1. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Усилители переменного тока с выходной мощностью от долей до десятков ватт находят широкое применение в устройствах электроавтоматики в основном для управления двухфазными индукционными электродвигателями, а также для управления более мощными

каскадами усиления нулевой или первой гармоники напряжения.

Основной нагрузкой для оконечных каскадов усилителей переменного тока является обмотка управления двухфазного индукционного электродвигателя (ДИД). Оконечный каскад должен быть рассчитан так, чтобы обеспечить пусковой режим питания обмотки управления электродвигателя.

Мощность, потребляемая обмоткой управления, состоит из активной и реактивной составляющих, причем только активная составляющая мощности совершает полезную работу, а усилитель должен быть рассчитан на полную мощность. Реактивная составляющая мощности вызывает лишь дополнительный нагрев транзисторов оконечного каскада и определяет увеличение номинальной мощности этого каскада. Включая конденсатор параллельно или последовательно с обмоткой управления, получаем возможность скомпенсировать реактивную составляющую мощности управления.

Рис. III. 1. Параллельная эквивалентная схема цепи управления двухфазного электродвигателя с компенсирующим конденсатором — эквивалентные параметры цепи управления)

В этом случае обмотка управления (вместе с конденсатором) будет чисто активной нагрузкой для усилителя. Обычно емкость компенсирующего конденсатора выбирается с учетом параметров цепи управления электродвигателя в пусковом режиме.

Компенсирующий конденсатор, как правило, включают параллельно обмотке управления, так как при этом управляющее напряжение требуется меньшее, чем при последовательном включении конденсатора (рис. III. 1).

Усилитель должен быть рассчитан на выходную мощность, соответствующую пусковому (тормозному) режиму работы электродвигателя. Зная номинальное напряжение питания обмотки управления определим расчетную выходную мощность оконечного каскада

Методика определения изложена в работе [15].

Мощность, потребляемая цепью управления даже самых маломощных двухфазных электродвигателей, составляет несколько ватт. Поэтому применение оконечных каскадов в режиме класса А практически исключается из-за низкого к. п. д. Оконечные каскады должны работать в режиме класса В или в режиме переключения (класс D). Питание выходных цепей оконечных каскадов может

осуществляться от источников постоянного напряжения или пульсирующего напряжения, полученного от двухполупериодного выпрямителя без сглаживающего фильтра. В последнем случае можно уменьшить мощность, рассеиваемую в транзисторах, приблизительно в 1,5 раза.

Для оконечных каскадов в режиме класса В используются различные схемы. Однако наибольшего внимания заслуживают схемы, в которых транзисторы могут быть смонтированы на общем теплоотводящем радиаторе, соединенном с отрицательным полюсом источника питания. Это часто позволяет не изолировать радиатор от массы (корпуса), что упрощает конструкцию усилителя и повышает его надежность.

Рис. III.2. Схема двухтактного оконечного каскада в режиме класса В с транзисторами, включенными по схеме с общим эмиттером

Рис. III.3. Мостовая схема оконечного каскада в режиме класса В

На рис. III.2 изображена схема двухтактного оконечного каскада в режиме класса В, позволяющая монтировать оба транзистора без изоляции на общем заземленном радиаторе. Связь выходной цепи каскада с обмоткой управления электродвигателя трансформаторная. Последняя может быть также автотрансформаторной или бестрансформаторной. Недостатком данной схемы, как и обычной двухтактной, является необходимость применения транзисторов, выдерживающих напряжение коллектор — эмиттер, равное удвоенному напряжению питания: От этого недостатка свободна мостовая схема оконечного каскада, изображенная на рис. III.3. В приведенной схеме транзисторы работают в режиме класса В. Оба транзистора монтируются без изоляции на общем радиаторе, соединенном с отрицательным полюсом источника питания (массой).

Транзисторы работают в режиме переключения, и в них рассеивается в несколько раз меньшая мощность, чем в транзисторах Для обеспечения насыщенного состояния транзисторов и сопротивления резисторов должны быть следующими:

где статический коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером;

— амплитудное значение коллекторного тока.

Для запирания транзисторов используется отдельная вторичная обмотка входного трансформатора.. Максимальное напряжение коллектор — эмиттер на любом транзисторе этой схемы не превышает напряжения питания. Мощность, потребляемая каскадом от источника сигнала (предоконечного каскада), практически такая же, как в обычной двухтактной схеме. Лишь при малых значениях транзисторов приходится считаться с тем, что эта мощность больше, чем в обычной схеме, приблизительно в раз.

Во всех схемах оконечных каскадов транзисторы следует использовать только при включении по схеме с общим эмиттером, обеспечивающей максимальное усиление по мощности. Характеристики вход — выход транзисторных каскадов в режиме класса В являются существенно нелинейными и изменяются с температурой.

Для улучшения линейности и термостабильности этих характеристик применяется отрицательная обратная связь (ОС).

Применение ОС в одном оконечном каскаде не является эффективным из-за малого усилия по мощности одного каскада. Кроме того, значительно увеличивается необходимая выходная мощность предоконечного каскада. Наиболее рациональным является охват обратной связью усилителя в целом. Более простым, но менее эффективным является применение ОС, охватывающей хотя бы оконечный и предоконечный каскады.

Связь выходной цепи оконечного каскада с обмоткой управления двухфазного электродвигателя может быть осуществлена при помощи трансформатора, автотрансформатора или без трансформатора (рис. III.4). Для уменьшения габаритов и массы усилителя всегда предпочтительна бестрансформаторная связь. Необходимость в применении трансформатора или автотрансформатора возникает по двум причинам:

несоответствие между максимальным выходным напряжением каскада и требуемым напряжением управления;

несоответствие между количеством выводов в выходной цепи каскада и количеством выводов цепи управления.

Максимальная амплитуда напряжения на нагрузке транзисторного каскада весьма близка к величине напряжения питания каскада Полагая при максимальном коллекторном токе получим более точное соотношение

где — напряжение на переходе база — эмиттер.

Для германиевых транзисторов всех типов максимальное напряжение не превышает 1 В при допустимых значениях коллекторного тока.

В двухтактных схемах, работающих в режиме класса В, напряжение подводится поочередно к двум секциям первичной

обмотки выходного трансформатора. Такой режим по всем электротехническим соотношениям эквивалентен питанию одной секции первичной обмотки выходного трансформатора с числом витков приблизительно синусоидальным напряжением с максимальной амплитудой

Для осуществления бестрансформаторной связи обмотки управления с двухтактным каскадом необходим вывод от средней точки обмотки управления (рис. III.4, а).

Рис. III.4. Схемы связи выходной цепи двгухтактного каскада с обмоткой управления двухфазного электродвигателя: а — бестрансформаторная; б — автотрансформаторная; в — с повышающим трансформатором; г — с повышающим автотрансформатором; д — с понижающим трансформатором

Для этого две обмотки управления двухфазных индукционных электродвигателей серии ДИД соединяют последовательно. Амплитуда напряжения на всей обмотке в этом случае

Если обмотка электродвигателя не имеет вывода от средней точки, наиболее рациональна автотрансформаторная схема (рис. III.4, б). При этом коэффициент трансформации

При применении трансформатора или автотрансформатора следует правильно определить место включения компенсирующего конденсатора. Если максимальная амплитуда напряжения на обмотке управления больше то конденсатор включают параллельно обмотке управления (рис. II 1.4, в, г). При конденсатор устанавливают параллельно первичной обмотке трансформатора

(рис. III.4, д). При включении конденсатора параллельно наиболее высоковольтной обмотке трансформатора его емкость получается минимальной, причем изменение емкости обратно пропорционально квадрату изменения напряжения.

После выбора схемы каскада и вида связи транзисторов с обмоткой управления электродвигателя необходимо:

1. Выбрать тип транзисторов по допустимому обратному напряжению и допустимому коллекторному току.

2. Определить возможность применения данного типа транзисторов на основе энергетического и теплового расчетов. При этом может выявиться необходимость параллельного включения транзисторов. Произвести расчет радиаторов.

3. По статическим характеристикам транзисторов определить максимальные амплитуды напряжения база — эмиттер и тока базы. Эти величины определяют максимальную мощность, потребляемую входной цепью каскада, т. е. являются исходными данными для проектирования и расчета предоконечного каскада.

4. Произвести конструктивный расчет выходного трансформатора или автотрансформатора. Расчет входного трансформатора производится после определения его основных параметров как элемент цепи связи по окончании расчета предоконечного каскада.

Для того чтобы выбрать тип транзистора оконечного каскада, необходимо знать: максимальную температуру окружающей среды максимальную амплитуду коллекторного тока и максимальное напряжение коллектор—эмиттер икэтах в данной схеме. При следует применять германиевые транзисторы как обладающие лучшими усилительными свойствами. При практически неизбежно применение кремниевых транзисторов, хотя это и связано с уменьшением коэффициента усиления каскада и снижением к. п. д. выходной цепи из-за большего остаточного напряжения коллектор—эмиттер.

Максимально допустимая температура переходов германиевых транзисторов составляет 85 — 100° С, для кремниевых транзисторов эта температура равна 120 — 150° С.

Для каждого типа транзисторов техническими условиями строго нормированы величины предельно допустимого коллекторного тока доп и напряжения коллектор — эмиттер доп. Эти значения ни в коем случае не должны быть превышены при эксплуатации транзисторов, поэтому возможность применения транзистора определяется условиями:

Величина находится, как отношение максимальной амплитуды напряжения на нагрузке к сопротивлению нагрузки. Величина определяется напряжением питания и типом схемы.

Для повышения надежности транзистора температура переходов должна быть по возможности низкой по сравнению с предельно допустимой. Тепловой расчет каскада заключается в определении типа усилительного элемента и условий его охлаждения, обеспечивающих

при заданной рассеиваемой мощности температуру переходов не выше допустимой. Для этого необходимо определить:

1) максимальную мощность, рассеиваемую в транзисторе

2) температуру переходов (для выбранного ранее типа транзистора) при заданной температуре окружающей среды

Если температура переходов получается ниже предельно допустимой то данный тип транзисторов может быть применен. Если необходимо понизить температуру переходов, что достигается: применением транзисторов с меньшим тепловым сопротивлением переход — среда установкой транзисторов на радиаторе, параллельным включением транзисторов.

Если все эти методы не позволяют получить приемлемую температуру переходов, следует использовать кремниевые транзисторы.

Максимальная мощность, рассеиваемая во всех транзисторах каскада,

где — коэффициент использования по мощности, равный для режима класса В практически 2,3 — 2,4.

Температура переходов транзистора, работающего без радиатора, определяется выражением

Результирующее пропорционально уменьшается при параллельном соединении транзисторов.

Параллельное включение транзисторов является основным способом увеличения выходной мощности усилителей. Оно может быть использовано также для облегчения режима транзисторов. Однако такое включение транзисторов при неизбежном различии их параметров приводит к неравномерному нагреву переходов и перегреву отдельных транзисторов. В режимах классов А и В для уменьшения различия рассеиваемых мощностей в параллельно включенных транзисторах применимы два метода:

подбор транзисторов по статической крутизне;

уменьшение разброса крутизны характеристик путем включения отдельных одинаковых резисторов обратной связи в цепь эмиттера каждого транзистора.

Методика расчета сопротивления резисторов изложена в работе [15].