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          UPS控制電路基礎

          日期: 2021-03-25
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          ??1、理想運算放大器


          ? ? ? ?運算放大器是一種高增益的直接耦合放大器。


          ? ? ? ?它具有高的電壓放大倍數,其典型的開環放大系數一般可達到20萬倍左右。這種器件一般具有兩個輸入端和一個輸出端。其電路符號如圖1-1所示。

          ? ? ? ?其中“+”代表同相輸入端,“-”號代表反相輸入端。
          ? ? ? ?理想運算放大器是指它的各項性能參數指標都等于理想值的放大器。理想運算放大器的主要標志如下:


          ? ? ? ?開環電壓增益系數無窮大;


          ? ? ? ?●輸入阻抗無限大;

          ? ? ? ?●輸出阻抗為零;

          ? ? ? ?●輸入失調電壓為零;

          ? ? ? ?●共模抑制比無限大;

          ? ? ? ?●頻率響應好,頻帶寬度無限大。


          ? ? ? ?理想運算放大器的輸入-輸出特性應滿足下述關系:

          V。=GoL( Vp-Vn)

          ? ? ? ?式中GoL——運算放大器的開環增益系數 ;

          ? ? ? ?? ? ? ? ??Vp——運算放大器同相端的輸入電壓 ;

          ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vn——運算放大器反相端的輸入電壓;

          ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vo——運算放大器輸出端的輸出電壓。

          ? ? ? ?理想運算放大器有以下兩個重要的特性。

          ? ? ? ?①由于運算放大器的開環增益系數GoL為無窮大,所以Vp- Vn= V。/GoL=0 ,即對于理想運算放大器來說,其兩個輸入端之間的電壓差等于零。

          ? ? ? ?②由于理想運算放大器的輸入阻抗為無窮大,所以對理想運算放大器來而言,其輸入偏流和流入(流出)運算放大器輸入端的信號電流都等于零。然而對實際的運算放大器而言,兩個輸入端都存在有從微安到微微安數量級的微小輸入電流。這個電流能弓|起運算放大器的不平衡,從而在運算放大器的輸出端產生電壓輸出。當然輸入偏流越低,運算放大器的不平衡也就越小。早期生產的運算放大器由于偏流較大,往往需要復雜的偏流調零電路。隨著半導體制備技術的飛躍發展,目前生產的絕大多數運算放大器都不再需要附加特別的調零電路,所以使用起來相當方便。

          ? ? ? ?目前常用的運算放大器按其供電方式來講,有單電源供電(典型值為+3 ~ 40V )和雙電源供電( +18V )兩種。在使用雙電源供電運算放大器與其他的單電源供電的MOS器件(例如各種i門電路、觸發器和計數器等)相連接時,務必注意,對于雙電源供電的運算放大器而言,可能會有很大的負信號被送到下一級MOS器件上,因此在電路上應有保護措施。

          ? ? ? ?電壓比較器

          ? ? ? ?由運算放大器構成的各種電壓比較器在小型UPS電源中得到了廣泛應用。它們一般被用于UPS電源的過壓、過流保護電路,脈寬調制控制電路及開關電路中。

          ? ? ? ?電壓比較器的基本功能是將一個輸入電壓同另- -個輸入電壓在電壓比較器的兩個輸入端進行電平比較,圖1-2所示的是一個基本電壓比較器。由于電路處于開環工作模式,因此它的放大倍數很大。

          ? ? ? ?只要在電壓比較器的兩個輸入端之間出現任何微小的電壓差,就會使得運算放大器的電壓輸出達到飽和值。當反相端的輸入電壓比同相端的輸入電壓相對為正電壓時,運算放大器的輸出端將轉向負飽和電壓( -V飽和)。同樣,當反相輸入端的電壓相對于同相端輸入電壓為負時,它的輸出將轉向正飽和電壓(+V飽和)。
          ? ? ? ?在UPS控制電路中,電壓比較器經常被當作電平檢測器來使用,一個不為零的特殊電平可用作電壓比較器的參考基準電平。圖1-3所示的是一個正電平檢測器。它用運算放大器的反相端來測定變化電壓被測電平變化。同相端用一 個電阻分壓器網絡來建立基準電壓( Vret).電阻分壓器接在正電源( +9V )與地之間;鶞孰妷旱拇笮】捎上率絹泶_定:
          ? ? ? ?若將圖1-3中的R2、R3和V1的值代入上式可得:
          ? ? ? ?即同相端對地的電位為+2.8V ,只要反相端電壓低于+2.8V ,運算放大器的輸出就為正飽和電壓+9V。一旦反相端的輸入電壓值大于同相端的參考基準電平+2.8V時,電壓比較器的輸出便轉換成負飽和電壓-9V。這一-變化表明:這個電壓比較器具有檢測反相端的輸入電平是否大于或小于2.8V電平的能力。

          ? ? ? ?同理,如果把電阻分壓器改接到負電源(-9V )與地之間,此時如果仍將變化電壓輸入到電壓比較器的反相輸入端,就構成一個負電平檢測器。在此情況下,Ve對地是-2.8V電平。若反相輸入端的電壓比參考電壓Vre高,則運算放大器的輸出將是一個負飽和電壓-9V。一旦檢測到反相端的電壓比Vref( -2.8V )參考電平還低時,電壓比較器的輸出將立即轉換成正飽和電壓+9V。


          ? ? ? ?電平檢測器也可以設計成用同相端作輸入測定端,而將參考基準電壓加到反相輸入端的電路型式。這時與,上面所討論的檢測器相比,輸出電壓的極性剛好相反。


          ? ? ? ?具有滯后特性的電壓比較器
          ?
          ? ? ? ?中、小型后備式UPS在進行市電供電與逆變器供電之間相互轉換控制過程中,如果市電供電并未中斷,但是由于某種突發原因(如大負載突然并入電網)使電網電壓下降時, UPS將自動地把對負載的供電從市電供電轉換到由蓄電池支持的逆變器供電狀態(目前一般UPS的電壓轉換點定在170V左右)。如果在對輸入交流電壓進行電平檢測時,在控制線路中采用一-般性能的電壓比較器,假若又遇到市電電壓下降到UPS電源的自動轉換切換點附近時,就有可能產生UPS在市電供電與逆變器供電之間進行不正常的頻繁切換的問題,這種頻繁的切換運行會造成對后級負載供電的嚴重干擾。為了避免這個問題產生,一般在UPS電源設計中都采用當市電電網電壓從220V下降到170V時, UPS電源自動地從市電供電轉換到由逆變器供電,但當電網電壓由低變高并.上升到170V時,讓UPS電源仍然處于逆變器供電狀態,即不產生由逆變器供電到市電供電的任何轉換動作,只有當電網電壓上升到180~ 185V時, UPS電源才重新恢復由市電供電。能完成上述轉換功能的比較器有雙極限電壓比較器和帶滯后特性的電壓比較器。

          ? ? ? ?雙極限電壓比較器如圖1-4所示,被檢測的正弦波信號被同時送到運算放大器IC1的反相輸入端和運算放大器IC2的同相輸入端。將基準電壓V送到運算放大器IC1的同相端,基準電壓Vq被送到運算放大器IC的反相端。若電壓V2> V1 ,對運算放大器IC1來說,在t1到t4期間,送到反相端的正弦波電壓值比加在同相端的基準電壓Vz低,所以在運算放大器IC1的輸出端將輸出正飽和電壓V3。同理,對運算放大器IC2來說,在0到tz和t3到tg期間,送到同相端的正弦波電壓值比反相端的基準電壓V高,因此,在運算放大器IC2的輸出端將同樣有正飽和電壓V4輸出。來自運算放大器IC1的電壓V3和來自運算放大器IC2的電壓V4 ,經由二極管VD1和VD2組成的與門輸出,得到一-串脈沖寬度為tz~t, t4~t3, t-…的正脈沖。這樣一串脈沖僅在正弦波電壓大于基準電壓V1、小于基準電壓V2時才出現,從而構成所謂的雙極限電壓比較器。有了雙極限電壓比較器后,就可對市電電網進行瞬時的電平檢測。這是UPS電源能對市電電壓變化產生快速反應的重要基礎。

          ? ? ? ?另外一種特殊電壓比較器是所謂具有滯后特性的比較器。這種比較器的參考基準比較電平是隨比較器的輸入電平變化方向的不同而有所改變的,它的輸入和輸出電壓變化關系如圖1-5( a )所示。

          ? ? ? ?當輸入電壓V;從零上升至電壓V時,比較器的電壓輸出將從高電平V。下降至低電平0V。如繼續增大輸入電壓V,比較器的輸出將一直維持在低電平狀態。相反,假如降低輸入電壓V,當輸入電壓V;下降到V;= V時,比較器的電壓輸出并不會.上升到高電平V。這一點是明顯區別于一般電壓比較器的特殊功能。只有當輸入電壓V下降到Vz時,比較器的電壓輸出才重新返回到高電平V。即比較器輸入電壓的上升轉換點和下降轉換點之間有一個電壓差,這樣在輸入電壓和輸出電壓變化之間形成所謂的滯后特性。

          ? ? ? ?能實現帶滯后特性的電壓比較器的工作原理如圖1-5( b)所示。由電源+ V、電阻R,和穩壓二極管所組成的穩壓線路產生一個參考基準電壓Vz。 電壓Vz被送到此較器的同相輸入端。被測信號Vg經電阻R1和Rj及電位器Rz分壓后再經電阻R5被送到比較器的反相輸入端。這樣一來,就在比較器的反相端輸入一個V控制信號。當輸入信號V;<Vz時,比較器的電壓輸出Vout=V。( 12V的高電平) , 這時二極管VD導通。一旦二極管VD導通,比較器的同相輸入端的參考基準電壓將從電壓Vz上升到Vx :
          ? ? ? ?上式意味著這時的電壓比較器同相端的基準參考電位Vx比VZ要高出一-個OV( OV=Vx-Vz)。只有當輸入電壓V;> V時,比較器的輸出Vout才有可能從高電平轉換到低電平0V。一旦比較器的輸出電壓變為0V ,則二極管VD將從正向導通狀態轉而處于反向偏置狀態,這時比較器同相輸入端的參考基準電壓將從V重新返回到V值。因此,當輸入電壓V從大向小變化,下降到V= Vx值時,電壓比較器的電壓輸出將一直維持在原來的低電平 上,并不發生任何變化。只有當輸入電壓下降到滿足V;< Vz時,比較器的輸出才重新回到高電平V。狀態。
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