Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (2000) (1095415), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Первое пз ннх использует информацнонный аспект коммутации, т. е. информацию о том. включен нли выключен ключ в данный момент времени. Эзо направление легло в основу построения импульсных информационных устройств (сч. гл. 111, а также рассматриваемых далее в часгн 3 учебника цифровых устройств. Во всех этих схемах. как правило.
не интересуются нн мощностью, рассеиваемой в нагрузке, ни усилением входного управляющего сигнала. Основным является лишь констатация самого факта включенного нлн выключенного состояний транзисторного ключа. Второе направление использует энергетнческнй аспект коммутация. Очевидно, что по всех рассмотренных СК включенному н выключенному состояниям ключа соответствуют различные уровни мощности. отбнраемой от источника питания н рассеиваемой в нагрузке. Поэтому, изменяя времена включенного н выключенного состояний ключа, можно язменять суммарную мощность, выделяющуюся в нагрузке, т. е.
усиливать входной управляющий сигнал. Это свойство СК положено в основу разработки класса устройств, называемых импульсными усилителями мощносзн. Рассмотрим более подробно вопросы, возникающие прн разработке данного класса устройств. Для этого обратимся к последо. нательной СК, показанной на рис. 12,1, а. По своей сутн эта схема аз! Рнс. !2.!. Посзеловательиая схема ьоммутании на бииояярном транзисторе (а) и временная анаграмма изменения напряжения иагрузкя !б) Ряс 12.2. Зависимость моньности.
вмлелвожеа. ся а нагрузке, от отио. ситетьноя ллитетьностн Включенного состояния транзнстора повторяет схему аналогового усилителя электрического сигнала, рассмотренную в гл. б. Отличие состоит лишь в способе управления регулирующим транзистором. Для простоты будем полагать, что нагрузка имеет чисто активный характер, Тогда мощность, выделяющаяся в ней, )з„=- (уя)я„. ((2. () где (г — действующее напряжение иь.
Предположим, что на входе тоаизнстора действует последова. тельиость управляющих нмпульсоп длительностью ги и периодом следования Т, обеспечивающая его работу в ключевом режиме. Тогда на нагрузке будет формнроватьгя последовательность прямоугольных однополярннх импульсон, показанная иа рис. (2.!. б, и действа ющее напряжение ги Ц = ~,У ' ~"пт,(! = (.г ~, †" = У„ )/А;, ((2.2) и где Уи — напряжение источника питания, включенного в цепь на. грузки; К. — коэффициент заполнения или относительная длительность включенного состоянии транзисторного ключа.
Тогда зависимость зон=- Г(К,) оутет иметь инд )з„— ((,гя ~~К, )тЯ„- Р „,К,. ((2.3) Графически эта зависимость имеет вид, показанный на рис. (2.2. Таким образом, изменяя относительную длительность включенного состояния транзисторного ключа (К,), можно регулнро. вать мощность, выделяющуюся в нагрузке, 440 В соответствии со сказанным. первое направление относится к использованию транзисторного ключа в устройствах обработки и передачи информации, а второе — к использованию в устройствах распределения и преобразования электрической энергии.
Примерами второго направления применения являются управ. ление режимом работы электродвигателя, термической печи, мощного электромагнита н т, д., т. е. управление различными исполнптельиычи устройствами систем управления. Схемы, реализующие эти функции будем в дальнейшем называть импульсными усилителями мощности (ИУМ). НЕ!. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИМПУЛЬСНЫМ УСНЛНТГЛЯМ МОЩНОСТИ Причиной широкого использования ИУМ в различных устройствах автоматики и случая», связанных с регулированием электрической мощности, явлиетсу1 возможность построения устройств, теоретически обладаюи!нх КПД равным 1. Эта воэможность вытекает из ранее получеищио выраукеиия (12.3), согласно которому процесс импульсного регулирования не связан с потерями мош. ности. Действительно. если предположить, что используемый в схеме ИУМ, приведенной на рис.
12.!. транзисторный ключ является идеальным, т. е. выполняются условия: Й у вкл — ()' )злу вц«д — с~~' тд,е — 0' ) пп = — О, (12 4) то мощность, отбнрпемая от источника питания, полностью выделяется в нагрузке, а это и означает, что КПД такого устройства равен !. Для реальных устройств такой КПД естественно не достижим, что объясняется невыполнением в реальных транзисторных ключах, используемых и ИУМ, условий идеальности (12.4). Однако реальный КГ1Д ИУМ существенно выше, чем у усилителей, использующих активный режим работы транзистора. Основные требования, предъявляемые к ИУМ, обычно направлены на более полную реализацию нх потенциальных преимуществ, а именно на повышение КПД.
К ним мох но отнести: уменьшение мошностн, рассеиваемой в цепях управления при включенном н выключенном состояниях транзисторного ключа; уменьшение мощности в силовых цепях транзисторных ключей прн их включенном и выключенном состоянних; уменьшение мощности, связанной с конечным значением времени перехода транзисторного ключа из включенного состояния в выключенное н наоборот. Следует отметить, что повышение КПД ИУМ не является самоцелью, а неразрывно связано с основной тенденцией развития 4И современной электроники, а именно с комплексной миниатюрнзяцпей ралиоэлектронного оборудования.
Очевидно, что размеры любого ЭУ даже при использовании самых совершенных технологических приемов в заданных условиях эксплуатации в конечном счете определяются выделяющейся в нем мощностью. Таким образом повышение КП.(1 является неприемлемым условием, прн котором применение гибридной и полупроводниковой технологий позволяет существенно снизить массу н объем, а следовательно, расширить функциональные возможности радиоэлектронной аппаратуры. В зависимости от предъявляемых требований и круга решаемых задач, ИУМ могут строиться по различным структурным схечач, которые базируются на рассмотренных в гл, 10 СК.
Однако в любом случае основой ИУМ является схема транзисторного ключи, выполненного на основе биполярного нли полевого транзистора (рис. 12.3, а, б1, включенного соответственно по схемам с общим эмиттером или истоком. Использование этих схем включения объясняется возможностью получения максимального коэф. фнцнента усиления по мощности.
12.2. СТАТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И ТРАНЗИСТОРНОМ КЛЮЧЕ Статические потери это потери в установившемся включенном (замкнутом1 и выключенном разомкнутом состояниях транзисторного ключа: Р„= Р„„+ Р„„, (12.5) Потери ао включенном состоянии. В общем случае потери во включенном состоянии складываются нз потерь а цепях управления н потерь в силовой цепи транзистора: Рви Рррр + Ров Етпр~рпр + ('и1ос/я.
(12.61 В ключе, выполненном на биполярном транзисторе, присутствуют обе составлявшие потерь. В ключе иа полевом транзисторе основную долю потерь составляют потери в силовой цепи транзистора. Это объясняется тем, что процесс протекания тока между стоком н истоком теоретически не связан с протеканием тока в цепи управления.
,цли транзисторного ключа ток /, обычно задан. Поэтому потери в силовой цепи включенного транзистора зависят от конкрет. «ого остаточного напряжен«я 0~~~~~. Если рассм~треть выходные характеристики как биполярного, так и полевого транзисторов, можно сделать вывод, что уменьшение остаточного капряжения достигается для полевого транзистора увеличением напряжения Вр.р= 0зн, а для биполярного — увеличением р',.р=(в. ачз о гаваи»в а) Рис (23 Транзисторные плечи на биполяр- ном (а) н полевом (6) транзисторна Рнс ! 2 4 3»инские 1» мопгносгн, рассенваемоп биполярным транзистор ром в режиме насыпи ния, ог степгпш его и» сммеиии В ключе на полевом трвнзнсторе, твк как !т,а — — О, увелнчеии Е„, ведет к монотонному падению (7...., н, следовательно, Р„.. В ключе иа биполярком транзисторе увеличение ! в вместе ~ УМЕНЬШЕНИЕМ (таз ист Н СООТВЕтетВЕННО ПОТЕРЬ В СНЛОВОй ЦЕПИ Уне лнчиввет потери в цепях управления.
Поэтому зависимость Р ° =Е()В) имеет экстремум (рис. (24). Очевидно, что существует тяпой оптимальный ток 1в =1п для которого при задвпиом токе нагрузки потери в нясыщеии (включенном) биполярном транзисторе будут минимальны. (оп !В,а, удобнее характеризовать оптимальной степенью насыщении, которая для современных биполярных транзисторов лежит в дии пазоне Чоат гвйиэ(гк н !,б ... 2. Следует отметить, что в районе экстремума Р„„меняется и значительно. Поэтому нв практике для минимизации потерь в нп ~ сыщеииом биполярном транзисторе вполне допустимо использп вать условие ()2,7). Очевидно, что для уменьшения потерь на управление в нпсы ! щенном состоянии в биполярном транзисторе можно также сни.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
