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UPS控制电路基础

日期: 2020-02-19 00:58
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       1、理想运算放大器

       运算放大器是一种高增益的直接耦合放大器。

       它具有极高的电压放大倍数,其典型的开环放大系数一般可达到20万倍左右。这种器件一般具有两个输入端和一个输出端。其电路符号如图1-1所示。

       其中“+”代表同相输入端,“-”号代表反相输入端。

       理想运算放大器是指它的各项性能参数指标都等于理想值的放大器。理想运算放大器的主要标志如下:

       开环电压增益系数无穷大;

       ●输入阻抗无限大;

       ●输出阻抗为零;

       ●输入失调电压为零;

       ●共模抑制比无限大;

       ●频率响应好,频带宽度无限大。

       理想运算放大器的输入-输出特性应满足下述关系:
 
V。=GoL( Vp-Vn)

       式中GoL——运算放大器的开环增益系数 ;

                 Vp——运算放大器同相端的输入电压 ;

                 Vn——运算放大器反相端的输入电压;

                 Vo——运算放大器输出端的输出电压。

       理想运算放大器有以下两个重要的特性。

       ①由于运算放大器的开环增益系数GoL为无穷大,所以Vp- Vn= V。/GoL=0 ,即对于理想运算放大器来说,其两个输入端之间的电压差等于零。

       ②由于理想运算放大器的输入阻抗为无穷大,所以对理想运算放大器来而言,其输入偏流和流入(流出)运算放大器输入端的信号电流都等于零。然而对实际的运算放大器而言,两个输入端都存在有从微安到微微安数量级的微小输入电流。这个电流能弓|起运算放大器的不平衡,从而在运算放大器的输出端产生电压输出。当然输入偏流越低,运算放大器的不平衡也就越小。早期生产的运算放大器由于偏流较大,往往需要复杂的偏流调零电路。随着半导体制备技术的飞跃发展,目前生产的绝大多数运算放大器都不再需要附加特别的调零电路,所以使用起来相当方便。

       目前常用的运算放大器按其供电方式来讲,有单电源供电(典型值为+3 ~ 40V )和双电源供电( +18V )两种。在使用双电源供电运算放大器与其他的单电源供电的MOS器件(例如各种i门电路、触发器和计数器等)相连接时,务必注意,对于双电源供电的运算放大器而言,可能会有很大的负信号被送到下一级MOS器件上,因此在电路上应有保护措施。

       电压比较器

       由运算放大器构成的各种电压比较器在小型UPS电源中得到了广泛应用。它们一般被用于UPS电源的过压、过流保护电路,脉宽调制控制电路及开关电路中。

       电压比较器的基本功能是将一个输入电压同另- -个输入电压在电压比较器的两个输入端进行电平比较,图1-2所示的是一个基本电压比较器。由于电路处于开环工作模式,因此它的放大倍数很大。

       只要在电压比较器的两个输入端之间出现任何微小的电压差,就会使得运算放大器的电压输出达到饱和值。当反相端的输入电压比同相端的输入电压相对为正电压时,运算放大器的输出端将转向负饱和电压( -V饱和)。同样,当反相输入端的电压相对于同相端输入电压为负时,它的输出将转向正饱和电压(+V饱和)。

       在UPS控制电路中,电压比较器经常被当作电平检测器来使用,一个不为零的特殊电平可用作电压比较器的参考基准电平。图1-3所示的是一个正电平检测器。它用运算放大器的反相端来测定变化电压被测电平变化。同相端用一 个电阻分压器网络来建立基准电压( Vret).电阻分压器接在正电源( +9V )与地之间。基准电压的大小可由下式来确定:


       若将图1-3中的R2、R3和V1的值代入上式可得:

       即同相端对地的电位为+2.8V ,只要反相端电压低于+2.8V ,运算放大器的输出就为正饱和电压+9V。一旦反相端的输入电压值大于同相端的参考基准电平+2.8V时,电压比较器的输出便转换成负饱和电压-9V。这一-变化表明:这个电压比较器具有检测反相端的输入电平是否大于或小于2.8V电平的能力。

       同理,如果把电阻分压器改接到负电源(-9V )与地之间,此时如果仍将变化电压输入到电压比较器的反相输入端,就构成一个负电平检测器。在此情况下,Ve对地是-2.8V电平。若反相输入端的电压比参考电压Vre高,则运算放大器的输出将是一个负饱和电压-9V。一旦检测到反相端的电压比Vref( -2.8V )参考电平还低时,电压比较器的输出将立即转换成正饱和电压+9V。

       电平检测器也可以设计成用同相端作输入测定端,而将参考基准电压加到反相输入端的电路型式。这时与,上面所讨论的检测器相比,输出电压的极性刚好相反。

       具有滞后特性的电压比较器
 
       中、小型后备式UPS在进行市电供电与逆变器供电之间相互转换控制过程中,如果市电供电并未中断,但是由于某种突发原因(如大负载突然并入电网)使电网电压下降时, UPS将自动地把对负载的供电从市电供电转换到由蓄电池支持的逆变器供电状态(目前一般UPS的电压转换点定在170V左右)。如果在对输入交流电压进行电平检测时,在控制线路中采用一-般性能的电压比较器,假若又遇到市电电压下降到UPS电源的自动转换切换点附近时,就有可能产生UPS在市电供电与逆变器供电之间进行不正常的频繁切换的问题,这种频繁的切换运行会造成对后级负载供电的严重干扰。为了避免这个问题产生,一般在UPS电源设计中都采用当市电电网电压从220V下降到170V时, UPS电源自动地从市电供电转换到由逆变器供电,但当电网电压由低变高并.上升到170V时,让UPS电源仍然处于逆变器供电状态,即不产生由逆变器供电到市电供电的任何转换动作,只有当电网电压上升到180~ 185V时, UPS电源才重新恢复由市电供电。能完成上述转换功能的比较器有双极限电压比较器和带滞后特性的电压比较器。

       双极限电压比较器如图1-4所示,被检测的正弦波信号被同时送到运算放大器IC1的反相输入端和运算放大器IC2的同相输入端。将基准电压V送到运算放大器IC1的同相端,基准电压Vq被送到运算放大器IC的反相端。若电压V2> V1 ,对运算放大器IC1来说,在t1到t4期间,送到反相端的正弦波电压值比加在同相端的基准电压Vz低,所以在运算放大器IC1的输出端将输出正饱和电压V3。同理,对运算放大器IC2来说,在0到tz和t3到tg期间,送到同相端的正弦波电压值比反相端的基准电压V高,因此,在运算放大器IC2的输出端将同样有正饱和电压V4输出。来自运算放大器IC1的电压V3和来自运算放大器IC2的电压V4 ,经由二极管VD1和VD2组成的与门输出,得到一-串脉冲宽度为tz~t, t4~t3, t-...的正脉冲。这样一串脉冲仅在正弦波电压大于基准电压V1、小于基准电压V2时才出现,从而构成所谓的双极限电压比较器。有了双极限电压比较器后,就可对市电电网进行瞬时的电平检测。这是UPS电源能对市电电压变化产生快速反应的重要基础。


       另外一种特殊电压比较器是所谓具有滞后特性的比较器。这种比较器的参考基准比较电平是随比较器的输入电平变化方向的不同而有所改变的,它的输入和输出电压变化关系如图1-5( a )所示。

       当输入电压V;从零上升至电压V时,比较器的电压输出将从高电平V。下降至低电平0V。如继续增大输入电压V,比较器的输出将一直维持在低电平状态。相反,假如降低输入电压V,当输入电压V;下降到V;= V时,比较器的电压输出并不会.上升到高电平V。这一点是明显区别于一般电压比较器的特殊功能。只有当输入电压V下降到Vz时,比较器的电压输出才重新返回到高电平V。即比较器输入电压的上升转换点和下降转换点之间有一个电压差,这样在输入电压和输出电压变化之间形成所谓的滞后特性。

       能实现带滞后特性的电压比较器的工作原理如图1-5( b)所示。由电源+ V、电阻R,和稳压二极管所组成的稳压线路产生一个参考基准电压Vz。 电压Vz被送到此较器的同相输入端。被测信号Vg经电阻R1和Rj及电位器Rz分压后再经电阻R5被送到比较器的反相输入端。这样一来,就在比较器的反相端输入一个V控制信号。当输入信号V;<Vz时,比较器的电压输出Vout=V。( 12V的高电平) , 这时二极管VD导通。一旦二极管VD导通,比较器的同相输入端的参考基准电压将从电压Vz上升到Vx :
       上式意味着这时的电压比较器同相端的基准参考电位Vx比VZ要高出一-个OV( OV=Vx-Vz)。只有当输入电压V;> V时,比较器的输出Vout才有可能从高电平转换到低电平0V。一旦比较器的输出电压变为0V ,则二极管VD将从正向导通状态转而处于反向偏置状态,这时比较器同相输入端的参考基准电压将从V重新返回到V值。因此,当输入电压V从大向小变化,下降到V= Vx值时,电压比较器的电压输出将一直维持在原来的低电平 上,并不发生任何变化。只有当输入电压下降到满足V;< Vz时,比较器的输出才重新回到高电平V。状态。
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