Регулирование мощности с использованием ключевых схем

Практическое использование рассмотренных ключевых схем можно реализовать по двум принципиально отличным направлениям. Первое из них использует информационный аспект коммутации, т. е. информацию о том, включен или выключен ключ в данный момент времени. Это направление легло в основу построения импульсных информационных, а также цифровых устройств. Во всех этих схемах, как правило, не интересуются ни мощностью, рассеиваемой в нагрузке, ни усилением входного управляющего сигнала. Основным является лишь констатация самого факта включенного или выключенного состояния транзисторного ключа.

Второе направление использует энергетический аспект коммутации. Очевидно, что во всех схемах коммутации включенному и выключенному состояниям ключа соответствуют различные уровни мощности, отбираемой от источника питания и рассеиваемой в нагрузке. Поэтому, изменяя интервалы включенного и выключенного состояний ключа, можно изменять суммарную мощность, выделяющуюся в нагрузке, т. е. усиливать входной управляющий сигнал. Это свойство ключевых схем положено в основу разработки класса устройств, называемых импульсными усилителями мощности.

Рассмотрим схему ключа на биполярном транзисторе (см. рис. 100,а). Для простоты будем полагать, что нагрузка имеет чисто активный характер. Тогда мощность, выделяющаяся в ней, равна , где U — действующее напряжение . Предположим, что на входе транзистора действует последовательность управляющих импульсов длительностью и периодом следования Т, обеспечивающая его работу в ключевом режиме. Тогда на нагрузке будет формироваться последовательность прямоугольных однополярных импульсов, показанная на рис.110, и действующее напряжение будет равно

,

где — коэффициент заполнения или относительная длительность включенного состояния транзисторного ключа. Величина, обратная коэффициенту заполнения, называется скважностью.

Мощность, выделяемая на нагрузке, равна .

 

Рис. 110

Таким образом, изменяя относительную длительность включенного состояния транзисторного ключа , можно регулировать мощность, выделяющуюся в нагрузке. Примерами такого регулирования мощности являются системы управление режимом работы электродвигателя, термической печи, мощного электромагнита и т. д. Схемы, реализующие эти функции, называют импульсными усилителями мощности (ИУМ).

Причиной широкого использования ИУМ в различных устройствах автоматики в случаях, связанных с регулированием электрической мощности, является возможность построения устройств, теоретически обладающих 100% КПД. Если предположить, что используемый в ИУМ ключ является идеальным, т. е. выполняются условия: , , , , то мощность, отбираемая от источника питания, полностью выделяется в нагрузке.

Для реальных устройств такой КПД не достижим, однако КПД реального ИУМ существенно выше, чем у усилителей, использующих активный режим работы транзистора.

Основные требования, предъявляемые к ИУМ, направлены на более полную реализацию их потенциальных преимуществ, а именно на повышение КПД. К ним можно отнести: уменьшение мощности, рассеиваемой в цепях управления при включенном и выключенном состояниях транзисторного ключа; уменьшение мощности в силовых цепях транзисторных ключей при их включенном и выключенном состояниях; уменьшение мощности, связанной с конечным значением времени перехода транзисторного ключа из включенного состояния в выключенное и наоборот.

Повышение КПД ИУМ не является самоцелью, а неразрывно связано с основной тенденцией развития современной электроники, а именно с комплексной миниатюризацией радиоэлектронного оборудования. Очевидно, что размеры любого электрического устройства даже при использовании самых совершенных технологических приемов в заданных условиях эксплуатации, в конечном счете, определяются выделяющейся в нем мощностью. Повышение КПД является неприемлемым условием, при котором применение гибридной и полупроводниковой технологий позволяет существенно снизить массу и объем, следовательно, расширить функциональные возможности радиоэлектронной аппаратуры.

В зависимости от предъявляемых требований и круга решаемых задач, ИУМ могут строиться по различным структурным схемам. Однако в любом случае основой ИУМ является схема транзисторного ключа, выполненного на основе биполярного или полевого транзистора, включенного соответственно по схемам с общим эмиттером или истоком. Использование этих схем включения объясняется возможностью получения максимального коэффициента усиления по мощности.

Дата добавления: 2015-07-14