ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r i a : Autom atyka z . 26
________ 1974 N r k o l . 395
W ładysław C ią ż y ń s k i, Edward H rynkiew icz
PRZETWOHłlK NAPIĘCIA ZMIENNEGO
NA ZUNIFIKOWANY SYGNAŁ 0-5 mA PRipU STAŁEGO
S t r e s z c z e n i e . W p ra c y p rz e d s ta w io n o u k ła d p r z e tw o rn ik a n a p i ę c i a zm iennego na p rąd s t a ł y 0 -5 mA zbudowanego w o p a r c iu o p ro s to w n ik o p e ra c y jn y i d o k ła d n e ź r ó d ło p rą d u s t a ł e g o . P r z e tw o r n ik p o s ia d a o - g r a n i c z e n i e prądowe o ra z m ożliw ość p rz e su w a n ia z e r a c h a r a k t e r y s t y k i s t a t y c z n e j . Oprócz o p is u d z i a ł a n i a , w p ra c y z a m ieszczo n o ta k ż e k r ó tk ą a n a l i z ę w ła s n o ś c i dynam icznych u k ła d u .
1 . Wstęp
P r z e tw a r z a n ie n a p ię ć zm iennych o a m p litu d a c h w z a k r e s i e w a r t o ś c i m n ie js z y c h od k i l k a woltów na s y g n a ły w p o s t a c i n a p ię ć lu b prądów s t a r ł y c h p rz y pomocy p r o s ty c h układów diodow ych n i e zap ew n ia w y s ta r c z a ją c e j d o k ła d n o ś c i, z e w zględu n a k s z t a ł t c h a r a k t e r y s t y k i p rą d o w o -n a p ię - c io w e j d io d y , a d l a n a p ię ć m n ie js z y c h od d z i e s i ą t y c h c z ę ś c i w o lta j e s t w o g ó le n ie m o ż liw e . U m ieszcz en ie d io d y w p ę t l i s p r z ę ż e n ia zw ro tn eg o w zm acniacza o p e ra c y jn e g o pozw ala na o b n iż e n ie d o ln e j g r a n ic y p ro s to w a r n y c h n a p ię ć do w a r t o ś c i r z ę d u m iliw o ltó w [ T ] .
N a j c z ę ś c i e j stosow any u k ła d t a k zbudowanego p ro s to w n ik a dwupołówko- wego p rz eb ieg ó w sy m e try c z n y c h (n p . s in u s o id a ln y c h ) p rz e d s ta w ia r y s .1 .
Wzmacniacz o p e ra c y jn y W1 d z i a ł a ja k o p ro s to w n ik je d n o: 1 „łówkowy o w zm ocnieniu równym - 1 0 , 3 , 4 ] ♦ Wzmacniacz W2 p r a c u j e w u k ła d z ie su m a to r a , p rz y czym n a je g o w e jś c ie wprowadzony j e s t s y g n a ł ewe( t ) o ra z n a p i ę c i e w yjściow e p ro s to w n ik a jednopołów kow ego ( t o o s t a t n i e z dwu
k r o t n i e w ię k s z ą w a g ą ). W e f e k c i e n a p i ę c i e w yjściow e w u k ła d z ie b ez k o n d e n s a to ra C odwzorowuje w a rto ś ć bezw zg lęd n ą s y g n a łu w e jśc io w e g o . W artość o p o rn ik a R„ można d o b ra ć w t e n s p o só b , aby ( j a k na r y s . l ) w ar-
50 \'i. u lą :'.y /s i:i, d . H rynkiew icz
t o ś ć ś r e d n i a n a p i ę c i a w yjsetow ego b y ła licz b o w o równa w a ro o ś c i sku
t e c z n e j n a p ię c ia w ejścio w eg o ( d l a s in u s o id y = 1 , 1 1 R }.K o n a e n sa to r C p e ł n i r o l ę f i l t r u .
Rz Rg
R ys. 1 . P ro sto w n ik p ełnookresow y
2 . O pis wykonanego modelu
P rz e d s ta w io n a na r y s . 1 id e a z o s t a ł a w y k o rzy stan a do budowy p r z e tw o rn ik a n a p i ę c i a s in u s o id a ln e g o na s ta n d a rto w y s y g n a ł w p o s t a c i p r ą du s t a ł e g o o n a tę ż e n iu 0 -5 mA, k tó r y z n a jd u je z a s to s o w a n ie w z u n i f i kowanych u k ła d a c h r e g u l a c j i ( r y s . 2 ) .
N a p ię c ie ujem nego s p r z ę ż e n ia zw ro tn eg o w zm acniacza V/ 2 p o b ie r a n e j e s t z e m ite r a t r a n z y s t o r a T 1» d z i ę k i czemu wzm acniacz V/ 2 i t r a n z y s t o r T1 s ta n o w ią ste ro w a n e ź r ó d ło prądow e. N ależy z w ró c ić uwagę» że r o z w ią z a n ie ź r ó d ła prądow ego odpow iada ogólnemu schem atow i podanemu na
1 y 3. 3.
R olę o p o rn ik a R^ (z r y s . 3 / s p e ł n i a w zbudowanym m odelu o p o rn o ść R_j, i z łą c z e b a z a - e m ite r t r a n z y s t o r a T l . Układ s t a b i l i z u j e zatem p rą d e m ite r a t r a n z y s t o r a T1 na poziom ie zależnym od ewe> n i e z a l e ż n i e od zmian w łączonego w obwód k o le k to r a T1 o b c ią ż e n ia .
P rz e tw o r n ik n a p i ę c i a zm iennego n a .« » ________________________ 51_
Rys. 2.Schematideowyprzetwornikanapięciazmiennegonaprądstały0-5 mA
52 W. C ią ż y ń s k it E . H ry n k iew icz
Rj
R ys. 3* S tero w an e ź r ó d ło prądowe
O p o rn ik w łączono do u k ła d u w c e lu z a b e z p ie c z e n ia z łą c z a b aza - e m i t e r t r a n z y s t o r a T1 p rz e d w zrostem p rą d u bazy powyżej w a r to ś c i do
p u s z c z a ln e j p rz y o d łą c z e n iu o b c i ą ż e n i a . P o łą c z o n e szeregow o 4 d io d y krzemowe o g r a n ic z a ją w a rto śó n a p i ę c i a na b a z ie T 1 , a zatem i p r ą d u w y jścio w eg o z a b e z p ie c z a ją c w t e n sp o só b o b c ią ż e n ie .
P r z e ł ą c z a n i e oporników s p r z ę ż e n ia zw ro tn eg o zap ew n ia skokową zm ia
n ę z a k r e s u n a p i ę c i a w ejścio w eg o o d p o w iad ająceg o z a k re s o w i p rą d u wyj
ścio w e g o 0 - 5 mA. D okładną r e g u l a c j ę z a k r e s u p rzep ro w ad za s i ę p o te n cjo m e trem P 2 .
W c e l u z m n ie js z e n ia t ę t n i e ń n a p i ę c i a w yjściow ego o p o rn ik s p r z ę ż e n i a zw ro tn eg o j e s t zbocznikow any k o n d e n sa to re m . W y b ó r.w a rto śc i pojem n o ś c i k o n d e n s a to r a w ynika z kom prom isu pom iędzy wiernym o d tw arzaniem k s z t a ł t u o b w ie d n i w ejściow ego n a p i ę c i a zm iennego a o dpow iednią a m p li
tu d ą t ę t n i e ń p rą d u w y jśc io w eg o . W c e l u zach o w an ia t a k i e j sam ej c z ę s t o t l i w o ś c i g r a n i c z n e j o d tw a rz a n ia o b w ied n i p rz y p r z e ł ą c z a n i u o p o rn i
ka zak reso w eg o je d n o c z e ś n ie p r z e ł ą c z a s i ę k o n d e n s a to r f i l t r u j ą c y . Poniew aż n i e zaw sze e le m e n t pomiarowy będący ź ró d łem zm iennego n a p i ę c i a w ejścio w eg o d l a omawianego p rz e tw o r n ik a p o s ia d a c h a r a k t e r y s t y k ę p rz e c h o d z ą c ą p rz e z z e r o ( n p . in d u k c y jn y c z u j n i k p r z e m ie s z c z e n ia ) ,
p r z e tw o r n ik m u si m ieć m ożliw ość p rz e su w a n ia c h a r a k te r y s ty k i.R o z w ią z a
P rz e tw o r n ik n a p i ę c i a znam iennego n a .» 53
no t o p o p rz e z sanow anie na k o l e k t o r z e t r a n z y s t o r a T 1 p rą d u w y jś c io wego p r z e tw o r n ik a z prądem o re g u lo w a n e j w a r t o ś c i , pochodzącym ze źró*»
d ł a prądow ego zbudowanego na t r a n z y s t o r z e T 2 .
D ioda D 7 z a b e z p ie c z a w łącza n e ja k o o b c ią ż e n ie p rz y rz ą d y pom iaro we p rz e d przepływ em p rą d u w przeciw nym k ie r u n k u . P o d c z a s z e ro w a n ia po r
te ñ o jom etrem P4 u k ła d u p rz e tw o rn ik a wraz z elem entem pomiarowym, d io da D 7 j e s t z w ie ra n a p r z y c is k ie m PR 5 .
R ys. 4 . C h a r a k t e r y s t y k i s ta t y c z n e p rz e tw o rn ik a
C h a r a k t e r y s t y k i p rz e tw o rn ik a s ą p rz e d s ta w io n e na r y s . 4 . O g ra n i
c z e n ie p rą d u w yjściow ego na p o z io m ie ok. 7 nA p rz y oporze o b c ią ż e n ia 2 k w ynika z n a s y c a n ia s i ę t r a n z y s t o r a T 1 . P rzy m ałych w a r to ś c ia c h
54 W. C ią ż y ń s k i, E . H ry n k iew icz
o p o r n o ś c i o b c ią ż e n ia p rą d w yjściow y j e s t o g ra n ic z a n y na p oziom ie ok.
1 0 ,5 imA w wyniku d z i a ł a n i a d io d D 3 - D 6 . Tak w ysokie u s ta w ie n ie po
ziom u o g r a n ic z a n ia w y n ik ło z k o n ie c z n o ś c i p rz e su w a n ia c h a r a k t e r y s t y k i . W u k ła d z ie bez p rz e su w a n ia c h a r a k t e r y s t y k i , p rz y zach o w an iu t e j samej w a r to ś c i o p o rn ik a R , n a le ż a ło b y w łączy ć t y l k o 3 d io d y szereg ow o, co z a p e w n iło b y o g r a n i c z l n i e n a p oziom ie ok. 6 roA, a zatem maksymalne prze-e-
c i ą ż e n i e w łączo n eg o na w y jś c ie p r z y rz ą d u pom iarowego mogłoby w ynosić 20
%.
3 . W ła sn o śc i dynam iczne p rz e tw o rn ik a
C h a r a k te r o d p o w ied zi p rz e tw o rn ik a n a skokową zm ianę w ejścio w eg o n a
p i ę c i a zm iennego z a le ż y w g łó w n e j m ie rz e od w a r t o ś c i p o je m n o śc i z a s t o sowanego k o n d e n s a to ra f i l t r u j ą c e g o . W c e l u d o k ła d n e g o uchw ycenia cha
r a k t e r u t e j z a l e ż n o ś c i ro z p a trz m y p rz y b liż o n y schem at z a s tę p c z y d ru g ie g o s to p n ia p rz e tw o rn ik a (.ry s . 5 ) .
+45V
P r z e tw o r n ik n a p i ę c i a zm iennego n a . . . 55
A n a liz a te g o sch em atu p ro w a d z i do z a l e ż n o ś c i :
“ R.
13 1
R1 0 H2P 1 + P R 1 3 C5 1 0.
( 1 )
J e s t t c zatem w z a s a d z ie p r z e b ie g i n e r c j i I r z ę d u o s t a ł e j czasow ej R. _ Cc , j e ś l i n i e l i c z y ć n ie z n a c z n e g o skoku p o czątk o w eg o , za k t ó r y
13 5
j e s t o d p o w ie d z ia ln y d r u g i s k ła d n ik w n a w ia n ie w y ra ż e n ia ( i ) .
M ożliwe j e s t ta k ż e p o d łą c z e n ie k o n d e n s a to ra w p ro st pom iędzy w ej
ś c i e a w y jś c ie w zm acniacza (z a z n a c z o n e na r y s . 5 l i n i ą p rz e ry w a n ą ).
D la ta k ie g o p rzy p a d k u ważna j e s t z a le ż n o ś ć :
I o = ^’I b _ o ;E we R1 0 . R.
R1 3 + R22 22
1 1 + pT
R1 1 (1 + ~ i )pC
22
■ « ° b e V T p T (2)
g d z ie
- [ i i , ; R21 ^R1 3 +
r22 (i +.W (3 )
W m odelu p r z e tw o r n ik a , ze w zględu n a p r o s t s z e w y n ik i a n a l i z y i le p s z e w a ru n k i p ra c y w zm acniacza w s ta n a c h p r z e jś c io w y c h , w ybrano p i e r wszy sp o só b w łą c z e n ia p o je m n o ś c i. P rz y z a ło ż o n e j 3 dB c z ę s t o t l i w o ś c i g r a n i c z n e j o d tw a rz a n ia zm ian o b w ied n i w ejścio w eg o s y g n a łu zm iennego rów nej 2 Hz s t a ł a czasow a p r z e tw o r n ik a w ynosi o k o ło 80 m sek. C h arak t e r o d p o w ied zi na skokową zm ianę w ejściow ego n a p i ę c i a zm iennego z a l e ży w pewnym n iezn a czn y m s to p n i u od f a z y n a p i ę c i a zm iennego w momencie je g o skokow ej zm ian y .
4 . W hioski
Na p o d sta w ie p rzep ro w ad zo n y ch pomiarów można s t w i e r d z i ć , że l i n i o wość c h a r a k t e r y s t y k i p r z e tw o r n ik a w ynosi o k o ło 0 ,2 $ . T a k ie s tw ie r d z e n i e w ynika z f a k t u , że a u to r z y n i e r o z p o r z ą d z a l i źró d łem n a p i ę c i a
56 W. C ią ż y ń s k i, S . H rynkiew icz
zm iennego o le p s z e j s t a ł o ś c i a m p litu d y ,a ta k ż e z t e g o , że pom iary wy
konywano p rz y pomocy przy rząd ó w k la s y 0 , 2 .
P rz y z a s i l a n i u p rz e tw o rn ik a z e s p e c j a l n i e zbudowanego s t a b i l i z a t o r a w ła s n o ś c i p rz e tw o rn ik a n ie z a l e ż a ł y od n a p i ę c i a s i e c i w g r a n i c a c h 150 - 250 V.
C z ę s to tliw o ś ć n a p i ę c i a w ejścio w eg o p rz y z a sto so w a n y c h k o r e k c ja c h w zm acniaczy o p e ra c y jn y c h może z m ie n ia ć s i ę w z a k r e s i e 20 Hz - 2 kHz, co n ie pow oduje błędów w ię k sz y c h n i ż 0 ,5 $ . Wpływ zm ian te m p e ra tu ry o- t o c z e n i a w z a k r e s i e 0 - 40°C n i e j e s t w ięk szy od 0,5% ,
LITERATURA
1 . C ią ż y ń s k i W., H ry n k iew icz E . : A n a liz a p ro s to w n ik a o p eracyjnego,P A K 1973 - z g ło s z o n e do d ru k u .
2 . S ta b ro w s k i I I . : S t a b i l i z a t o r y ste ro w a n e n a p i ę c i a i p rą d u s t a ł e g o , YiNT, Warszawa 1972.
3 . K ulaw ik M.: P ra c a dyplomowa na W ydziale A u to m aty k i P o l i t e c h n i k i Ś lą s k i e j , G liw ic e 1972.
4 . K a ta lo g i f i r m : T exas I n s tr u m e n ts , F a i r c h i l d i i n .
llPE0EPA3 0’ ł ATEJIb llEPEuEUHOrO HAlIPŹUKEttlil 13 UMrHAJI 0 - 5 “ a fiOCTOnHHorO TUKA
P e 3 d u e
B CTaTbe npejncTaBJieaa iipaimmiHaJibHaJi cxeu a npeo(5p a3 0- BaTeJin nepoueHHoro HanpHxcenHH b onruaA nocTo&HHoro ToKa, nccTpoeHHaH Ha ochobaHnn ,ąByx onepamioHHux ycmmTejieiioJlper o6pa3 0BaTeJib HueeT HeTŁipe sw ana3 0Ha sxoflHoro nepeueimoro HanpaseHHH ii yHH<piimipoBaHHHii błbco;h 0 - 5 ua nocToaiiHoro t o -
x a .
flan Taioce KpaTKnii aHaJiH3 gHHaMHHecKHX cboMctb n peoópa-
3 0 B U T e j I H o
P r z e tw o r n ik n a p i ę c i a zm iennego n a . . 57
AC - DC VOICAGE TO CURRENT CONVERTER WITH 0 - 5 KA OUTPUT
S u m m a r y
The p a p e r p r e s e n t s d e s c r i p t i o n of AC - DC v o lta g e t o c u r r e n t con
v e r t e r b ased on th e o p e r a t i o n a l r e c t i f i e r and th e p r e c i s i o n c u r r e n t sin k # The c o n v e r t e r h a s f o u r in p u t v o lta g e r a n g e s and 0 - 5 MA DC o u t
p u t . The s h o r t a n a l y s i s o f c o n v e r t e r dynam ic p r o p e r t i e s i s a l s o i n c l u d e d .
