Цифровое устройство для коммутации симистора

 

ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ СИМИСТОРА,содержащее блок синхронизации, вход которого предназначен для подключения через резистивный делитель к питающей сети, а выход подключен к соответствующим входам преобразователя кода числа в-уровень напряжения, выполненный в виде временного распределителя , включающего в себя последовательно соединенные счетчик с дешифратором и RS-триггеры, под- . ключенные к входам элемента ИЛИ и выходам дешифратора, выходы кото- . рого подключены к входзам блока сравнения, генератор заполняющих импульсов, выход которого подключен к соответствующему входу вышеуказанного преобразователя, задатчик. тока нагрузки, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия и упрощения, оно снабжено инвертором, инвертором полярности , элементом 2 ИЛИ-НЁ, шестью диодами, а блок сравнения включает два компаратора с подключенными на их выходе управляемыми ключами, выходы которых объединены и предназначены для подключения к управляющему электроду симистора, причем вход инвертора полярности подключен к средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляющему входу первого управляющего ключа и первому входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, выход инвертора через второй диод подключен к управляющему входу второго управляемого ключа и к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, (Л выход которого через третий диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через инвертор и четвертый диод к прямому входу второго компаратора, выход задатчика тока нагрузки через пятый диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через шестой диод к неинвертирующему входу 10 второго компаратора, а выход преобразователя кода подключен к объеди:О ненным неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующему входу .второго компаратора.

СОЮЗ СОВЕТСХИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК а% (и!

Э(59 Н 02 М 1 08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О ПОКРЫТИЙ

К A870PGHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3386711/24-07 (22.) 29.01.82 (46) 30.08.83. Бюл. Р 32 (72) В.П. Решетов, В.В. Крылов и A.3. Николаев (53) 621.316.727(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 875592, кл. Н 02 Р 13/24, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 826551, кл. Н 02 P 13/16, 1979. (54)(57) ЦИФРОВОЕ УСТРОИСТВО ДЛЯ

КОММУТАЦИИ СИМИСТОРА,содержащее блок синхронизации, вход которого предназначен для подключения через резистивный делитель к питающей сети, а выход подключен к соответствующим входам преобразователя кода числа в- уровень напряжения, выполненный в виде временного распределителя, включающего в себя последовательно соединенные счетчик с дешифратором и RS-триггеры, подключенные к входам элемента ИЛИ и выходам дешифратора, выходы которого подключены к входам блока сравнения, генератор заполняющих импульсов, выход которого подключен к соответствующему входу вышеуказанного преобразователя, задатчик. тока нагрузки, о т л и ч а ю щ е.е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия и упрощения, оно снабжено инвертором, инвертором полярности, элементом 2 ИЛИ-НЕ, шестью диодами, а блок сравнения включает два компаратора с подключенными на их выходе управляемыми ключами, выходы которых объединены и предназначены для подключения к управляющему электроду симистора, причем вход инвертора полярности подключен к средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляющему входу первого управляющего ключа и первому входу элемента 2

ИЛИ-НЕ, выход инвертора через второй диод подключен к управляющему входу второго управляемого ключа и к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ

Г выход которого через третий диод подключен к инвертирующему входу первого «императора и через иивер- С тор и четвертый диод к прямому входу второго компаратора, выход задатчика тока нагруэйи через пятый диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через шестой диод к неинвертирующему входу второго компаратора, а выход преобразователя кода подключен к объединенным неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующему входу второго компаратора.

1039005

Изобретение относится к электротехнике, в частности к следящим системам с цифровым представлением информации, и может быть использовано для управления технологическим

- процессами в вакуумной технике, в блоках управления оптических кван товых генераторов, в системах позиционирования с возбужденным состоянием исполнительного органа при быстротекущих электронных процессах и при расширенной информативности о фазовых сдвигах в системах прецеэионного позиционирования.

Известны устройства для коммутации тиристоров (симисторов) . Общепринятым способом коммутации является управление по "вертикальному" способу, которое заключается в том, что синхронно с питающим напряжением переменного тока, в цепь кото рого последовательно с нагрузкой включен тиристор (симис;ор), возбуждают генератор пилообразного напряжения, заряжающий емкость. Если стабилизирован ток заряда, напряжение на емкости возрастает линейно. При определенном уровне этого напряжения обеспечивают формирование (например на операционном усилителе), которым "поджигают" тиристор (симистор ) в широтной области полупериода синусоидального напряжения.

Если на управляющий вход генератора пилообразного напряжения подано напряжение управления, которое к моменту начала формирования "пилы" заряжает емкость до некоторого уровня, то момент срабатывания формирователем сМещается в широтном диапазоне полупериода синусоиды упомянутого напряжения.

Указанный способ характеризуется недостаточной точностью коммутации, которая связана с качеством стабилизации тока, заряжающего емкость, и с наличием самой емкости, которая имеет токи утечки, изменяет ТКЕ (температурный коэффициент) и т.д.

Схемы такого рода из-эа наличия емкости трудно поддаются микроминиатюризации.

Известно устройство, которое содержит фильтр, подключенный через генератор тактовой частоты, счетчик текущего значения кода фазового сдвига, ключ, счетчик импульсов .и дешифратор к входу триггера управления, выходом подключенного к входу ключа, а управляющий вход через блок сравнения — к выходам регистра записи кода фазового сдвига и счетчиков текущего значения кода фазового сдвига, выходы которого .через генератор тактовой частоты и нуль-орган подключены к выходу фильтра, а также элементы И, ИЛИ, дополнительные ключи, триггеры и ,счетчик временнОго интервала.

Ъ

В укаэанном устройстве формироваи ние выходного импульса задержан5

В ного на время, соответствующее коду фазового сдвига, осуцествляется с помощью регистра. записи кода фазово го сдвига, блока сравнения и двоич10 ного счетчика текущего значения кода фазового сдвига, а распределение импульсов на тиристоры осуществляется с помощью ключа, триггера управления ключем, системы распределения импульсов, дешифратора (Ц .

15 Однако устройство для коммутации симистора, управляемого двухполярными импульсами тока при соответствующей полярности на аноде-катоде, затрудняет воэможность согласования с цифровой информацией и не обеспечивает точность позиционирования системы, где устройство используется.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для импульсно фазового управления, содержащее блок синхронизации, вход которого предназначен для подключения через реэистивный делитель к питающей сети, а выход

30 к соответствующим входам преобразователя кода числа в уровень напряжения, выполненный в виде временного распределителя, включающего в себя счетчик с дешифратором и RS-тригге35 ры, подключенные к входам элемента

ИЛИ и выходом дешифратора, выходы которого подключены к входам блока сравнения, генератор заполняющих импульсов, выход которого подключен к соответствующему входу указанного

40 преобразователя, задатчик тока нагрузки (2).

Однако в связи с тем, что устройство для импульсно-фазового управления с сопряженной 3ВМ работает в

45 реальном масштабе времени, для ряда быстротекущих процессов с обратными связями его быстродействие недостаточно из-эа длинных линий связи, которые можно упразднить если осуществлять логические операции преобразования в одном автономном блоке. Это снизит переходное волновое сопротивление, емкость монтажа и т.д. При этом быстродействие может быть улучшено дополнительно, если увеличить ток "поджига" тиристоров (симистора), что согласно диаграмм находится в нелинейной

° функциональной зависимости с увеличением быстродействия на порядок

60 при предельных значениях тока "поджига" в сравнении с минимальными токами.

Пель изобретения - увеличение быстродействия и упрощение устрой65 ства.

1039005

Поставленная цель достигается тем, что цифровое устройство для коммутации си |истора снабжено инвертором, инвертором полярности, эле-, ментом 2 ИЛИ-НЕ, шестью диодами, а. блок сравнения включает два компаратора с подключенными на их выходе управляемыми ключами, выходы которых объединены и предназначены для подключения к управляющему электроду симистора, причем вход инвертора полярности подключен к средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляющему входу первого управляемого ключа и первому входу элемента 2

ИЛИ-НЕ, выход инвертора через второй диод подключен к управляющему входу второго управляемого ключа и к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, выход которого через третий диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через инвертор и четвертый диод к прямому входу второго компаратора, выход задатчика тока нагрузки через пятый диод подключен к инвертирующему входу первого компаратора и через шестой диод к неинвертирующему входу второго компаратора, а выход преобразователя кода подключен к объединенным неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующему входу второго компаратора.

Такая структура схемы позволяет использовать для коммутации симистора цифровую информацию расширенных фазовых рассогласований при расширенной информативности. Это увеличивает точность позиционирования. Кроме того, оптимальная отсечка тока управления после "поджига" симистора увеличивает надежность его работы.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройствар на фиг. 2— диаграммы, поясняющие его работу, на фиг. 3 — структура преобразователя кодовой комбинации чисел в уровень напряжения.

На фиг. 2 обозначены: А в диаграмма на выходе преобразователя кодовой комбинации чисел при уставке задатчика на потенциал (+ С3 ), — диаграмма переменного напряжения питания частотой f, где Х диапазон изменения угла "поджига" симистора при возникновении фазового рассогласования в одну сторону -Ьф ) и — диапазон функционально зависимым от скорости изменения фазового рассогласования дч — д-) i

8 и Г - диаграммы состоян и компараторов в соответствии с диаграммой.А, Устройство для цифровой коммутации симистора содержит (,фиг. 1 ) генератор 1 заполняющих импульсов, счетчик 2 формирования номинального

"поджига" симистора, преобразователи 3-5 кодовой комбинации чисел в уровень напряжения, компараторы 6. и 7, элемент 2 ИЛИ-НЕ 8, диодные матрицы 9 и 10, задатчик 11 тока нагрузки, инвертор 12, управляемые ключи 13 и 14, резистор 15 управляющего электродасимистора 16, элемент .)ИЛИ 17, нагрузку 18, резистивный дели10 тель включающий резисторы 19 и 20, детектор 21 нуля, инвертор 22 полярности питающего напряжения переменного тока, диодную матрицу 23 с диодами

24 и 25, при этом каждый преобра15 эователь кодовой комбинации чисел в уровень напряжения (;фиг.. 3) включает дешифратор 26, триггеры 27

271 и подключенный к выходам триггеров многовходовый элемент ИЛИ 17.

2р . Детектор 21 нуля служит для формирования строб-импульса при переходе питающего переменного напряжения через нуль (фиг. 2, b) . Этим импульсом производится сброс счетчика 2 формирования номинального

"поджига", а также установка триггеров преобразователя 3 в исходное состояние в начале каждого полупериода.

Генератор 1 заполняющих импульсов обеспечивает заполнение счетчика 2 формирования номинального "поджига" .после каждого сброса этого счетчика по Р-входу.

Преобразователи 3-5 служат для

M преобразования кодовой комбинации чисел на триггерах счетчиков (на фиг. 1 изображен только счетчик 2 номинального "поджига") в ступенча.то возрастающий уровень напряжения

4Р (фиг.2, A), который сравнивается на комйараторах б и 7 с уровнем (03 ), — напряжения задатчика 11 тока нагрузки 18. Компаратор б обеспечивает коммутацию симистора 16 через открытый только в положительные полупериоды (фиг. 2 t5 и Г ) управляемый ключ 13, а компаратор

7 — отрицательными импульсами через открытый только в отрицательные полупериоды (Фиг ° 2 б и В ), управляемый ключ 14, элемент 2 ИЛИ-HE 8 при коммутации симистора 16 по каналу обратной связи, включающего диодную матрицу.23 и инвертор 22 полярности, формирует "1" — импульс, возвращающий компараторы б и 7 в исходное состояние. -Этим обеспечивается отсечка управляющего тока симистора 16 при его "поджиге".

Устройство для цифровой коммутации симистора работает следующим образом.

При переходе синусоиды питающего напряжения частотой (фиг. 1 ) через

Я нуль детектор 21 нуля вырабатывает

1039005

15

30

40

50

60

65 строб-импульс, которым счетчик 2 формирования номиналь ного "поджига" обнулен, а также триггеры преобразователя 3 кодовой комбинации чисел в уровень напряжения. С окончанием строб-импульса счетчик 2 заполняется импульсами генератора 1, а упомянутый преобразователь 3 вырабатывает ступенчато возрастающий уровень (фиг. 2, A) . Пусть два других преобразователя 4 и 5 с групповыми числовыми входами Х и У обеспечивают нулевую информацию. На сравнивающие входы компараторов 6 и 7 поступают уровни напряжений: ступенчато возрастающий (фиг. 2, A) и постоянный уровень напряжения (+ 0 д) с выхода задатчика 11. В исходном состоянии компаратор б находится в минус-состо янии (фиг. 2, Г), так как напряжение (+ U g) приложено к его инвертирующему входу, а ступенчато возрастающее напряжение (+ U »„) до момента, когда (+ Ucxgn) станет рав. ным (+ U3g ), лрилот<ейо к неинвертирующему входу.

После достижения равенства (+ UCTMA + "Зд) комларатор 6 пеРеходит в плюс-состояние (фиг. 2, Г), .обеспечивая коммутацию симистора 16 через управляемый ключ 13, находящийся в открытом состоянии, и ограничительный Резистор 15 при полярности напряжения на электродах симистора, соответствующей возможности его "поджига" плюс-импульсом.

Одновременно со срабатываниями компаратора 6 в -каждый полупериод питающего напряжения (фиг. 2, 8 ) сра.батывает комларатор 7, переходящий в минус-состояние .

"Поджиг" симистора минус-импульсом может происходить только в отрицательные лолупериоды лри открытом состоянии управляемого ключа 14.

Синхронное открывание ключей 13 и 14 в соответствии с полярностью на электродах симистора 16 обеслечивается цепью, состоящей из резистора 19, инвертора 22 полярности и диодной матрицы 23. При плюс-полярности на аноде симистора проводящий диод 24 диодной матрицы 23 обеспечивает плюсовый импульс на управляющий вход ключа 13, подготавливая возможность его открывания положительным импульсом от срабатывания компаратора б. В тот же полупериод диод 25 матрицы 23, подключенный к. выходу инвертора 22 полярности, закрыт отрицательным импульсом в результате инвертирования положительного импульса в течение всего полупериода, что обеспечивает закрытое состояние ключа 14. После коммутации симистора 16 в точке М (, фиг. 2 А и Б ) его внутреннее сопротинление приближенно может быть принято равным нулю, т.е. анод симистора эквилотенциален шийе "общий". На обоих выходах диодной матрицы 23 возникает "0" потенциал, (инвертор 22 полярности инвертирует только полярный импульс, но не "0" потенциал ). На выходе элемента 2

ИЛИ-НЕ 8 нозникает "1" — потенциал, который через диодную матрицу 10 поступает на инвертирующий вход компаратора б, обеспечивая его переход в минус-состояние (фиг. 2, Г ) . На. выходе инвертора 12 "1" — потенциал преобразуется в "0" — потенциал, который через развязывающую диодную матрицу 10 поступает на плюс-вход компаратора-7, обеспечивая его переход в исходное полюс-состояние (фиг. 2, 5)

Таким образом, комлараторы б и 7 вырабатывают короткие импульсы, длительность которых достаточна для

"поджиГа" симистора, причем обеспечивается оптимальная отсечка управляюцего тока. ."Поджиг" симистора отрицательным импульсом управления осуществляется лри открытом ключе 14 и закрытом ключе 13 в отрицательный полупериод питающего напряжения частотой f (фиг. 2,f)) аналогично рассмотренному циклу коммутаций в положительный полупериод.

Широтное положение точки /И коммутации симистора (фиг. 2, Г ) при выбранной частоте генератора заполняющих импульсов и емкости счетчика 2 формирования номинального

"поджига" определяются уровнем напряжения (Оу )на выходе задатчика 11, т.е. задатчиком определена номинальная фаза "поджига" симистора 16 и ток в нагрузке 18.

Рассмотрим работу устройства при поступлении на цифровые Х, у-входы (фиг. 1, 3) информации со счетчиков "расширения фазы" и "скорости изменения фазы" (не изображены), посредством, которых осуществляется прецизионное позиционирование параметра при действии воэмущающих факторов. Введем сокращенные наименования "Х-счетчик" и "У-счетчик".

Пусть "Х-счетчик" заполняется информацией фазового рассогласования, обеспечивая кодовую комбинацию чисел; преобразующуюся в дешифраторе

26 (фиг. 3 ) в числовую последовательность 0,1,... И По мере заполнения "X-счетчика" срабатывают триггеры 27-27> слева направо (фиг. 3).

Поскольку потенциал питания каждого последующего триггера больше преды-; дущего U>> U><... 7 U< ) U,, то на выхоДе многовходового элемента ИЛИ

28 будет ступенчато нозрастающий потенциал (ступенчато уменьшающийся, 1039005 если последовательность 0„, < U> л<„.

«"1 ("о

При объединении шин выхода двух преобразователей на общей объединенной шине происходит арифметическое суммирование (вычитание ) уровней, что смещает точку ll (фиг. 2, Д) в широтном диапазОне полупериода синусоиды (фиг. 2, 6 ), изменяя по- тенциал на соответствующих входах сравнения компараторов 6 и 7.

Для. "У-счетчика" преобразователь

5 обеспечивает смещение точки М в противоположном направлении, так как смещает потенциал на другом входе каждого из упомянутых компа- 15 раторов.

Это содействует избирательному действию системы регулирования: при возникающей отработке фазового рассогяасования в сторону уменьше- gp ния фазового сдвига последний, пропорциональный числу, накопленному

"Х-счетчиком", изменяется в зависимости от величины вектора У (фиг. 2, 6 ): если скорость измене- ZS ния фазы большая, то вектор большой, а фаза "поджига (заполнение синусоиды, фиг. 2 Б) малая с упреждением против "перебега" (и колебательности).

Если скорость изменения фазового рассогласования малая, то вектор ) также сравнительно мал (или равен нулю)- имеет место интенсивная отработка за счет большого "заполнения" полупериода синусоиды (фиг.2 И

Это увеличивает интенсивность отра ботки рассогласования и увеличивает вектор при подходе системы к состоянию синфазности — номинальному "поджигу". вектор ) обеспечива. 4О ет "упреждающее заполнение", ока-. зывая "тормозящее" влияние против перебега, выполняя роль демпфера.

Таким образом, имеет место противодействие колебательности процесса 45 регулирования с "гибкой" обратной связью заполнения синусоидн с учетом величины фазового сдвига (ЬЧ) и скорости его изменения -. Такое управление "поджигом" симистора существенно увеличивает точность позиционирования, делая его прецезионным, если закон регулирования для конкретной системы выбран оптимальным и имеется достаточно большая информативность о фазовых рассогласованиях.

Очевидно, что к шине выхода каждого иэ Х(У) -преобразователей кодовой комбинации чисел в уровень напряжения может бить подключен ряд преобразователей, вырабатывающих ступенчато возраставший или убывающий уровень и подключаемых либо для .увеличения Х-вектора, либо для увеличения У-вектора (демпфирование). Так осуществляется цифровое управление "поджигом" симистора по сложному закону, соответствующему конкретному случаю.

Суммирование (вычитание ) в устройстве осуществляется на общей шине выхода преобразователей беэ влияния преобразователей друг на друга из-эа высокого обратного со- противления элементов ИЛИ и по существу беэ явно выраженного сумматора.

Цифровое управление отличается высокой линейностью и некритично к изменениям внешних условий. В сравнении с управлением "по вертикальному" способу .с использованием зарядной емкости оно выгодно отличается в тех случаях, когда требуется осуществлять прецезионное позиционирование технологического процесса, и в случаях, когда имеют место быстрые (электронные) процессы с необходимостью отработки расширенных фазовых рассогласований. Увеличивается надежность коммутации симистора за счет отсечки тока управ- ления.

Технико-экономические показатели предлагаемого устройства, в частности для случая регулирования тока луча электронно-лечевого испарителя материалов, состоит в улучшении качества регулирования тока луча и прецезионного испарения оптических покрытий.

16 иг, Составитель Г .Ефимов

Редактор A.Мотыль Техред И.Гайду Корректор О. Тигор

Тираж 687 Подписное

ВНИ!ПП Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5,Заказ 6239758

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4