РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Импульсные усилители мощности (ИУМ) – это устройства для импульсного
преобразования энергии, поступающей от источника питания в нагрузку. Такие усилители широко применяются для импульсного регулирования постоянного и переменного
тока в устройствах различных классов: импульсных регуляторах электродвигателей,
импульсных стабилизаторах, инверторах, импульсных регуляторах возбуждения электрических машин, устройствах управления электромагнитными механизмами, бесконтактной коммутационной аппаратуре.
На вход ИУМ подается управляющее периодическое напряжение прямоугольной формы с изменяющимся коэффициентом заполнения kз = Ти / Т (Ти – длительность
импульса, Т – период импульсного напряжения). Это напряжение снимается с выхода
широтно-импульсного модулятора (ШИМ), выходная мощность которого составляет
единицы-десятки мВт. Поэтому ИУМ должны иметь достаточно большое усиление по
мощности (kр). С другой стороны, ИУМ должны иметь хорошие энергетические характеристики для того, чтобы преобразование энергии, поступающей от источника питания в нагрузку, происходило с наименьшими тепловыми потерями.
Для получения требуемого усиления по мощности ИУМ должен состоять из достаточно большого числа каскадов.
Для получения высокого КПД применяются специальные методы: параллельное
соединение транзисторов, составные транзисторы, насыщение от низковольтных источников и др.
На рис. 1–3 приведены различные варианты многокаскадных ИУМ, предназначенных для регулирования среднего значения тока в R-L нагрузках (например, обмотках возбуждения электрических машин). Все
схемы работают в первом импульсном режиме.
На рис. 1 показана схема четырехкаскадного усилителя. Транзисторы схемы работают синфазно. При Uвх  0 все транзисторы заперты с помощью резисторов Rб,
подключенных к переходам "эмиттер-база"
(пассивное запирание). При этом нагрузка
отключена от источника питания Uп. С появлением на входе положительного импульса напряжения транзистор VT2 насыщается
через резистор R2 и транзистор VT1, транзистор VT3 насыщается через транзистор VT2
и резистор R3, транзистор VT4 насыщается
через резистор R4 и транзистор VT3. При
этом нагрузка подключается к источнику
питания. Для увеличения КПД напряжение
насыщающего источника U1 выбирается
меньшим, чем напряжение источника питания Uп (U1 = 3…5 В).
На рис. 2 приведена схема трехкаскадного усилителя. Транзисторы VT1, VT3 и
VT4 работают синфазно, а VT2 – в противофазе. Схема управляется разнополярным
Рис. 1
Рис. 2
2
импульсным напряжением. При Uвх < 0 транзистор VT2 насыщен через резистор R1 от
источника входного напряжения (выход ШИМ). Транзистор VT1 заперт напряжением
Uэб2. Транзисторы VT3 и VT4 заперты от источника (–U1) через резистор R2, транзистор
VT2 и диод VD1. При этом нагрузка отключена от источника питания. С появлением на
входе схемы положительного импульса транзистор VT1 насыщается через резистор R1,
транзистор VT2 запирается. Транзистор VT3 насыщается от источника +Uп через транзистор VT1 и резистор R2. Транзистор VT4 насыщается от источника U2 через резистор
R3 и транзистор VT3. при этом нагрузка подключается к источнику питания. Для увеличения КПД напряжения насыщающих источников выбраны меньшими, чем напряжение питания (3…5 В). Предусмотрено форсированное запирание от источника (-U1) с
целью уменьшения времени отключения и динамических потерь.
На рис. 3 показана схема трехкаскадного ИУМ, выполненного на основе ненасыщенного составного транзистора. Все транзисторы работают синфазно. При Uвх  0 транзисторы пассивно заперты. С появлением
управляющего импульса транзистор VT1
насыщается через резистор R1, а транзистор
VT2 насыщается напряжением Uэб3 через коллекторную цепь VT1. В данном случае напряжение Uэб3 действует как эквивалентный источник. Транзистор VT3 открывается, но не
насыщается. А оказывается в активном режиме, близком к граничному. Поэтому напряжение Uкэ3 в схеме рис.3 больше, чем в схемах
рис. 1 и 2. При этом тепловые потери в входной цепи схемы рис. 3 больше, чем в схемах
рис. 1 и 2. Однако потери в предварительных
Рис. 3
каскадах значительно меньше. Кроме того,
схема рис. 3 – самая простая из всех трех.
В ходе проектирования ИУМ необходимо выполнить статический и энергетический расчеты.
Цель статического расчета – выбор полупроводниковых приборов, расчет сопротивлений резисторов.
Цель энергетического расчета – определение суммарных тепловых потерь в схеме при различных режимах ее работы, определение КПД схемы и размеров теплоотводящих радиаторов.
ПОРЯДОК РАСЧЕТА
Исходные данные: сопротивление нагрузки Rн, диапазон изменения kз, требуемый коэффициент усиления по мощности kр, температурные условия работы схемы,
напряжение питания, амплитуда входного напряжения.
Статический расчет
Для схемы рис. 1:
1. Определяем максимальный ток нагрузки и предельные режимы выходных полупроводниковых приборов по току и напряжению:
3
I н max 
U п max
Rн
 k з ; I к max  I д max  I н max ; U кэ max  U д обр  U п .
2. Выбираем типы силовых полупроводниковых приборов, приняв во внимание,
что по соображениям надежности все элементы схемы должны работать в режимах, составляющих  50% от предельно допустимых значений:
Iк доп  2Iк max, Uкэ доп  2Uкэ max;
Iд пр  2Iд max, Uд обр  2Uп.
3. Определяем базовый ток выходного транзистора:
I б  k нас
I к max
h21 э min
,
где kнас = 1,5…2 – коэффициент насыщения; h21э min – коэффициент усиления по току
при минимальной температуре окружающей среды.
4. Определяем входной ток оконечного каскада:
I вх  I б 
U эб
,
Rб
где Rб – сопротивление пассивного запирания (из справочника); Uэб – напряжение на
входном переходе транзистора при минимальной температуре.
5. Определяем предельные режимы предоконечного транзистора: Iк max, Uкэ max.
Коллекторные токи предоконечных транзисторов можно приближенно считать
равными входным токам оконечных транзисторов. Напряжение на запертых транзисторах VT1, VT2и VT3 равно U1.
6. Далее схему рис. 1 рассчитываем по пп. 2, 3, 4, 5 для каждого очередного каскада в направлении от выхода ко входу.
Сопротивления резисторов межкаскадной связи
R4 
U 1  U кэ 3  U бэ4
;
I вх 4
R3 
U 1  U кэ 2  U эб3  U эб4
;
I вх3
R2 
U 1  U эб2  U кэ1
.
I вх 2
В расчетах можно принять напряжения Uкэ = 0,5 В, Uэб = 1 В, Uкб = 0,5 В, напряжения на открытых диодах Uд = 1 В (для кремниевых диодов).
7. После расчета Iб1 определяем действительное усиление по мощности:
kp 
U п I н max
.

U вх I б1
8. Если усилитель обеспечивает требуемое значение kр, определяем сопротивление резистора R1:
R1 
U вх  U эб1
.
I б1
4
Для схемы рис. 2:
9. Производим статический расчет по пп. 1, 2, 3, 4, 5, 6 для включенного состояния VT4. Влияние запертого транзистора VT2 можно не учитывать.
В расчетах принять Rб = . Напряжения на запертых транзисторах схемы составляют 2U1 на VT1 и VT2, (Uп + U2) – на VT3, Uп – на VT4.
10. Определяем сопротивления межкаскадной связи:
R3 
U 2  U кэ 3  U кб 4
;
I б4
R2 
U 1  U кэ1  U эб3  U эб4
.
I б3
Напряжение U2 = 1,5…2 В.
11. Определяем максимальный коллекторный ток VT2:
I к2 
U1  U эб3  U эб4
.
R2
12. Выбираем тип транзистора VT2 и определяем его базовый ток.
13. Дважды рассчитываем входной ток схемы для режимов включенного и отключенного состояния нагрузки
Iвх вкл = Iб1 + Iк02;
Iвх откл = Iб2 + Iк01.
14. Определяем мощность управления схемой рис. 2 в расчете на максимальный
входной ток:
Pупр = Uвх  Iвх max.
15. Если мощность управления меньше выходной мощности ШИМ, определяем
сопротивление резистора R1
R1 
U вх  U эб1, 2
I вх m ax
.
Для схемы рис. 3:
16. Повторяем статический расчет по пп. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Напряжения на запертых
транзисторах схемы рис. 3 равно напряжению питания.
17. Определяем коэффициент усиления kp и сопротивление резистора R1 по пп.
7, 8.
Энергетический расчет
Исходные данные: результаты статического расчета, параметры выходных транзисторов, параметры нагрузки Lн и Rн, частота переключений fк, диапазон изменения kз.
В начале расчета делаем следующие допущения:
а) выходные характеристики насыщенных транзисторов, ненасыщенных составных транзисторов и диодов аппроксимируем в соответствии с рис. 4;
б) при расчете статических характеристик полагаем tвкл = tоткл = 0;
в) при расчете динамических потерь полагаем ток нагрузки неизменным ха время переключения.
5
1. Задавшись начальным значением kз = kз min, определяем мгновенные значения
токов в конце импульса и паузы (рис. 5):
e a (1 kз )  e a
1  e akз
,
I н1  I m 
;
I

I

н2
m
1  e a
1  e a
где I m 
Uп
Rн
.
; a
Rн
f к  Lн
б)
а)
в)
Рис. 4
а)
б)
Рис. 5
2. Определяем вспомогательные коэффициенты M и N:
1  e  1  e
M 
a  1  e 
 akз
 a (1 k з )
a
;
1  e  1  e
N
 akз
1 e
 a (1 k з )
a
.
3. Определяем потери в выходном транзисторе за время импульса:
а) в схемах рис. 1 и 2
MN 

Pт Tи   I m2 rт  k з  M 
;
2 

б) в схеме рис. 3
MN 

Pт Tи   I m2 rт  k з  M 
  I mU 0т k з  M  ,
2 

где rт, U0т – параметры схем замещения (см. рис. 4).
4. Определим тепловые потери в блокирующем диоде за время паузы:
Pд Tп   I m2 rд 
MN
 I m  U 0д  M ,
2
6
где rд, U0д – параметры схем замещения (см. рис. 4).
5. Определяем тепловые потери в запетых приборах выходного каскада:
Pт Т п   Pд Т и   U п I к 0 (1  k з )  I д0 k з .
6. Определяем потери в каскадах предварительного усиления (цепи управления):
а) в схеме рис. 1
Pупр  U 1 I вх 2  I вх 3  I вх 4  k з  U вх I б1k з .
б) в схеме рис. 2
Pупр  U 1 I б 3  U 2 I б 4  k з 
2
U вх
.
R1
в) в схеме рис. 3
Pупр  U вх I б1k з .
7. Определяем время включения выходного транзистора. Для этого сначала
нужно определить kвкл – коэффициент форсировки процесса включения:
а) для схемы рис. 1
h
I
k вкл  21э 4 б 4 ;
I н1
б) для схемы рис. 2
h
h
I
k вкл  21э3 21э 4 б3 ;
I н1
в) для схемы рис. 3
k вкл 
1
I н1

U эб2
 h21э1 I б1 
Rб 2


U 
 h21э 2  эб3  h21э3 .
Rб3 

Время включения зависит от величины отношения n =  / д, где
 
h21э
2    f гр
–
 д  2  t обр восст –
постоянная времени выходного транзистора в схеме с общим
эмиттером (fгр – граничная частота выходного транзистора),
постоянная времени блокирующего диода (tобр восст – время обратного восстановления диода).
h21, fгр, tобр восст – находятся из справочной литературы.
Таким образом, при 0  1/n < 0,5
t вкл
а при 0,5  1/n < 2
 
  1
 ln 
1
 
 1 k
вкл
 


  2 ln 1  1
 n  k вкл




   ,



7
t вкл








1
1


 0,661   ln 
   ,
1 
 n 


1 k


вкл 


8. Определяем динамические потери за время включения
Pвкл
t


 вкл

 t вкл

 f к U п k вкл I н1 
e
 1 .
 



9. Определяем время отключения выходного транзистора

1 
 ,
t откл   ln 1 
 k откл 
где kоткл – коэффициент форсировки процесса отключения, при этом:
а) для схемы рис. 1
k откл 
h21э 4U эб4
;
Rб 4 I н 2
б) для схемы рис. 2
k откл 
h21э 4 U1  2U эб4 
;
R2  I н2
h21э3U эб3
.
Rб3 I н 2
10. Определяем динамические потери за время отключения:
в) для схемы рис. 3
k откл 
 1

1 
 .
Pоткл  f к  U п k откл I н 2 
 ln 1 
k
 k откл
откл


11. Определяем тепловые потери в выходном транзисторе и суммарные потери в
схеме:
Pт = Рт(Ти) + Рт(Тп) + Рвкл + Роткл,
Ррас = Рт + Рд + Рупр.
12. Определяем мощность в нагрузке и КПД усилителя:
Pн  U п I m k з2 ;

Pн
.
Рн  Ррас
13. Задавшись новым значением kз, повторяем расчет по пп. 1–13. Результаты
расчета следует иллюстрировать кривыми Рт = f(kз), Ррас = f(kз),  = f(kз). По результатам
расчетов определяется максимальное значение КПД усилителя и режим наибольших
тепловых потерь в выходном транзисторе.
14. В том случае, когда КПД усилителя оказывается не ниже заданного, производится расчет поверхности радиатора для охлаждения выходного транзистора:
Sp 
Рт max  10 3
t пер  t ср  Rпс Pт max
см2,
8
где tпер – предельно допустимая температура перехода выходного транзистора, tср –
максимальная температура среды, Rпс – тепловое сопротивление "переход-среда",
Pт max – максимальные тепловые потери в транзисторе.
Варианты заданий к расчету импульсных усилителей мощности
Вариант №
Rн, Ом
Lн, мГн
fк, кГц
kp
1
10
2,4
25
6  103
2
5
1,2
20
1,5  104
3
0,4
15
2  104
4
1,5
0,3
10
5  103
5
10
2,0
25
1,5  103
5
1,0
20
2  103
3
0,3
15
3  103
8
1,5
0,2
10
5  103
9
20
3,0
25
1,5  103
10
10
1,5
20
2  103
5
0,5
15
3  103
3
0,4
10
5  103
3
6
7
11
12
Тип схемы
Рис. 1
Рис.2
Рис. 3
Общие данные: Uп = 27 В  10%; tс =  50оС; kз min = 0,05, kз max = 0,95; Uвх = 4 В;
min = 0,9.