6.5. Расчет режима транзистора в однотактном кум

В однотактном КУМ реализуется основной принцип повышения КПД усилителей: ток в коллекторной цепи протекает в те проме­жутки времени, когда напряжение на коллекторе е_к.э(τ) близко к нулю. При идеальном ключе (r_кл = 1/S_кр = 0) электронный КПД η_э = 1. Требуемую форму напряжения е_к.э(τ) можно получить в критическом режиме, если подобрать возбуждение на входе таким образом, чтобы коллекторный ток повторял по форме ток ключа. При r_кл ≠ 0 и условии i_к(τ) = i_кл(τ) формы сигналов на рис. 6.5 не изме­нятся, только кривую е_к.э(τ) следует поднять на значение е_к.э.min =i_к.м / S_кр (рис. 6.7, в). В этом случае постоянная составляющая кол­лекторного напряжения

(6.33)

Идеальную форму коллекторного тока со скачком на спаде (рис. 6.7, а) можно создать лишь при бесконечном всплеске тока базы, который реально недостижим. Замена идеального импульса реальным (штриховая линия на рис. 6.7, а) приводит к появлению дополнительного тока ∆i_c через емкость С (рис. 6.7, б) и незначи­тельным искажениям формы выходного напряжения (рис. 6.7, в), причем искажения уменьшаются, если транзистор заходит в область

Рис. 6.7. Временные зависимости токов коллектора i_к и идеального ключа i_кл (а) тока ∆i_C (б) и напряжения на коллекторе е_к.э (в)

насыщения. Поэтому при расчете ключевого генератора на заданную мощность используем коэффициенты разложения (6.31) и (6.32) для идеальных импульсов.

Пусть напряжение на коллекторе ограничено значением е_к.э.max < e_к.э.доп

На основании (6.31)—(6.33) найдем потребляемую мощность

(6.34)

и мощность, рассеиваемую на коллекторе,

(6.35)

Учитывая, что полезная мощность Р₁ = P₀ - Р_{рас и} в критическом режиме

е_{к.э. min} = , получаем квадратное уравнение для рас­чета высоты импульса тока i_{к.м. кр}:

(6.36)

Решим его, выбрав меньший из двух корней:

(6.37)

где p₁ = 32P₁ / S_кp — нормированное значение полезной мощности.

Согласно (6.37) значение i_к.м.кр минимально при Θ_П = 90°, при котором произведение коэффициентов α_I0 α_U0 максимально. Из сравнения зависимостей нормированной высоты импульса тока

Рис. 6.8. Зависимости нормированной высоты импульса тока (а) и КПД (б) от угла Θ_П =Θ в в ключевом (сплошные линии) и гармоническом (штриховые линии) режимах при одинаковых значениях пикового напряжения на коллекторе и нормированной мощности

J_K = i_к.м / (S_кp e_{к.э. max}) от эквивалентного угла отсечки (рис. 6.8, а) сле­дует, что в гармоническом режиме заданная мощность достигается при меньшей высоте импульса тока, чем в ключевом. С ростом Р₁ КПД в обоих режимах уменьшается, причем в ключевом режиме η_э падает быстрее и при р₁ > 0,3 этот режим уступает по КПД гармони­ческому (рис. 6.9).

Особенностью ключевого режима является также резкая зависи­мость пик-фактора П = е_к.э.тах / Е_п от угла отсечки. Из (6.33) при находим П → 1/α_{U 0}(Θ_п) т. е. П = 2,8 при Θ_П = 70°, П = 3,6 при Θ_П = 90°, П = 4,5 при Θ_П = 105°, и пик-фактор стремится к бесконечности при Θ_П -> 180°. В гармоническом режиме всегда П = 1 + ζ < 2.

Таким образом, ключевой режим дает выигрыш по КПД при р₁ < 0,3. Для получения приемлемого значения пик-фактора рекоменду-

ется выбирать Θ_П = 70...90°, т.е. в том же интервале, что и для гармо­нического режима.

После выбора Θ_П ключевой генератор рассчитываем на заданную мощность в следующем порядке. Из (6.37) определяем высоту импульса тока i_к.м.кр, затем е_к.э.тin = i_к.м..min /_Sкр далее по (6.3 I), (6.33), (6.35) находим i_к0, Е_п, Р_рас,

Р₀ = Р₁ + Р_рас и η_э = P₁/P₀.

В заключение сравним значения коэффициента усиления по мощ­ности в ключевом К_{Р кл} и гармоническом К_{Р г} режимах. При одинако­вых мощностях Р₁ и углах Θ_п и Θ можно считать, что в обоих режи­мах входные сопротивления транзистора по первой гармонике примерно равны. Тогда

К_{Р Кл} / К_{Р г} ≈ |I_{б1 г}/I_{б1 т}|² . По этой оценке К_{р кл} ⁼ (0,3...0,6)К_Рг, что обусловлено двумя основными причи­нами. Во-первых, для обеспечения ключевого режима транзистор вводится в неглубокое насыщение, для чего ток возбуждения увели­чивается в 1,2...1,8 раза по сравнению с критическим. Во-вторых, та же мощность Р₁, при фиксированном значении в ключевом режиме получается при большей высоте импульса тока, что также достигается увеличением амплитуды входного тока.

Контрольное вопросы и задания

1. Каковы преимущества ключевого режима по сравнению с гармоническим режимом?

2. Нарисуйте принципиальную схему двухтактного КУМ с последовательным нагрузочным контуром.

3. Нарисуйте форму импульсов коллекторных токов для этой схемы.

4. Чем эта форма определяется при идеальных ключах?

5. Чем вызвано появление сквозных токов?

6. Каковы причины коммутационных потерь?

7. В чем причина малой чувствительности выходной мощности КУМ к измене­ниям мощности возбуждения?

8. Чем ограничен частотный потолок двухтактного КУМ?

9. Почему опасно короткое замыкание выхода КУМ с последовательным нагру­зочным контуром?

10. Поясните с помощью эквивалентной схемы (рис. 6.4, б) и временных диа­грамм (рис. 6.5) принцип действия и эффект повышения КПД в однотактном КУМ с фильтрующим контуром.

11. Сравните усилители мощности, работающие в ключевом и гармоническом режимах, по электронному КПД. Почему при относительно больших значе­ниях полезной мощности ключевой режим уступает по КПД гармоническому?

12. Поясните влияние коллекторной емкости транзистора на максимальную рабочую частоту однотактного КУМ.

Глава седьмая

АВТОГЕНЕРАТОРЫ

____________________________________________________________________________