Быстрый компаратор сетевого напряжения на КМОП микросхеме. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети, блоки бесперебойного питания

 Комментарии к статье

Важной частью бесперебойного источника питания, быстродействующего дискретного стабилизатора сетевого напряжения или устройства защиты от аварийного отклонения напряжения сети является узел контроля напряжения сети или компаратор сетевого напряжения (КСН). Видимая, на первый взгляд, простота проблемы обманчива. Сложность в том, что на входе КСН присутствует переменное или пульсирующее напряжение, а выходной сигнал КСН должен быть непрерывным.

Использовать в данном случае для сглаживания различные RC- и LС-фильтры нельзя, так как они вносят существенную задержку реакции КСН на изменение напряжения сети. Следовательно, КСН должен сравнивать входное напряжение с образцовым периодически, синхронно с частотой сети и помнить результат предыдущего сравнения до момента последующего. Так как сетевое напряжение синусоидальное и обычно имеет малый коэффициент гармоник (<6%), то контролировать можно амплитудное значение сетевого напряжения и по нему судить о величине действующего значения напряжения. В качестве детектора амплитудного значения напряжения можно использовать так называемый пиковый детектор [3]. Недостатком использования пикового детектора является то, что его необходимо сбрасывать каждый раз перед новым измерением.

Более функционально простое устройство можно построить на перезапускаемом одновибраторе со схемой контроля превышения уровня сетевого напряжения. В данном случае схему можно собрать на цифровых микросхемах, в частности на КМОП схемах. Этот выбор не случаен, так как параметры переключения КМОП схем обладают исключительно высокой температурной стабильностью [1]: колебания температуры среды в пределах от -55 до +125° С изменяют отдельные участки передаточной характеристики не более чем на 5%. Следует ожидать, что в диапазоне температур от +15 до +35° С (что свойственно для жилых помещений) передаточные характеристики будут изменяться не более чем на 0,6%, что гораздо лучше необходимых 1...2%. К тому же КМОП схемы имеют исключительно малое энергопотребление, что может оказаться важным при использовании КСН в следящих устройствах.

(нажмите для увеличения)

В схеме (рис.1) на вход INPUT подается исследуемое, предварительно выпрямленное, напряжение сети. В случае необходимости гальванической развязки напряжение сети подается через разделительный трансформатор. С помощью делителя, состоящего из подстроечного резистора R1 и резисторов R2, R3, КСН настраивают на определенный порог срабатывания. Номиналы резисторов делителя указаны для случая, когда +UP=5 В, а амплитуда напряжения на входе INPUT равна 17 В (~12 В действующее). Конденсатор С1 служит для фильтрации коротких импульсных помех, проникающих из сети. Диод VD1 ограничивает выходное напряжение делителя на уровне +UP. На первых трех инверторах DD1 и резисторах R4, R5 собран триггер Шмитта, который срабатывает при достижении сетевым напряжением уровня срабатывания Us1.

Перезапускаемый одновибратор (ПО) состоит из КС-цепочки R6, С2 и триггера Шмитта, собранного на остальных трех инверторах и резисторах R7, R9. Резистор R8 необходим для получения гистерезиса срабатывания всего устройства. Под +UP подразумевается напряжения питания КМОП схемы 3...15 В.

На рис.2 показаны временные диаграммы для схемы КСН, изображенной на рис. 1. Пока амплитуда сетевого напряжения не достигла порога срабатывания Uc1 триггера Шмитта, на его выходе (вывод 6 DD1) присутствует высокий логический уровень (ЛУ). На выходе OUTPUT КСН (вывод 8 DD1) присутствует низкий ЛУ, сигнализирующий о том, что сетевое напряжение ниже заданного уровня.

Как только амплитуда сетевого напряжения превысит порог срабатывания Uc1 триггера Шмитта, на его выходе (вывод 6 DD1) появятся импульсы низкого ЛУ, синхронные с частотой сети. Эти импульсы через диод VD1 поступают на вход ПО. Постоянная времени RC-цепочки R6С2 выбрана такой, чтобы на выходе ПО сохранялся непрерывный высокий уровень, пока на его вход поступают запускающие импульсы с выхода триггера Шмитта. Следовательно, на выходе OUTPUT КСН будет присутствовать высокий ЛУ, пока напряжение сети выше заданного уровня.

На рис.3 изображена упрощенная схема КСН на меньшем количестве инверторов. Отличие данной схемы от схемы КСН, приведенной на рис.1, в том, что в ней не традиционно включена RС-цепочка R6С2.

(нажмите для увеличения)

Описанные выше КСН (назовем их КСН первого вида) наиболее эффективны при контроле повышения напряжения сети выше заданного уровня. При пропадании напряжения сети данная схема формирует сигнал понижения уровня сети с задержкой времени 7...10 мс, обусловленной постоянной времени заряда RC-цепочки ПО.

Частично избавиться от указанной задержки при контроле понижения напряжения сети ниже заданного уровня позволяет КСН второго вида, работающий по принципу измерения длительности паузы DT, когда мгновенное напряжение полусинусоиды на входе INPUT меньше Uc (рис.4).

Амплитуда Ua измеряемого напряжения сети определяет интервал DT согласно выражению

DT=arcsin(Uc/Ua)/πf.

Нелинейностью кривой измеряемого напряжения в интервале времени DT=10° можно пренебречь [2]. Если DT=10°, то Ua=11Uc, и задержка срабатывания КСН при понижении напряжения сети равна примерно 0,6 мс.

Схема КСН, работающего по указанному принципу, изображена на рис.5, а временные диаграммы - на рис.6.

(нажмите для увеличения)

С помощью входного делителя R1, R2, R3 добиваются необходимого соотношения Ua и Uc. Так как Uc в нашем случае равно напряжению переключения КМОП схемы, равному UP/2, то для получения задержки <0,6 мс необходимо выбрать Ua=5,5UP.

Диод VD1 ограничивает выходное напряжение делителя на уровне +UP. Напряжение с выхода делителя поступает на вход компаратора, представляющего собой триггер Шмитта, собранного на первых двух инверторах DD1. Компаратор необходим для формирования импульсов высокого ЛУ при превышении уровня полусинусоиды порога Uc. Высокий ЛУ на выходе компаратора через диод VD2 поступает на вход первого ПО, собранного на третьем и четвертом инверторах DD1, на резисторах R7, R9, R10 и конденсаторе С2.

Подстроечным резистором R1 добиваются непрерывного сигнала высокого ЛУ на выходе ПО при напряжении сети, выше заданного. При снижении напряжения сети на выходе первого ПО появляются импульсы низкого ЛУ, которые через диод VD3 поступают на вход второго ПО, собранного на пятом и шестом инверторах DDI, резисторах R6, R11, R12 и конденсаторе С3. Из этих импульсов на выходе OUTPUT КСН второй ПО формирует непрерывный низкий ЛУ, сигнализирующий о том, что напряжение сети ниже заданного уровня или вообще отсутствует. Резистор R8 служит для получения необходимого гистерезиса характеристики переключения КСН. Из временной диаграммы (рис.6) видно, что при повышении напряжения сети высокий ЛУ на выходе КСН второго вида формируется с опозданием примерно на 10 мс.

При повторении схемотехнических решений следует учитывать, что из-за некоторого разброса параметров переключения КМОП схем, возможно, потребуется уточнение номинала резистора R6 RC-цепочек. Для получения гистерезиса характеристик переключения КСН необходимо уточнить номинал резистора R8, стоящего в цепи положительной обратной связи.

Литература:

1. Зельдин Б.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре.- Л.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения.- М.: Энергоатомиздат, 1986.
3. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях.- М.: Бином, 1994.

Автор: В. Я. Володин

Смотрите другие статьи раздела Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети, блоки бесперебойного питания.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Получение влаги из воздуха без затрат энергии 15.06.2025

Вода - один из важнейших ресурсов на планете, и поиск новых способов ее получения особенно актуален в условиях глобального изменения климата и растущей засухи. Традиционные методы сбора воды из воздуха часто требуют затрат энергии или высокой влажности, что ограничивает их эффективность и применение. Однако группа американских инженеров сделала значительный прорыв, разработав материал, способный извлекать воду из атмосферы без использования дополнительной энергии. Команда исследователей из Пенсильванского университета совместно с учеными из Технического университета Мюнхена представила новый класс наноматериалов, которые используют явление капиллярной конденсации. Этот процесс заключается в том, что водяной пар превращается в жидкость внутри крошечных пор материала, даже при невысокой влажности воздуха. Такое сочетание гидрофильных и гидрофобных элементов внутри наноструктуры позволяет собирать воду там, где традиционные методы оказываются бессильны. В ходе экспериментов ученые и ...>>

Динамическое изменение свойства света 15.06.2025

Современная наука стремится выйти за пределы традиционной электроники, используя свет для передачи и обработки информации. Управление свойствами света открывает новые горизонты в создании оптических компьютеров и устройств следующего поколения. Одним из ключевых направлений является возможность динамически изменять параметры света, такие как его поляризация и хиральность - способность электромагнитной волны вращаться по-разному. Недавнее открытие ученых из Университета Юты стало важным шагом в этом направлении. Исследователи представили инновационную программируемую гетероструктуру - сложный многослойный материал, в котором объединены выровненные углеродные нанотрубки и материалы с изменением фазы, например, германий-сурма-теллур (GST). Такое сочетание позволяет управлять поляризацией света не статично, как это было ранее, а динамично, с возможностью перепрограммирования. Ведущий автор проекта, Вейл Гао, сравнил предыдущие материалы с резными камнями - красивыми, но неподвижными, то ...>>

Холодные душ излечивает от стресса 14.06.2025

Стресс сегодня стал одной из самых распространенных проблем современного общества, и поиск эффективных способов его снижения является важной задачей для науки и медицины. Несмотря на разнообразие методик, не все из них доступны или удобны в повседневной жизни. Однако ученые все чаще обращают внимание на простые и доступные методы, которые могут помочь справиться с психологическим напряжением и улучшить общее самочувствие. Одним из таких способов, доказавшим свою эффективность, является холодный душ. Холодный душ - это простой, доступный и научно обоснованный способ улучшить не только психическое, но и физическое здоровье. Он стимулирует организм, помогает справиться со стрессом, повышает концентрацию и укрепляет силу воли. Несмотря на дискомфорт, который может возникать вначале, регулярное принятие холодных душей способно стать надежным инструментом для улучшения качества жизни. Американские исследователи под руководством Анны Мейер провели серию исследований, которые подтвердили ...>>

Случайная новость из Архива Совместный просмотр телевизора с родителями полезен маленьким детям 13.10.2024 Родители часто беспокоятся о том, сколько времени их дети проводят перед экранами телевизоров и гаджетов. Однако новое исследование ученых из Университета Портсмута, проведенное в сотрудничестве с французскими коллегами, показывает, что телевидение может быть полезным для когнитивного развития малышей, если они смотрят его вместе с родителями. Особенно это касается детей в возрасте до двух лет, когда закладываются основы языка и мышления. Исследователи проанализировали 478 научных работ, опубликованных за последние 20 лет, чтобы изучить влияние пассивного использования экранов на развитие интеллекта детей. Они обратили внимание на то, что экранное время может быть как вредным, так и полезным для самых маленьких, и ключевую роль в этом играют условия, в которых дети смотрят телевизор или пользуются гаджетами. Результаты показали, что пассивный просмотр телевизора без участия взрослых может негативно сказываться на развитии речи, когнитивных функций и даже на умении детей играть. Однако если содержание телепередач адаптировано для возраста ребенка и ориентировано на развитие взаимодействия, такие программы могут оказывать положительное влияние. Это особенно верно, когда взрослый находится рядом с ребенком и активно участвует в процессе просмотра. Присутствие родителей при просмотре телевизора значительно усиливает его положительное влияние на ребенка. Когда малыши смотрят телевизор вместе с мамой или папой, они не просто пассивно воспринимают информацию. Они задают вопросы, обсуждают увиденное, что стимулирует их когнитивное развитие и обогащает словарный запас. Родители в этом процессе играют роль не только наблюдателей, но и активных участников, помогая детям осмысленно воспринимать то, что происходит на экране. Кроме того, совместный просмотр телевизора способствует развитию речи у детей. Когда взрослые объясняют увиденное, комментируют события или персонажей, они дают ребенку пример для подражания. Это помогает формировать языковые навыки, а также поведенческие модели, которые дети перенимают при взаимодействии с экранным содержимым. Просмотр телевизора в раннем возрасте может быть полезен, если он происходит в правильных условиях. Важно, чтобы родители не просто включали детям программы, а активно взаимодействовали с ними во время просмотра. Это делает телевизионные программы не просто развлечением, а инструментом для развития когнитивных навыков, речи и социального взаимодействия. Исследование подчеркивает важность совместного просмотра телевидения для маленьких детей. Родители могут использовать это время для укрепления связи с ребенком и стимулирования его развития. Телевизор, будучи частью современного мира, может стать полезным инструментом при правильном подходе, помогая детям учиться и развиваться в процессе общения с близкими.

Другие интересные новости:

▪ Электронный чип из кожицы грибов

▪ Новый рекорд в области высокотемпературной сверхпроводимости

▪ Телефон в часах

▪ Сверхтонкий ноутбук LG Gram

▪ Давление и вибрация сделают инъекции безболезненными

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Домашняя мастерская. Подборка статей

▪ статья История нового времени. Шпаргалка

▪ статья Как возникает цветная слепота? Подробный ответ

▪ статья Вондзу. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Простой Q-METP. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Двухдиапазонная УКВ антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025