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)