ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ (ИППН)

Большие габариты и масса рассмотренных ранее ИВЭ обусловле­ны в основном трансформатором и индуктивными катушками филь­тров, которые рассчитываются для работы на частоте 50 Гц. Что­бы устранить этот недостаток, современные ИВЭ все чаще созда­ются на основе высокочастотных импульсных преобразователей, у которых на входе отсутствует трансформатор. Структурная схема та­кого ИВЭ представлена на рис.5.20,а. Напряжение  с частотой выпрямляется выпрямителем  фильтруется сглаживающим фильт­ром СФ₁ и подается на импульсный преобразователь напряжения ИПН. С помощью ИПН постоянное напряжение  превращается в импульсное переменное напряжение  частоты . Далее, оно вновь выпрямляется выпрямителем , фильтру­ется фильтром СФ₂ и в заключение стабилизируется импульсным ста­билизатором СТИ. Упрощенная принципиальная схема импульсного ИВЭ (без стабилизатора) представлена на рис.5.20Д Напряжение (обычно это напряжение промышленной сети частотой =50 Гц) под- ается на мостовой выпрямитель. Из-за отсутствия трансформатора такой ИВЭ еще называют ИВЭ с бестрансформаторным входом.

Рис 5.20 Структурная (a) и принципиальная (б) схемы импульсного преоб­разователя постоянного напряжения

Выпрямленное и отфильтрованное напряжение U_n1 подается на высокочастотный преобразователь напряжения, составленный из транзисторов VT₁ — VT₄. Транзисторы работают в ключевом режи­ме. Открываются и запираются транзисторы с помощью управляю­щих импульсов и_у , подаваемых на их базы, с частотой  (блок управ­ляющих импульсов и_у на схеме не показан),

В течение первого полу периода транзисторы VT₁ — VT₄ открыты с помощью импульсов и_у, а транзисторы VT₂ иVT₃ — закрыты. При этом ток имеет направление : «+» — первичная обмотка w₁ высоко­частотного трансформатора — транзистор VT₄—^“_—^"U_п1 В этом случае полярность верхнего вывода обмотки а нижнего "_—". Во второйполу период открыты транзисторы VT₂ иVT₃ а транзисторы VT₁ — VT₄— закрыты Направление тока при этом таково: «+»U_n1 — транзистор VT₃ — обмотка w₁ — транзистор VT₂__ "__” U_n1. В результате этого на выводах обмотки  полярность напряжения будет соответствовать полярности, указанной в скобках Прямоугольной формы напряжение трансформируется во вторичную обмотку, выпрямляется с помощью выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансфор­матора и сглаживается фильтром L_фC_ф2. Напряжение U_п2 подается на стабилизатор В целях дальнейшего уменьшения габаритов и массы стабили­затор выполняется по схеме импульсного стабилизатора постоянного на­пряжения (см. § 5.5). Так как для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение±24В,±15В,±12В,±5В,±2В,товысокочастотный трансформатор выполняется понижающим, а для получения двупо­лярного напряжения питания — с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора, которая заземляется. Габариты и масса трансформатора и фильтра L_фC_ф2малы, так как они рассчитаны на работу с высокой частотой. Рассматриваемый ИВЭ имеет существен­ные недостатки:

сравнительно низкий КПД из-за увеличения потерь при многок­ратном преобразовании электрической энергии;

высокую стоимость, определяемую применением высоковольтных транзисторов в преобразователе, которые должны выдерживать большое напряжение U_K . достигающее нескольких сотен вольт.

Несмотря на отмеченные недостатки, рассматриваемый ИВЭ на­ходит все большее применение в различных устройствах промышлен­ной электроники из-за большого выигрыша в габаритах и массе.

Вопрос 5.4. В чем преимущество импульсного преобразователя постоянного напряжения по сравнению с обычным выпрямителем?

Варианты ответа:

5.4.1. ИППН имеют более высокий КПД.

5.4.2. ИППН имеют меньшие габариты и массу.

5.4.3. ИППН имеют большую надежность в работе.

5.8,ИНВЕРТОРЫ

Для нормального функционирования устройств промышленной электроники при их питании от первичных источников, вырабатыва­ющих энергию постоянного тока только одного напряжения, требу­ются преобразователи постоянного напряжения. С их помощью полу­чают требуемое переменное напряжение.

Преобразователи, в которых постоянное напряжение преобразует­ся в переменное, называют инверторами.

Прогресс в области разработок и применения нетрадиционных источ­ников электроэнергии — топливных элементов, термоэлектрических и солнечных батарей — вызвал потребность в инверторах.

Основными элементами инверторов являются коммутирующие приборы (устройства), которые периодически прерывают ток или из­меняют его напряжение. В качестве коммутирующих приборов в на­стоящее время применяют транзисторы и тиристоры, работающие в режиме ключа (открыт — закрыт), благодаря чему КПД преобразо­вателей очень высок и может достигать 99 %. К этому следует доба­вить. что полупроводниковые ключи и преобразователи на них име­ют малые габариты, массу и стоимость, большой срок службы.

Инверторы классифицируют по ряду признаков, основные из которых:

1) тип коммутирующих приборов — тиристорные и транзистор­ные инверторы;

2) принцип коммутации — ведомые сетью и автономные инверторы;

3) род преобразуемой величины — инверторы тока и инверторынапряжения.

Тиристорные инверторы — инверторы большой выходной мощнос­ти, поскольку современные тиристоры выпускают на напряжения, рав- _Hbie нескольким киловольтам, и на токи до сотен ампер, чего нельзя сказать о транзисторах. Транзисторные инверторы выполняют на ма­лую и среднюю мощность, не превышающую нескольких киловатт.

Инверторы, ведомые сетью.

На рис.5.21,л изображена схема такого инвертора, представляю­щая собой однофазный двухполупериодный инвертор с выводом среднейточки вторичной обмотки трансформатора,. Между средней точкой и узлом с включен источник постоянной ЭДС Е. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол управле­ния а < 90° (см.рис. 5.21,5). При а = 90° среднее значение выпрямлен­ного напряжения равно нулю.

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником E, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток  и напряжение находи­лись в противофазе, т.е. ɑ=180° (рис.5.22,а). Подобный сдвиг фаз возможен в том случае, если тиристор VS₂ будет открыт при отрицатель­ной полярности напряжения u_2h, а тиристор VS₁— при отрицательной полярности напряжения и_2а (см,рис.5.22,a). При этом происходит по- очередное подключение вторичных обмоток трансформатора к ис­точнику Е,можен в том случае, если тиристор VS₂ будет открыт при отрицатель­ной полярности напряжения u_2h, а тиристор VS1 — при отрицательной полярности напряжения и_2а (см,рис.5.22,7). При этом происходит по- очередное подключение вторичных обмоток трансформатора к ис­точнику Е.

Рис.5.21. Схема однофазного двучполупериодного ведомого ceibio пн вер юра в Режиме выпрямления (а) и временные диаграммы напряжения (б) при фиксиро­ванных углах управления ɑ

Однако здесь надо учитывать следующие обстоятельства: если очередной тиристор отпирать точно при угле управления а =180°, т₀при этом другой тиристор не успеетзакрыться, так как для этого ему нужно время, равное /_выкл. Тогда запирающийся тиристор за это вре- мя ?_выкл создаст короткое замыкание по цепи вторичная обмотка трансформатора — источник Е. Указанное явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы устранить этот нежелательный процесс, необходимо сделать угол управления а меньше 180° на угол р , называемый углом опережения отпирания (см.рис.5.22,б). Запирание и отпирание тиристоров происходит под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора, со­здаваемого сетью переменного тока. Поэтому такой инвертор назы­вают инвертором, ведомым сетью.

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоян­ного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие элек­троэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называет­ся рекуперацией.

Рис.5.22. Временные диаграммы то­ков и напряжений двухполупериодного инвертора, ведомого сетью, и пос­ледовательность работы тиристоров при угле управления а = 180° (а) и с учетом угла опережения (б)

Рис 5.23. Схема преобразователя для реверсивного электропривода постоянного тока

Следует отметить еще один способ перехода от выпрямления к инвертированию и наоборот, который широко применяется для уп­равления скоростью и направлением вращения двигателей. Этот спо­соб, являющийся наиболее экономичным, используется в реверсив­ных преобразователях (рис.5.23).

При этом способе тиристоры включены в две трехфазные группы обмоток I и II, соединенные зигзагом. Выходы преобразователей со­единяются с зажимами машины встречно, т.е. нейтральную точку группы обмоток I подключают к минусовому зажиму машины, а не­йтральную точку O₂ группы обмоток II— к плюсовому зажиму. При указанном соединении группа преобразователей / работает в выпря­мительном режиме, а группа преобразователей II — в инверторном режиме, который и обеспечивает генераторное торможение двигате­ля, а следовательно, изменение частоты вращения. Для изменения на­правления вращения двигателя (реверс) изменяют функции группы преобразователей, т.е. группа преобразователей I будет работать как инвертор, а группа преобразователей II— как выпрямитель.

Для обеспечения безаварийной работы нельзя допускать, чтобы пос­тоянное напряжение генератора Е увеличивалось, а переменное напря­жение сети уменьшалось. Если это произойдет, то увеличится время Коммутации тиристоров, что может привести к короткому замыка­нию, о котором было сказано ранее, и выходу из строя устройства.

В инверторном режиме среднее значение напряжения определяется выражением

                                  (5.17)

Рис.5 24. Семейство внешних харак­теристик инвертора, ведомого сетью, при фиксированных значениях угла опережения

Вэтом режиме ЭДС генератора Е должна быть больше напряжения , чтобы компенсировать возникающие при передаче энергии потери:

 ,                                            (5.18)

где ,  , и  — соответственно напряжение холостого хода на вторичной обмотке трансформатора, падение напряжения, оп­ределяемое интервалом коммутации, падения напряжений на прямом со­противлении диода и на вторичной обмотке трансформатора.

На рис. 5.24 представлено семейство внешних характеристик инвер­тора, ведомого сетью:  при фиксированных значениях угла . Эти характеристики, как следует из формулы (5.18), имеют нарас­тающий вид, т.е. с ростом тока увеличивается напряжение на инвер­торе. Отметим, что инвертор при значительных углах  может рабо­тать при больших нагрузочных токах.

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянно­го тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо:

1) иметь переменный ток требуемой частоты, когда источниками пи­тания являются устройства прямого преобразования энергии — топлив­ные элементы, МГД-генераторы, термо- и фотоэлектрические генерато­ры, контактная сеть электрического транспорта, аккумуляторы и т.д.;

2) преобразовать постоянное напряжение одного значения в пос­тоянное напряжение требуемого значения;

3) получить переменный ток высокой частоты для электротерми­ческих установок, с помощью которых плавят металлы, нагревают,сушат и закаливают изделия.

Наряду с такими главными элементами инверторов, как транзисторы и тиристоры, ни один автономный инвертор не обходится без конденсато­ра. Этот элемент в инверторе необходим для того, чтобы обеспечивать запирание тиристоров и формировать выходное напряжение инвертора.

Автономные инверторы подразделяются на автономные инверто­ры тока (АИТ), автономные инверторы напряжения (АИН) и авто­номные резонансные инверторы (АИР).

В автономном инверторе тока (ЛИТ) источник питания работает в режиме источника тока, что достигается включением в цепь дросселя L₀ с большой индуктивностью (рис.5.25,а), В инверторах тока применя­ют только тиристоры. Тиристоры VS₁ и VS₂ открываются поочередно запускающими импульсами, поступающими от блока системы управле­ния (СУ). Работу АИТ иллюстрируют временные диаграммы, изобра­женные на рис. 5.25,б. При появлении первого запускающего импульса и_вх1 от блока системы управления СУ тиристор VS1 открывается. Вслед­ствие резкого уменьшения сопротивления тиристора VS1 левая полови­на первичной обмотки трансформатора оказывается подключенной к источнику и в ней появляется нарастающий ток, который наводит ЭДС в правой половине первичной обмотки и во вторичной обмотке. При этом коммутирующий конденсатор С_к оказывается под удвоенным на­пряжением источника питания Е, до которого он заряжается. Поляр­ность напряжения на нем указана без скобок. Следующий запускающий импульс включает тиристор VS₂. Появившийся при включении ти­ристора VS₂ нарастающий ток в правой половине первичной обмотки трансформатора создает соответствующие ЭДС в первичной и вторич­ной обмотках трансформатора, но другого направления Конденсатор С_к через открытый тиристор VS₂ оказывается подключенным к тирис­тору VS₁, причем плюсовая обкладка соединяется с катодом, а минусо­вая — с анодом. Это должно привести к запиранию тиристора VS₁, что и происходит через некоторое время t_выкл (указанное в паспорте ти­ристора). Таким образом, конденсатор С_к помимо разрядки через первичную обмотку трансформатора, некоторое время разряжается через оба открытых тиристора. Как только тиристор VS₁ закроется, разрядка конденсатора С_к прекращается и сразу же начинается его перезарядка до удвоенного значения напряжения питания E, но про­тивоположной полярности. Полярность напряжения на обкладках конденсатора указана в скобках. С приходом следующего и всех пос­ледующих импульсов процессы повторяются. Для устойчивой работы рассматриваемого АИТ необходимо, чтобы ранее открытый тирис­тор надежно запирался. Анализ временных диаграмм показывает, Что это становится возможным тогда, когда ток открытого тиристора  опережает по фазе напряжение на нем. Если фазовый сдвиг будет больше времени "восстановления" тиристора, то АИТ будет работать устойчиво.

Рис 5.25 Схема (а) и временные диаграммы напряжения и токов (6) автономного инвертора тока

Поэтому нагрузка должна иметь емкостной характер Для созда­ния такого "опережения” при активно-индуктивной нагрузке индук­тивное сопротивление нагрузки L_H, приведенное к первичной обмот­ке трансформатора, должно быть меньше емкостного сопротивления конденсатора С_к.

Существенным недостатком АИТ является недопустимость режи­ма работы инвертора на холостом ходу, так как возникающие при этом перенапряжения, вызванные появлением ЭДС самоиндукции при переключениях тиристоров, могут вывести из строя тиристоры и конденсатор

В автономном инверторе напряжения (АИН) ыточник питания работает в режиме источника напряжения Для этого параллельно источнику питания включают конденсатор большой емкости С₀(рис 5 26,а), который практически исключает пульсации напряжения при коммутации тиристоров В этом инверторе нагрузочное устрой­ство должно быть активным или активно-индуктивным

В маломощных АИН кроме тиристоров применяют транзисторы Работа АИН рассматривается на примере однофазного мостового преобразователя (см рис 5 26,а) Напряжение на активно-индуктив­ной нагрузке Z_Hпоявляется при поочередном попарном включении тиристоров VS₁, VS₄ и VS₂, VS₃, которые управляются входными им­пульсами, поступающими от СУ

С приходом управляющего (входного) импульса u_y1открывается первая пара тиристоров VS₁, VS₄ и закрываются ранее открытые ти­ристоры VS₂, VS₃а на нагрузке Z_H появляется напряжение положительной полярности, равное ЭДС Еисточника питания, что изобра­жено на рис 5.26,б. Появление следующего управляющего (входного) импульса и_у2 приводит к отпиранию тиристоров VS₂, VS₃ и запира­нию тиристоров VS₁, VS₄Возникающее при этом напряжение, равное Е на нагрузке Z_H имеет отрицательную полярность (см рис 5 26,6). Та­ким образом, в АИН напряжение на нагрузочном устройстве имеет прямоугольную форму.

При поочередных переключениях пар тиристоров ток i_н через ак­тивно-индуктивное нагрузочное устройство Z_H, согласно первому за­кону коммутации, не может измениться скачком Поэтому он продол­жает сохранять свое направление в течение некоторого времени  , плавно уменьшаясь до нуля (см рис 5 26,6) Только после этого ток I_н из­меняет свое направление на обратное В такие интервалы времени ток не может пройти через тиристоры, так как одна пара тиристо- Ров вообще закрыта, а другая пара — открыта, но ток i_н для откры­тых тиристоров имеет обратное направление Включенные парал- ^лельно тиристорам в обратном направлении диоды VD₁— VD₄,называемые обратными, предназначены для появления тока I_н в указан­ные интервалы времени At В противном случае возникающие в эти моменты времени большие ЭДС самоиндукции могут вывести тири_с торы из строя. Если прямоугольная форма выходного напряжения АИН не удовлетворяет потребителя, то последовательно с нагруз_0ц ным устройством включают фильтр, не пропускающий высшие гар, моники напряжения.

Рассмотренные схемы автономных инверторов не являются един, ственными. В зависимости от условий эксплуатации применяютразлич- ные модификации инверторов, с которыми можно познакомиться в специ­альной литературе.

Вопрос 5.5. Что произойдет в работе инвертора, ведомого сетью, если угол опережения β =0?

Варианты ответа:

5.5.1. Инвертор станет работать в режиме выпрямителя.

5.5.2. В работе инвертора ничего не изменится.

5.5.3. Такой режим приведет к аварии.

Вопрос 5.6. Для чего в АИТ при увеличении индуктивности нагру­зочного устройства необходимо увеличивать емкость конденсатора С_к?

Варианты ответа:

5.6.1. Чтобы надежно запирался ранее открытый тиристор.

5.6.2. Чтобы не было перенапряжения на закрытом тиристоре.

5.6.3. Чтобы увеличить КПД инвертора.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Преобразователем частоты называется устройство, осуществля­ющее преобразование электрической тергии переменного тока одной частоты в электрическую энергию переменного тока ору гой частоты

Преобразователи частоты бывают двух типов:

с промежуточным звеном постоянного тока;

с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки.

Преобразователи частоты выполняются с фиксированным и регулиру­емым соотношением частот входного и выходного напряжения.

Последние нашли широкое применение в электроприводе для ре­гулирования скорости асинхронных двигателей.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Структурная схема преобразователя частоты с промежуточны^ звеном приведена на рис.5.27.

Переменное напряжение питающей сети  с частотой  поступает на вход выпрямителя В. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром

Рис.5.27. Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока

LС-типа СФ и поступает на вход автономного инвертора АИ, с выхода которого снимается напряжение U₂ с частотой f₂.

При питании преобразователя от промышленной сети с частотой  = 50 Гц выпрямитель выполняется чаще всего по трехфазной мостовой схеме. Он может быть управляемым и неуправляемым. С помощью уп­равляемого выпрямителя регулируется выходное напряжение U₂. Частота изменяется автономным инвертором, она может быть или больше, или меньше частоты  .

Требования, предъявляемые к автономном} инвертору АИ, определя­ют тип инвертора. Автономный инвертор тока целесообразно применять в преобразователе с фиксированной частотой выходного напряжения в диапазоне 400 — 1000 Гц и при высоких требованиях к форме сину сои­дального выходного напряжения. В преобразователях с регулируемым в широком диапазоне частот выходным напряжением, предназначенных для управления частотой вращения асинхронных двигателей, АИ выпол­няются по схеме инвертора напряжения.

В некоторых преобразователях используют неуправляемые выпрями­тели и тогда выходное напряжение регулируется, например, автономным инвертором тока, в котором выходное напряжение непосредственно свя­зано с нагрузочным устройством. Если ввести регулируемые активные или реактивные эквиваленты нагрузочного устройства на выходе АИТкоторые будут компенсировать изменение сопротивления нагрузочного устройства, то можно регулировать выходное напряжение преобразователя.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока конструктивно более просты, чем преобразователи с непосредственной связью, но имеют меньший КПД из-за двойного преобразования электри­ческой энергии.

Преобразователи частоты с непосредственной связью питающей сети и нагрузочного устройства. Рассматриваемый преобразователь частоты по своему схемному выполнению сходен с реверсивным преобра­зователем (см.рис.5.23). Основным элементом таких преобразователей является встречно-параллельное включение групп тиристоров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режимах. Преобразователи частоты с непосредственной коммутацией бывают с ес­тественной и искусственной коммутацией. Чаще всего эти преобразовате­ли делают с естественной коммутацией. По этой причине частота вы. ходного напряжения меньше, чем частота питающей сети. Это обусловило их широкое применение в электроприводе для частотного р_е„ гулирования скорости двигателя в диапазоне частот ниже частоты сети f =50 Гц, а также для питания ряда мощных электротермических и электротехнологических установок.

Схема преобразователя с естественной коммутацией для преобра­зования тока трехфазной сети с частотой  в ток однофазной сети с частотой  представлена на рис.5.28 (эту схему еще называют трех- фазно-однофазной схемой). В ней имеются две трехфазные схемы вы­прямления.

Одна из них присоединена к фазам трансформатора анодами (VS₁—VS₃) и составляют анодную группу, а другая — катодами (VS₄—VS₆), представляющую катодную группу.

Управляющие импульсы  , поступающие на тиристоры, пооче- редно их открывают. В результате циклической работы тиристоров анодной группы формируется положительный полупериод выходно­го напряжения, а тиристоров катодной группы — отрицательный полупериод.

В итоге на нагрузочном устройстве R_H создается переменное на­пряжение с частотой  более низкой, чем частота питающей сети .

Рис.5.28. Схема (а) и временные диаграммы напряжения (б)преобразова­теля частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией

Управляющие импульсы поступают на тиристоры со сдвигом от­носительно линейных напряжений сети на угол а. Изменяя угол сдви­га а, можно регулировать частоту выходного напряжения. При час­тоте питания сети 50 Гц частоту  можно изменять от 0 до 20 — 25 Гц.Дляисключения постоянной составляющей в выходном напряже­нии работа анодной и катодной групп во времени должна быть иден­тичной.

Преобразователи с непосредственной связью сравнительно про­сты и имеют относительно малые габариты и массу, основные недо­статком является низкое качество выходного напряжения, заключаю­щееся в сильном отклонении от синусоидальной формы. К недостат­кам следует отнести и получение напряжения более низкой частоты, чем частота питающей сети.

При необходимости получения выходного напряжения с частотой , больше напряжения сети  ( требуется применение достаточно сложных схем, в основе которых лежат мостовые трехфазные преобразователи.

КОММЕНТАРИИ К ПРАВИЛЬНЫМ ОТВЕТАМ НА ВОПРОСЫ ГЛ 5

5.1.1.При обрыве одного из диодов мостовой выпрямитель будет работать как однополупериодный. Например, оборван диод VD₂ (см.рис.5.4). В первый полупериод диоды VD₁ и VD₃ будут от­крыты, и в нарузочном резисторе R_H (смрис.5.4) появится ток  Во второй полупериод из-за обрыва диода VD₂ цепь для тока  бу­дет оборвана, т.е.  С появлением следующего полупериода опять появится ток  и далее процессы повторяются.

5.2.1.При подключении фильтра  в каждый полупериод, когда диод открыт, конденсатор заряжается до амплитудного значения . Когда диод закрыт (рис.5.29), конденсатор немного разряжается. Но можно считать при достаточно большой постоянной времени  , что на нем сохраняется напряжение . Для этого момента времени составим уравнение по второму закону Кирхгофа

Для контура m-n-b-aU_c + U_2m = U_o6pm или  = U_о6pm , где U_c=U_2m.

Таким образом, запертый диод находится под удвоенным ампли­тудным напряжением вторичной обмотки трансформатора.

Рис.5.29 К пояснению воздействия обратного напряжения на запертый Диод в однополупериодном выпря­мителе с С-фильтром для ответа на вопрос 5.2

Рис 5 30 К пояснению воздействия обратного напряжения на заперты_е диоды в мостовом выпрямителе с С- фильтром для ответа на вопрос 53

5.3.3.Как видно на рис.5.4, в первый полупериод диоды VD_{1 и}VDз открыты, а диоды VD₂ и VD₄ закрыты. Прямые сопротивления открытых диодов можно считать равными нулю. Тогда в этот мо­мент времени, схема будет выглядеть так, как показано на рис. 5 30

Из этого рисунка видно, что запертые диоды VD₂ и VD₄ находятся под напряжением U_2m. В следующий полупериод закрытые диоды VD_{1 и}VDз так же будут находиться под напряжением U_2m

5.4.2.Для изменения выпрямленного напряжения в выпрямителях применяются трансформаторы, Их габариты и масса тем меньше, чем больше частота, на которой они работают. За счет введения промежуточ­ного звена, в котором частота преобразования увеличивается до 20 кГц — 1 МГц, габариты и масса трансформатора, а также сглажи­вающие LC-фильтры, обычно применяющиеся в таких преобразова­телях, значительно уменьшаются. КПД из-за этого промежуточного звена становится меньше. Наличие большого количества элементов и, следовательно, большого количества соединений между ними умень­шает надежность работы таких ИППН.

5.5.3.Если β = 0, то условие запирания ранее проводившего тирис­тора будет нарушено. Этот тиристор останется в открытом состоя­нии, создав тем самым короткое замыкание (аварийный режим) в цепи вторичная обмотка трансформатора — источник ЭДС Е

5.6.1.Для безаварийной работы АИ необходимо, чтобы ранее от­крытый тиристор надежно запирался. Для этого необходимо, чтобы ток открытого тиристора опережал по фазе напряжение на нем. Это обеспечивается тем, что приведенное к первичной обмотке трансфор­матора сопротивление должно иметь емкостной характер

Глава шестая

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Цифровыми электронными устройствами (ЦЭУ) называют устрой­ства предназначенные для получения хранения и преобразования сред­ствами электронной техники дискретнои информации представляемой цифровыми кодами Прежде чем изучать различные ЦЭУ, познакомимся с элементами математического аппарата, используемого при их постро­ении Его составными частями служат представление о системах счисле­ния и теория булевых функций

6 1 ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ

Системой счисления называют способ изображения произвольного чисча ограниченным набором символов называемых цифрами В десятич­ной системе (ее также часто называют системой счисления с основанием 10) в качестве цифр используются первые десять членов (от 0 до 9) натурального числового ряда Номер позиции, определяющий вес, с которым данная цифра складывается в числе называют разрядом а системы счисления, обладающие отмеченным свойством — позицион­ным и

В общем случае п -разрядное положительное число N в произволь­ной системе счисления с основанием р представляется суммой вида

 (61)

где  — отдельные цифры в записи числа, значения которых равны членам натурального ряда в диапазоне от 0 до (р -1)

При выполнении вычислений цифровыми электронными устроиства- ^Ми используются элементы с двумя устойчивыми состояниями причем в ^честве различных состояний можно рассматривать например, наличие отсутствие напряжения на выходе ЦЭУ По этой причине в цифровой технике широкое распространение получила позиционная двоичная системасчисления (с основанием 2) В каждом двоичном разряде, получившем бальное название бит может стоять одна из двух возможных цифр 1 или 0, сама же запись числа (двоичный код) представляет собой после­довательность из единиц и нулей. В специальных машинно-ориентиро­ванных языках программирования, называемых АССЕМБЛЕРами, в со­мнительной ситуации, запись двоичного числа справа дополняют буквой В, а десятичного числа — буквой Д. Отсутствие какой-либо буквы в конце записи числа означает, что оно записано в десятичной системе.

Веса соседних разрядов двоичного кода числа представляются членами геометрической прогрессии со знаменателем 2, а самый правый разряд двоичного числа (младший бит) имеет вес 1. Например, число 101011 В представляется суммой (6.1) при p=2, т.е. 101011 В = 1· 2⁰ + 1·2¹ + 0·2² + 1·2³ + 0·2⁴ + 1·2⁵ = 43.

Тройки соседних битов справа налево, начиная с младшего бита двоичного числа, образуют триады. Четыре соседних бита называют тетрадой, группу из 8 бит называют б а й т о м, а из 16 бит — машинным словом. Таким образом, в байте содержатся две тетрады (младшая и старшая, расположенная слева от младшей тетрады), а в машинном слове — соответственно два байта (младший и старший, слева от младшего байта). Совокупность из 1024 (2¹⁰) байт называют к илобайто м, следовательно, 1 Кбайт = 1024 байт = 2¹⁰ байт. В свою очередь, 1024 килобайт называют мегабайтом, что приводит к следующим соотношениям 1 Мбайт =1024 Кбайт = 2¹⁰ Кбайт  = 1048576 байт  10⁶ байт + 47 Кбайт. Наконец, 1024 (2¹⁰) Мбайт называют гигабайтом, т.е. 1 Гбайт = 1024 Мбайт = 2¹⁰ Мбайт  = 1048576 Кбайт. Современные персональные ЭВМ могут хранить в своей памяти на жестких магнитных дисках цифровую информацию объёмом в несколько гигабайт.

Арифметические операции в двоичной системе счисления исключи­тельно просты и легко реализуются аппаратно. Так, суммирование двух одноразрядных чисел выполняется следующим образом

0+0=0, 1+0=0+1 = 1, 1 + 1 =1,

где единица слева в последней записи означает перенос 1 в соседний более старший разряд.

Нетрудно убедиться в том, что сдвиг двоичного кода влево на один разряд с записью 0 в младший бит результата соответствует умножению исходного числа на 2, а сдвиг на 1 разряд вправо — выделению целой части результата деления этого числа на 2. Умножение двух произволь­ных двоичных чисел сводится к операциям сдвига и суммирования.

Двоичная система счисления весьма удобна для построения цифровых вычислителей, но непривычна с точки зрения обычного пользователя. Во- первых, запись больших чисел в двоичном коде оказывается более гро­моздкой по сравнению с десятичной системой. Так при помощи л-разряД' ного двоичного кода можно записать максимально 2^п различных пол­ожительных целых чисел (в диапазоне значений от 0 до 2^n-1), в то время как в десятичной системе получаем 10^Л различных чисел. Во-вторых, поскольку человек обычно использует десятичную систему, требуется пересчет двоичных чисел к десятичному эквиваленту и перевод десятич­ных чисел в двоичный код. Пересчет двоичного кода к десятичному эквиваленту выполняют, представляя двоичное число в виде суммы (6.1) и вычисляя полученный результат при р=2 в десятичной системе.

Стремление упростить процедуру пересчета двоичных чисел к деся­тичному эквиваленту при сохранении простоты выполнения арифмети­ческих операций средствами цифровой техники привело к использова­нию д в о и ч н о—д есятичного кода. В этом коде для записи отдельных цифр разрядов десятичного числа используют тетрады их двоичного кода. Например, десятичное число 8521 в двоично-десятичном коде пред­ставляется машинным словом из четырех тетрад

8521 = 1000 0101 0010 0001.

Вместе с тем, наглядность записи чисел в двоично-десятичном коде достигается ценой существенного увеличения количества бит в его записи. В этом смысле двоично-десятичный код по длине записи проиг­рывает даже самому обычному двоичному коду. Так, 16-разрядный дво­ичный код обеспечивает диапазон представления положительных целых чисел от 0 до 65535, а двоично-десятичный код—от 0 до 9999.

Современные ЦЭУ способны оперировать с двоичными числами, количество бит которых достаточно велико (до 80 бит в специальных микросхемах, предназначенных для ускоренного выполнения арифме­тических операций). Конечно, записывать такие длинные числа утоми­тельно, поэтому, как правило, они представляются более компактными записями с использованием шестнадцатеричной системы счисления (с основанием 16). В этой системе используют первые десять членов натурального ряда от 0 до 9, а в качестве остальных цифр — первые шесть латинских букв А= 10, В= 1 К С= 12, D= 13, Е= 14, F=15. При необходимости число шестнадцатеричной системы может справа поме­чаться буквой Н.

Перевод двоичного числа в число системы с основанием 16 и наобо­рот не вызывает особых трудностей. Для этого исходное двоичное число справа налево разбивается на тетрады, а затем содержимое каж­дой из них рассматривается как двоичный код соответствующей цифры Шестнадцатеричной системы. Для обратного перехода каждую цифру Шестнадцатеричной системы заменяют тетрадой соответствующего Двоичного кода.

В качестве примера рассмотрим перевод числа А2706 Н в двоичный код. Каждую из цифр этого шестнадцатеричного числа заменяем тетра­дой двоичного кода, получаем

N=А2706 Н= 1010 0010 0111 0000 0110 В.

Задача 6.1. Найти десятичный эквивалент числа FDEA Н.

Решение. Исходное число записано в системе с основанием 16 (буква Н справа). В соответствии с формулой (6.1) прир=16 имеем

3

Подсчитывая эту сумму в десятичной системе, получаем N=65002 D = 65002.