变频器维修-工控

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                                                                                   旷野之雪

                                                                                   2008.5.16



运放原理新解之五
旷野之雪 发表于:2016/11/16 8:47:54
标签(TAG):变频器故障检修

运放原理新解之五

——听咸老师说电子电路系列之一

积分和微分电路

让我们先来弄清楚积分和微分的概念。是否需要先学会微、积分运算(高等数学的理论范畴),才能搞明白微、积分电路?答案是否定的。搞明白电路的作用,处理信号的方式,会检测电路状态的好坏,掌握检修方法和维修技巧,也就足够了。

(1)积分、微分电路的基本概念

当输入信号流经如图1-20所示的RC电路时,因电容C的充、放电(延迟)作用,致使输出电压的性质发生了显著变化。积分、微分基本电路即RC电路,其积分电路又常做为延时电路应用,延时时间的长短与R、C值的乘积相关,称为电路的时间常数τ=RC。如果将R1、C1互换位置,则变身为微分电路。但电路是否具有积分或微分功能,除了电路的本身结构以外,还需要输入信号Ui合适才行,合适的RC电路,再加上合适的Ui信号,两个合适碰在一起才成啊。

图1-20  RC积分、微分电路及波形图

   如图1-20,可知积分、微分电路具有波形变换功能。如晶闸管脉冲电路,需要取出移相脉冲的的上升沿做为触发信号时,即可用微分电路取出上升沿脉冲信号。

1)成为积分电路的前提条件和动作表现

需要积分电路本身时间常数τ>>输入信号的频率周期, 即工作当中C1不会被充满也不可能彻底放完电,输出信号幅度要小于输入信号幅度。电路仅对信号的缓慢变化部分(矩形脉冲的平顶阶段)感兴趣,而忽略掉突变部分(上升沿和下降沿),这是由RC电路的延迟作用来实现的。能将输入矩形波转变成锯齿波(或三角波及其它波形);

积分电路原理:

因C1两端电压不能突变,在输入信号上升沿至平顶阶段,输入信号经R1对C1充电,C1两端电压因充电电荷的逐渐积累而缓慢上升;同样,在输入信号的下降沿及低电平时刻,C1通过R1放电,其上电压逐渐降低。由RC电路延迟效应,达到了波形变换的目的。在此过程中,因C1的“迟缓反应”,忽视了信号的突变部分。

2)成为微分电路的前提条件

需要电路本身时间常数τ<<输入信号的频率周期, 即工作当中C1(因其容量特小),充、放电速度极快,输出信号由此会出现双向尖峰(接近输入信号幅度)。电路仅对信号的突变量(矩形脉冲的上、下沿)感兴趣,而忽略掉缓慢变化部分(矩形脉冲的平顶阶段)。微分电路则能将输入矩形波(或近似其它波形)转变为尖波(或其它相近波形)。

微分电路原理:

a、在输入信号上升沿到来瞬间,因C1两端电压不能突变(此时充电电流最大,电压降落在电阻R1两端),输出电压接近输入信号峰值(在输出端由耦合现象产生了高电平跳变);

b、因电路时间常数较小,在输入信号平顶信号的前段,C1已经充满电,R1因无充电电流流过,电压降为0V,输出信号快速衰减至0电位,直至输入信号下降沿时刻的到来;

c、下降沿时刻到来时,C1所充电荷经R1泄放。此时C1左端相当于接地(构成放电通路),则因电容两端电压不能突变之故,其右端瞬间出现负向最大电平(其绝对值接近输入信号峰值);

d、C1所充电荷经R1很快泄放完毕,R1因无充电电流流过,电压降为0V,输出负向电压信号快速升至0电位,直到下一个脉冲的上升沿再度到来。

在此过程中,微分电路取出了输入信号的突变(上升沿与下降沿)部分,对其渐变部分视若无睹。

(2)由运放器件和RC电路构成的积分电路

根据输入信号频率(周期),合理设置RC时间常数,积分电路便能完成波形转换任务。积分电路系将反相放大器中的反馈电阻,换作电容,便成为如图1-21所示的积分放大器电路。对于电阻,貌似是比较实在的东西,电路输出状态可以一目了然,换作电容,由于充、放电的不确定性,电容又是个较“虚”的物件,其电路输出状态,就有点不易琢磨了。

比较用电阻和运算电路构成的同相、反相运算放大电路,对于由电容和运算放大器构成的积分电路,在原理上如何理解和掌握,一般人往往感到会困难一些。

   想弄明白其输出状态,得先了解电容的脾性。电容基本的功能是充、放电(是吞吐电流的能手),是个储能元件。对变化的电压敏感(利用吞吐电流能力实现电压平波),对直流电迟钝(无电流可吞吐),有通交流隔直流的特性。对看待世界万物都是呈现电阻特性的人来说,也可以将电容看成会变化的电阻,由此即可解开积分电路的输出之谜。

   依据能量守恒定律,能量不能无缘无故地产生,也不能无缘无故地消失,由之导出电容两端电压不能突变的定理。充电瞬间,电容的两极板之间沿未积累起电荷,沿能维持两端电压为零的原状态,但此瞬间充电电流为最大,可以等效为极小的电阻甚至导线,如果说电容充电瞬间是短路的,也未尝不可,比如变频器主电路中,对回路电容要有限流充电措施,正是这个道理;电容充电期间,随时间的推移,充电电压逐渐升高,而充电电流逐渐减小,也可以认为此时电容的等效电阻由最小往大处变化;电容充满电以后,两端电压最高,但充电电流基本为零,此时电容等效为最大值电阻,对于直流电来说,甚至可以等效于断路,是无穷大的电阻了。

  总结以上,在电容充电过程中,由等效为最小电阻或导线、等效为由小变大的电阻、等效为最大电阻或断路等三个状态(正是电容的该变化特性,可以使积分放大器电路变身为如图1-21所示的三种身份)。实际上在积分电路应用中,由于时间常数所限,电容不会进入电容荷充满的等效断路状态,但为了说明采用电容做为运算放大器偏置电路,由电容特性导致的放大器的动态输出变化,在此特意分析在一个跃变输入信号(信号时间常数远大于电路RC时间常数)情况下,放大器在电容调控下实施的三次变身。

图1-21 积分电路工作过程中的“三变身”

1)电压跟随器。在输入信号的t0(上升沿跳变)时刻,电容充电电流最大,等效电阻最小(或视为导线),该电路即刻变身为电压跟随器电路,由电路的虚地特性可知,输出尚为0V。

   2)反相放大器。在输入信号的t0时刻之后的平顶期间,电容处于较为平缓的充电过程,其等效RP经历小于R、等于R和大于R的三个阶段,因而在放大过程中,在放大特性的作用下,其实又经历了反相衰减、反相、反相放大等三个小过程。而无论是衰减、反相还是反相放大,都说明在此阶段,积分电路其实是扮演着线性放大器的角色。

   3)在输入信号平项期间的后半段,电容的充电过程已经结束,充电电流为零,电容相当于断路,积分放大器由闭环放大过渡到开环比较状态,电路由线性放大器进而变身为电压比较器。此际输出值为负供电值。

   都说人会变脸,其实电路也能变身啊。在电容操控之下,放大器瞬间就变换了三种身份。能看穿积分放大器的这三种身份,积分放大器的“真身”就无从遁形了。

实际电路中,通常在积分电容C两端并联RF电阻,其值应>10R,用来防止积分漂移造成放大器进入截止区或饱和区。另外,尚有同相积分放大器电路,较为少见,仍然可用将电容等效可变电阻法进行原理性分析,此不赘述。

积分电路的检修要点(以应用广泛的反相积分放大器为例):

1) 反相器基本电路形式,有“虚地”特性。

静态——无输入信号时,若输入侧有直流电压,电路应符合比较器规则;

检修中暂时短接C(令其变身为电压跟随器),输出端应变为0V。说明运放芯片是好的。

2)具有积分电路特性。

电路RC时间常数较大时,可在输入端(输入电阻R的左端)施加直流电压,则在输出端会短时呈现反向变化至最低电平的电压变化;

动态——输入脉冲正常情况下,可在输出端测得信号电压(为0V以下、供电负压之上的负电压)或脉冲波形。

确定其电路好坏,真的不难,而且方法是简单有效的。

(3)由运放器件和RC电路构成的微分电路  

图1-22基本微分电路和输入、输出波形图

电路特性分析:

1)无输入信号,电路处于静态时,为电压跟随器形式(输出为0V地电位);

2)动态时,在输入信号作用下,因C1的充、放电作用,N1的工作状态在放大器和电压跟随器之间快速变身:

a、输入信号的t0~t1时刻(见图1-22中的(c))。C1对输入跃升斜坡高电压平信号,产生了一个经C1、R1近似恒流的充电电路,并在C1两端建立左+右一的充电电压。此际因C1充电电流相对稳定,C1其等效Ri近乎不变,电路变身为反相放大器,输出负向矩形波平顶阶段(恰为线性电压),恰恰是由线性放大来保障的;

b、输入信号的t1~t2时刻(见图1-22中的(d))。C1充电完毕,等效为断路。此时N1变为(跟随地电平的)电压跟随器身份,输出端回归为0V地电位;

c、输入信号的t2~t3时刻(见图1-22中的(e))。输入信号产生斜坡式线性突降,即C1左端电位线性降至地电位,由此产生流经R1和Ri(C1等效电阻)的C1的恒流放电电流回路,因C1放电电流线性之故,其等效Ri近乎不变,电路又复变身为反相放大器。由输入信号电流方向可知,输出为正向矩形波。若保持τ=RC不变情况下,加大C的容量(同时减小R电阻值),会使电路的动态放大倍数提高,输出矩形波幅度加大;反之,使输出矩形幅度减小。

综述,由二极管构成运放的偏置电路(担当反馈元件)时,其开、关特性会导致运放电路的两次变身;由电容构成运放的偏置电路(担当反馈元件)时,因充电瞬时短路、充电时等效电阻逐渐变大、充电完毕相当断路(或放电时的等效电阻变化)的三次状态变化,会导致运放电路的三次变身。

从反馈支路的器件特性来分析动态中运放电路的变身,是分析电路原理的关键所在。

微分电路检修要点:

1) 电路静态,无输入信号时,是跟随地电位的电压跟随器,其两输入端与输出端,均为0V。

2) 动态时,因微分输出正、负电平接近或相等,输出端直流成分为零,故动态时测输出端直流电压,也为0V。改用交流电压挡测量输出电压时,因输出电平时间较短,测试脉冲电压幅度会较低。用示波器检测输出信号比较适宜。

随着MCU软、硬件技术的成熟,微、积分硬件电路的应用越来越少,比如在变频器控制电路中,多由软件进行数据和微、积分运算。其它运放电路,如对数和指数运算电路等,就更为少见甚至罕见了。基础电路原理——运放电路原理一章,写到这儿,基本上可以画个句号了。

传统的运放原理讲解,尤其如微、积分电路,多由数学公式推导演绎(电路课变成了数学课),而少从器件特性、动态变化的电路模型角度来分析(这似乎才是必须的)。深感模电原理学习之累,故不避浅陋不揣冒昧,试简说运放原理及检修原则。整理文字之时,与一般技术文章写作相反,我尽量少碰或不碰,少翻或不翻相关资料,多凭自己经历和记忆,多凭自己直觉,一路痛快地写下来。是怕写得认真了,计较多了,思虑多了,又会落入老套。就想着不管不顾,单刀直入探其本源,一鞭断江立马崖头,先玩个痛快再说。如能对运放故障检测和学习运放原理久而不得其门而入者有所裨益,那就成了。

所谓新解,系出于个人角度之试解,限于本人的水平和条件,可能会有漏解或错解,如与科班、正统的“广大上”理论有所不符,诸君当“依法不依人”给予纠正为是,欢迎探讨与指正!

在此也感谢中华工控网诸君一直以来对我的支持!

中华工控网 http://www.gkong.com/ 原创文章,转载请注明出处。

咸庆信

2016年11月15日 晚九时


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