Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств (2-е издание, 2001) (1095416), страница 32
Текст из файла (страница 32)
ОБШИЕ СВЕДЕНИЯ. ПРОСТЕИШАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ В РЕЖИМЕ О С ШИМ зРассмотреппые оконечные кпскады усиления мощности в ре'мах А п В (АВ) имеют теореп!чески максимальный КПД 50 Т8,54о!з соответственно. Но у реальных усиливаемых колебаний лнгула редко бывает рвана максимальной. Например, звукоспгпал можно считать квазпгармонпческим, средняя амплиту: которого около 30ео от максимальной. В этом случае не=0,3 н :Д усилителя данае в режиме В составляет лишь 247о.
Обычно ; лптель используется не па полную мощность. Так, регулятор 'емкости усилителей звуковой частоты чаше всего устанавлива,': на малый уровень. Прн этом КПД пропорш!ональпо снижает- : Низок КПД мощных усилителей постоюшого тока, применяе'х, например.
в услройствах автоматики и различных регулято- 155 Повышение КПД усилителей обеспечивает экономию энергии источника питания и уменьшает мощность потерь в транзисторах. Оба эти преимущества взаимно обусловливают друг друга, но ценным является каждое из пих. Отсюда, в частности, вытекает повышение надежности, уменьшение общих размеров и матерналоемкости усилителя и источника питания. Для всего усилителя КПД в основном определяется его оконечным каскадом как главным потребителем энергии питания Основными принципами построения оконечных каскадов с повышенным КПД в настоящее время является применение ключевого и аналого-дискретного режимов работы транзисторов.
В ключевых усилителях транзисторы работают в режиме В (см. $1.5), т. е. в качестве ключей. Поэтому мощность потерь в транзисторах очень мала, что и обеспечивает высокий КПД. Применение ключевого режима для усиления непрерывных сигналов основано на усреднении (сглаживании) в нагрузке импульсов тока транзистора, следующих друг за другом. Чтобы среднее за период следования импульсов значение тока нагрузки повторя.н> форму усиливаемого колебания, последовательность однополярныт входных импульсов, отпирающих транзистор, должна быть заранее подвергнута так называемой широтно-импульсной модуляшщ (ШИМ). У такой модулированной последовательности ширппа (длительность) импульсов изменяется от импульса к импульгт так, что их коэффициент заполнения пропорционален значепп;о усиливаемого колебания в данный момент времени.
Таким об,'з. зом, на вход транзистора здесь подается не усиливаемое колсоание, а последовательность широтно-модулированных импульсов На рнс. 9.1„а приведена простейшая схема оконечного каскада, работающего в режиме Г), для однонолярпых сигналов. Она используется либо для усиления мощности постоянного иапрнже и:6 'ня. например, и устройствах автоматики, либо в качестве одного 'леча двухтактного усилителя, в котором положительные и отри' тельиые полуволиы выходного колебания формируются в иаузке каждая своим плечойг. Последний режим называется ре- "1>мом ВП (В символизирует поочередность работы плеч.
а 0— : ючевой режим транзисторов). Здесь в течение половины перио'а усиливаемого переменного напряжения и иа базу транзистора дается последовательность широтно-модулированных импульсов "пряження ив (рис. 9.!,6). Период повторения импульсов постоя"н, а нх ширила меияегся пропорционально «чгиовениому» зна'нию напря>кения и.
устройство формирования импульсов на "еме ие показано. Каждый импульс входного напряжения иг полностью открыва" траиз>штор, в результате чего практичесщ> гсе иапрялгеипе пн''ния 1.". оказывается приложенным к последовательно соединен>л дросселю 1. и нагрузке транзистора >г'„, и вызывает экспоиеи',алщюе нарастание тока дросселя )ы В паузах между импульса'> транзистор заперт.
Но ток дросселя ие мо кет прекрщцаться нсвеиио: ои пролил>кает протекагь через дроссель Е, и нагрузку -, в прежнем направлении, замыкаясь через дио; 1>0. Послед'гй поэтому. называется замыка>ои>нм диодогь ! В течение калгдого импульса ток дросселя нарастает, и и ием аъниливается энергия. Во вреия паузы дроссель частично отдает "озвращаег) ее блап>даря наличию .лола. Поэтому диод 'гх> огда называют рекуперативиым (от лат. гесирсга(н> — во.шра'еиие), а дроссечь Š— накопительным. В >ечеиие ка.к гог> г вузы н !ы протека>оший за счет энергии маг>и>тного поля дросселя, еиьшается.
В итоге (г изчеияется ио пилообразному закону ис. О.!,6), ио его значение, сре,,нее зз период следования им';льсов, повторяет по форме полуиолиу уси,ппшемои> колебания. нидеисатор Сф является фильтру>ощим. Ои ослабляет пульсации пряжепия иа пагр)зке, имеющие час>огу попторшнш и>шульсов. ,.и больше эта частота, тем точнее бу, ст воспроизведена форма ' лебаиия.
;; Накопительный дроссель и замыка>г::ций диод сгла.книак>г им.льсы тока >ран>не>ора, превращая пх и непрерывный ток дросзя, а зиач>гц п нагрузки. При этом из иысоьочасгозиых состав' >о>пих последовательности широтно-ыодулирова>шых импульсов ::токе 1> остаются лшиь сравнительно иеболшиие пилообразные 'льсацци. Следовательно, остальные высокочастотные составляю- 1)е преобразуются и низкочастотную (г.
е. полезную) составюшу>о тока нагрузки, увеличивая ее мощность. '' Именно благодаря элементам Г. и ИЭ удается реализовать "ючевой режим работы транзистора. Каждый раз прн его отывании напряжение иа дросселе скачком увеличивается. Во >57 время импульса дроссель берет на себя нсе излишки напряжения питания, в результате чего напряжение на транзисторе оказывается очень малым, равным остаточному. Если бы не было замыкающего диода, то после каждого запирания транзистора ток дросселя под действием ЭДС самоиндукпии протекал бы через сопротивление утечки запертого транзистора, расходуя на нем энергию дросселя.
При этом транзистор мог быть перегружен по напряжению н пробит. Таким образом, без накопительного дросселя (. н замыкающего диода ПЭ ключевой режим транзистора реализовать невозможно (если СФ~О). ЭХ. ЗНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЗФФЕКТИВНОСТЬ УСИЛИТЕЛЕИ В РЕЖИМЕ Р С ШИМ При анализе КГ1Д н первом приближении достаточно учесть лишь сопротивление насыщения г„открытого транзистора и прямое сопротивление гх замыкающего диода.
При усилении постоянного напряжения, если его значение 1/ на нагрузке транзистора, среднее за период понторения импульсов Т„, мало, длительность импульсов тока транзистора 1„«Т„, ток нагрузки и дросселя (рнс. 9.1,а) почти все время протекает через диод. а поэтому КПД П =)т-((г1л~+гх). (9.1) При больших напряжениях У, близких к х акснмалыюму,дли1ельность импульсов 1, велика. Опа близка к периоду их повторения Т„и ток нагрузки почти все время протекает через открытый транзистор, имеющий сопротивление насыщения г„» значит, КПД 11=Ими/(Вп+г.). (9.2) Если еще учесть сопротивление дросселя, то к знаменателю наядой нз этих формул следует прнбагнть гь, При усилении мощности переменного напряжения его мгновенное значение непрерывно изменяется.
Поэтому средний за период колебания КПД двухтактного каскада в режиме ВР должен ле жать между предельными значениями (9.1) и (9.2), которые довольно близки. Однако в действительности высокий КПД получается толы,о при больших выходных напряжениях. При уменыпенин относительной величины х постоянного выходного напряжения (в УПТ) нлн относительной амплитуды Е переменного напряжения КПД усилителя в режиме Р понижается вплоть до пуля (рис. 9.2). 3. > вызвано тремя основнымн причинами.
Во-первых, напряжение потерь на диодах, обусловленное наличием порога У„, прямой ве-- ви их характеристик, почти не уменьшаемся и поэтому начинает составлять заметную часть напряжения нагрузки. Во-вторы~, 1зз еньшается длительность импульсов, а "чит, ухудшается их прямоугольность ;.'за конечной длительности фронтов, что 'ачает частичный отход от ключевого "' има. Последнее чаще проявляется ! йй/силителях мощности переменного то'„:: где для повышен)!я точности воспро- ения формы колебания частота по- '"' ения импульсов берется высокой (де- ! л "ки килогерц и более) и поэтому ятельность импульсов мала.
гз-третьих, 'Н уменьшении х или Ь возрастает дли- Рис. 9.2 'ьность пауз, а значит, и среднее знаие токов утечки через запертые ключевые транзисторы, что принт к появлению начального квадратичного участка на графике :;Д. Подобный же эффект получается от любого тока покоя во усилителях. !,:На постоянном токе и на низких частотах КПД ключевого усн'тыеля с ШИК при х=! или" ! все же достаточно высок и мо- составлять 80 ...
90 о/о. ,",,При более точном анализе КПД находят по очевидной формуле !/(!+Р„ /Р, ), (9.3) ',.Ра, — выходная моим сть в нагрузке трзнзистора; Реи — мощность потерь, рая состоит ит с)ммы мощностей, обусловленных вышеуказанными прнчина." Для УПТ мошно ть потсрь усредпяется за период повторения импульсов, а ' усилителей переменного тока (напряжения) — еще и за период уснливаемого т)рбання В (93! для УПТ Р глт ! г (! — х) У~о(! — х) !ф + + Ра т /тн. т хЕя хто ' х=-(//Еа — относптегп:ная величина посгояппого выходного напряжения; /о— лельпость фронта импульса. :::" Для усилителя переменного тока в рсжиме ВГ) /'лот Рпот 4 / (/ао !ф ! — +— Рата Р а".
!~ Ео Га ' '4=. (/ /Е, —. козффиппепт использования напряженая питания. Максимум от- тельной мощности потерь в клгочеььж транзисторах плеч (двух в сумме) Силителе переменного тока Р~ ааа 8 го !т мчав Р тж на Зл /)н та ,е Р а„,а=Ег,/2/т,п — максимальная выходная тн мощность для идеальных трап. (59 ! ° И! Пкетсрсп (ПЕ ПМСКПППХ ОСтатОЧПЫК ПпярябХЕПяй). ПО Р1 м„ПрОПЗВОдятСя ПЫВОр ерепзпстороп и пх раднатороп по допустимой мощности рессеяппя не коллек. .хорек. Э.З. СХЕМЫ ДВУХТАКТИЫХ КАСКАДОВ РЕЖИМА ВЮ ббб/ Рпс. Э.З зг1о Двухтактные ключевые каскады с 1ИИМ служат для усиленна еиощиости переменного тока и могут работать в режимах ЛР илн ВП. Последний применяют чаще, так как оп проще в осуществлении н дает более высокий КПД.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
