Цифровое устройство для коммутации симистора

(56) 1. АвторсР 875592, кл,2АвторскР 826551, кл. 4-0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХОМИТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ Бюл. Р 32тов, В.В. Крыловв27(088,8)кое свидетельство СССРН 02 Р 13/24, 1979.е свидетельство СССРН 02 Р 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 В 5-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, шестьюдиодами, а блок сравнения включаетдва компаратора с подключеннымина их выходе управляемыми ключами,выходы которых объединены и предназначены для подключения к управляющему электроду симистора, причемвход инвертора полярности подключенк средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляющему входу первого управляющегоключа и первому входу элемента 2ИЛИ-НЕ, выход инвертора через второй диод подключен к управляющемувходу второго управляемого ключаи к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕвыход которого через третий диодподключен к инвертирующему входупервого компаратора и через инвертор и четвертый диод к прямому входу второго компаратора, выход задатчика тока нагруэйи через пятыйдиод подключен к инвертирующемувходу первого компаратора и черезшестой диод к неинвертирующему входувторого компаратора, а выход преобразователя кода подключен к объединенным неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующемувходу 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 1 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.ЪВ укаэанном устройстве формироваи ние выходного импульса задержан 5Вного на время, соответствующее кодуфазового сдвига, осуцествляется спомощью регистра записи кода фазово- го сдвига, блока сравнения и двоич 10ного счетчика текущего значениякода фазового сдвига, а распределение импульсов на тиристоры осуществляется с помощью ключа, триггерауправления ключем, системы распределения импульсов, дешифратора Ц .15 Однако устройство для коммутациисимистора, управляемого двухполярными импульсами тока при соответствующей полярности на аноде-катоде,затрудняет воэможность согласованияс цифровой информацией и не обеспечивает точность позиционированиясистемы, где устройство используется.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсяустройство для импульсно фазовогоуправления, содержащее блок синхронизации, вход которого предназначендля подключения через реэистивныйделитель к питающей сети, а выходк соответствующим входам преобразователя кода числа в уровень напряжения, выполненный в виде временногораспределителя, включающего в себясчетчик с дешифратором и ВБ-тригге 35ры, подключенные к входам элемента3 ИЛИ и выходом дешифратора, выходыкоторого подключены к входам блокасравнения, генератор заполняющих .импульсов, выход которого подключенк соответствующему входу указанного40 преобразователя, задатчик тока нагрузки2 ).Однако в связи с тем, что устройство для импульсно-Фазового управления с сопряженной ЭВМ работает в45 реальном масштабе времени, для рядабыстротекущих процессов с обратными связями его быстродействие недостаточно из-эа длинных линий связи, которые можно упразднить еслиосуществлять логические операциипреобразования в одном автономномблоке. Это снизит переходное волновое сопротивление, емкость монтажаи т.д. При этом быстродействие может быть улучшено дополнительно,если увеличить ток "поджига" тиристоров симистора), что согласнодиаграмм находится в нелинейнойфункциональной зависимости с увеличением быстродействия на порядок 60 при предельных значениях тока "под.жига" в сравнении с минимальнымитоками.Пель изобретения - увеличениебыстродействия и упрощение устрой 65 ства.Поставленная цель достигается тем, что цифровое устройство для коммутации сифистора 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 предназначеныдля подключения к управляюцему электроду симистора, причем вход инвертора полярности подключен к средней точке резистивного делителя и через первый диод к управляюцему входу первого управляемого ключа и первому входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, выход инверторачерез вто- рой диод подключен к управляющему входу второго управляемого ключа и к второму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ, выход которого через третий диод подключен к инвертируюцему 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, поясняюцие 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 уставкезадатчика на потенциал (+ СЗЭ),- диаграмма переменного напряжения питания частотой Г, где Х диапазон изменения угла "поджига" симистора при возникновении фазового рассогласования в одну сторону .69 ) и- диапазон функционально зависимым от скорости изменения фазового рассогласования8 ч- д- В и Г - диаграммы состоян й компараторов в соответствии с диаграммой.Д,Устройство для цифровой коммутации симистора содержит (,Фиг, 1 ) генератор 1 заполняющих импульсов,счетчик 2 формирования номинального"поджига" симистора, преобразователи 3-5 кодовой комбинации чисел вуровень напряжения, компараторы 6.и 7, элемент 2 ИЛИ-НЕ 8, диодные 5 матрицы 9 и 10, задатчик 11 токанагрузки, инвертор 12, управляемыеключи 13 и 14, резистор 15 управляющего электродасимистора 16, элемент.ИЛИ 17, нагрузку 18, резистивный дели тель включающий резисторы 19 и 20, детектор 21 нуля, инвертор 22 полярностипитающего напряжения переменноготока, диодную матрицу 23 с диодами24 и 25, при этом каждый преобра эователь кодовой комбинации чиселв уровень напряжения (;фиг,. 3) включает дешифратор 26, триггеры 27271 и подключенный к выходам триггеров многовходовый элемент ИЛИ 17.. Детектор 21 нуля служит для формирования строб-импульса при переходе питающего переменного напряжения через нуль (фиг. 2, Г) . Этимимпульсом производится сброс счетчика 2 формирования номинального"поджига", а также установка триггеров преобразователя 3 в исходноесостояние в начале каждого полупериода.Генератор 1 заполняюцих импульсовобеспечивает заполнение счетчика 2формирования номинального "поджига".после каждого сброса этого счетчикапо Р входу.Преобразователи 3-5 служат для 35 преобразования кодовой комбинациичисел на триггерах счетчиков (нафиг. 1 изображен только счетчик 2номинального "поджига") в ступенчато возрастающий уровень напряжения 40 (фиг.2, Л) , который сравниваетсяна комйараторах б и 7 с уровнем(,03 э), - напряжения задатчика 11тока нагрузки 18. Компаратор б обеспечивает коммутацию симистора 16через открытый только в положительные полупериоды (фиг. 2 5 и Г )управляемый ключ 13, а компаратор7 - отрицательными импульсами черезоткрытый только в отрицательные полупериоды ( фиг. 2 б и В), управляемый ключ 14, элемент 2 ИЛИ-НЕ 8при коммутации симистора 16 по каналу обратной связи, включавшегодиодную матрицу.23 и инвертор 22полярности, формирует "1" - импульс,возвращающий компараторы б и 7в исходное состояниеЭтим обеспечивается отсечка управляющего токасимистора 16 при его "поджиге". Устройство для цифровой коммутации симистора работает следующимобразом.При переходе синусоиды питающего напряжения частотой (фиг. 1 ) через5 нуль детектор 21 нуля вырабатывает1039005 20 30 35 40 45 50 60 65 строб-импульс, которым счетчик 2формирования номинального "поджига"обнулен, а также триггеры преобразователя 3 кодовой комбинации чиселв уровень напряжения. С окончаниемстроб-импульса счетчик 2 заполняется импульсами генератора 1, а упомянутый преобразователь 3 вырабатывает ступенчато возрастающий уровень( фиг. 2, А) . Пусть два других преобразователя 4 и 5 с групповыми числовыми входами Х и У обеспечиваютнулевуюинформацию. На сравнивающиевходы компараторов б и 7 поступаютуровни напряжений: ступенчато возрастающий ( фиг. 2, Д) и постоянный 15.уровень напряжения+ О, с выходазадатчика 11. В исходном состоянии компаратор б находится в минус-состо. янии (фиг, 2, Г), так как напряжение + О приложено к его инвертирующему входу, а ступенчато возрастающее напряжение ( + Остп ) до момента, когда (+ О д)станет равным ( + О 3 р), лриложейо к неинвертирующему входу.После достижения равенства (+ О= + О) комларатор б переходит в плюс-состояние (фиг, 2, Г), обеспечивая коммутацию симистора 1 б 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 б 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 13и 14 в соответствии с полярностью на электродах симистора 16 обеслечивается цепью, состоящей из резистора 19, инвертора 22 полярностии 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 инвертированияположительного импульса в течениевсего полупериода, что обеспечиваетзакрытое состояние ключа 14. Послекоммутации симистора 16 в точке М(, Фиг. 2 Д 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 Ь)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 Кфиг. 2, й) аналогично рассмотренному циклу коммутаций в положительный полупериод.Широтное положение точки ф коммутации симистора ( фиг. 2, Г ) при выбранной частоте генератора заполняющих импульсов и емкости счетчика 2 формирования номинального "поджига" определяются уровнем напря. жения ( 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 "Х-счетчика" срабатывают триггеры 27-27 слева направо (Фиг. 3). Поскольку потенциал питания каждого последующего триггера больше преды-; дущего О О 1 7 О) О то на выхоДе многовходового элемента ИЛИ 28 будет ступенчато нозрастающий потенциал ( ступенчато уменьшающийся,управление "поджигом" симистора существенно увеличивает точность позиционирования, делая его прецеэионным, если закон регулированиядля 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 рядпреобразователей, вырабатывающихступенчато возрастаюций или убываюций уровень и подключаемых либодля .увеличения Х-вектора, либо дляувеличения У-вектора (демпфирование). Так осуц 1 ествляется цифровоеуправление "поджигом" симистора посложному закону, соответствующемуконкретному случаю.Суммирование вычитаниев устройстве осуществляется на общейшине выхода преобразователей беэвлияния преобразователей друг надруга из-эа высокого обратного со-противления элементов ИЛИ и по существу беэ явно выраженного сумматора.Цифровое управление отличаетсявысокой линейностью и некритичнок изменениям внешних условий. В сравнении с управлением "по вертикальному" способу .с использованием зарядной емкости оно выгодно отличается в тех случаях, когда требуетсяосуществлять прецезионное позиционирование технологического процесса,и в случаях, когда имеют местобыстрые ( электронные) процессы снеобходимостью отработки расширенных фазовых рассогласований. Увеличивается надежность коммутации симистора эа счет отсечки тока управ-ления.Технико-экономические показателипредлагаемого устройства, в част-ности для случая регулирования токалуча электронно-лечевого испарителяматериалов, состоит в улучшениикачества регулирования тока лучаи прецезионного испарения оптическихпокрытий если последовательность 0,О, л(, фИ0 оПри объединении шин выхода двухпреобразователей на общей объединенной шине происходит арифметическоесуммирование ( вычитание ) уровней,что смещает точку 1 (Фиг. 2, Д) вширотном диапазОне полупериода синусоиды ( Фиг, 2, б ), изменяя по-тенциал на соответствующих входахсравнения компараторов б и 7.Для. "У-счетчика" преобразователь5 обеспечивает смещение точки Мв противоположном направлении, таккак смещает потенциал на другомвходе каждого из упомянутых компараторов.Это содействует избирательномудействию системы регулирования:при возникающей отработке фазовогорассогяасования в сторону уменьшения фазового сдвига последний, пропорциональный числу, накопленному"Х-счетчиком", изменяется в зависимости от величины вектора УФиг, 2, о): если скорость изменения фазы большая, то вектор Убольшой, а фаза "поджига заполнение синусоиды, фиг. 2 Б) малая супреждением против "перебега" (иколебательности),30Если скорость изменения фазовогорассогласования малая, то вектор 1также сравнительно мал (или равеннулю)- имеет место интенсивная отработка за счет большого "заполнения" полупериода синусоиды (фиг.2 ИЭто увеличивает интенсивность отработки рассогласования и увеличивает вектор У при подходе системык состоянию синфазности - номинальному "поджигу", векторобеспечива 40ет "упреждающее заполнение", ока-.зывая "тормозящее" влияние противперебега, выполняя роль демпфера,Таким образом, имеет место противодействие колебательности процесса 45регулирования с "гибкой" обратнойсвязью заполнения синусоидн с учетомвеличины фазового сдвига (Ь 9) искорости его измененияТакое(орректор О. т Закаэ 6239 у 5 4 Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная СоставительТехред И.Га Тираж 687 В Н И П П Государствепо делам изобрет 113035, Иосква, )ногоний5, Р Подписноеомитета СССРоткрытийнская наб., д