Omezovače
1.
Omezovače Čas ke studiu: 15 minut Cíl
Po prostudování tohoto odstavce budete umět
•
definovat pojmy: jednostranný, oboustranný, symetrický, nesymetrický omezovač
• •
popsat činnost omezovače amplitudy a strmosti samostatně změřit zadanou úlohu
Výklad Omezovače patří mezi základní stavební prvky většiny regulačních obvodů. Nejčastěji se můžeme setkat se dvěma základními typy: omezovače amplitudy a omezovače strmosti signálu.
1.1. Omezovače amplitudy Omezovače amplitudy se používají v regulačních obvodech například pro úpravu signálu na vstupu nebo výstupu regulátoru. Důsledkem je potom omezení regulované hodnoty (např. otáček, proudu, napětí) na určitou mez . Činnost omezovače je jednoduše pochopitelná z obr. 1, který znázorňuje časový průběh napětí při použití jednostranného (a) a oboustranného (b) omezovače.
Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy V řídicích obvodech se nejčastěji používá zapojení, jehož blokové schéma a statická převodní charakteristika jsou na obr. 2. 1
Omezovače
Obr. 2 Oboustranný omezovač Uvedené zapojení se skládá z proporcionálního členu, v jehož zpětné vazbě jsou zapojeny dva komparátory. Komparátory porovnávají výstupní napětí P-členu s omezujícími napětími +Uom, -Uom. Pokud je výstupní napětí P-členu -Uom < Uo < +Uom, jsou obě diody D1, D2 polarizovány závěrně, zpětná vazba je rozpojena a výstupní napětí není ovlivňováno. Když napětí Uo dosáhne hodnoty +Uom, komparátor K1 překlopí, dioda D1 se otevře a výstupní napětí P-členu je udržováno na konstantní hodnotě. Komparátor K1 nyní pracuje jako regulátor napětí na žádanou hodnotu +Uom. Obdobně pracuje omezovač,pokud napětí Uo < -Uom. Velikostí napětí +Uom, -Uom lze řídit hodnotu omezení výstupního signálu. Jedná se tedy o omezovač řízený. Pokud omezující napětí jsou v absolutní hodnotě stejná, mluvíme o symetrickém omezovači. V opačném případě o omezovači nesymetrickém. Místo P-členu je možno použít jakýkoli jiný regulátor (PI, PD, PID), přičemž funkce omezovače zůstane nezměněna. Sklon převodní charakteristiky (obr. 2) je dán zesílením příslušného regulátoru. Praktické zapojení regulátoru je na obr. 3. P-člen je tvořen operačním zesilovačem U1, komparátor K1 zesilovačem U2, komparátor K2 zesilovačem U3. Výstupní zesilovač U4 pracuje jako invertor. Jeho použití v daném zapojení je zvoleno proto, aby souhlasila fáze (resp. znaménka) vstupního a výstupního signálu.
2
Omezovače
Obr. 3 Schéma zapojení oboustranného řízeného omezovače
Zadání 1)
U předloženého vzorku omezovače pomocí generátoru a osciloskopu ověřte jeho činnost
2)
Změřte a graficky znázorněte statickou převodní charakteristiku omezovače pro dvě různá kladná a záporná omezující napětí
3)
Určete orientačně mezní kmitočet použitého zapojení a zdůvodněte průběh výstupního signálu
3
Omezovače
1.2. Omezovač strmosti signálu (rozběhový člen) K vytvoření lineárně narůstajícího signálu s časem, jako odezvu na jednotkový skok, nebo k omezení strmosti nárustu signálu lze použít obvodu na obr. 4
Obr. 4 Princip činnosti rozběhového členu Obvod je tvořen komparátorem, omezovačem, integrátorem a zpětnou vazbou. Vstupní napětí U1-Uo určuje polaritu výstupního napětí komparátoru. Po omezení omezovačem je signál komparátoru integrován a jako zpětná vazba zaveden zpět na vstup komparátoru.
U 2 = U max ⋅ sign(U 1 − U 0 )
Platí:
U 3 = U r ⋅ sign(U 1 − U 0 ) U0 = ∫
Ur
τ
⋅ sign(U 1 − U 0 )
kde τ je časová konstanta integrátoru a Ur je řídicí napětí omezovače. Pro velké změny vstupního signálu (U1-Uo) se obvod chová jako integrátor konstantní veličiny (Ur). Pro malé změny signálu (U1 a Uo se přibližně rovnají) výstupní napětí komparátoru kmitá frekvencí stovek Hz až jednotek kHz, takže pro výstupní napětí platí Uo = U1. Stabilitu obvodu zajišťuje integrátor s časovou konstantou τ. Parametry rozběhového členu je možno měnit referenčním napětím Ur řízeného omezovače. Uvedený obvod se chová jako nelineární dolnopropustný filtr, kde výstupní napětí může sledovat vstupní napětí maximálně s rychlostí danou rovnicí
⎛ du0 ⎞ Ur ⎜ ⎟≤ ⎝ dt ⎠ τ 4
Omezovače
Obr. 5 Schéma zapojení rozběhového členu
Zadání 1)
Změřte přechodovou charakteristiku rozběhového členu pro různé úrovně vstupních napěťových skoků
2)
Měření opakujte pro různé časové konstanty
3)
Naměřené výsledky graficky vyjádřete, proveďte jejich rozbor a uveďte možnost použití členu v regulačních obvodech
5
