11.4.3. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
11.4.3. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Импульсными называют информационные и энергетические электронные устройства, основанные на работе переключающих элементов и управлении моментами включения и выключения этих элементов. В зависимости от закона управления различают системы с амплитудной, частотной, широтной и фазовой модуляцией. Первые электронно-ионные регуляторы, основанные на фазоимпульсном методе регулирования, были разработаны в СССР в 1937–1941 гг. Л.С. Гольдфарбом и Г.Р. Герценбергом. Они содержали все узлы, характерные и для современных систем импульсного регулирования: измеритель регулируемой величины, компаратор, усилитель рассогласования, импульсный модулятор и усилитель мощности для энергетического воздействия на объект управления.
Импульсные энергетические преобразовательные устройства, основанные на работе управляемых силовых вентилей и полупроводниковых ключевых элементов в замкнутых системах импульсного регулирования, являются основой быстро развивающегося направления силовой (энергетической) электроники.
Информационные импульсные устройства основаны на преобразовании информации с использованием одного из видов импульсной модуляции, дискретизации данных и изменении числа координат. Наиболее распространенные виды преобразования информации импульсными устройствами: развертка (сканирование), частотно- и широтно-импульсная модуляция, измерение временных характеристик сигнала (моментов перепада, периода, частоты).
Впервые идея сканирования как последовательного просмотра точек плоского объекта была запатентована в Германии в 1884 г. Паулем Нипковым. Диск П. Нипкова был основой первого телевизора с механической разверткой. Благодаря развертке плоский двумерный образ преобразовывался в одномерный сигнал яркости.
На принципе развертывания основано осциллографирование процессов, изменяющихся во времени. Привычная всем картина изменения сигнала в функции времени на экране электронно-лучевой трубки может быть получена при условии равномерного движения изображающего элемента (электронного луча, светящейся точки) по одной координате и отклонения этого элемента по другой координате на значение, пропорциональное сигналу. Идея развертки для наблюдения процессов была выдвинута Л.И. Мандельштаммом в России в 1907 г., применение электронно-лучевой трубки с этой целью предложено в России Б.Л. Розингом в том же году. Эта фундаментальная идея дала множество выдающихся технических решений.
Применение развертывающего преобразования можно пояснить несколькими примерами из арсенала средств промышленной электроники.
Определение местонахождения поврежденного участка основано на использовании отраженного эхосигнала и точном измерении времени между посланным зондирующим импульсом и принятым отраженным.
К этому классу приборов относятся искатели повреждений в линиях электропередачи. Искатель повреждений генерирует зондирующий импульс напряжения, который распространяется в линии, порождая отражения от различных неоднородностей. Измеряя время между зондирующим и отраженным импульсами, можно определять местонахождение аварийного участка.
К этому же классу приборов относятся импульсные ультразвуковые дефектоскопы. Источником зондирующих сигналов в них служит пьезопреобразователь, дающий акустический импульс; он же используется и для обратного преобразования отраженного акустического сигнала в электрический.
Точное измерение времени между зондирующим и отраженным импульсами производится одним из двух способов: измерением расстояния между импульсами на экране электронно-лучевой трубки или подсчетом числа меток времени, генерируемых с эталонной частотой. Второй из этих методов оказался более предпочтительным и получил широкое распространение и развитие.
Время — наиболее удобная физическая величина для эталонирования и прецизионного измерения. Кварцевые генераторы давно и прочно вошедшие в практику радиотехнических систем, продолжают до наших дней сохранять свое место и значимость, как простые и сравнительно дешевые эталоны частоты или интервалов времени с точностью порядка 10-6–10-7.
Приборы для ультразвуковой дефектоскопии и искатели повреждений широко распространены в энергетике, машиностроении, железнодорожном транспорте. Они не требуют мощных установок высокого напряжения, как рентгеновские промышленные аппараты, экологически безопасны в отличие от радиоизотопных дефектоскопов. При частоте ультразвуковых колебаний 2–4 МГц удается обнаруживать неоднородности в материале площадью до 1 мм2. В Советском Союзе промышленное производство дефектоскопов ведется с 50-х годов.
Промышленное применение развертывающего преобразования связано с измерением ширины листа прокатываемого металла. При большой скорости движения полосы горячего металла в условиях вибрации единственным способом измерения могло быть бесконтактное оптическое сканирование. Измеритель проката был разработан в лаборатории автоматики Института черной металлургии (Г.Х. Зарезанко). Два сканирующих измерительных устройства определяли координаты обеих кромок листа, разность координат в 1960 г. с помощью показывающих и регистрирующих приборов позволяли быстро измерить и зафиксировать ширину ленты проката. Создателю установки пришлось решить проблему оптических помех, точного и воспроизводимого измерения положения фронта импульсов при сравнительно низкой крутизне.
Развертывающее преобразование в промышленных устройствах было реализовано с помощью специально разработанного для таких устройств прибора — диссектора. Сравнительно низкая чувствительность компенсировалась большой яркостью источника света. Быстродействие диссектора оказалось существенно выше, чем у передающих телевизионных трубок с накоплением заряда.
Естественным следующим шагом на пути развития развертывающих и сканирующих устройств стали установки промышленного телевидения. Их основные функции — наблюдение за процессами в условиях, когда непосредственное нахождение оператора вблизи объекта невозможно, нежелательно или сопряжено с опасностью [11.45, 11.46].
На развитие импульсной техники решающее влияние оказало развитие радиолокации. Это направление способствовало, во-первых, формированию импульсов высокой энергии. Повышение мощности излучаемого импульса при разумных ограничениях на среднюю энергию установки стало возможным лишь благодаря импульсному характеру работы при отношении периода к длительности импульса порядка 1000. Во-вторых, разрешающая способность импульсного устройства во времени могла быть повышена только за счет увеличения крутизны фронтов используемых сигналов. Как и во многих других направлениях, промышленное использование импульсной техники стало вторичным результатом их применения в оборонных отраслях. Благодаря импульсному характеру сигнала удавалось получать импульсы высоких энергий от относительно маломощных устройств. Этому способствовало свойство электронных ламп с оксидными катодами давать огромные по сравнению со средними токи импульсной эмиссии. Электронная лампа со средним током в десятки миллиампер могла длительное время эксплуатироваться с импульсными токами в несколько ампер.
В отличие от радиолокационных систем технические средства промышленной электроники заняли полный диапазон возможностей и способов импульсной модуляции. Регулирование среднего и действующего напряжений осуществлялось путем изменения коэффициента заполнения при широтно-импульсном регулировании. Исторически первой была освоена разновидность импульсного регулирования, при которой синхронное с сетью отпирание вентиля осуществлялось с запаздыванием по отношению к моменту естественной коммутации. Широтно-импульсное регулирование постоянного напряжения получило распространение в высокоэкономичных импульсных стабилизаторах постоянного напряжения. Это стимулировало развитие и инженерное приложение теории замкнутых импульсных систем.
Анализу импульсных систем в 60-е годы посвящены фундаментальные работы Я.З. Цыпкина [11.39]. В промышленной электронике для решения задач регулирования мощности импульсная техника стала главным инструментом воздействия. Классические методы управления преобразователями, основанные на использовании угла запаздывания отпирания управляемых вентилей, вначале базировались на сдвиге фазы управляющего сеточного напряжения ртутных преобразователей (так называемый горизонтальный метод). Следующим и гораздо более перспективным стал вертикальный метод. Сущность его состояла в фиксации момента сравнения развертывающего (гармонического или пилообразного) сигнала с управляющим. Вертикальный метод фазосмещения стал основным инструментом широтно-импульсного, фазоимпульсного и (в соответствующем исполнении) частотно-импульсного регулирования.
Многоканальная система импульсно-фазового управления преобразователями служит для управления многофазными преобразователями. Система содержит несколько (по числу фаз) источников опорного напряжения, синхронных с напряжениями питания соответствующих фаз. Напряжения опорных источников сравниваются с помощью компараторов с единственным для всех фаз управляющим сигналом. Задержка срабатывания каждого компаратора дает запаздывание момента отпирания вентиля в соответствующей фазе. Форма опорного напряжения (косинусоидальная или пилообразная) дает разные регулировочные характеристики.
Для успешной реализации вертикального способа фазосмещения необходимо было решить вспомогательные задачи формирования опорного напряжения, сравнивания двух сигналов, формирования управляющего импульса определенной амплитуды и длительности в момент равенства двух сигналов. Для выполнения этих задач были разработаны специальные импульсные схемы: в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем было предложено катодное реле; в 1919 г. американцы X. Абрагам и Е. Блох изобрели мультивибратор; в 1919 г. американцы В. Иклс и Ф. Джордан изобрели схему, без которой трудно представить себе современную компьютерную цивилизацию, — триггер. Были сделаны сотни изобретений различного рода формирователей импульсов, генераторов линейно изменяющихся напряжений и токов, блокинг-генераторов (мощных импульсных схем с глубокой положительной обратной связью).
Анализ схем с обратными связями, возникновение колебаний в нелинейных системах, решение задач об устойчивости таких схем стали предметом работ А.А. Андронова, А.А. Витта, С.Э. Хайкина (1959 г.) [11.38].
Данный текст является ознакомительным фрагментом.