3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
В данном параграфе описывается работа отдельных элементарных звеньев, из которых собираются основные узлы реле защиты. Каждое звено предназначается для осуществления одной из частных операций, присущих данному узлу. В схеме звена может содержаться одна или несколько микросхем, благодаря которым такие звенья относят к активным и называют функциональными элементами.
Наряду с функциональными элементами в схемах реле защиты применяют также звенья, не содержащие интегральных микросхем. В отличие от функциональных элементов такие звенья называют пассивными.
Рис. 8. Отдельные типовые схемы усилителей на реальных ОУ:
а - усилитель-ограничитель; б - сумматор на базе инвертирующего усилителя; б - дифференциальный усилитель
Остановимся на типовых схемах функциональных элементов, используемых в серийных реле защиты. Большинство из них заимствовано из схем, используемых в измерительной технике и промышленной автоматике.
К числу наиболее часто применяемых функциональных элементов следует в первую очередь отнести схемы усилителей, содержащих ОУ. Среди них можно указать уже известные из предыдущего параграфа схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей, изображенные на рис. 5, б, в. Широко применяют также повторители напряжения, показанные на рис. 5, а.
Наряду с ними довольно часто в реле защиты применяют усилители с ограничением уровня выходного напряжения, называемые сокращенно усилителями-ограничителями. Ограничения достигают за счет включения параллельно сопротивлению обратной связи двух встречно включенных стабилитронов (рис. 8, а). При подъеме выходного напряжения более UCT + 0,7 В сопротивление обратной связи шунтируется и рост их прекращается. Здесь UcT — напряжение пробоя стабилитрона, а 0,7 В - падение напряжения на стабилитроне в прямом, диодном направлении.
Часто используют схемы сумматоров напряжения на ОУ. Один из вариантов схемы сумматора с тремя входами, выполненный на основе инвертирующего усилителя, показан на рис. 8, б. На инвертирующий вход подаются складываемые напряжения через индивидуальные резисторы Rl —R3. Выходное напряжение будет пропорционально сумме входных напряжений. Сумматоры обладают малым собственным потреблением и позволяют поднять значение суммы напряжений до желаемого уровня. Они успешно используются в схемах формирователей сигналов, фильтров симметричных составляющих и для сравнения мгновенных или средних значений подаваемых напряжений.
К числу типовых относится также схема дифференциального усилителя, показанная на рис. 8, е.
Таким образом, данная схема обеспечивает усиление разности входных напряжений. Дифференциальный усилитель применяется также в качестве основы для получения схем различных сумматоров-вычитателей.
Рассмотрим еще несколько схем применения серийных ОУ.
Компараторы представляют собой схемы, обеспечивающие сравнение двух входных напряжений. Напряжение на выходе компаратора скачкообразно изменяется, когда одна из сравниваемых величин становится больше другой.
В реле защиты широко используются компараторы, в которых одной входной величиной является опорное напряжение заданного значения, а другой — напряжение, пропорциональное измеряемому напряжению или току, которое поступает от соответствующих датчиков.
Компараторы используются также в качестве нуль-индикаторов. В них один из входов компаратора заземляется и скачкообразное изменение выходного напряжения происходит при переходе измеряемого сигнала через нулевое значение. Одна из типовых схем компаратора показана на рис. 9, а. На вход 1 подается измеряемый сигнал, а на вход 2 — опорное напряжение. Пока измеряемое напряжение меньше опорного, на выходе ОУ держится максимальное выходное напряжение, совпадающее по знаку с опорным. Как только измеряемое напряжение станет больше опорного примерно на величину, равную свойственному данному ОУ напряжению суммирующей точки, выходное напряжение немедленно изменит свой знак на противоположный, сохранив максимальное значение. Диоды VD1 и VD2 защищают входы ОУ от повышенных значений дифференциального напряжения.
Рис. 9. Компаратор на реальных ОУ:
а - однопороговый для однополярных сигналов; б - однопороговый для разнополярных сигналов; в - двухпороговый компаратор; г - инвертирующий триггер Шмитта; д - передаточная характеристика триггера Шмитта
Если нужно ограничить выходное напряжение определенным уровнем, то в цепи обратной связи устанавливают два стабилитрона, включенных встречно.
Другая типовая схема компаратора, называемого еще суммирующим, показана на рис. 9, 6. Компаратор применяется для сравнения разнополярных напряжений, подаваемых на его входы, при этом входные напряжения могут быть весьма большими. Изменение знака выходного напряжения происходит при переходе напряжения, приходящего на инвертирующий вход, через нулевое значение. Описанные компараторы получили наименование однопороговых.
Схема двухпорогового компаратора показана на рис. 9, в. При отсутствии входного сигнала диоды VD1-VD4 открыты за счет протекания по ним тока от источников питания ± 15 В. Потенциалы узлов моста, примыкающих к инвертирующему входу и выходу ОУ, одинаковы, при этом сопротивление в цепи отрицательной обратной связи настолько мало, что коэффициент усиления схемы близок к нулю. Выходное напряжение держится на уровне прямого падения напряжения на диодах VD1-VD4. При появлении входного сигнала по диодам
VD1- VD4 начинают протекать дополнительные токи. Если Е/вх положительно, то эти токи, проходя по диодам VD1 и VD4, будут направлены навстречу току, идущему от источника питания, и будут вычитаться из него, а при протекании этих токов через диоды VD2 и VD3 их направление будет совпадать с током от источника питания, и эти токи сложатся. При некотором значении Е/вх, называемым пороговым, диоды VD1 и VD4 закроются. Это приведет к резкому возрастанию сопротивления обратной связи и соответственно к появлению максимального значения ивых. При отрицательном входном напряжении схема работает аналогично, только знак выходного напряжения будет противоположным. Подбором сопротивлений —R3 можно регулировать уровень порогового напряжения. Рассмотренная схема обладает повышенной помехоустойчивостью.
Триггер Шмитта представляет собой компаратор с одним заземленным входом, заданным опорным напряжением и положительной обратной связью. Благодаря ей изменение знака выходного напряжения и обратный переход в начальное состояние происходит при разных уровнях входного напряжения.
Зависимость С/вых от С/вх приобретает форму прямоугольной петли гистерезиса. Рассмотрим, как работает одна из распространенных схем — инвертирующий триггер Шмитта со смещенной характеристикой, изображенный на рис. 9, г. Для того чтобы срабатывание и возврат триггера происходили при изменениях входного напряжения одного знака, на его инвертирующий вход подается отрицательное напряжение смещения — Е/см.
Рис. 10. Двухполупериодный выпрямитель на реальных ОУ
Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение нужно снизить до значения t/BX Ha4 - UB'X. На рис. 9,д приведена передаточная характеристика такого триггера Шмитта. Она имеет четко выраженный "релейный" характер. Поэтому такие триггеры часто используют в исполнительной части реле. Применяют их также для преобразования синусоидальных напряжений в прямоугольные, особенно при искаженной форме кривой напряжения. Существуют и другие схемы исполнения триггеров Шмитта, на которых мы останавливаться не будем, чтобы не повторяться.
Выпрямители на операционных усилителях применяют в тех случаях, когда нужно обеспечить выпрямление с точным сохранением формы кривой выпрямленного сигнала. В качестве примера рассмотрим одну из часто встречающихся схем.
Двухполупериодный выпрямитель, воспроизводящий с большой точностью каждый из двух полупериодов выпрямленного напряжения переменного тока, показан на рис. 10. Благодаря тому, что диоды VD1 и VD2 включены в цепь обратной связи операционного усилителя А1, падение напряжения на них не сказывается на форме выходного напряжения, что позволяет без искажений выпрямлять напряжения, измеряемые единицами милливольт. Все сопротивления, установленные в схеме, имеют одинаковые значения.
При поступлении на схему положительной полуволны выпрямляемого напряжения на выходе появляется напряжение отрицательного знака того же значения, так как при этом открывается диод VD1, и обратная связь осуществляется через резистор R2. Первый каскад работает как инвертирующий усилитель с К и = 1. Поступая во второй каскад на операционном усилителе А2, у которого неинвертирующий вход находится под потенциалом суммирующей точки А1, близким к нулю, зто напряжение инвертируется. На выходе схемы получается напряжение, совпадающее по знаку и по значению со входным.
Когда на схему приходит отрицательная полуволна измеряемого напряжения, режим обратной связи первого каскада изменяется. Диод VD1 закрывается, открывается диод VD2, и обратная свзяь проходит параллельно через R3 и сумму сопротивлений R2 и R4, объединенных в суммирующей точке А2. Коэффициент усиления первого каскада становится равным R3 (R2 +R4)/Ri (R2 +Rз что при одинако
вых значениях этих сопротивлений составляет 2-1/(1+2) = 2/3. Напряжение на выходе А1 имеет положительный знак и равняется 2/3 входного. Режим второго каскада становится другим. Его инвертирующий вход оказывается связанным с суммирующей точкой А1, имеющей потенциал, близкий к нулю, через резисторы R2 и R4. На неинвертирующий вход А2 приходит положительное напряжение с выхода А1. Второй каскад будет работать в этом случае как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 +Д5/(К2 + R*)- Так как все резисторы одинаковы, то его значение будет равняться 3/2. Коэффициент усиления схемы для положительных входных напряжений получается равным K\j = 2/3-3/2 = 1. Таким образом, схема обеспечивает выпрямление входных сигналов без искажения как положительных, так и отрицательных полуволн.
Интеграторы, выполненные на ОУ, часто применяются в схемах реле защиты. Они используются при осуществлении различных фильтров, а также в элементах, реагирующих на среднее значение поступающего сигнала.
Интегрирование в геометрическом понятии представляет собой измерение площади, заключенной между двумя перпендикулярами, опущенными в начале и конце отрезка сложной кривой, и ограниченной самой кривой и ее проекцией на ось х. Операция интегрирования
записывается в виде
где а и b — координаты начала и конца
проекции отрезка кривой на ось х.
Полной электрической аналогией процесса интегрирования является суммирование мгновенных значений переменного напряжения в заданном интервале времени.
Простейший интегратор на операционном усилителе изображен на рис. 11, а. В электротехнике емкость С измеряется как отношение q/U, где q — электрический заряд. Отсюда q = CU. Ток ic через емкость С определяется как изменение заряда q в единицу времени i с - ~dq/dt. Учитывая сказанное выше, получаем ic = C(dU/dt.).
Полагая, что схема интегратора выполнена на идеальном ОУ, мы можем принять, что напряжение в суммирующей точке UD- 0. Так как неинвертирующий вход заземлен, то и потенциал инвертирующего входа можно считать равным нулю. Током, входящим в инвертирующий вход, можно также пренебречь и считать, что токи через сопротивление R и емкость С одинаковы, т.е. /д = ic.
Рис. 11. Интегратор на ОУ:
а - схема интегратора на идеальном ОУ; б — характеристики интегратора при входном сигнале постоянного значения; в - характеристики интегратора при входном периодическом сигнале прямоугольной формы; г — схема интегратора на реальном ОУ
На рис. 11, б, в показано, как выглядят выходные сигналы интегратора при подаче на его входы ступенчатого сигнала и колебаний прямоугольной формы.
При выполнении интегратора на серийных ОУ схема рис. 11, а требует некоторых дополнений. Это вызвано тем, что у реального усилителя может наблюдаться некоторый сдвиг выходного напряжения и имеются токи смещения, под действием которых может происходить заряд емкости при отсутствии входного сигнала. Для исключения влияния этих факторов параллельно емкости С включают резистор обратной связи R2 с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соединяют с нулевой шинкой через резистор R3, значение которого равно сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений в цепи инвертирующего входа и в цепи обратной связи, т.е. R3= RlR2/(Rl + R2) (рис. 11, г).
Рис. 12. Дифференциатор на ОУ:
а — принципиальная схема; б — характеристики дифференциатора при входном сигнале треугольной формы; б - характеристики дифференциатора при входном сигнале прямоугольной формы
Ключ К нужен для разряда емкости перед повторным включением интегратора.
В схемах интегратора рекомендуется применять ОУ с большим входным сопротивлением, например К544УД1А. Кроме того, должны применяться добротные конденсаторы с очень малыми токами утечки.
Дифференциаторы - это схемы, напряжение на выходе которых пропорционально скорости изменения входного напряжения. Для этой цели они и используются в схемах реле защиты. Применительно к идеальным ОУ дифференциатор может быть представлен схемой, показанной на рис. 12, а. Так как на входе ОУ стоит емкость С, то входной ток такой схемы равен iBX = С (dUBx/dt), при этом на выходе ОУ получается напряжение £/вых =-iBxR =-CR (dUBX/dt). На рис. 12, б показано, какое получается напряжение на выходе дифференциатора при подаче на его вход треугольного сигнала, а на рис. 12, в приведены аналогичные графики для случая подачи на его вход прямоугольного сигнала. Эту схему применяют сравнительно редко из-за низкой помехоустойчивости, трудно поддающейся устранению.
Активные фильтры довольно часто используются в реле защиты. Они представляют собой функциональные элементы, в которых в качестве частотно-избирательных звеньев используют резисторно-конденсаторные ЛС-цепочки, а в качестве активного звена — операционный усилитель. Благодаря наличию ОУ такие фильтры называют активными.
В отличие от них фильтры, содержащие только резисторы, конденсаторы и индуктивности, называют пассивными. По сравнению с последними активные фильтры имеют меньшие габариты и потребление, особенно при работе на частотах ниже 0,5 МГц.
Из других достоинств активных фильтров следует отметить, что они просты в изготовлении и При настройке, не содержат нелинейных элементов в виде индуктивностей, обеспечивают при необходимости усиление выходного сигнала и хорошее согласование с входными и выходными цепями. Они имеют небольшие размеры и массу. К недостаткам активных фильтров можно отнести необходимость источника питания и ограничение диапазона рабочих частот несколькими мегагерцами. В применении к реле защиты эти недостатки существенного значения не имеют.
Активные фильтры могут использоваться как фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (селективные) фильтры (ПФ, СФ) и заграждающие (режекторные) фильтры (ЗФ, РФ), называемые еще фильтрами-пробками. На рис. 13 показаны примерные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) таких фильтров, представляющие собой зависимость выходного напряжения фильтра f/вых от частоты подаваемого входного напряжения.
На каждой из показанных характеристик фильтров могут быть выделены три определенные полосы частот: полоса пропускания а, где выходное напряжение имеет наибольшее значение, полоса запирания или подавления е, где выходное напряжение доходит до минимума, и промежуточная или переходная полоса б. Последняя — это интервал частот, в пределах которого значение выходного напряжения изменяется от максимального до минимального. Чем уже переходная полоса, тем ближе характеристика фильтра к идеальной. Для ФНЧ первой границей полосы пропускания считается частота, при которой выходное напряжение фильтра становится ниже 0,707 его наибольшего значения в полосе пропускания. Эту частоту называют частотой среза /с. Частотой запирания, иногда называемой частотой подавления или частотой ослабления и являющейся второй границей переходной полосы, считается частота flt при которой значение выходного напряжения спадает ниже 0,3 максимального. Для ФВЧ понятия /с и fx аналогичны.
Для полосовых фильтров характерны граничные частоты полосы пропускания /i и /2 и полосы заграждения //и /2'. Заграждающие фильтры характеризуются полосой запирания в интервале частот от Д до /2, в пределах которой выходное напряжение имеет значение ниже 0,707 выходного напряжения за ее пределами. Средней или рабочей частотой полосовых и заграждающих фильтров считается частота /0 = V/1/2.
Рис. 13. Амплитудно-частотные характеристики активных фильтров
Кроме амплитудно-частотных характеристик для анализа работы фильтров строят также фазо-частотные характеристики (ФЧХ), представляющие собой зависимость угла между векторами входного и выходного напряжений от частоты.
При построении АЧХ и ФЧХ фильтров пользуются обычно полулогарифмической шкалой для осей координат. Это позволяет получать данные об изменении напряжений непосредственно в децибелах. В качестве одного из основных параметров служит величина затухания коэффициента усиления фильтра, выраженная в децибелах при изменении частоты относительно /0 в 2 раза (на октаву) или в 10 раз (на декаду).
В настоящее время разработано много различных схем активных частотных фильтров.
Из большого числа таких схем наиболее приемлемыми для использования в реле защиты оказались активные фильтры второго порядка, в которых содержится два /?С-звена. Такой выбор обусловлен тем, что для обеспечения правильной работы реле требуется, чтобы переходные процессы в фильтрах не вызывали заметных задержек в срабатывании реле, когда возникают условия для его действия. Это возможно, если переходные процессы в отдельных контурах имеют одинаковые постоянные времени. При колебательном характере переходного процесса нужно, чтобы частота колебаний была близка к промышленной. Как показали исследования, приемлемый характер переходного процесса легче достигается в фильтрах второго порядка.
В серийных реле защиты, выпускаемых в настоящее время, применяют активные частотные фильтры второго порядка, собранные по схеме с многопетлевой отрицательной обратной связью (МОС).
На рис. 14 представлены соответственно схемы фильтра нижних частот (рис. 14, а) и полосового фильтра (рис. 14, б) с МОС.
Отношение амплитуды выходного напряжения любого фильтра к амплитуде входного напряжения определяется из выражения, отражающего зависимость этого отношения от частоты подаваемого сигнала. Это выражение называют передаточной функцией фильтра. В общем случае передаточная функция активного частотного фильтра второго
Рис. 14. Схемы активных ЛС-фильтров:
а - ФНЧ второго порядка с МОС; б - ПФ второго порядка с МОС
порядка имеет следующий вид:
где s =/ со, Р (s) — уравнения не выше второго порядка, характерные для данного вида фильтра; Ъх и сх — постоянные числа.
В связи со сложностью теории фильтров при дальнейшем изложении все формулы даются без теоретических выкладок.
Фильтр нижних частот показан на рис. 14, а. Действительно, если частота поданного на фильтр сигнала намного меньше /с, то реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2 значительно превышает сопротивление резисторов R1-R3, при зтом коэффициент усиления фильтра практически равен К =—R2/Ri. По мере увеличения частоты реактивное сопротивление С2 падает, вызывая понижение уровня сигнала, поступающего на вход ОУ. Одновременно снижается и коэффициент усиления за счет уменьшения реактивного сопротивления конденсатора С1 в цепи обратной связи ОУ. При увеличении частоты входного сигнала выше /с этот процесс нарастает. Ширина переходной полосы такого фильтра зависит от подбора установленных в нем резисторов и конденсаторов.
По сравнению с приведенным выше общим выражением для передаточной функции фильтра в нее введена постоянная величина — круговая частота среза со с. Коэффициент Ьг и Ci — это постоянные числа, от значения которых зависит форма АЧХ фильтра данного типа. Так, амплитудно-частотная характеристика ФНЧ, имеющая форму, подобную показанной на рис. 13, имеет значение Ьг = у/Т= 1,412214 и сл =1. Такой фильтр относится к фильтрам типа Баттерворта (по фамилии автора, разработавшего теорию этих фильтров). Затухание UByix/ в переходной полосе у описываемого фильтра в 2 раза больше, чем у простейшего ФНЧ, и равно 12 дБ на октаву или 40 дБ на декаду.
В серийных реле фильтры типа Баттерворта применяются редко из-за сравнительно широкой переходной полосы. В них обычно используют фильтры типа Чебышева, являющегося автором теории фильтров этого типа. АЧХ этих фильтров в полосе пропускания имеют чередующиеся подъемы и спады, число которых зависит от порядка фильтра. Их еще называют равноволновыми фильтрами.
В заключение остановимся на схеме элемента задержки, выполненного на ОУ (рис. 17, а). На вход схемы поступает сигнал с выхода предыдущего каскада, выполненного также на ОУ. В исходном состоянии этот сигнал имеет максимальное отрицательное значение. Диод VD открыт, и на конденсаторе С удерживается такое же напряжение. На верхнем графике рис. 17, б показано изменение падения напряжения на зарядном сопротивлении R2, начиная с момента перемены знака напряжения на выходе предыдущего каскада. Этот момент соответствует началу перезаряда конденсатора С, когда на нем еще удержи-
вается исходное отрицательное напряжение. Перезаряд конденсатора идет с постоянной времени, определяемой произведением R2C. Когда напряжение на конденсаторе перейдет через нулевое значение, знак дифференциального сигнала на входе ОУ изменится, и его выходное напряжение скачком приобретет максимальное положительное значение, что соответствует срабатыванию элемента задержки. Так как это действие происходит на линейной части характеристики перезаряда конденсатора С, разброс во времени срабатывания элемента получается очень небольшим и этим обеспечивается высокая точность его работы. Сопротивление резистора R1 берется небольшим, так как он служит только для ограничения тока разряда конденсатора, не вызывая заметного увеличения времени возврата элемента.
Отметим, что описанные схемы охватывают только наиболее часто встречающиеся варианты использования типовых схем применения ОУ в реле защиты.
С учетом рассмотренных схем можно облегчить себе восприятие других схем, не попавших в данную книгу. Более подробно схемы с ОУ, используемые в релейной защите, рассматриваются в [5, 7 и 8].
