Режимы импульсного регулирования мощности.

При питании оконечного каскада импульсного усилителя от источника постоянного напряжения и безразрывной коммутации цепи нагрузки напряжение на нагрузке имеет прямоугольную форму. Возможны три различных режима импульсного регулирования мощности.

1. Первый импульсный режим, в котором осуществляется питание нагрузки прямоугольным напряжением неизменной полярности (рис. 111.16, а). При этом Данный режим применим для регулирования мощности нулевой гармоники в -нагрузке без реверсирования тока как без противо-э. д. с., так и при ее наличии. Нулевая гармоника (постоянная составляющая) тока определяется выражением

где максимальное значение тока, равное

К — коэффициент заполнения, равный

Е — противо-э. д. с. в цепи нагрузки.

Амплитуда пульсаций тока в -нагрузке не зависит от противо-э. д. с. и максимальна при При этом

Амплитуда первой гармоники пульсаций при определяется выражением

При действующее значение тока нагрузки определяется выражением

При

2. Второй импульсный режим, в котором осуществляется питание нагрузки прямоугольным переменным напряжением. Импульсы напряжения чередующейся полярности следуют непрерывно. При этом (рис. III. 16, б). Данный режим применим для регулирования мощности нулевой гармоники -нагрузке как без противо-э. д. с., так и при ее наличии, обеспечивая непрерывность тока при любых параметрах нагрузки и его реверсирование.

Нулевая гармоника тока определяется выражением

где

Амплитуда пульсаций тока в -нагрузке не зависит от противо-э. д. с. и максимальна при При этом по аналогии с выражениями (111.43) и (III.44)

При действующее значение тока нагрузки определяется соотношением

При

3. Третий импульсный режим, в котором осуществляется питание нагрузки прямоугольным переменным напряжением. Импульсы напряжения чередующейся полярности следуют с промежутками, в которых напряжение на нагрузке равно нулю (рис. III. 16, в). При этом . Данный режим имеет практическое значение при тогда постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна нулю и осуществляется регулирование мощности первой гармоники в -нагрузке.

Рис. III. 17. Схемы оконечных каскадов: а — схема с включающим транзистором и замыкающим диодом; б — схема с включающим и замыкающим транзисторами; в — мостовая схема оконечного каскада усилителя в режиме переключения

Амплитуда первой гармоники напряжения на нагрузке определяется выражением

где

В третьем импульсном режиме частота первых гармоник напряжений и тока равна частоте следования импульсов. Для регулирования первой гармоники можно применить также первый или второй импульсный режим при условии, что частота следования импульсов будет значительно выше требуемой частоты первой гармоники (режим D).

Реализация различных импульсных режимов регулирования мощности требует вполне определенной структуры выходного каскада усилителя независимо от принципа действия и схемы устройства управления силовыми транзисторами. Практическое значение имеют следующие три схемы оконечных каскадов.

1. Схема (рис. 111.17, а) с включающим транзистором и замыкающим диодом, в которой осуществляется первый импульсный режим. Эта схема является единственной, необходимой для регулирования мощности в -нагрузке без противо-э. д. с. Е при неизменном направлении тока в нагрузке. Применяя эту схему для импульсного регулирования электродвигателя постоянного тока

по цепи якоря, следует иметь в виду, что в некоторых режимах работы электродвигателя ток якоря будет разрывным. Это уменьшает жесткость механических характеристик электродвигателя. Кроме того, данная схема не обеспечивает динамического торможения электродвигателя.

2. Схема (рис. III. 17, б) с включающим и замыкающим транзисторами, в которой осуществляется первый импульсный режим. Эта схема необходима только при наличии противо-э. д. с. и также не обеспечивает реверсирования тока в нагрузке. Жесткость механических характеристик электродвигателя не ухудшается. Схема обеспечивает режим динамического торможения.

3. Мостовая схема (рис. 111.17, в), в которой осуществляется любой из трех импульсных режимов при любых параметрах нагрузки. Схема применяется для регулирования и реверсирования нулевой или первой гармоники тока. При управлении электродвигателями жесткость механических характеристик сохраняется практически естественной и обеспечивается рекуперативное или динамическое торможение.

Все практические схемы для коммутации индуктивно-активных нагрузок и регулирования мощности в них могут быть выполнены на основе транзисторных релейных схем. При наличии источника переменного напряжения следует отдать предпочтение схемам на тиристорах (см. § 8 гл. III). Однако при питании от источника постоянного напряжения более рациональными оказываются транзисторные схемы даже при максимальной мощности в несколько киловатт. Методы расчета переключающих реле и примеры их применения изложены в работе [151.

При проектировании и расчете усилителей, работающих в режиме переключения, необходимо использовать в совокупности все методы, способствующие предельному уменьшению мощностей, рассеиваемых в транзисторах. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, складывается из трех составляющих: мощности, рассеиваемой за время запертого состояния (отсечки) мощности, рассеиваемой за время переключения мощности, рассеиваемой за время насыщенного состояния

Составляющая обычно мала. Составляющая пер не должна быть основной. Для этого необходимо выбирать рабочую частоту значительно ниже максимальной частоты транзистора, форсировать процессы включения и отключения коллекторного тока, а также применять реактивные элементы в выходной цепи транзистора, чтобы переключения из состояния отсечки в состояние насыщения происходили при малом токе коллектора, а переключения из состояния насыщения в состояние отсечки — при малом напряжении коллектор — эмиттер.

Мгновенная мощность, рассеиваемая в насыщенном транзисторе, складывается из двух частей:

Для уменьшения этой мощности необходимо при заданном коллекторном токе (токе нагрузки) иметь возможно малым напряжение коллектор — эмиттер, т. е. иметь малым выходное сопротивление насыщенного транзистора. Последнее уменьшается при увеличении тока базы, т. е. увеличении коэффициента насыщения. Однако при этом увеличивается мощность, рассеиваемая в цепи базы. При некотором коэффициенте насыщения суммарная мощность, рассеиваемая в насыщенном транзисторе, минимальна. Меньшим выходным сопротивлением в области насыщения обладают германиевые транзисторы, а более высоким — кремниевые транзисторы. Несмотря на это, кремниевые транзисторы применяются в аппаратуре, работающей в широком температурном диапазоне. Всегда желательно применение транзисторов с максимально большим усилением по току.

Весьма эффективным методом уменьшения выходного сопротивления насыщенных транзисторов, а также основным методом повышения выходной мощности импульсных усилителей является параллельное включение транзисторов. При параллельном включении необходимо, чтобы температура всех транзисторов не превышала допустимой. Желательно, чтобы температура переходов полупроводниковых элементов была приблизительно одинаковой. При одинаковых условиях охлаждения отклонение температуры перехода от номинальной (средней) определяется выражением

где — номинальная рассеиваемая мощность;

— отклонение мощности рассеяния от номинальной; — номинальная температура перехода; — температура окружающей среды.

Допустимое относительное отклонение мощности рассеяния от номинальной определяется отношением

Для осуществления параллельного включения транзисторов в режиме переключения следует рекомендовать два метода: подбор транзисторов по крутизне характеристики в граничном режиме или включение отдельного одинакового сопротивления в цепь эмиттера каждого транзистора.

Разделение транзисторов на 2—3 группы по крутизне характеристик в граничном режиме не представляет существенных трудностей и обеспечивает практически полное использование всех транзисторов без отходов.

Второй метод параллельного включения транзисторов в режима переключения допускает использование всех транзисторов без

разделения на группы. Для этого в цепи эмиттеров всех транзисторов включаются отдельные одинаковые сопротивления

Основная задача при проектировании любого мощного полупроводникового устройства заключается в получении заданной мощности в нагрузке не при минимальном количестве транзисторов, а при минимальной мощности, рассеиваемой в них, которая определяет необходимую поверхность теплоотвода, т. е. габариты усилителя. Поэтому параллельное включение транзисторов является не только необходимым для получения заданного тока нагрузки, но и целесообразным для уменьшения габаритов усилителя. Экспериментальные исследования свидетельствуют о возможности и рациональности параллельного соединения десятков и сотен транзисторов. При большом количестве параллельно включенных транзисторов существенно снижается результирующее выходное сопротивление усилителя, а пробой некоторых из них приводит к выгоранию активной части транзисторов, которое происходит настолько быстро, что не нарушает работоспособности усилителя. В результате остаются включенными лишь те транзисторы, которые вполне пригодны для параллельного соединения, обеспечивая надежную работу каскада. Процесс «естественного отбора» эффективен лишь при условии, когда номинальный ток нагрузки достаточен для быстрого выгорания любого из параллельно включенных транзисторов.