2.2 Усилители класса d
В усилителях, которые преобразуют непрерывный сигнал, управление током нагрузки осуществляется транзисторами, работающими в активной области выходных характеристик, то есть в режимах A, B или AB. Известно, что даже теоретически при максимальной амплитуде синусоидального выходного сигнала КПД усилителя класса A не превышает 25%, а класса B - 78,5%. Реально же КПД ещё ниже. Как следствие такие усилители интенсивно выделяют тепло, и для их нормальной работы требуется дополнительное охлаждение.
Значительно более высоким КПД (теоретически почти 100%) обладают усилители класса D, у которых транзисторы, регулируя ток через нагрузку, принимают только два состояния: включено - падение напряжения на транзисторе близко к нулю, и выключено - ток через транзистор практически равен нулю. Тепло выделяется в основном во время переключения из одного состояние в другое, но такие переходы происходят практически мгновенно. [2]
Усилители должны усиливать по мощности биполярные сигналы, изменяющиеся в широком динамическом диапазоне. Для этого обычно используют ШИМ. Частота модулированных импульсов выходного напряжения в случае с ШИМ постоянна при любом изменении входного сигнала, а это позволяет сравнительно легко сгладить высокочастотные пульсации.
На практике нашли применение две схемы выходных каскадов: полумостовая и мостовая. Полумостовая схема на полевых транзисторах представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. а) Полумостовой усилительный каскад класса D; б) эпюры, иллюстрирующие работу каскада
На рис. 2.5 приведена мостовая схема каскада усилителя класса D и эпюры, поясняющие электрические процессы в нём при работе с однополярной ШИМ на индуктивную нагрузку.
Рис. 2.5 Мостовая схема оконечного каскада усилителя класса D
2.3 Импульсные стабилизаторы напряжения
Принцип действия линейных стабилизаторов напряжения состоит в том, что напряжение на нагрузке поддерживается постоянным за счёт изменения падения напряжения на регулирующем элементе (обычно на мощном транзисторе). Это предопределяет невысокий КПД таких стабилизаторов.
Существенно больших значений КПД можно достичь, если вместо непрерывного регулирующего элемента между входным напряжением и нагрузкой включить импульсный коммутатор (ключ), который циклически (с определённым периодом повторения Т) переключается из разомкнутого (закрытого) состояния в замкнутое (открытое).
В этом случае среднее значение выходного напряжения на нагрузке будет определяться отношением длительности tоткр. его открытого состояния к периоду повторения. Таким образом, меняя относительную длительность открытого состояния ключа, можно в широких пределах регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. [2]
Источники питания с коммутаторами называют импульсными источниками питания, а если они осуществляют стабилизацию выходного напряжения, то импульсными стабилизаторами напряжения. По сравнению с непрерывными стабилизаторами напряжения импульсные источники обладают не только существенно более высоким КПД, но дополнительно позволяют получить, например, выходное напряжение больше входного или обратной полярности; гальваническую развязку входа и выхода; существенно меньшие массу и габариты по сравнению с линейными источниками.
Важной частью импульсных источников питания, в которой находит применение ШИМ, является инвертор. Инверторами называют преобразователи постоянного тока в переменный.
Регулирование выходного напряжения инверторов, применяемых в схемах преобразователей постоянного напряжения, осуществляется в основном путем модуляции ширины выходных импульсов при постоянной частоте коммутации. Базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по напряжению показана на рис. 2.6.
Выходное напряжение преобразователя через делитель поступает на инвертирующий вход усилителя ошибки, на выходе которого формируется масштабированный, с учётом опорного напряжения, сигнал ошибки (рассогласования).
Рис. 2.6 Типовая схема ШИМ-контроллера с управлением по напряжению
Для генерации пилообразного сигнала постоянной частоты используется мультивибратор, например на известной микросхеме 555. Как правило, зарядный ток времязадающего конденсатора определяется сопротивлением времязадающего резистора. Когда напряжение на конденсаторе достигает точки срабатывания, включается входящий в состав генератора пилообразного напряжения (ГПН) триггер и конденсатор быстро заряжается до напряжения отпускания. В результате сравнения напряжения на выходе усилителя ошибки и напряжения ГПН вырабатывается сигнал управления выходным ключом преобразователя, что иллюстрирует рис. 2.7.
Рис. 2.7 Формирование импульсов, управляющих выходным транзисторным ключом
Когда напряжение ГПН меньше выходного напряжения усилителя ошибки, ключ открывается (замыкается). Когда напряжение ГПН превышает входное напряжение усилителя ошибки, ключ размыкается. Если напряжение ошибки меньше, чем минимальное значение пилообразного напряжения, то коэффициент заполнения составляет 100%; если напряжение ошибки превышает максимальную величину пилообразного напряжения, то коэффициент заполнения составляет 0%. [4]
ШИМ управление по току имеет свои преимущества перед управлением по напряжению. Они заключаются в улучшенной переходной характеристике и более простом контуре управления. На рис. 2.8 изображена схема ШИМ-контроллера с управлением по току.
Рис. 2.8 Типовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току
В этой схеме используется генератор импульсов постоянной частоты. Очередной импульс с генератора, поступающий на вход установки (S) RS-триггера, устанавливает его выход в ВЫСОКИЙ уровень, что приводит к открыванию транзисторного ключа. Когда напряжение на токоизмерительном резисторе Rизм достигает величины задаваемого усилителем ошибки напряжения срабатывания компаратора, последний сбрасывает (переключает) триггер, в результате чего ключ размыкается (ток через транзистор больше не течёт). Усилитель ошибки используется для регулировки точки срабатывания ключа по току так, чтобы тока дросселя хватило для поддержания выходного напряжения. По мере того, как выходное напряжение достигает желаемого значения, сигнал ошибки снижает ток срабатывания, чтобы поддержать средний ток дросселя постоянным.[4]