Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто
- 30% recurring commission
- Выплаты в USDT
- Вывод каждую неделю
- Комиссия до 5 лет за каждого referral
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(национальный исследовательский университет)
“МАИ”
Кафедра “Микроэлектронные электросистемы”
(306)
РАСЧЕТ
ИМПУЛЬСНЫХ
УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
пособие по курсовому проектированию
Москва, МАИ
РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Импульсные усилители мощности (ИУМ) – это устройства для импульсного регулирования и преобразования энергии, поступающей от источника постоянного напряжения в нагрузку. Такие усилители широко применяются для импульсного регулирования
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 (kp). 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 обеспечения высокого КПД применяются специальные методы: параллельное соединение транзисторов, составные транзисторы, насыщение от низковольтных источников и др.
Варианты многокаскадных ИУМ, предназначенных для регулирования среднего значения тока в R-L нагрузках (например, обмотках возбуждения электрических машин или обмотках других электромагнитных механизмов), приведены на рис. 1,2 и 3. Все схемы работают в первом импульсном режиме.
Рис. 1 |
Схема четырехкаскадного ИУМ показана на рис.1. Транзисторы схемы работают синфазно. При Uвх £ 0 все транзисторы заперты с помощью резисторов Rб, подключенных к переходам “база–эмиттер” (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…6 В).
Схема трехкаскадного усилителя приведена на рис. 2. Транзисторы VT1, VT3 и VT4 работают синфазно, а VT2 – в противофазе. Схема управляется разнополярным импульсным напряжением. При Uвх < 0 транзистор VT2 насыщен через резистор R1 от источника входного напряжения (выход ШИМ). Транзистор VT1 заперт напряжением Uбэн2. 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 +U1 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 источников +U1 и –U1 выбраны меньшими, чем напряжение питания (3…5 В). Предусмотрено форсированное запирание от источника –U1 с целью уменьшения времени отключения и динамических потерь.
Рис. 2 |
Рис. 3 |
Схема трехкаскадного ИУМ, выполненного на основе ненасыщенного составного транзистора, показана на рис. 3. 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 Uбэн3 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 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 (изменении коэффициента заполнения), определение КПД схемы и размеров теплоотводящих радиаторов.
ПОРЯДОК РАСЧЕТА
Статический расчет
Исходные данные: напряжение питания Uп, сопротивление нагрузки Rн, максимальный коэффициент заполнения: kз max, требуемый коэффициент усиления по мощности kР, напряжения дополнительных источников питания (U1 и U2), амплитуда входного напряжения Uвх.
Для схемы рис. 1:
1. Определяем максимальный ток нагрузки и предельные режимы выходных полупроводниковых приборов по току и напряжению:
.
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 ³ 2Iк max, Uкэ доп ³ 2Uкэ max;
Iд пр ³ 2Iд max, Uд обр ³ 2Uп.
3. Определяем базовый ток выходного транзистора:
,
где kнас = 1,5…2 – коэффициент насыщения; h21э min – коэффициент усиления по току при минимальной температуре окружающей среды.
4. Определяем входной ток оконечного каскада:
,
где Rб – сопротивление пассивного запирания (из справочника); Uбэн – напряжение на входном переходе насыщенного транзистора.
В расчетах можно принять напряжения Uкэн = 0,5 В; Uбэн = 1 В; Uбк = 0,5 В; напряжения на открытых диодах Uд = 1 В (для кремниевых диодов).
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
7. После расчета Iбн1 определяем действительное усиление по мощности:
.
8. Если усилитель обеспечивает требуемое значение kР, определяем сопротивление резистора R1:
.
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:
Напряжение U2 = 1,5…2 В.
11. Определяем максимальный коллекторный ток VT2:
.
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 = Iбн1 + Iко2;
Iвх откл = Iбн2 + Iко1.
14. Определяем мощность управления схемой рис. 2 в расчете на максимальный входной ток:
Pупр = Uвх × Iвх max.
15. Определяем сопротивление резистора R1
.
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 по мощности kР 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 коэффициента заполнения: kз = 0,05...0,95.
1. Задавшись начальным значением kз = kз min, определяем мгновенные значения токов в конце импульса и паузы (рис. 4):
; 
,
где 
.
Рис. 4 |
2. Определяем вспомогательные коэффициенты M и N:
.
3. Определяем потери в выходном транзисторе за время импульса:
а) в схемах рис. 1 и 2
;
б) в схеме рис. 3
,
Дифференциальное сопротивление транзистора определяем из параметров схемы замещения для режима насыщения (рис. 4а). Для такой схемы можно записать
Uкэн = Iкmaxrт + Eнас,
где Eнас = 0,1 ..., 0,5 В. Решая относительно rт, получаем
.
4. Определяем тепловые потери в блокирующем диоде за время паузы:
,
Дифференциальное сопротивление диода определяем из параметров схемы замещения прямо смещенного диода (рис. 4б). Для такой схемы можно записать
Eдпр = Iдпрrд + Uод,
где Eдпр – прямое падение напряжения на диоде (данные из справочника);
Iдпр – максимальный прямой ток диода (данные из справочника);
Uод = 0,6 В (для кремниевых диодов).
Решая относительно rд, получаем
.
5. Определяем тепловые потери в запетых приборах выходного каскада:
.
а |
б |
Рис. 4 |
6. Определяем потери в каскадах предварительного усиления (цепи управления):
а) в схеме рис. 1
.
б) в схеме рис. 2
.
в) в схеме рис. 3
.
7. Определяем время включения выходного транзистора. Для этого сначала нужно определить kвкл – коэффициент форсировки процесса включения:
а) для схемы рис. 1
;
б) для схемы рис. 2
;
в) для схемы рис. 3
.
Время включения зависит от величины отношения n = tb / tд, где
| – | постоянная времени выходного транзистора в схеме с общим эмиттером (fгр – граничная частота выходного транзистора), |
| – | постоянная времени блокирующего диода (tов – время обратного восстановления диода). |
Параметры h21э, fгр, tов – находятся из справочной литературы.
Таким образом, при 0 £ 1/n < 0,5
,
а при 0,5 £ 1/n < 2
,
8. Определяем динамические потери за время включения
.
9. Определяем время отключения выходного транзистора
,
где kоткл – коэффициент форсировки процесса отключения, при этом:
а) для схемы рис. 1 
;
б) для схемы рис. 2 
;
в) для схемы рис. 3 
.
10. Определяем динамические потери за время отключения:
.
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:
.
13. Задавшись новым значением kз, повторяем расчет по пп. 1–13. Результаты расчета следует иллюстрировать кривыми Рт = f(kз), Рд = f(kз), Ррас = f(kз), h = 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:
см2,
где Tп max – предельно допустимая температура перехода выходного транзистора, Tср – максимальная температура среды, RTп-с – тепловое сопротивление “переход-среда”,
Pт max – максимальные тепловые потери в транзисторе.
Варианты заданий к расчету импульсных усилителей мощности
Вариант № | Тип схемы | Rн, Ом | Lн, мГн | fк, кГц | kР |
1 | Рис. 1 | 15 | 2,4 | 25 | 6 × 103 |
2 | 10 | 1,2 | 20 | 1,5 × 104 | |
3 | 5 | 0,4 | 15 | 2 × 104 | |
4 | 3 | 0,3 | 10 | 5 × 103 | |
5* | 20 | 40 | 15 | 10 × 104 | |
6* | 25 | 20 | 10 | 9 × 104 | |
7* | 36 | 60 | 20 | 8 × 104 | |
8 | Рис.2 | 15 | 2,0 | 25 | 1,5 × 103 |
9 | 10 | 1,0 | 20 | 2 × 103 | |
10 | 5 | 0,3 | 15 | 3 × 103 | |
11 | 3 | 0,2 | 10 | 5 × 103 | |
12* | 47 | 40 | 15 | 5 × 104 | |
13* | 60 | 45 | 20 | 4,5 × 104 | |
14* | 30 | 30 | 10 | 6 × 104 | |
15 | Рис. 3 | 15 | 3,0 | 25 | 1,5 × 103 |
16 | 10 | 1,5 | 20 | 2 × 103 | |
17** | 5 | 0,5 | 15 | 3 × 103 | |
18** | 3 | 0,4 | 10 | 5 × 103 |
Общие данные: Uп = 27 В ± 10%; Тс = ± 50оС; kз min = 0,05; kз max = 0,95; Uвх = 4 В; hmin = 0,9.
* – для вариантов 5, 6, 7, 12, 13 и 14 Uп = 270 В ± 10%, Uвх = 2,4 В.
** – для вариантов 17 и 18 Uп = 12 В ± 10%.
Основные порталы (построено редакторами)