Схема импульсного. Импульсные схемы: принципы работы, виды и применение

Что такое импульсные схемы. Какие бывают виды импульсных схем. Как работают основные импульсные схемы. Где применяются импульсные схемы в электронике. Каковы преимущества использования импульсных схем.

Что такое импульсные схемы и для чего они нужны

Импульсные схемы — это электронные устройства, которые генерируют, формируют или обрабатывают импульсные сигналы. Их основное назначение — создание кратковременных импульсов напряжения или тока заданной формы, длительности и частоты повторения.

Импульсные схемы широко используются в современной электронике для решения следующих задач:

• Управление силовыми полупроводниковыми приборами (тиристорами, симисторами)
• Формирование тактовых сигналов в цифровых устройствах
• Генерация сигналов специальной формы
• Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму
• Импульсное регулирование в источниках питания

Использование импульсных схем позволяет повысить энергоэффективность, уменьшить габариты и вес электронных устройств по сравнению с аналоговыми решениями.

Основные виды импульсных схем

Существует несколько основных типов импульсных схем, которые различаются по принципу работы и назначению:

1. Релаксационные генераторы

Формируют периодические импульсы за счет чередования процессов заряда и разряда конденсатора. Примеры: мультивибраторы, блокинг-генераторы.

2. Триггеры

Имеют два устойчивых состояния и переключаются между ними под действием входных импульсов. Используются для хранения и обработки цифровой информации.

3. Компараторы

Сравнивают два аналоговых сигнала и выдают импульс при достижении заданного соотношения между ними. Применяются в АЦП и системах контроля.

4. Одновибраторы

Генерируют одиночный импульс заданной длительности при поступлении входного сигнала. Используются для задержки и формирования импульсов.

5. Импульсные стабилизаторы

Регулируют выходное напряжение путем изменения скважности импульсов. Обеспечивают высокий КПД преобразования энергии.

Принцип работы релаксационного генератора

Рассмотрим принцип работы простейшего релаксационного генератора на примере схемы с PNPN-диодом:

• Конденсатор C медленно заряжается через резистор R1 от источника питания.
• При достижении напряжения пробоя VBO диод открывается, и конденсатор быстро разряжается через R2.
• После разряда диод закрывается, и процесс повторяется.
• На выходе формируются периодические импульсы напряжения.

Частота следования импульсов определяется постоянной времени заряда RC. Изменяя номиналы компонентов, можно регулировать частоту и скважность импульсов.

Применение импульсных схем в силовой электронике

Одной из важных областей применения импульсных схем является управление силовыми полупроводниковыми приборами — тиристорами, симисторами, GTO-тиристорами. Рассмотрим основные особенности:

• Для включения тиристора необходим короткий импульс тока в цепи управляющего электрода.
• Длительность импульса должна быть достаточной для надежного включения прибора.
• Амплитуда тока в импульсе определяется параметрами конкретного тиристора.
• Для выключения GTO-тиристора требуется отрицательный импульс тока.
• Важна синхронизация управляющих импульсов с фазой сетевого напряжения.

Импульсное управление позволяет эффективно регулировать мощность в силовых преобразователях и инверторах.

Цифровые методы формирования импульсов

В современной электронике широко применяются цифровые методы генерации импульсных сигналов на основе микроконтроллеров. Их основные преимущества:

• Высокая точность и стабильность параметров импульсов
• Простота изменения алгоритмов работы
• Возможность формирования сложных последовательностей импульсов
• Адаптивное управление с учетом различных входных параметров
• Компактность и низкое энергопотребление

Цифровые импульсные схемы позволяют реализовать гибкие алгоритмы управления силовой электроникой, электроприводами и другими устройствами.

Преимущества и недостатки импульсных схем

Импульсные схемы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с аналоговыми решениями:

• Высокий КПД преобразования энергии
• Малые габариты и вес устройств
• Хорошие динамические характеристики
• Простота реализации сложных алгоритмов управления
• Высокая помехоустойчивость

Однако у импульсных схем есть и некоторые недостатки:

• Повышенный уровень электромагнитных помех
• Пульсации выходного напряжения/тока
• Сложность расчета и настройки
• Чувствительность к разбросу параметров компонентов

Правильное проектирование позволяет минимизировать недостатки и в полной мере реализовать преимущества импульсных схем.

Перспективы развития импульсной техники

Импульсные схемы продолжают активно развиваться. Основные тенденции:

• Повышение рабочих частот для уменьшения габаритов
• Применение новых полупроводниковых технологий (GaN, SiC)
• Развитие цифровых методов управления
• Интеграция силовой и управляющей электроники
• Внедрение интеллектуальных алгоритмов работы

Это позволит создавать еще более эффективные и компактные устройства силовой электроники, источники питания, системы управления электроприводами и другие электронные устройства.

СХЕМА ИМПУЛЬСНОГО МД

Представляем ещё одну (в дополнение к многочисленным имеющимся на сайте) конструкцию импульсного металлоискателя. Детали тут недорогие, распространенные, а сама схема взята с буржунета, где судя по отзывам прошла все испытания и получила высокую оценку.

Принципиальная схема импульсного металлоискателя

Этот МД ищет металлы с помощью импульсной индукции, то есть каждый импульс генерирует магнитное поле и если рядом находится металл, то он индуцирует противоположное по полярности поле, которое фиксируется детектором. Немало глубинных заводских детекторов металла также работают по принципу PI. 

Что касается схемы, главное ее преимущество перед другими самодельными детекторами в том, что нет программируемого микроконтроллерра, то есть спаяйте деталей без ошибок и всё заработает. Ток потребления в пределах 100-200 мА, что зависит от частоты, она регулируется PR2. Обращайтесь с этим осторожно, так как легко сжечь транзистор T1. Регулятор PR1 контролирует частоту звукового сигнала.

Также следует помнить о сопряжении резисторов на микросхеме CD4011 (4093), поскольку это влияет на стабильность работы металлоискателя. Использование аккумулятора 12 В 1,3 Ач даст до 8 часов автономной работы. 

Катушка для импульсного металлоискателя

Катушка может быть разных диаметров, наиболее предпочтительно где-то между 22 и 30 см, а проволока её имеет толщину около 0,5 мм. Большие катушки видят большие объекты глубоко, но не видят малые. Маленькие видят маленькие вещи, но не глубоко.

В данном случае сделана поисковая катушка самая простая – в форме круга. Сопротивление катушки должно составлять около 1,5-2 Ом примерно 17 витков. При более низком импедансе появляется риск вылета T1, для него было бы неплохо установить радиатор.

Следующим шагом было изготовление катушки. Вырезано два круга из куска тонкой ламинированной фанеры и приклеено к одному из них 5 блоков ДСП толщиной 10 мм (такой длины и в таком месте, чтобы обе катушки опирались на них).

Затем изготовлен держатель рамки из тонкого стеклопластика. В одном из кругов, вырезаны два продолговатых отверстия для размещения рукоятки, которые затем приклеены с помощью поксипола и отверстие для проволоки во внутренней катушке. 

Следующим шагом была укладка и склеивание катушек, а также подключение и размещение экранированных кабелей. Пришло время приклеить второй диск через 5 видимых блоков. После высыхания клея зазоры по бокам были покрыты замазкой из стекловолокна. Сглажены неровности обычной машинной замазкой, затем покраска в черный цвет.

Экран катушки PI не должен образовывать замкнутый контур и должен быть как можно более тонким – тогда он не оказывает негативного влияния и преимущества его использования это избавление от шума и паразитных наводок. 

Хотя экранирование катушек не является таким уж необходимым. Кабель может быть даже от телевизора, важно, чтобы жилы были толще провода катушки. Экранированный кабель просто менее удобен в установке.

Зонды оказывают отрицательное влияние, если разница диаметров слишком мала. Что касается продолжительности работы металлоискателя, дольше всего работал прибор непрерывно часа 3 без выключения. Динамик нужен как минимум на 8 Ом, тут использован от старого мобильного, плюс добавлен разъем для наушников.

На передней панели установлено 4 потенциометра, один для уровня звука, другой для частоты звукового сигнала и для более точной настройки частоты ещё 2, как показано на схеме. Чтобы сделать работу более удобной, установите зарядные клеммы и переключатель: источник питания – выкл – зарядка, а также предохранитель и светодиод.

Хорошо собранный детектор должен улавливать монету примерно с 30 сантиметров (с катушкой 30 см). Конечно это чуйка в лабораторных условиях. В полевых, при размахе катушки практически нет шансов найти мелочь на 30 см вглубь – слишком низкая частота импульсов. Детектор не сможет обработать информацию о найденном объекте.

   Форум по МД

Схема импульсного блока питания — четыре версии на чипе IR2153

Содержание

1. Схема импульсного блока питания — 4 рабочие схемы
2. В общем начнем пока с так называемого «высоковольтного» блока питания:
3. Теперь рассмотрим следующий блок питания:
4. Теперь третья схема импульсного блока питания на мощных полевых транзисторах IRFP460:
5. Четвертая схема импульсника:

Схема импульсного блока питания, но не одна, а сразу четыре. В этом материале будет представлено вам несколько схем импульсных источников питания, выполненных на популярной и надежной микросхеме IR2153. Все эти проекты были разработаны известным пользователем Nem0. Поэтому я здесь буду писать от его имени. Показанные здесь все схематические решения были пару лет назад лично автором собраны и протестированы.

Но вот сейчас, в середине 2018 года, автор решил вновь предложить их вам для повторения, схемы абсолютно рабочие. В данной статье к сожалению не каждая схема имеет для наглядности фото уже готового прибора, но это пока все, что есть.

В общем начнем пока с так называемого «высоковольтного» блока питания:

Схема традиционная, которую использует Nem0 в большинстве своих конструкций импульсников. Драйвер получает питание напрямую от электросети через сопротивление. Это в свою очередь способствует уменьшению рассеиваемой на этом сопротивлении мощности, сравнительно с подачей напряжения от цепи 310v. Схема импульсного блока питания располагает функцией плавного включения напряжения, что существенно ограничивает пусковой ток. Модуль плавного пуска запитывается через конденсатор С2 понижающий сетевое напряжение 230v.

В блоке питания предусмотрена эффективная защита предотвращения короткого замыкания и пиковой нагрузки во вторичном силовом тракте. Роль датчика тока выполняет постоянный резистор R11, а регулировку тока срабатывания защиты выполняется с помощью подстроечника R10. Во время отсечки тока защитой, начинает светится светодиод, сигнализирующий о том, что защита сработала. Выходное двух полярное выпрямленное напряжение составляет +/-70v.

Трансформатор выполнен с одной первичной обмоткой, состоящей из пятидесяти витков, а 4 вторичные обмотки, содержат по двадцать три витка. Диаметр медной жилы и магнитопровод трансформатора расчитываются в зависимости от заданной мощности определенного блока питания.

Теперь рассмотрим следующий блок питания:

Эта версия блока питания во много схожа с описанной выше схемой, хотя в ней имеется существенное отличие. Дело в том, что здесь напряжение питания на драйвер поступает от специальной обмотки трансформатора, через балластный резистор. Все остальные компоненты в конструкции практически одинаковы.

Мощность на выходе этого источника питания обусловлено как характеристикой трансформатора и параметрами микросхемы IR2153, но и ресурсом диодов в выпрямителе. В данной схеме были задействованы диоды КД213А, у которых обратное максимальное напряжение 200v и прямой максимальный ток 10А. Для обеспечения корректной работы диодов при больших токах, их нужно устанавливать на радиатор.

Отдельного внимания заслуживает дроссель Т2. Наматывают его на совместном кольцевом магнитопроводе, в случае необходимости можно использовать другой сердечник. Намотка делается эмаль-проводом с сечением рассчитанным согласно току в нагрузке. Также и мощность импульсного трансформатора определяется в зависимости от того, какую выходную мощность вы хотите получить. Очень удобно делать расчеты трансформаторов с помощью специальных компьютерных калькуляторов.

Теперь третья схема импульсного блока питания на мощных полевых транзисторах IRFP460:

Этот вариант схемы уже имеет конкретную разницу относительно предыдущих моделей. Главные отличия, это система защиты от КЗ и перегруза здесь собрана с использованием трансформатора по току. И есть еще одна разница, это наличие в схеме пары предвыходных транзисторов BD140. Именно эти транзисторы дают возможность отрезать большую входную емкость мощных полевых ключей, относительно выхода драйвера.

Есть еще маленькое отличие, это гасящий напряжение резистор, относящейся к модулю плавного включения, установлен он в цепи 230v. В предыдущей схеме он расположен в силовом тракте +310v. Кроме этого в схеме имеется ограничитель перенапряжения, служащий для гашения остаточного импульса трансформатора. Во всем остальном никаких различий между приведенными выше схемами у этой больше нет.

Четвертая схема импульсника:

В этой схеме все упрощено до придела, здесь нет защиты от короткого замыкания, но собственно она не особо и нужна. В этом варианте блока питания, ток на выходе вторичной цепи 260v уменьшается на сопротивлении R6. Резистор R1 обрезает пиковый ток при пуске, а также сглаживает сетевые искажения.

Скачать: Дополнительные файлы

аккуратная маленькая схема генератора импульсов, которая мне нравится

Обновление (11 октября 2015 г.): Я добавил свой файл схемы и список соединений на случай, если вы захотите поиграть с этой схемой в своей локальной установке LTSpice. Это бесплатно, так что вы тоже можете!

Я медленно изучал книгу Горовица и Хилла Art of Electronics, 3-е издание , чтобы освежить и усовершенствовать свои знания в области аналоговой электроники. Большая часть моей профессиональной жизни связана со сборкой сложных ИС, и недостаточно со строительными блоками электронных схем. Я решил, что возьму более поучительные примеры из AoE и опубликовать здесь мою работу над ними. Ожидайте немного сухой прозы, несколько нацарапанных заметок на инженерной бумаге и, возможно, симуляцию или две, как я считаю нужным. (В настоящее время я использую LTSpice для Mac, но я не в восторге от него. Есть предложения?!)

Простой генератор импульсов

Рис. обеспечить быстрый импульс на выходе Vout при стимуляции нарастающим фронтом на Vin.

###Примечания по условиям постоянного тока

• Q1 выключен, что означает, что V _Q1-C равно 5 В.
• Q2, однако, включен. Это помещает V _Q2-B примерно на 0,7 В, а V _Q2-C /V _Out на землю.
• Обратите внимание, что состояния включения/выключения транзисторов Q1 и Q2 в совокупности создают напряжение около 4,3 В на конденсаторе C1.

###AC Анализ Предположим, мы стимулируем V _в с нарастающим фронтом 5V. Это включит Q1, скорость которого ограничена только временем включения этого транзистора. Важно выбрать R1 таким образом, чтобы вы могли гарантировать переход Q1 в состояние насыщения; мы хотим, чтобы этот транзистор был включен, когда V _в зашкаливает!

Это быстрое включение Q1 приведет к снижению напряжения коллектора, V _Q1-C , на землю. Обратите внимание на состояние постоянного тока C1 — он все еще сохраняет заряд ~ 4,3 В, который он приобрел, пока схема находилась в устойчивом состоянии. В результате напряжение V _Q2-B теперь составляет -4,3 В, отключая Q2 и возбуждая V _Out до +5 В. Вы заметите, что когда V _Q1-E находится на земле, комбинация R3 и C1 эффективно образуют RC-цепь с начальным состоянием V 9{\ frac {t} {\ tau}} \] \ [ln \ big (\ frac {1} {0,462} \ big) = \ frac {t} {\ tau} \ Rightarrow ln \ big (\ frac {1) }{0,462}\big) * \tau = t = 0,722 \tau\] \[0,722 \tau \приблизительно R3C1\]

По сути, это показывает нам, что мы можем установить время включения импульса, используя R ₃ и C ₁ аналогичны выбору значений для RC-цепи. Прохладный!

Примечания по характеристикам переменного тока

Первое, что предполагает эта схема, это то, что V _в будет работать на высоком уровне и оставаться на высоком уровне. Что произойдет, если входной импульс короче, чем R3 * C1?

Рисунок 2: Выходной сигнал генератора импульсов, где Vin имеет высокое значение меньше, чем Tau

Моделирование выше показывает представление LTSpice того, что происходит с этой схемой, когда входной импульс меньше постоянной времени. Выходной импульс, в свою очередь, укорачивается — как только Q1 вернется в нормальное выключенное состояние, заряд C1 будет поляризован в направлении, противоположном установившемуся постоянному току. Это просто поможет шине 5 В удерживать Q2 во включенном состоянии и укорачивать выходной импульс. Что, если мы хотим пульс в V _вместо , длина которого всегда R3 * C1? Нам нужно отделить вывод от ввода. Этого легко добиться с помощью другого транзистора, который контролирует выход схемы.

Рис. 3. Генератор импульсов с гарантированной шириной импульса

Q3 служит для удержания V _Q1-C на земле при обнаружении нарастающего фронта в основании Q1. Пока входной импульс не меньше времени включения транзистора Q1, схема будет работать правильно. Это связано с тем, что после того, как Q1 успешно загнал V _Q1-C на землю, Q3 также будет включен, обеспечивая еще один путь для удержания цепи R3/C1 на земле. Рисунок 4 показывает это улучшение ширины выходного импульса.

Рис. 4. Выход генератора импульсов с гарантированной шириной выходного сигнала

Добавление Q3 немного упростило прогнозирование работы схемы, позволив нам изменить ширину импульса, изменив значения C1 и R3. Однако это была не серебряная пуля. Рисунок 4 показывает, что спадающий фронт импульса не такой резкий, как нарастающий фронт. В начале спада имеется отчетливо закругленный угол, который является результатом плавного перехода напряжения R3/C1 через напряжение включения Q3. Мы мало что можем сделать с этой схемой, чтобы ускорить этот переход, не влияя на ширину импульса. Вместо этого нам нужно изменить мощность выходного привода с помощью еще одного небольшого дополнения.

Рисунок 5: Выход генератора импульсов с выходом триггера Шмитта

Этот выходной каскад представляет собой триггер Шмитта, представляющий собой удобную небольшую схему для очистки медленных или шумных переходов фронтов. Переход к моделированию показывает, что это помогло нам:

Рисунок 5: Выход генератора импульсов с выходом триггера Шмитта

Все это хорошо, но вы никогда не будете использовать эту схему в реальном приложении. Почему? Власть! Проверьте ток только через R8. Эта одиночная ветвь цепи достигает пика около 9мА при включенном Q5. Большинство современных микросхем потребляют гораздо меньше тока, чем 9 мА. Многие современные устройства DRAM — компоненты с миллиардов транзисторов — потребляют менее 100 микроампер в состоянии самообновления. Тем не менее, это забавная небольшая схема, и ее достаточно легко построить в поучительных целях.

Благодарности

Я взял эту схему и ее усовершенствования из превосходной книги Горовица и Хилла Art of Electronics, 3-е издание . Вы можете проверить это на странице 77.

⤧  Следующая запись Прошивка микроконтроллеров Freescale без Kinetis Design Suite ⤧  Предыдущая запись Неудобные истины NAND Flash

Знакомство с импульсными схемами — инженерные знания

Привет, друзья, добро пожаловать в новую публикацию. В этом посте мы подробно рассмотрим Introduction to Pulse Circuits. Назначение любого сигнала не в том, чтобы передавать данные, а информация также поясняет об этом работу какой-либо схемы. Работу любой схемы можно понять по сигналу, который она генерирует через схему.

В этом посте мы рассмотрим различные импульсные схемы и различные параметры, связанные с импульсными схемами. Итак, давайте начнем с Введение в импульсные схемы

• Тиристор SCR GTO и TRIAC обычно работают за счет использования импульса тока на своих затворах. Все эти компоненты подробно обсуждались в предыдущих постах.

• Для создания регуляторов мощности обязательно предлагать некоторые методики создания и подачи импульсов на затворы таких модулей в определенное время на устройства.
• При этом необходимо предложить определенные методики формирования и подачи отрицательных сигналов на затворы тиристоров ГТо в определенные моменты времени для срабатывания.
• Существует множество методов генерации импульсов напряжения и тока. Их можно разделить на 2 основных типа: аналоговые и цифровые.
• Схема производства аналоговых импульсов использовалась при создании твердотельных элементов управления машинами.
• Обычно они зависят от таких компонентов, как диод PNPN, который имеет вольт-амперные характеристики с отдельными непроводящими и проводящими областями.
• Переход из непроводящей в рабочую зону компонентов осуществляется для создания импульса напряжения и тока.
• Основная схема генерации аналоговых импульсов Ceratin описана ниже.
• Такие схемы называются релаксационными генераторами.
• Схема формирования цифровых импульсов очень часто используется в твердотельных накопителях.
• Как правило, они состоят из микрокомпьютера, который реализует программу, исполняемую в ПЗУ.
• Компьютерная программа может использовать различные входные данные для использования точного времени для создания импульсов. Например, он может принимать во внимание требуемую скорость двигателя, реальную скорость двигателя, скорость, с которой она увеличивается или уменьшается, и определенное значение ограничения напряжения или тока в выводах времени для создания импульсов.
• Входные данные, которые принимаются во внимание, относительный вес, придаваемый входным данным, обычно можно изменять путем регулировки переключателей на печатных платах микроколяски, создавая схемы твердотельных приводов с цифровыми схемами генерации импульсов, являются изменяемыми
• Здесь можно увидеть обычную цифровую плату производства импульсов через индукционную швартовку с широтно-импульсной модуляцией.
• Генерация импульсов для срабатывания SCR, Triac и GTO — сложный процесс твердотельных регуляторов мощности. Основные аналоговые схемы можно увидеть здесь, экземпляр одной из наиболее распространенных категорий схем генерации импульсов, которые встречаются чаще.

Релаксационный генератор с использованием PNPN-диода

• На приведенном ниже рисунке показана схема релаксационного генератора, созданная с помощью PNPN-диода.

• Для создания этой схемы должны быть какие-то параметры. Они упоминаются здесь.
• Напряжение источника питания VOC должно быть больше, чем VBO для диода PNPN.
• VDC/R1 должно быть меньше IH для диода PNPN
• Значение сопротивления R1 должно быть больше, чем R2
• Когда переключатель в схеме замкнут, конденсатор C будет заряжаться от сопротивления R1 с временным интервалом T=R1C.
• Напряжение на созданном им конденсаторе станет больше, чем включается диод VBO и PNPN.
• При включении диода PNPN конденсатор разряжается.
• Разрядка будет происходить очень быстро, так как R2 меньше, чем R1. Когда конденсатор разрядится, диод PNPN включится, так как установившийся ток, проходящий через R1, меньше, чем ток IH, проходящий через диод PNPN.
• Напряжение на конденсаторе и результирующие выходное напряжение и ток можно посмотреть здесь

• Время таких импульсов можно изменять с помощью сопротивления R1, предположим, что сопротивление R1 уменьшено. Тогда конденсатор будет заряжаться с высокой скоростью и сработает диод PNPN.
• Таким образом, импульсы будут близки к каждому

 

• Эту схему можно использовать для срабатывания тиристора за счет устранения сопротивления R2 и соединения клеммы затвора тиристора в его положении.

• В качестве альтернативы импульс может быть подключен к SCR от трансформатора, как показано здесь.

• ЕСЛИ для запуска SCR или симистора требуется большой ток затвора, то импульс может быть усилен за счет показанной ей дополнительной фазы транзистора.

• Аналогичную базовую схему можно создать, используя DIAC вместо диода PNPn.

 

• Он будет работать вышеуказанным способом.

Что такое импульсная синхронизация

• В приложениях переменного тока важно, чтобы запускающий импульс подавался на управляющий SCR в одном и том же месте в течение каждого цикла переменного тока.
• Этот метод обычно используется для синхронизации импульсной схемы с питанием от сети переменного тока и SCR.