,więc konieczne jest zastosowanie diodowego sumatora sygnałów wyjściowych w obwodach baz tranzystorów stopni transformatorowych (diody D21-D32).

Do zasilania układu scalonego TCA 785 jest konieczne napięcie stałe nie większe niż 18 V,lecz nie mniejsze niż 10 V.Ze względu na niewielki pobór prądu w prostszych układachŹ (jak z rys.3) możliwe jest zasilanie z obwodu wysokonapięciowego linii zasilającej aż pośrednictwem układu zawierającego rezystor dużej mocy(R₁0,diodę(D1) i kondensator filtrujący (C₁).

 

Do regulacji mocy grzejnika o dużej mocy cieplnej stałej czasowej powszechnie jest stosowana metoda sterowania mocy przez załączanie napięcia na całkowitą liczbę okresów napięcia sieci.Dzięki temu przebiegi prądu odbiornika mają postać pełnych fal sinusoidalnych,co znacznie zmniejsza zakłócenia i deformacje napięcia linii.Przykładem układu scalonego przeznaczonego do takiego sterowania może być układ scalony TEA 1024 (firmy AEG),którego schemat funkcjonalny podano na rys.5a.Jak widać układ może być zasilany z linii napięcia przemiennego 220 V porzez diodę D1 i rezystor R₂,a zintegrowany stabilizator dostarcza napięcia do obwodów wewnętrznych.

Rys.4

Rys.5a)

Ź

Rys.5b)

Sygnał synchronizacji z doprowadzenia 7 poprzez układ logiczny steruje generatorem przebiegów schodkowych,przy czym czas trwania pojedynczego schodka odpowiada jednemu okresowi napięcia linii (20 ms).Do budowy takiego generatora zastosowano licznik 5-bitowy i przetwornik C/A,a więc cykl powtarzania układu wynosi 32 okresy napięcia linii.Sygnał generatora jest w komparatorze K porównywany z napięciem sterującym,doprowadzonym z zewnętrznego potencjometru lub układu dzielnika z termistorem zapewniającym stabilizację temperatury.Zmiana stanu komparatora powoduje otwarcie bramki sterującej wzmacniaczem impulsów bramkowych.

W zależności od sygnału sterującego tyrystor symetryczny triak) jest w każdym cyklu pracy załączany na określoną liczbę okresów linii (rys.5b - dla przejrzystości rysunku zamiast obowiązującego cyklu 32 okresów przyjęto cykl 8 okresów).Przy cyklu pracy regulatora równym 640 ms (32 okresy)zakres regulacji mocy wynosi (0,17-1,0) znamionowej mocy odbiornika.

2.Sterowanie triaka za pomocą układu TCA 785

 

Triak TXC 10 m 60 jest sterowany za pomocą układu scalonego TCA 785.Korzystając z dokumentacji technicznej producenta (rys.1a-sterowanie triaka za pomocą układu TCA 785 , rys.1b-oznaczenia końcówek układu scalonego TCA 785, rys.

1c-przebiegi czasowe napięć),wyjaśnię zasadę działania układu.

Układ sterowania charakteryzuje się następującymi cechami:

*bezpośrednie sterowanie fazowe triaka

*kąt załączenia triaka regulowany potencjometrem w zakresie od 0^˚ do 180^˚

Ź

Rys.1a)

Rys.1b,c)

 

*dla dodatniej połówki napięcia zasilania pojawia się dodatni impuls załączający na końcówce 15,a dla ujemnej-dodatni impuls załączający na końcówce 14 układu.

Analiza działania układu

Triak jest równoważny odwrotnie równoległemu połączeniu dwóch tyrystorów.Oznacza to,że może być załączany zarówno przy dodatniej,jak i ujemnej połówce napięcia zasilania(patrz rys.2)

Triak jest sterowany układem scalonym.Do końcówki 5 układu scalonego jest doprowadzone przez rezystor R_syn(1) synchronizujące napięcie sieciowe.Układ scalony wytwarza napięcie piłokształtne U₁₀ (2) zsynchronizowane z napięciem sieciowym.Przebieg napięcia piłokształtnego można modyfikować ,zmieniając wartość rezystora R₉ i kondensatora C₁₀ (3)

Napięcie sterowania,określające kąt załączania triaka,ustawia się potencjometrem (4).W chwili gdy napięcie sterowania i napięcie piłokształtne mają takie same wartości (5),układ scalony wytwarza impuls załączania trwający około 30 mikrosekund.Impulsy takie pojawiają się na końcówkach 14 i 15 układu i są wykorzystywane do sterowania tyrystorów lub triaków (8).

Szerokość impulsu załączającego można regulować kondensatorem C₁₂ aż do 180^˚Ź (6).

Wejście Inhibit (7) (końcówka 6) służy do blokowania wyjść Q₁,Q_2,iich negacji i QU układu scalonego(rys.1b)

Rys.2

3.Układ sterowania prędkości obrotowej

W silniku szeregowym prądu stałego zastosowano układ przekształtnikowy do płynnej regulacji prędkości obrotowej(rys.1)

Rys.1

Ź

Ź

Ź

Działanie układu(rys.1)

W skład układu przekształtnikowego wchodzą następujące podzespoły:potencjometr R7 do ustawiania prędkości obrotowej silnika,układ formujący impulsy załączające tyrystorów N1 i prostownik półsterowany B2 HZ składający się z tyrystorów Ty1,Ty2 i diod D1,D2.Prostownik wytwarza napięcie o regulowanej wartości zasilające silnik szeregowy.

Operator obsługujący urządzenie zadaje potencjometrem R7 napięcie stałe z przedziału wartości od 0 do 10 V (wartość zadana w).W zależności od wartości tego napięcia układ N1 wytwarza dla każdej połówki napięcia zasilania impulsy załączające leżące w przedziale od 0˚ do 180^˚ (sygnał sterujący y)

Przy stałym obciążeniu silnika prostownik jest sterowany tak,aby uzyskać wymaganą prędkość obrotową (wielkość regulowana x_a).Każda zmiana obciążenia (wielkość zakłócająca z)pociąga jednak za sobą również zmianę prędkości obrotowej silnika,zgodnie z jego charakterystyką mechaniczną.

Ź

Cechy układu sterowania (rys.2)

Rys.2

W skład każdego układu sterowania wchodzą dwa elementy :

*Obiekt sterowania-element,na który oddziałuje układ sterowania.W rozpatrywanym przykładzie jest nim silnik elektryczny M1.Człon wykonawczy (prostownik) jest również częścią obiektu sterowania,ponieważ reguluje on bezpośrednio dopływ energii elektrycznej do silnika.

*Urządzenie sterujące-element,który oddziałuje poprzez człon wykonawczy na obiektsterowania.W rozpatrywanym przykładzie w skład urządzenia sterującego wchodzi potencjometr R7 do zadawania prędkości obrotowej i układ formujący impulsy zapłonowe N1.

Schemat strukturalny w układu sterowania przedstawia drogę przepływu sygnału w tym układzie.

W układzie sterowania,sygnały sterujące oddziałują w kierunku od wejścia do wyjścia układu.Mówi się wówczas o otwartym układzie sterowania.Nie ma w nim oddziaływania zwrotnego sygnału wyjściowego na wejście układu.Oznacza to ,że sygnał sterujący w otwartym układzie sterowania nie kompensuje automatycznie wpływu wielkości zakłócających.

Ź

Różnice między układem sterowania i układem regulacji(rys.3)

Rys.3

Ź

W przeciwieństwie do układu sterowania ,układ regulacji umożliwia utrzymanie stałej prędkości obrotowej silnika również w sytuacji zmiany obciążenia.Jest to możliwe dzięki pomiarowi wartości rzeczywistej (prądniczka tachometryczna na wyjściu układu (1) ),porównaniu jej wartością zadaną prędkości obrotowej (regulator na wejściu układu (2) ) i sterowaniu tyrystorami tak długo,aż wartość rzeczywista prędkości obrotowej będzie równa wartości zadanej.

W układzie regulacji sygnał wyjściowy oddziałuje na wejście układu (zamknięty układ sterowania).Oznacza to,że sygnał sterujący automatycznie kompensuje wpływ wielkości zakłócających.

Na rys.4 pokazano schemat wewnętrznych połączeń układu formującego impulsy załączające N1.W jego skład wchodzi układŹ scalony TCA 785,tranzystory impulsowe wzmacniające impulsy załączające (dla dodatniej (3) i ujemnej (4) połówki napięcia zasilania) oraz transformatory Tr1 i Tr2 zapewniające galwaniczną separację obwodów.

Rys.4