Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирователи (генераторы) испытательного напряжения в аппаратуре дли измерения параметров СШІ в состоянии низкой проводимости
1.1 Особенности измерения параметров СПП в состоянии низкой проводимости
1.2 Обзор технических решений и классификация формирователей испытательных высоковольтных импульсов напряжения
1.3 Особенности генераторов с параметрической стабилизацией пологой вершины импульса
1.4 Моделирование динамических процессов и оценка погрешности измерения токов утечки при использовании генераторов с параметрической стабилизацией пологой вершины импульса
1.5 Основные результаты и выводы
Глава 2. Стабилизированный формирователь с замкнутой структурой
2.1 Построение структурной схемы формирователя
2.2 Передаточные функции звеньев замкнутой системы
2.2.1 Усилитель сигнала рассогласования
2.2.2 Регулирующий элемент
2.2.3 Высоковольтный трансформатор
2.3 Оценка устойчивости замкнутой системы
2.4 Основные результаты и выводы
Глава 3. Обеспечение устойчивости стабилизированного формирователя импульсов
3.1 Критерии выбора вида корректирующих звеньев 96
3.2 Требования к форме желаемой ЛАЧХ разомкнутого формирователя 109
3.3 Разработка методики обеспечения устойчивости формирователя с помощью низкочастотных звеньев коррекции и оценка погрешностей при измерении тока утечки 121
3.4 Разработка методики применения высокочастотных звеньев коррекции ЛАЧХ для повышения запаса устойчивости и уменьшения погрешностей при измерении тока утечки 145
3.5 Основные результаты и выводы 174
Глава 4. Схемотехническое моделирование и исследование макетных образцов формирователей
4.1 Схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование макета автономного стабилизированного формирователя с цепью низкочастотной коррекции 176
4.2 Схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование макета стабилизированного формирователя с сетевым входным импульсом и цепью низкочастотной коррекции 184
4.3 Схемотехническое моделирование и экспериментальные исследования макетов стабилизированных формирователей с цепью высокочастотной коррекции 189
4.4 Прибор для измерения токов СПП в состоянии низкой проводимости 199
4.5 Основные результаты и выводы 201
Заключение 203
Библиографический список 209
Приложение 219
- Особенности измерения параметров СПП в состоянии низкой проводимости
- Построение структурной схемы формирователя
- Критерии выбора вида корректирующих звеньев
- Схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование макета автономного стабилизированного формирователя с цепью низкочастотной коррекции
Введение к работе
В последнее десятилетие российской силовой электронике стала доступной новая элементная база, изменившая схемотехнику преобразовательных устройств. Мощные полевые транзисторы вида MOSFET, биполярные с изолированным затвором IGBT постепенно вытесняют обычные силовые полупроводниковые приборы (СПП) - тиристоры и диоды из традиционных областей их применения. Это объясняется многими факторами, главными из которых являются [1-5]: полная управляемость транзисторов, малая мощность управления, возможность параллельного соединения (униполярные с р-n переходом, MOSFET), малое падение напряжения в открытом состоянии (IGBT) и др. Тем не менее, остаются обширные ниши преобразовательной техники, где позиции обычных СПП достаточно устойчивы. В первую очередь это касается применений, где требуются высоконадежные, способные к многократным перегрузкам по току силовые ключи, какими и являются СПП. К таким областям промышленности могут быть отнесены передача и преобразование энергии, преобразователи для подвижного состава (трамваи, троллейбусы, метро, магистральные электровозы), индукционный нагрев металлов, дуговые печи постоянного тока для плавки металлов, гальванотехника, электролиз металлов (цинк, марганец, никель, медь, алюминий, магний, галлий) [6].
В настоящее время кроме завода «ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ», являющегося российским флагманом по производству СПП, появились новые, динамично развивающиеся предприятия подобного профиля с широкой номенклатурой элементов силовой электроники, в том числе силовых тиристоров и диодов. Это заводы «ПРОТОН ЭЛЕКТРОТЕКС» и «ЭЛЕКТРУМ АБ» г. Орел [7-12]. На указанных предприятиях постоянно ведутся разработки новых СПП, и в настоящее время их ряд расширился по току до 5000 А и напряжению до 6000 В. Основная цель указанных предприятий - обеспечить отечественных производителей и разработчиков устройств силовой электроники недорогими полу-
5 проводниковыми компонентами высокого качества с параметрами, соответствующими или превосходящими мировые образцы.
Немаловажную роль для решения данной задачи играет факт наличия на производстве испытательной аппаратуры для измерения параметров СПП. Подобную аппаратуру должны иметь и потребители продукции этих заводов. Несмотря на то, что количество паспортных параметров СПП может превышать 15 [13-15], существует несколько статических параметров, по результатам измерения которых можно однозначно оценить пригодность СПП к эксплуатации. В [16,17] такие параметры называют параметрами-критериями годности которыми в случае силовых тиристоров являются: повторяющийся импульсный обратный ток їдку и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии IDm; отпирающий ток управляющего электрода Igt, импульсное напряжение в открытом состоянии 17тм-
Среди указанных выше параметров токи Irrm и Idrm являются наиболее важными, определяющими качество СПП, который в состоянии низкой проводимости (закрытом состоянии) представляет собой активно-емкостную нагрузку. Измерение токов IRRM и IDRM, характеризующих активную составляющую общего тока СПП, позволяет осуществить проверку класса СПП, выявить его тенденцию к снижению в процессе эксплуатации и своевременно заменить потенциально ненадежный СПП. Измерение обратных токов и токов в закрытом состоянии СПП в широком диапазоне испытательных напряжений также дает возможность определить форму статической вольтамперной характеристики (ВАХ) СПП при различной температуре, что особенно важно при разработке новых типов силовых приборов.
Возможность измерения токов утечки с заданной погрешностью затрудняется наличием емкостной составляющей в общем токе СПП, величина которой зависит от барьерной емкости СПП и скорости изменения испытательного напряжения в момент измерения. Проблема усугубляется для СПП таблеточной конструкции корпуса с большой площадью перехода, для которых начальное значение барьерной емкости достигает десятки нФ. В этом случае емкостная составляющая тока СПП может существенно превышать малые уровни токов Irrm и Idrm (десятки мкА), измерение которых с заданной точностью становится сложной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется измерительная аппаратура, метрологические и технические характеристики которой определяются главным узлом - универсальным формирователем (генератором) высоковольтных испытательных импульсов напряжения специальной формы. В понятие «универсального формирователя» вкладывается следующий смысл: с целью предотвращения перегрева полупроводниковой структуры СПП [18,19] и обеспечения безопасности обслуживающего персонала генератор должен обеспечивать формирование однократного однополярного или двухпо-лярного импульса напряжения; в генераторе должна быть предусмотрена регулировка амплитуды импульса в широком диапазоне напряжений, порядка (0,2 - 6) кВ; структура генератора для большей надежности должна быть реализована с использованием высоковольтного трансформатора; форма испытательного импульса напряжения должна быть такой, чтобы обеспечить возможность измерения токов утечки через СПП в диапазоне от единиц микроампер до десятков миллиампер [19,20]. Практически это требование заключается в необходимости формирования с высокой точностью пологой вершины испытательного импульса, «полки», во время действия которой осуществляется измерение активной составляющей тока через СПП, а емкостная составляющая подавлена.
В настоящее время универсального формирователя и методики его проектирования не существует, что и определило предмет настоящего исследования.
Состояние проблемы, Схемотехническая реализация аппаратуры для измерения токов утечки отличается большим разнообразием. Ее достоверность результата измерения токов Irrm и Idrm определяется в основном тем, в какой степени решена задача устранения емкостной составляющей. Это в конечном
7 итоге зависит от формы испытательных импульсов генератора. Первые образцы формирователей появились еще в 70-х годах. В их разработке принимали участие: научный коллектив Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) им. В. И. Ленина, коллектив кафедры электропривода и автоматизации промустановок Челябинского политехнического института им. Ленинского комсомола [21], инженеры завода «ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ», сотрудники кафедры автоматики Мордовского госуниверситета им. Н. П. Огарева. Такие предприятия, как НИИ ТЭЗ им. М. И. Калинина, ЛИИЖТ и ряд других организаций, также принимали участие в разработке генераторов испытательных сигналов. Уровень технологии производства СПП в то время в основном был ориентирован на приборы штыревой конструкции с малой площадью кремниевого кристалла, для которых емкость обратно смещенного P-N перехода СПП (барьерная емкость) [20,22-26] невелика. Поэтому задача подавления емкостной составляющей тока стояла не так остро. В качестве испытательного напряжения применялась последовательность высоковольтных однополупериодных сетевых импульсов. Аппаратура получалась стационарной, и в целях безопасности для ее обслуживания требовался подготовленный персонал.
Среди зарубежных производителей измерительной аппаратуры следует отметить швейцарскую фирму LEM, французскую 3C-ELECTRONIX и американскую LORLIN. Приборы этих фирм отличаются высоким качеством изготовления и приемлемыми метрологическими характеристиками, но их цены делают эту аппаратуру недоступной для отечественного потребителя. Указанные фирмы в основном производят лабораторное стационарное оборудование, которое имеет ограниченное применение.
Российские заводы-изготовители СПП производят измерительную аппаратуру для собственных нужд (работа в цеховых условиях) и, в редких случаях, для сторонних организаций. Отечественным предприятием, специализирующимся на выпуске переносной диагностической аппаратуры для СПП, является НПЦ АЛЬФА РИТМ [27-29]. Аппаратура, производимая фирмой, отличается умеренными ценами и позволяет потребителю решать множество задач, свя-
8 занных с входным контролем параметров СПП, их подбором для группового соединения. Однако порог чувствительности аппаратуры для измерения токов утечки ограничен на уровне (250 - 400) мкА, что обусловлено наличием емкостной составляющей тока СПП.
Таким образом, проблема измерения малых токов утечки при напряжениях до 6000 В с заданной точностью до сегодняшнего дня окончательно не решена, так как не существует современных схемотехнических решений генераторов, способных значительно подавить емкостную составляющую тока СПП, а также нет методик проектирования таких генераторов. Кардинально решить эту проблему можно только разработкой и применением формирователей, пологая вершина импульсов которых с высокой точностью стабилизирована цепью обратной связи во всем диапазоне амплитуд испытательных импульсов.
Цели и задачи исследования. Цепью настоящей работы является исследование и разработка стабилизированных формирователей высоковольтных испытательных импульсов напряжения с пологой вершиной для аппаратуры измерения токов утечки СПП. Эта цель достигается решением следующих задач:
Сравнительный анализ существующих формирователей по результатам моделирования и значениям погрешностей измерения токов утечки СПП; классификация формирователей.
Разработка новых структур стабилизированных генераторов импульсов с пологой частью для аппаратуры, обеспечивающей высокую точность измерения тока утечки.
Оценка устойчивости стабилизированных генераторов импульсов.
Определение критериев выбора корректирующих цепей замкнутой системы, обеспечивающих точность стабилизации «полки», необходимую погрешность измерения тока, устойчивость и требуемое качество переходных процессов в стабилизированном формирователе.
Разработка рациональных способов включения корректирующих звеньев различного типа и инженерных методик их расчета с использованием
9 логарифмических частотных характеристик разомкнутой системы стабилизации.
Оценка предельного диапазона изменения параметров звеньев системы для различных типов корректирующих цепей с целью получения допустимой погрешности измерения токов утечки СПП и наилучшего качества переходных процессов.
Подтверждение полученных выводов результатами схемотехнического моделирования динамических процессов и экспериментальным исследованием макетных образцов разработанных стабилизированных формирователей.
Методы исследования. При решении поставленных задач используются положения и методы теории электрических цепей и классической теории автоматического регулирования. Для моделирования динамических процессов в замкнутой системе применяются лицензированные пакеты прикладных программ MATLAB и Simulink. Система Multisim 8 позволила подтвердить полученные результаты и разработанные методики расчета корректирующих звеньев на схемотехнических аналогах стабилизированных формирователей.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Выполнен сравнительный анализ по результатам моделирования временных процессов и по величине инструментальной погрешности измерений токов утечки нестабилизированных формирователей испытательных импульсов напряжения с пологой вершиной.
Предложена новая структура нестабилизированного формирователя с симметричным ограничением двухполярного сетевого импульса.
Разработаны новые структуры стабилизированных формирователей испытательных импульсов с пологой вершиной.
Предложена методика обеспечения устойчивости стабилизированных формирователей с помощью низкочастотного корректирующего звена.
Разработана методика обеспечения устойчивости и качества переходных процессов стабилизированных формирователей за счет совместного ис-
10 пользования низкочастотного и высокочастотного корректирующих звеньев. Применение таких формирователей в измерительной аппаратуре позволяет существенно снизить статические и динамические погрешности при измерении токов утечки СПП.
6. В результате схемотехнического моделирования и экспериментальных исследований макетов стабилизированных формирователей получены практические рекомендации по выбору параметров элементов формирователей с целью повышения быстродействия и точности измерения токов утечки СПП.
Структура и краткое содержание диссертации. Настоящая диссертационная работа состоит из 4-х глав основного текста, заключения и приложения. В первой главе представлен обзор существующих формирователей однократных высоковольтных импульсов. По результатам моделирования динамических процессов и величине погрешности измерения тока утечки СПП проведена их сравнительная оценка. Предлагаются новые структуры стабилизированных формирователей. Вторая глава посвящена вопросам построения замкнутых структур стабилизированных формирователей, аналитическому описанию элементов, составляющих эти структуры, оценке устойчивости. В третьей главе описываются способы частотной коррекции стабилизированных формирователей и разрабатываются методики расчета корректирующих цепей для обеспечения устойчивости и качества переходных процессов. Проводится анализ инструментальных погрешностей измерения тока утечки при использовании стабилизированных формирователей. В четвертой главе проведено схемотехническое моделирование динамических процессов и экспериментальные исследования макетных образцов разработанных стабилизированных формирователей, сопоставление теоретических и практических результатов. Описан разработанный прибор ТЕСТ-1, предназначенный для измерения токов утечки СПП. В основу прибора положена одна из новых структур стабилизированного формирователя. В заключении изложены основные результаты и выводы. В приложении представлены документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты моделирования временных процессов и расчета инструментальных погрешностей нестабилизированных формирователей испытательных импульсов напряжения с пологой вершиной при работе на активно емкостную нагрузку, позволяющие оценить порог чувствительности по току утечки диагностической аппаратуры для измерения параметров Clill.
Новые разработанные структуры стабилизированных формирователей высоковольтных импульсов с пологой вершиной, применение которых обеспечивает высокую точность измерения токов утечки СПП за счет эффективного подавления емкостных составляющих тока.
Методики расчета и способы включения низкочастотных и высокочастотных корректирующих цепей, обеспечивающих устойчивость, качество переходных процессов и малую инструментальную погрешность стабилизированных формирователей.
Результаты экспериментальных исследований макетов стабилизированных формирователей высоковольтных импульсов с плоской вершиной и практические рекомендации по их использованию в аппаратуре измерения параметров СПП.
Реализация результатов работы.
Модификация разработанного стабилизированного формирователя положена в основу измерительного прибора ТЕСТ-1, внедренного на ОАО ПКП «Атомспецсыаб» г. Воронеж и используемого для измерения токов утечки на входном контроле СПП при формировании заказов для атомных станций и металлургических комбинатов.
Теоретические положения и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматики» Мордовского государственного университета при обучении студентов специальности 210106 - «Промышленная электроника» по дисциплине «Электрорадиоизмерения».
Особенности измерения параметров СПП в состоянии низкой проводимости
Класс тиристора по напряжению определяется наименьшим значением из повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии UDRM и обратного повторяющегося импульсного напряжения UiuiM, округленного до величины, кратной 100. Класс прибора выражается в сотнях вольт и может быть определен как 0,01 UDRM (0,01 /дш) [13,16,18]. Указанные напряжения определяют значения повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии Ірцм и по" вторяющегося импульсного обратного тока 1мм В свою очередь, напряжения UDRM и URRM определяются путем умножения на коэффициент запаса к напряжений переключения UBO И пробоя UBR. КО 13 эффициент к всегда меньше единицы, а его конкретное значение определяет предприятие-изготовитель СПП.
Для силовых диодов рассмотренные параметры справедливы для обратной ветви вольтамперной характеристики.
Множество значений токов в закрытом состоянии /о и обратных токов IR, находящихся в диапазоне напряжений от UBIi до UBO, характеризуют качество прибора, его работоспособность и являются одними из основных параметров-критериев годности СПП [17]. Эти токи определяют статическую вольтампер-ную характеристику СПП, форма которой является важным фактором при подборе СПП для использования в групповом соединении. Контролируя тенденцию изменения величин этих токов в процессе эксплуатации СПП, можно выявить потенциально ненадежные СПП и своевременно осуществить их замену. Кроме этого, на этапе входного контроля при проведении регламентных ремонтных работ преобразовательных установок потребитель СПП может эффективно проводить оценку качества СПП по значениям токов lD и IR. Например, известно [13, 20], что обратный ток состоит из трех компонентов: где IRG и IRS - рекомбинационный и диффузионный токи, зависящие от процессов, происходящих в полупроводниковой структуре; 1Ш - ток, обусловленный утечками по поверхности полупроводниковой структуры.
Основной причиной возникновения поверхностного тока утечки является наличие пленки абсорбированной влаги с растворенными в ней различными ионами. Эта влага остается на поверхности кремния после травления и промывки выпрямляющего элемента, а также проникает из внешней среды. При наличии такой пленки и различного рода загрязнений на поверхности выпрямляющего элемента создаются условия, резко повышающие поверхностную проводимость. Часто, вследствие недостаточной культуры производства СПП, в кремниевых приборах поверхностный ток утечки 1Ш может существенно превышать сумму токов IRG и /ду, которая для хороших приборов может иметь порядок единиц микроампер. Как правило, потребитель может измерять как нормированные значения токов IDRM и 1цш при максимально допустимой температуре полупроводниковой структуры, так и любое значение тока из множества /д и ід при комнатной температуре, что существенно проще. В любом случае по результатам измерения можно адекватно оценить качество испытуемого СПП.
Однако точное измерение токов СПП, находящегося в состоянии низкой проводимости, существенно затрудняется наличием емкостной составляющей тока 1С) возникающей при использовании импульса испытательного напряжения с конечной скоростью нарастания. Емкостная составляющая тока определяется барьерной емкостью С„ перехода, смещенного в обратном направлении. Зависимость емкости Сп от напряжения на переходе нелинейная, и с достаточной для практики точностью рассчитывается по формуле [21, 26]: где Un - напряжение на переходе; С0 - начальная емкость перехода при Un=0, зависящая от геометрических размеров (площади) перехода; 0,7 В; Кривые, построенные в соответствие с формулой (1-1) для различных С0 и Un, показаны на рис. 1.2. Снижение емкости Сп относительно начального значения С„ происходит достаточно быстро в пределах 100 В. Установившееся значение емкости перехода составляет порядка 20 % от начального и может составлять (0,1 - 5) нФ. При дальнейшем изменении напряжения емкость перехода меняется незначительно, и ее можно считать постоянной величиной.
Построение структурной схемы формирователя
Предлагаемые в качестве объекта исследования стабилизированные формирователи испытательных импульсов (рис.1.11 и 1.16) представим в виде функциональной схемы, показанной на рис. 2.1.
Импульсный источник напряжения (ИИН) формирует однократный импульс напряжения E(t) полусинусоидальной или экспоненциальной формы. Такой импульс может быть получен из питающей сети, или при разряде заряженного конденсатора на LC или RC контур. Это напряжение подается на первичную обмотку повышающего трансформатора Tpt с выхода которого увеличенное в и раз (где п = w2 /wl — коэффициент трансформации) прикладывается к нагрузке, которая на схеме представлена в виде эквивалентных величин Сн и Rym. Напряжение с делителя Rj R2 пропорциональное выходному Ueblx, сравнивается с опорным Um, снимаемым с выхода опорного источника напряжения (ИОН). В момент их равенства начинает действовать обратная связь и на выходе усилителя А1 формируется сигнал, управляющий регулирующим транзистором VT таким образом, что напряжение на нагрузке поддерживается постоянным и пропорциональным Um в течение определенного интервала времени, определяемого параметрами сетевого импульса, или количеством запасенной в ИИН энергии.
Стабилизация напряжения на нагрузке возможна вследствие конечного значения выходного сопротивления источника сигнала, представленного на принципиальной схеме элементом Явых. Таким образом, до момента действия обратной связи напряжение Uex(t) на входе трансформатора повторяет форму напряжения E(t) источника импульсного напряжения, и в режиме трансформатора, близком к холостому ходу, примерно равно ему, то есть U (t) E(t).
Представим функциональную схему генератора (рис. 2.1) в виде блок-схемы [56, 57], показанной на рис. 2.2. На схеме приняты следующие обозначения; ИИН-источник однократного импульса напряжения; RBbIX - выходное сопротивление источника (в общем случае может быть комплексной величиной); РО - регулирующий орган, в качестве которого может быть использован биполярный или униполярный транзистор; Тр - повышающий трансформатор; Н - нагрузка в виде силового полупроводникового прибора; ИУ - пропорциональное звено (обычно делитель напряжения); ИОН - источник опорного напряжения; УС - усилитель сигнала рассогласования.
Критерии выбора вида корректирующих звеньев
Приведенные ранее графики логарифмических характеристик разомкнутой линейной системы (рис. 2.32) указывают на то, что широкий диапазон изменения параметров функциональных узлов системы требует последовательного подхода к выбору корректирующих элементов. В первую очередь, для обоснованного выбора корректирующих звеньев, обеспечивающих устойчивость замкнутой системы, необходимо выбрать критерий, наиболее подходящий к решению нашей задачи. Выберем его из совокупности известных критериев качества замкнутых систем. Перечислим основные, с целью их сравнения и использования [71].
1. К первой группе критериев можно отнести те, которые для оценки качества регулирования используют величину ошибки регулирования є. Эта группа относится к так называемым критериям точности.
2. Ко второй группе относятся критерии, позволяющие оценить величину запаса устойчивости замкнутой системы. Очень важно в этом случае определить колебательную границу устойчивости, которая в последующем, при увеличении коэффициента усиления может привести к возникновению незатухающих колебаний.
3. Третья группа критериев качества определяет быстродействие системы регулирования. Быстродействие системы оценивают по времени затухания переходного процесса,
4. К четвертой группе критериев относятся комплексные критерии, дающие оценку некоторых обобщенных свойств системы. Это широко известные интегральные оценки качества регулирования: быстродействия, затухания и величины ошибки регулируемой величины в совокупности. Этой оценкой для случая монотонных процессов может быть величина /, = \USblx(t)dt, где Uebix{t) - отклонение регулируемой величины от нового, установившегося значения. В случае колебатель ных переходных процессов используется оценка I2 = Шеш(?)с1ц. Но ее расчет по коэффициентам уравнений затруднителен. Наиболее применимой на практике является квадратичная интегральная оценка
Основным назначением стабилизированной системы в нашем случае является формирование испытательного однократного импульса с «полкой». Причем время установления «полки» tycm должно быть меньше длительности
самой полки tn. То есть система должна обладать необходимым быстродействием. Важно, чтобы процесс установления происходил с наименьшей колебательностью, поскольку в системе с активно-емкостной нагрузкой измеряется активная составляющая тока. И при наличии даже незначительных колебательных процессов в течение пологой части выходного напряжения емкостная составляющая тока нагрузки может превышать активную составляющую. Для устранения этого явления система должна обладать необходимым запасом устойчивости, который следует определить. Поэтому критерии второй и третьей групп имеют для нас решающее значение. Их можно сформулировать, используя два различных подхода. Первый основан на характере протекания процессов во времени с использованием переходной характеристики, расположения полюсов и нулей передаточной функции замкнутой системы. Второй подход базируется на формировании показателей качества с применением частотных методов. Подобные критерии выделены в особую группу под названием частотные. Так, например, запас устойчивости системы может быть определен по показателю колебательности М с применением ЛАЧХ разомкнутой системы, а оценку быстродействия можно проводить по частотным характеристикам замк 98 нутой или разомкнутой системы. Последний подход более предпочтителен, с точки зрения практической применимости.
Схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование макета автономного стабилизированного формирователя с цепью низкочастотной коррекции
Схемотехническое моделирование разработанных структур формирователей испытательных сигналов будем проводить с использованием лицензированного программного продукта Multisim 8. На рис. 4.1 представлена принципиальная схема автономного стабилизированного формирователя, подлежащая моделированию и структурно соответствующая устройству, предложенному в патенте [49]. Назначение элементов схемы и ее работа заключается в следующем. Конденсатор С1, заряженный от источника Е, разряжается через тиристор VS на контур L1-C2. Это происходит в момент времени, когда напряжение на С1 превысит напряжение пробоя тиристора, которое можно изменять в его модели. В модели трансформатора задаются коэффициент трансформации л, индуктивность намагничивания!,,, индуктивность рассеянияLS3Ke, сопротивления обмоток Г[ и г2. В модели приняты неизменными п = 20, и-1 -Гн, Tj-5 Ом, г2=500 Ом. На операционном усилителе А1 реализован сумматор, а на А2 -дифференциальный усилитель сигнала рассогласования. Резисторы R12 - R14 позволяют задавать коэффициент усиления А2, в качестве которого использована модель операционного усилителя JJ.A741 (российский аналог 140УД7). Тип усилителя А1 не имеет решающего значения, но для исключения влияния его АЧХ на динамические процессы, выбран САЗ 1 ЗОЕ - аналог быстродействующего усилителя 544УД2, Элементы С4, R10 составляют низкочастотное корректирующее звено с постоянной времени Г. (3-44), а резисторы R2, R4 - делитель напряжения с коэффициентом передачи Кизм = ] 10"3. Нагрузка формирователя в модели представлена сопротивлением R3 и емкостью СЗ, которая для наихудшего случая принята равной 5 нФ. Датчиком тока является резистор R5. Источник опорного напряжения Е2 задает уровень пологой части импульса формирователя, который для заданных в схеме параметров составляет 2 кВ. Стабилизация пологой части импульса осуществляется регулирующим транзистором VT1 (IRF740), управляемым усилителем сигнала рассогласования А2.
Подтверждением разработанной методики расчета низкочастотного корректирующего звена следует считать, например, получение кривых переходных характеристик замкнутой системы по возмущению, показанных на рис. 3.32 -3.34. Параметры кривых представлены в таблице 3.3, где фигурирует коэффициент SReba (2-21), значение которого принималось равным 20. В нашем случае крутизна S транзистора VT1 равна 1 А/В, а выходное сопротивление RebW источника импульсного напряжения в резонансном режиме чисто активное и составляет 20 Ом. Это подтверждают результаты исследования частотных характеристик выходного полного сопротивления Zeblx(p) контура LI, С2, Rll, R17, модель которого показана на рис. 4.2.а, а частотные характеристики на рис. 4.2.6.
