Стартовая >> Книги >> РЗиА >> Серийные реле защиты на интегральных микросхемах

Свойства интегральных микросхем - Серийные реле защиты на интегральных микросхемах

Оглавление
Серийные реле защиты на интегральных микросхемах
Интегральные микросхемы - техническая основа для создания аппаратуры
Свойства интегральных микросхем
Типовые схемы применения операционных усилителей
Основные узлы реле защиты, выполненных на операционных усилителях
Типы серийных реле защиты, выполненных на операционных усилителях
Техника обслуживания аппаратуры релейной защиты, содержащей интегральные микросхемы

2. СВОЙСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И ОСНОВНЫЕ ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
При анализе работы релейной аппаратуры удобно пользоваться некоторыми понятиями математической логики, которые могут осуществляться при помощи интегральных микросхем. Вначале напомним, как осуществляются некоторые логические операции на примере идеализированных логических элементов, действие которых определяется комбинацией нулевых и единичных сигналов.
условное изображение логического элемента
Рис. 1. Общее условное изображение логического элемента
Представим себе такой идеальный логический элемент в виде некоторого переключающего устройства, обладающего несколькими входными зажимами xt, х2, хъ) . . . , хп и одним выходным зажимом y (рис. 1).
За исходное состояние элемента примем такое, когда на его входные зажимы поданы нулевые сигналы и когда его переключение происходит после поступления на его входы некоторого сочетания единичных сигналов. Такие элементы зовутся элементами "единичной", или "положительной", логики. Если в исходном состоянии к элементам подводятся единичные сигналы, то их называют элементами "нулевой", или "отрицательной", логики. В наших примерах рассматриваются элементы "положительной" логики.
Операции ИЛИ. У идеального элемента, обеспечивающего выполнение операции ИЛИ, при нулевых сигналах на всех его выходах выходной сигнал имеет тоже нулевое значение. Если хотя бы на одном из входных зажимов появится единичный сигнал, элемент немедленно подействует, и на его выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на выходе сохраняется при любом числе сигналов 1, поданных на его входы. Когда со всех входных зажимов сигналы 1 снимаются, выходной сигнал элемента ИЛИ опять становится нулевым.
На структурных схемах элемент ИЛИ принято изображать так, как показано на рис. 2, а.
Операция И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых сигналах на всех его входных зажимах имеет на выходном зажиме сигнал 0. Но в отличие от элемента ИЛИ этот элемент переключится только тогда, когда единичные сигналы поступят на все его входы. Только при этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1. В случаях, когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов, на выходе элемента И будет оставаться нулевой сигнал. После срабатывания элемента И сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех пор, пока не снимается единичный сигнал хотя бы с одного из его входных зажимов.


Рис. 2. Условные изображения логических элементов:
а - элемент ИЛИ; 6 — элемент И; в - элемент НЕ; г - элемент И-НЕ; д - элемент ЗАПРЕТ
На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на рис. 2, б.
Операция НЕ или ИНВЕРСИЯ. В исходном положении элемента НЕ принято, что на его единственном входном зажиме X имеется нулевой сигнал, при этом на его выходном зажиме y держится единичный сигнал. В случае появления на входном зажиме единичного сигнала сигнал на выходе элемента НЕ принимает нулевое значение. Действие элемента НЕ называют в математической логике инвертированием сигнала или инверсией, а сам элемент — инвертором. Для его изображения применяется прямоугольник с небольшим кружочком, нанесенным посредине правой или левой его стороны (рис. 2, в).
Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические микросхемы, представляющие собой набор из сложных элементов и предназначенные для одновременного выполнения операций И и НЕ. Такой элемент сокращенно записывается так: элемент И-НЕ.
Изображение элемента И-НЕ приведено на рис. 2, г. Ниже дана таблица переключений для элемента И-НЕ; в целях упрощения принято, что элемент имеет всего два входа хх и х2:

 

 

 

Y

Состояние элемента:

 

 

 

исходное    

0

0

1

поданы сигналы        

1

0

1

0

1

1

1

1

0

Как видно, мы приняли за исходное состояние такое, когда на входы элемента поданы нулевые сигналы, что соответствует "положительной" логике, применяемой в промышленной автоматике. Если представить себе, что в исходном положении на оба входа поданы сигналы 1, то на выходе установится сигнал 0 (нижняя строка таблицы).И тогда достаточно заменить хотя бы один из входных сигналов нулевым, чтобы на выходе появился сигнал 1. А такое действие элемента представляет собой уже операцию ИЛИ-НЕ, но при единичных сигналах в исходном состоянии элемента. Она часто применяется на практике.
Операция ЗАПРЕТ. В элементе, служащем для операции ЗАПРЕТ, на выходном зажиме y будет сохраняться нулевой сигнал, если на отдельном, так называемом запрещающем зажиме х2 имеется единичный сигнал. При наличии этого запрещающего сигнала независимо от того, какой сигнал появится на единственном входном зажиме элемента хх, на выходном зажиме у будет оставаться сигнал 0. После снятия запрещающего сигнала - замены сигнала 1 на запрещающем входе сигналом 0 — изменение выходного сигнала произойдет тогда, когда на вхо7дном зажиме хх возникнет сигнал 1. Таким образом, для действия элемента ЗАПРЕТ нужно выполнить два условия: снять запрещающий сигнал и подать на вход Хх сигнал 1. Операция ЗАПРЕТ может быть также представлена как операция И с одним инвертированным входным сигналом, являющимся запрещающим. Применяемое изображение элемента ЗАПРЕТ показано на рис. 2, <).
Специальная серия логических интегральных микросхем, выпускаемых для промышленной автоматики, имеет заводское обозначение К511 с добавлением в конце двух букв и цифры, относящихся к конкретным типам микросхем этой серии. Она предназначена для работы в условиях повышенных электромагнитных помех. В качестве переключающих электронных приборов в микросхемах этой серии используются биполярные транзисторы. По принципу исполнения серия входит в число микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Для отстройки от помех в серии К511 принята относительно большая разница между уровнями нулевого и единичного сигналов, и поэтому она считается высокопороговой.
Для питания микросхем серии К511 применяется напряжение постоянного тока 15 В. Положительный полюс питания подается на вывод микросхемы, обозначенный "+15 В" или "ЕПит"  а отрицательный полюс питания — на вывод "О" или "Земля". Этот вывод является общим для всей схемы аппарата и при необходимости соединяется с заземлением установки.
Единичный сигнал определяется напряжением положительного знака, превышающим 8 В, и может приближаться к значению питающего напряжения +15 В. Нулевой сигнал определяется низкими уровнями положительного напряжения в пределах от 0 до 1,5 В. Подача сигналов отрицательного знака на логические микросхемы не допускается и может привести к повреждению микросхемы. Уровень помех на входе микросхемы, не приводящий к нарушению ее нормального функционирования, может доходить до 5 В. Ток нагрузки может составлять до 10 мА.
Все основные логические операции, описанные выше, могут быть осуществлены с помощью элементов И-НЕ серии К511. Эти элементы исполнены для выполнения операции И-НЕ при нулевых входных сигналах в исходном состоянии. Без всяких дополнений они могут быть использованы для реализации операции ИЛИ-НЕ, если в исходном режиме подавать на их входы единичные сигналы, а управление работой осуществлять с помощью нулевых сигналов. На рис. 3 показано в качестве примера, как выполняются операции И, ИЛИ, НЕ и ИЛИ-НЕ для единичных управляющих сигналов с помощью микросхемы типа К511ЛА1, содержащей четыре двухвходовых элемента И-НЕ. Так, операция НЕ обеспечивается при подаче единичного сигнала на объединенные входы элемента, что видно из рис. 3, а. На рис. 3, б изображено исполнение операции ИЛИ, а на рис. 3, в — операции И. Работа схем понятна из рисунков. Элементы И-НЕ серии К511 могут присоединяться к выходу операционных усилителей через ограничивающий резистор, имеющий сопротивление порядка 30 кОм.

Рис. 3. Выполнение операций 1Щ (а),  управляющих сигналов на элементах И-НЕ серии К511
В начале параграфа уже говорилось о том, что представляет собой операционный усилитель.
Отметим основные свойства ОУ:
очень большой коэффициент усиления по напряжению, превышающий 104 и доходящий до 5 • 10s;
малое потребление по входу, измеряемое долями микроампер и меньше;
небольшое выходное сопротивление, измеряемое десятками или сотнями ом, что позволяет не учитывать его при выборе нагрузки, которая ограничивается допустимым током выхода ОУ, составляющим примерно 5 мА.
Питание операционных усилителей, применяемых при изготовлении реле защиты, осуществляется от двух разнополярных источников напряжения постоянного тока с общей нулевой точкой. Значения питающих напряжений берутся в диапазоне от ±5 до ±15 В в зависимости от конструкции ОУ. Операционный усилитель имеет два независимых входа и один общий выход. Он является усилителем дифференциального типа и реагирует на знак напряжения, определяемого разностью двух напряжений, поданных на его входы. Тот из входов, при преобладании напряжения на котором знак выходного напряжения совпадает с поданным на этот вход, называется неинвертирующим, или сокращенно Н-входом. До последнего времени этот вход обозначался на схемах усилителей условным знаком плюс. Другой вход, преобладание напряжения на котором приводит к изменению знака выходного напряжения на противоположный по сравнению со знаком напряжения на этом же входе, называется инвертирующим, или сокращенно И-входом. Ему присваивался условный знак минус.
Значения подаваемых на ОУ входных напряжений не должны превышать напряжения питания.
Если на оба входа ОУ подать одинаковые по значению и знаку напряжения, называемые синфазными, то выходное напряжение будет практически оставаться близким к нулю. Значения синфазных напряжений, подаваемых на входы ОУ, не должны быть выше напряжения питания.

Рис. 4. Условные изображения операционных усилителей: а — старое; б - допускаемое; в - новое
На схемах, содержащих ОУ, встречаются три основных условных изображения операционных усилителей: старое (рис. 4, а), которое продолжают и поныне применять во многих информационных и проектных материалах, допускаемое (рис. 4, б), широко используемое в настоящее время в технической литературе, и новое (рис. 4, в), принятое совсем недавно. На всех изображениях не показаны источники питания и другие внешние выводы.
Операционные усилители обладают общим недостатком, заключающимся в том, что даже при полном отсутствии внешних входных сигналов, через входы усилителя протекают небольшие так называемые нулевые токи, и может возникать некоторое напряжение между входами, которое называют напряжением сдвига нуля. Их появление обусловливается несбалансированностью входного каскада, которая зависит как от технологических отклонений параметров входных транзисторов, так и от внешних условий, в первую очередь от температуры окружающей среды и изменения напряжений питания. Напряжение сдвига нуля создает на выходе ОУ выходное напряжение соответствующего значения.
Этот недостаток оказывает существенное влияние на выбор параметров резисторов в схемах применения ОУ.
По техническим условиям на ОУ появляющееся выходное напряжение сдвига должно сводиться к нулю, если приложить между входами ОУ так называемое напряжение смещения соответствующего знака, значение которого не должно превосходить 7,5 мВ. Поэтому при расчете схем применения ОУ начальный уровень управляющего сигнала берется порядка 10 мВ. Это в свою очередь определяет нижний расчетный уровень выходного напряжения ОУ. Верхний расчетный уровень выходного напряжения ОУ определяется его напряжением насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на 1—2 В.
Благадаря своим свойствам операционный усилитель может быть с достаточной степенью точности представлен в виде идеального усилителя. Такой идеальный усилитель имеет коэффициент усиления дифференциального сигнала, близкий к бесконечности (Ар -*- и коэффициент усиления синфазных сигналов, равный нулю (Лсф "^0). Входные токи идеального усилителя близки к нулю (iBX 0), а выходное

Рис. 5. Основные схемы применения операционных усилителей:
а - повторитель напряжения; б - неинвертирующий усилитель; в - инвертирующий усилитель
внутреннее сопротивление приближается к нулевому значению (ZBbIX ->0). Для облегчения анализа схем, в которых используются реальные операционные усилители, рассмотрим основные схемы их применения на примере идеальных усилителей дифференциального типа.
Идеальный усилитель обеспечивает максимальное значение выходного напряжения, ограниченное лишь уровнями напряжений питания, при очень малой разности напряжений между его входами. Эта разность не соизмерима со значениями напряжений во внешней части схемы. Получающуюся при этом на входных зажимах разность потенциалов называют напряжением суммирующей точки. Его значение близко к нулю. Токи, поступающие на входы идеального усилителя, также весьма малы и при рассмотрении схем не учитываются.
Основные схемы применения ОУ строятся на использовании различных вариантов обратных связей между выходом ОУ и его входами [2]. Обратная связь в таких схемах осуществляется через соответственно подобранные линейные и нелинейные сопротивления в зависимости от характера операций, выполняемых с помощью данной схемы. Связь между выходом ОУ и Н-входом называется положительной обратной связью (ПОС), связь между выходом ОУ и инвертирующим входом - отрицательной обратной связью (ООС). Перейдем к описанию основных типовых схем применения ОУ.
" Повторитель напряжения — схема, в которой выход ОУ соединен непосредственно с инвертирующим входом через сопротивление, равное нулю. Управляющий сигнал подается прямо на неинвертирующий вход (рис. 5, а). Подобный вид обратной связи называют 100 %-ной отрицательной обратной связью (100 % ООС). При t/BX = 0 напряжение на выходе тоже будет оставаться равным нулю, так как на непосредственно связанном с ним инвертирующим входе не возникает разности напряжений по отношению к неинвертирующему входу. В случае изменения входного напряжения на неинвертирующем входе между входами будет
поддерживаться ничтожно малая разность напряжений, определяемая значением напряжения суммирующей точки. Напряжение на выходе ОУ практически сравняется с поступающим сигналом и по мере его изменения будет совпадать с меняющимися значениями входного сигнала. Таким образом, рассматриваемая схема является следящей, повторяющей на выходе входной сигнал. Отсюда ее название. Коэффициент усиления повторителя напряжения,

Неинвертирующий усилитель. Показанная на рис. 5, б схема применяется для усиления сигналов, подаваемых на неинвертирующий вход. В данной схеме ОУ охвачен отрицательной обратной связью через резистор R2, а резистор R1 соединяет инвертирующий вход с нулевой шинкой. Ток /2, проходящий по цепи обратной связи, определяется значением £/вь1х. Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель напряжения. Так как входные токи О У можно не учитывать, то напряжение на инвертирующем входе будет равно £/Вых ^1/(^1+^2). Учитывая, что значение напряжения в суммирующей точке несравнимо меньше UBXi можно считать, что напряжение на инвертирующем входе имеет то же значение, что и поступающий на неинвертирующий вход сигнал. Отсюда UBX = UBblxR il(Ri + R2)- Коэффициент усиления такого усилителя К у = £/вых/ UBX = (Rx + R2)/R Чтобы не нагружать выход ОУ, резисторы R1 и R2 в реальных схемах принимают порядка десятков и сотен килоом. Из схемы видно, что неинвертирующий усилитель имеет большое входное сопротивление, которое зависит только от входного тока ОУ /1, приближающегося к нулю. На линейном участке характеристики коэффициент усиления такого усилителя может быть весьма большим (достигать нескольких сотен). О назначении резистора R3 сказано ниже.
Инвертирующий усилитель. Схема его (рис. 5, в) отличается от предыдущей тем, что управляющий сигнал подается на инвертирующий вход через резистор R1, а неинвертирующий вход соединяется с нулевой шинкой через резистор R3, поэтому потенциал суммирующей точки в рассматриваемой схеме равен примерно потенциалу нулевой шинки. Резисторы Rl и R2, образующие делитель напряжения, имеют нулевой потенциал в точке их соединения на инвертирующем входе. При подаче сигнала на инвертирующий вход при заземленном неинвертирующем входе на выходе ОУ получается усиленный сигнал противоположного знака, так как в суммирующей точке происходит переход через нулевое значение.


схема операционного усилителя
Рис. 6. Структурная схема операционного усилителя
ное сопротивление инвертирующего усилителя значительно меньше, чем у неинвертирующего, так как равно сопротивлению резистора RI, которое берется в тех же пределах, что и для неинвертирующего усилителя.
Из рассмотренных схем усилителей видно, что их коэффициент усиления определяется только соотношением сопротивлений в цепи входов и обратной связи. И хотя эти данные получены для схем с идеальными ОУ, они с достаточной степенью точности могут быть применены и к реальным ОУ. Благодаря этому ОУ имеют универсальное применение, взаимозаменяемы и не требуют подбора, как это часто бывает в схемах, содержащих обычные транзисторы. Для понимания свойств реальных операционных усилителей, отличающих их от идеальных, ознакомимся с устройством применяемых ОУ.
Операционные усилители, серийно изготовляемые на заводах электронной промышленности, весьма сложны. Основой ОУ служит миниатюрная пластинка из полупроводникового материала, обычно кремния, в толще и на поверхности которой с помощью специальной высокоточной технологии создают в соответствующих местах и в требуемых соотношениях структуры из примесных полупроводниковых материалов, оксидов и чистых металлов. В результате в пластинке образуется определенное число участков, обладающих свойствами транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, соединенных между собой в соответствии с исполняемой схемой операционного усилителя. Обработанная таким образом пластинка помещается в герметичный корпус и соединяется с нужным числом выводов.
В настоящее время выпускается довольно много типов ОУ общего и специального назначения, объединенных в серии. Для производства релейной аппаратуры используется несколько типов ОУ общего назначения.
Схемы таких ОУ содержат, как правило, три основных усилительных каскада (рис. 6): входной (дифференциальный), промежуточный (Усилительный) и выходной (низкоомный).
Входной каскад является основной частью ОУ, определяющей его качество. В этом каскаде формируется дифференциальный сигнал, строго пропорциональный разности напряжений, подаваемых на входа ОУ. Дифференциальный коэффициент усиления входного каскада серийных ОУ может достигать значения 500 и более, при этом должна поддерживаться линейная зависимость между входным разностным сигналом и сигналом, поступающим из входного каскада в следующий, промежуточный каскад.
Промежуточный каскад является чисто усилительным и предназначен для связи между входным и выходным каскадами. Его коэффициент усиления у большинства серийных ОУ имеет такое же значение, как и у входного.
Входной каскад не должен реагировать на синфазные входные сигналы. Это очень важно с позиций нечувствительности ОУ к помехам. Ведь, как правило, помехи являются сигналами одинаково воздействующими на оба входа ОУ. Включение входного каскада ОУ по дифференциальной схеме само по себе делает его малочувствительным к синфазным входным напряжениям. Такое включение снижает также влияние температурных изменений отдельных параметров транзисторов и сопротивлений, входящих в плечи дифференциального каскада. В схеме они оказываются включенными навстречу друг другу, благодаря чему однозначные температурные изменения отдельных параметров взаимно компенсируются.
Однако простого включения входных транзисторов по дифференциальной схеме недостаточно, чтобы обеспечить требуемую нечувствительность ОУ к синфазным напряжениям. Она достигается за счет ряда дополнительных мер, применяемых в схемах входных каскадов [1]. Благодаря им также сводится к минимуму напряжение сдвига нуля. Выходной каскад является в основном усилителем мощности, и поэтому его коэффициент усиления по напряжению невелик и приближается к единице.
В серийном производстве реле защиты применяют три типа операционных усилителей общего назначения; К140УД7, К553УД2 и К544УД1А. Подробное описание принципиальных схем этих усилителей приводится в специальной литературе [3, 4]. Усилителя К140УД7, К553УД2 и К544УД1А являются операционными усилителями второго поколения. В их конструкции имеется много общего, и после изучения устройства любого из них нетрудно разобраться с действием остальных. Отличие ОУ типа К544УД1А от двух других состоит в том, что он обладает большим входным сопротивлением за счет использования на его входах полевых транзисторов.
Остановимся на основных параметрах указанных выше ОУ.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала Ad (В/мВ) равен приращению выходного напряжения к вызвавшему это приращение входному напряжению.
Входное сопротивление ОУ RBX (кОм) равно отношению приращения его входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока.
Напряжение смещения ОУ UCM (мВ) определяется значением постоянного входного напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю.
Максимальное выходное напряжение ОУ £/вых тах (В) определяется предельным значением выходного напряжения при номинальном напряжении питания.
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений дифференциального ОУ KQ 5 с>с (дБ) равен отношению приращения синфазных входных напряжений к входному дифференциальному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения.
Предельный выходной ток ОУ /вых (мА) равен максимальному значению выходного тока при оговоренном входном напряжении. Иногда вместо него приводится допустимое минимальное сопротивление нагрузки Ян (кОм).
Допустимое напряжение питания составляет от 6 до 16,5 В. Потребляемый ОУ ток от источника оперативного тока равен 2—5 мА.
Операционный усилитель К140УД7 выпускается в круглом металло-стеклянном корпусе, имеющем восемь выводов. Нумерация выводов начинается со специального выступа на корпусе, рядом с которым располагается вывод 1. Нумерация выводов ведется по часовой стрелке, если смотреть на микросхему со стороны выводов. Как используются выводы, видно из схемы ОУ, показанной на рис. 7, д. Усилитель К553УД2 выпускается в прямоугольном пластмассовом корпусе с 14 выводами. Нумерация выводов ведется с левого верхнего вывода, расположенного рядом с круговой меткой на корпусе, в направлении против часовой стрелки. Использование выводов микросхемы К553УД2 показано на рис. 7, б. Операционный усилитель типа К544УД1А изготовляется в прямоугольном пластмассовом корпусе с восемью выводами. Вид сверху такого корпуса и схема использования его выводов показаны на рис. 7, е.
Основные схемы применения серийных операционных усилителей.
Часть аналогичных схем была описана ранее на примере идеальных усилителей (см. рис. 5). Однако при использовании серийных ОУ показанные схемы нуждаются в некоторых дополнениях. Рассмотрим, чем вызвана эта необходимость. У реальных усилителей коэффициент усиления имеет весьма большое, но конечное значение в пределах 20-50 тыс. Через входные зажимы в усилитель поступают управляющие токи, значения которых имеют порядок от единиц до сотен наноампер.



Рис. 7. Назначение и размещение выводов серийных операционных усилителей: а - К140УД7; б - К553УД2; е - К544УД1А


Между инвертирующим и неинвертирующим входами имеется разность напряжений, равная С/ВыхМх. Чтобы получить представление о том, как влияют эти факторы на параметры схем, содержащих реальные ОУ, определим для схемы рис. 5, б, как изменится коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, если вместо идеального ОУ применить в ней реальный усилитель с Ар = 20 000.
При использовании идеального ОУ коэффициент усиления такой схемы определяется из выражения К и = (R\ + R2)IRX. Примем, что Rx = = 1 кОм, a R2 =99 кОм. В этом случае = 100. Если для простоты не учитывать токи, поступающие во входы ОУ, то напряжение на инвертирующем входе ОУ может быть вычислено по формуле IW^/^i +R2) = ивых/К(/, причем это напряжение будет иметь тот же знак, что и управляющее напряжение, поданное на неинвертирующий вход. Чтобы получить на выходе неинвертирующего усилителя напряжение такой же величины, как и при использовании идеального ОУ, в нашем случае нужно подать на неинвертирующий вход управляющее напряжение большого значения, отличающееся от напряжения инвертирующего входа на ивых/А£). Для реального ОУ имеем UBX = = ивых/Ки + UBhlx/Ai). После несложных преобразований можно получить выражение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на реальном ОУ: Ки = UBUX/UBX = А^КиЦКи +Ав). Для нашего примера Ки = 20 000 * 100/(20 000 + 100) = 99,4, т.е. различие составляет 0,6 %. Отсюда становится понятным утверждение, что подбор параметров схемы на реальных ОУ можно производить с достаточной точностью по формулам, полученным для схем, собранных на идеальных ОУ.
Нулевые токи, поступающие во входы ОУ при отсутствии дифференциального сигнала, не должны вызывать появления напряжения сдвига на выходе ОУ. При осуществлении, например, неинвертирующего усилителя при входном сигнале UBX = 0 это условие не выдерживается. Ток, поступающий в ОУ через инвертирующий вход, растекается по резисторам R1 и R2, а ток неинвертирующего входа проходит непосредственно в нулевую шинку. Падение напряжения от тока инвертирующего входа на резисторах Rl и R2 вызывает появление некоторого, хотя и небольшого, выходного напряжения. Чтобы его скомпенсировать, достаточно включить в цепь неинвертирующего входа резистор сопротивлением R3 =        (см. рис. 5, б), что обеспечит равенство потенциалов обоих входов при отсутствии входного сигнала. Такая же компенсация требуется и для схемы инвертирующего усилителя при его выполнении на серийных ОУ. Что касается схемы повторителя напряжения (рис. 5, а), то она остается одинаковой как на идеальных, так и на реальных ОУ.
Из-за наличия нулевых токов в ОУ ограничивается наибольшее допустимое сопротивление резисторов, включаемых в цепи обратной
связи. Поясним это на примере схемы неинвертирующего усилителя (см. рис. 5, б). Для исключения влияния нулевых токов на параметры такого усилителя обычно принимают, что ток в цепи обратной связи должен быть больше паспортного значения нулевого дифференциального тока ОУ в 20 раз при выходном напряжении, равном 0,5 ЕпиТ. При осуществлении схемы неинвертирующего усилителя на ОУ типа К553УД2, для которого паспортное значение А/вх = 500 нА, значение тока в цепи R2 должно быть не менее 10 мкА. Исходя из этого значения тока определяют наибольшее значение суммы сопротивлений Rx + R2. Для нашего примера, если напряжение питания равно ± 15 В, получаем, что максимальное значение/?! + R2 =0,5-15/10~6 =750к0м. Минимальное значение Rt + R2 ограничивается допустимой нагрузкой данного типа ОУ. На практике значение Rx + R2 берут порядка 50— 100 кОм. Аналогично подбирают значение Rx + R2 и для схемы инвертирующего усилителя по рис. 5,е.
Коэффициент усиления для схем рис. 5, б, в в серийных реле защиты принимают в пределах от 10 до 100.
Имеющиеся у реальных ОУ напряжения сдвига нуля и нулевые токи накладывают определенные ограничения на область применения рассмотренных схем. В частности, это приводит к сужению диапазона пропорционального изменения выходного сигнала, в пределах которого сохраняется линейная зависимость между входным и выходным напряжениями. Как показывают расчеты, нижнее значение входного сигнала должно находиться на уровне 100-200 мВ. Верхнее его значение ограничивается максимальным UBhiXmax, которое при ЕПИт = ± 15 В равно 10 В. Таким образом, кратность изменения входного сигнала в этом диапазоне не превышает 50, что не всегда дает возможность получить нужную характеристику реле. Поэтому в схемах реле защиты наряду с рассмотренными схемами применяют другие содержащие ОУ схемы, названные функциональными элементами или решающими усилителями, описание которых дается в § 3.



 
« РЗиА СН тепловых электростанций   ШДЭ2801, ШДЭ2802 »
электрические сети