双极晶体管脉宽调制控制的直流调速系统（精） - 图文

双臂晶体管脉宽调制控制的直流调速系统

1.双极晶体管脉宽调制型直流调压电路

随着双极晶体管(BJT)的容量和技术性能的提高、价格的降低，以及脉宽调制(PWM)专用集成电路的日益完善，使得BJT-PWM控制系统日益增多。下面介绍双极晶体管脉宽调制型直流调压电路。共分以下三项内容： 1.1BJT可逆供电电路的形式 1.2PWM直流电路的控制方式 1.3BJT—PWM直流调压的工作原理

⒈双极晶体管(BJT)-脉宽调制(PWM)型直流调压电路

双极晶体管供电电路常采用“脉冲宽度调制”控制，又称PWM(Pulse Width Modulation)控制。PWM调压控制的基本原理是利用双极晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成频率约为2000Hz的方波脉冲电压，然后通过对方波脉冲宽度的控制来改变PWM型直流电压的平均值与极性。

PWM型直流调压供电线路主要由锯齿波(或三角波)发生器、比较器和BJT供电电路三个

部分组成，如图1所示。控制电压设偏置电压的目的是使均电压

ui与锯齿波电压us比较，通过比较器形成调制方波。增

us?ub波形的中间位置在横轴上，以使控制电压ui为零时，输出平

Uav为零。

图1 BJT-PWM直流调压电路的组成

1.1 BJT可逆供电电路的形式

在BJT可逆供电电路中，通常采用T形和H形两种电路，如图2所示。

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图2 BJT可逆供电电路

1)T形电路的优点是开关元件少、线路简单，电动机一端可接地，便于引出反馈信号。缺点是需要正、负两个极性电源，BJT元件要承受两倍电源电压。

T型电路工作时，如果V2导通电动机承受正向电压，如果V1导通，电动机承受反向电压。任何时候都只能有一个开关管导通，决不允许两个开关管同时导通。

2)H形电路虽然元件多些，电枢两端浮地；但元件耐压要求低，且只需单极性电源，所以实际中应用较多。图中V1～V4为作开关用的BJT元件，VD1～VD4为续流二极管。

在H型电路中，如果V1和V4导通，电动机M承受正向电压；如果V1和V4V2、V3关断，关断，V2V3导通，电动机M承受反向电压。

1.2 PWM直流电路的控制方式

在PWM可逆供电电路的控制方式上，又分双极性和单极性。图3a、b为双极性和单极性控制时PWM直流可逆供电电路输出电压的波形。

图3 PWM直流可逆供电电路输出电压波形

⑴图3a为双极性PWM控制方式的输出电压的波形。改变正负脉冲的宽度的差值，就能改变输出电压的平均值。若正脉冲宽度大于负脉冲宽度，则输出电压的平均值Uav为正值。

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若正脉冲宽度小于负脉冲宽度，则输出电压平均值为负。

⑵图3b为单极性控制方式输出电压的波形，它的特点是只有单极性（正或负）脉冲，改变正负脉冲的宽度即可改变输出正负电压的平均值。

⑶这两种控制方式相比，双极性控制的优点是电流连续，低压时晶体管仍能可靠导通，若用于电动机调速，则低速时能平稳运行，使调速范围宽(可达2?10左右)。它的缺点是晶体管损耗多，且易发生上、下两个晶体管同时导通造成的短路事故。

1.3 BJT-PWM直流调压的工作原理

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该电路的三个部分的工作原理是：

1)第一部分是一个由单结晶体自激振荡电路构成的锯齿波发生器。图4中晶体管V1工作于放大区，由VD1提供一个恒定的偏置电压，由V1构成一个恒流源。电源经V1向电容C充电时，由于电流恒定，电容电压将直线上升。当电容电压达到单结晶体管的峰值电压时，单结晶体管导通，电容C将通过单结晶体管放电。由于放电回路电阻很小，电容电压将瞬间变为零。放完之后电容又充电放电。这样在电容C两端得到锯齿波型的电压。锯齿波电压经过V3构成的射极输出器，在V3的发射及得到相同形状的锯齿波us。锯齿波信号us被送到比较器和ui、ub进行叠加。

2)第二部分是控制部分，它是一个由运算放大电路构成的电压比较器。

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运放电路未设反馈阻抗，是一个开环放大器，因此，只要有微小的输入电压，其输出电压即达饱和值(或限幅值)。它的输入端有锯齿波电压us、控制电压ui和偏置电压ub等三个电压信号综合。由于三个信号的输入回路电阻相等(均为51kΩ)，因此其输入综合电压?u即为三个电压的代数和，(即?u?us?ub?ui)。由于是由反向输入端输入，因此当综合电压Σu>0时，其输出电压uo将为负饱和值；反之，Σu<0时uo降为正饱和值。

为了使当控制电压ui?0时，比较器输出的电压的正负半波的宽度相等(输出的平均电压为零)，偏置电压ub取锯齿波电压最大值usm的一半，极性与us相反，即

1ub?Ub??usm。 2

图5为比较器输出电压与与综合输入电压的波形图。由图5可以看出：

①当ui?0时，比较器输出电压的正负半周时间相同，输出电压uo的平均值为零。 ②当ui?0时，比较器输出电压uo为负值的时间较长，输出电压的平均值为负值。 ③当ui?0时，比较器输出电压为正值的时间较长，输出电压的平均值为正值。 综上所述，调节控制电压ui的值，就可以调节比较器输出电压正负半周的时间比，就可以改变比较器输出电压的平均值。若ui减小，输出电压uo的平均值增大；若ui增大，输出电压uo的平均值减小。

3)第三部分为开关电路功率放大部分，有正负电源和两组功率放大电路组成。图4中的

V4和V5为推拉式开关管，设置稳压管VS1和VS2是为了提供正反门槛电压，防止干扰信号

使开关管V4和V5错误导通。V6、V8和V7、V9为双极晶体管组成的复合管，由他们组成

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