電機控制技術(shù)（雙極晶體管PWM直流調(diào)壓電路）

1、專業(yè)專注專心工作單位：邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：李光舉1.BJT可逆供電電路的形式12.PWM直流電路的控制方式22）電壓比較器53.BJT-PWM直流調(diào)壓的工作原理31）鋸齒波發(fā)射器43）功率放大器6雙極晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路 隨著雙極晶體管(BJT)的容量和技術(shù)性能的提高、價格的降低，以及脈寬調(diào)制(PWM)專用集成電路的日益完善，使得BJT-PWM控制系統(tǒng)日益增多。下面介紹雙極晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路。共分以下三項內(nèi)容：BJT可逆供電電路的形式PWM直流電路的控制方式BJTPWM直流調(diào)壓的工作原理 雙極晶體管(BJT)-脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)壓電路雙極晶體管供電電路常采用“脈沖寬

2、度調(diào)制”控制，又稱PWM(Pulse Width Modulation)控制。PWM調(diào)壓控制的基本原理是利用雙極晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率約為2000Hz的方波脈沖電壓，然后通過對方波脈沖寬度的控制來改變PWM型直流電壓的平均值與極性。 PWM型直流調(diào)壓供電線路主要由鋸齒波(或三角波)發(fā)生器、比較器和BJT供電電路三個部分組成，如圖1所示。控制電壓 與鋸齒波電壓 比較，通過比較器形成調(diào)制方波。增設(shè)偏置電壓的目的是使 波形的中間位置在橫軸以上，以使控制電壓 為零時，輸出平均電壓 為零。iusubsuu iuavU圖1 BJT-PWM直流調(diào)壓電路的組成1. BJT可逆供電電路的形式

3、在BJT可逆供電電路中，通常采用T形和H形兩種電路，如圖2所示。 圖2 BJT可逆供電電路1)T形電路的優(yōu)點是開關(guān)元件少、線路簡單，電動機一端可接地，便于引出反饋信號。缺點是需要正、負兩個極性電源，BJT元件要承受兩倍電源電壓。T型電路工作時，如果 導(dǎo)通電動機承受正向電壓，如果 導(dǎo)通，電動機承受反向電壓。任何時候都只能有一個開關(guān)管導(dǎo)通，決不允許兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通。 2V1V2)H形電路雖然元件多些，電樞兩端浮地；但元件耐壓要求低，且只需單極性電源，所以實際中應(yīng)用較多。圖中V1V4為作開關(guān)用的BJT元件，VD1VD4為續(xù)流二極管。在H型電路中，如果 和 導(dǎo)通， 關(guān)斷，電動機M承受正向電壓；如果

4、和 關(guān)斷， 導(dǎo)通，電動機M承受反向電壓。1V4V2V3V1V4V2V3V2. PWM直流電路的控制方式在PWM可逆供電電路的控制方式上，又分雙極性和單極性。圖3a、b為雙極性和單極性控制時PWM直流可逆供電電路輸出電壓的波形。 圖3 PWM直流可逆供電電路輸出電壓波形圖3a為雙極性PWM控制方式的輸出電壓的波形。改變正負脈沖的寬度的差值，就能改變輸出電壓的平均值。若正脈沖寬度大于負脈沖寬度，則輸出電壓的平均值為正值。若正脈沖寬度小于負脈沖寬度，則輸出電壓平均值為負。圖3b為單極性控制方式輸出電壓的波形，它的特點是只有單極性（正或負）脈沖，改變正負脈沖的寬度即可改變輸出正負電壓的平均值。這兩種控

5、制方式相比，雙極性控制的優(yōu)點是電流連續(xù)，低壓時晶體管仍能可靠導(dǎo)通，若用于電動機調(diào)速，則低速時能平穩(wěn)運行，使調(diào)速范圍寬(可達 左右)。它的缺點是晶體管損耗多，且易發(fā)生上、下兩個晶體管同時導(dǎo)通造成的短路事故。41023.BJT-PWM直流調(diào)壓的工作原理該電路的三個部分的工作原理是：1)第一部分是一個由單結(jié)晶體自激振蕩電路構(gòu)成的鋸齒波發(fā)生器。圖4中晶體管工作于放大區(qū)，由 提供一個恒定的偏置電壓，由 構(gòu)成一個恒流源。電源經(jīng) 向電容C充電時，由于電流恒定，電容電壓將直線上升。當(dāng)電容電壓達到單結(jié)晶體管的峰值電壓時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，電容C將通過單結(jié)晶體管放電。由于放電回路電阻很小，電容電壓將瞬間變?yōu)榱?。放?/p>

6、之后電容又充電放電。這樣在電容C兩端得到鋸齒波型的電壓。鋸齒波電壓經(jīng)過V3構(gòu)成的射極輸出器，在V3的發(fā)射及得到相同形狀的鋸齒波。鋸齒波信號 被送到比較器和 、 進行疊加。1VD1V1Vsuiubu2)第二部分是控制部分，它是一個由運算放大電路構(gòu)成的電壓比較器。運放電路未設(shè)反饋阻抗，是一個開環(huán)放大器，因此，只要有微小的輸入電壓，其輸出電壓即達飽和值(或限幅值)。它的輸入端有鋸齒波電壓 、控制電壓 和偏置電壓 等三個電壓信號綜合。由于三個信號的輸入回路電阻相等(均為51k)，因此其輸入綜合電壓 即為三個電壓的代數(shù)和，(即 )。由于是由反向輸入端輸入，因此當(dāng)綜合電壓u0時，其輸出電壓 將為負飽和值；

7、反之，u0時輸出電壓 將為正飽和值。uibsuuuuouousuiubu為了使當(dāng)控制電壓 時，比較器輸出的電壓的正負半波的寬度相等(輸出的平均電壓為零)，偏置電壓 取鋸齒波電壓最大值 的一半，極性與 相反， 即 。0iubusmususmbbuUu21圖5為比較器輸出電壓與綜合輸入電壓的波形圖。由圖5可以看出：當(dāng) 時，比較器輸出電壓的正負半周時間相同，輸出電壓的平均值為零。當(dāng) 時，比較器輸出電壓為負值的時間較長，輸出電壓 的平均值為負值。當(dāng) 時，比較器輸出電壓為正值的時間較長，輸出電壓的平均值為正值。綜上所述，調(diào)節(jié)控制電壓 的值，就可以調(diào)節(jié)比較器輸出電壓正負半周的時間比，就可以改變比較器輸出電

8、壓的平均值。若 減小，輸出電壓的平均值增大；若 增大，輸出電壓的平均值減小。0u iouiuiuiu0iu0u i3)第三部分為開關(guān)電路功率放大部分，有正負電源和兩組功率放大電路組成。圖4中的 和 為推拉式開關(guān)管，設(shè)置穩(wěn)壓管 和 是為了提供正反門檻電壓，防止干擾信號使開關(guān)管 和 錯誤導(dǎo)通。 、 和 、 為雙極晶體管組成的復(fù)合管，由他們組成功率放大電路。當(dāng)比較器的輸出電壓為正時，晶體管 和復(fù)合管 、 導(dǎo)通，電動機接通負電源，電樞電壓為負值；當(dāng)比較器的輸出電壓為負時，晶體管 和復(fù)合管 、 導(dǎo)通，電動機接通正電源，電樞電壓為正值。圖中的 、 為續(xù)流二極管，起保護作用。以防止當(dāng)復(fù)合雙極晶體管關(guān)斷時電動機電樞產(chǎn)生過高的感應(yīng)電動勢將另一組雙極晶體管反向擊穿。4V5V1VS2VS4V5V6V8V7V9V5V7V9V4V6V8V2VD3VD4) 在圖4所示的電路中，驅(qū)動的負載是一小功率的直流伺服電動機，調(diào)制的電壓頻率為2000Hz。由雙極晶體管組成的脈寬調(diào)制型可逆供電電路，供電脈沖的頻率可以高達 ，經(jīng)電樞電感濾波后的脈動電流很小，故