![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника
.pdfПрактически это означает, что ток, уменьшаясь по ве личине, будет некоторое время протекать через закры тый транзистор, пока не спадет до нуля (рис. 66, г). Од нако протекание сколько-нибудь существенного тока че рез закрытый транзистор возможно только при пробое транзистора. Этот пробой возникает в результате значи тельного повышения напряжения между коллектором и эмиттером транзистора из-за того, что к напряжению источника коллекторного питания добавляется ЭДС са моиндукции, возникающая в индуктивности при спаде тока.
Описанное явление аналогично тому, которое наблю дается при размыкании механического ключа в электри ческих цепях, содержащих индуктивность (рис. 66, б). В этом случае при большом значении докоммутационного тока возникает значительная ЭДС самоиндукции, приво дящая к дуговому пробою воздушного промежутка раз мыкающегося контакта. Нормальная работа такого клю ча возможна при наличии так называемых дугогасящих цепей, препятствующих резкому сбросу тока в индуктив ности и, соответственно, развитию значительной ЭДС са моиндукции.
Такие же меры приходится применять в схеме тран зисторного ключа с индуктивной нагрузкой в целях за щиты транзистора от пробоя.
Анализ работы транзисторного ключа с активно-ин дуктивной нагрузкой производится графически с исполь зованием выходных характеристик трансформатора и ли нии нагрузки. Для случая активно-индуктивной нагрузки уравнение цепи нагрузки имеет вид:
uK.9= U n- f i i - L j ± - |
(159) |
Выключение транзистора приводит к резкому спада-
di
нию тока нагрузки, при этом производная тока — име- dt
ет отрицательный знак и весьма значительна по величи не. Вследствие этого ЭДС самоиндукции совпадает по направлению с напряжением источника питания (скла дывается с этим напряжением) и, как правило, бывает достаточной для необратимого пробоя транзистора.
171
В установившемся открытом или закрытом со стоянии транзистора, когда не происходит изменения то-
di
ка нагрузки, величина — равна нулю и линия нагруз- dt
ки совпадает с линией нагрузки для активного сопротив ления R.
Графическая иллюстрация пробоя транзистора при выключении приводится на рис. 67. Состоянию отсечки соответствует кривая I, состоянию насыщения — кривая II. Прямая III есть линия нагрузки, соответствующая ак тивному сопротивлению нагрузки.
Рассмотрим полностью характер переходных процес сов в транзисторе, полагая, что как длительность верши ны управляющего импульса, так и длительность пауз между импульсами превышают полное время переходно го процесса в коллекторной цепи. В качестве исходной рабочей точки выбирается точка 1, соответствующая ре жиму отсечки. В этом режиме выходная характеристика транзистора изображается кривой I.
При включении транзистора в цепи базы протекает ток, и характеристика транзистора соответствует кривой
II.Рабочая точка транзистора в этот момент переходит
вточку 3, поскольку ток нагрузки в начальный момент включения транзистора остается равным току отсечки. Далее ток нагрузки экспоненциально увеличивается в со ответствии с уравнением (159) и по прошествии доста точно длительного времени достигает предельного зна
чения, соответствующего точке 2.
При окончании отпирающего импульса транзистор переходит в закрытое состояние и его выходная характе ристика вновь соответствует кривой I. Поскольку ток, протекавший в нагрузке непосредственно до выключения транзистора, мгновенно уменьшиться не может, рабочая точка транзистора переходит в точку 4 и далее постепен но перемещается в точку 1. К моменту времени /г (см. рис. 66, г) ток нагрузки спадает до тока отсечки, и процесс выключения заканчивается.
Таким образом, рабочая точка транзистора в процес се его выключения под действием ЭДС самоиндукции не избежно переходит в область пробоя, что сопровождает ся выделением в транзисторе значительной тепловой энергии, могущей вызвать его разрушение.
172
Рис. 67. Положение рабочей течки транзистора с активно-индуктив ной нагрузкой в различных этапах процесса переключения
Избежать пробоя путем выбора транзистора с высо
ким допустимым напряжением принципиально невоз можно, ПОСКОЛЬКУ НеЗаВИСИМО ОТ ВеЛИЧИНЫ U K. 3. макс, доп
(первый закон коммутации) всегда будет вырабатывать ся ЭДС самоиндукции, необходимая для поддержания
тока нагрузки постоянным в момент коммутации, то есть произойдет пробой транзистора.
Для защиты транзистора от пробоя в схему ключа необходимо вводить элементы, обеспечивающие при вы ключении транзистора разряд энергии, накопленной в ин дуктивности нагрузки. При этом выключение транзисто ра не будет сопровождаться возникновением значитель ной ЭДС самоиндукции. Обычно в качестве разрядной цепи используют диод, включаемый параллельно нагруз ке в направлении, встречном полярности источника пита ния (рис. 68, а). Графики электрических процессов в та кой схеме показаны на рис. 68, б—ж. Ток выключения нагрузки спадает по экспоненциальному закону:
_ t_
*'к = /выкл-г \ |
( 160) |
где / выкл — ток, протекающий в нагрузке в момент вы ключения транзистора;
т — постоянная времени цепи нагрузки.
173
(5 |
L |
в
а
Рис. 68. Защита тран |
|
||
зистора |
с активно |
|
|
индуктивной |
нагруз |
|
|
кой обратно включен |
|
||
ным диодом |
(а); вре |
|
|
менные диаграммы |
|
||
токов и |
напряжений |
|
|
в схеме |
с диодной |
ж |
|
защитой (б—ж) |
L
В реальных ключевых схемах с индуктивной нагруз кой время паузы импульса значительно меньше полного времени переходного процесса в нагрузке, и поэтому ток в нагрузке за время паузы импульсного сигнала не успе вает значительно уменьшиться и имеет к моменту вклю чения транзистора некоторое ненулевое значение.
Если выполняется условие Т т, ток в нагрузке мож но считать практически постоянным.
Среднее значение тока нагрузки, как и в случае чисто
активной нагрузки, определяется по формуле: |
|
||
, |
и„ |
Un |
061) |
L = —- • к3 |
R, ' т |
||
|
Rn |
|
Форма тока, протекающего в транзисторе, показана на рис. 68, г. Максимальной величина среднего тока
174
транзистора бывает при к 3 —1. Она составляет
Во время пауз сигнала на входе ток нагрузки замы кается через диод. Форма тока, протекающего через шунтирующий диод, показана на рис. 68, д. Средний ток, протекающий через диод, можно найти из уравнения:
/д = 4 г - М 1 -К з). |
(162) |
'MI |
|
Ток диода / д достигает максимального значения при |
|
&3 = 0 , 5 и равен 0 , 2 5 / к.макс- |
в ин |
Поскольку ЭДС самоиндукции, возникающая |
дуктивности при выключении транзистора, шунтируется диодом, то, пренебрегая величиной падения напряжения на шунтирующем диоде, можно максимальное напряже ние, падающее на выключенном транзисторе, считать равным напряжению питания, то есть UK.э. макс ~ Un.
В схеме с шунтирующим диодом полностью сохраня ются все преимущества ключевого режима работы тран зистора, в частности высокий КПД каскада.
Однако применение ключевой схемы с шунтирующим диодом возможно только в тех случаях, когда напряже ние питания схемы не превышает предельно допустимо го напряжения транзистора.
Для того чтобы с помощью сравнительно низковольт ного транзисторного ключа можно было осуществлять импульсное регулирование тока высоковольтной нагруз ки, необходимо коммутировать этим ключом не всю на грузку в целом, а только небольшое сопротивление, включаемое последовательно с нагрузкой, производя в импульсном режиме поочередное включение и выключе ние этого сопротивления в цепи нагрузки (рис. 69, а). Величина сопротивления этого резистора выбирается такой, чтобы падение напряжения на нем под действием тока нагрузки не превышало предельного напряжения ключевого транзистора [8].
Для уменьшения тока нагрузки в эту схему вводится также последовательно с нагрузкой дополнительное со противление.
Нетрудно убедиться, что наибольшее напряжение на транзисторе схемы получается в момент его запирания
175
оVn |
l s |
6
LH
* 1
чяг
-о г
а
Рис. 69. Коммутация нагрузки путем шунти рования дополнительного сопротивления в цепи нагрузки (а); временные диаграммы токов и на пряжений в схеме с шунтированием допол нительного сопротивле ния (б—д)
^КЭ
V /o m
1
b _ j
и равно произведению отключаемого |
тока |
на сопро |
тивление R2 >’ |
|
|
& к. э. макс — Л)ткл. макс * к |
2. |
(163) |
Недостатком такой схемы коммутации является огра ниченный диапазон регулирования тока в нагрузке, а также дополнительные потери мощности в резисторах
/?д и R2.
Наиболее перспективным применение этой схемы коммутации нагрузки представляется в схемах стабили зации напряжения генераторов постоянного тока, где не требуется широкого диапазона регулирования тока воз буждения, а потери в схеме регулятора получаются весь ма незначительными по сравнению с мощностью генера тора.
Максимальное напряжение на транзисторе в схеме рис. 69, а получается в момент выключения транзистора, если через него протекает максимальный ток нагрузки:
176
и к. э.макс = / и. „акс • # 2- Максимальный ток нагрузки оп-
ределяется:
1/ н. макс -— U" ’
Я\
следовательно,
ТТ |
IJ |
^ 2 |
' |
и к. Э. макс — |
t-'n |
D |
Минимальный ток нагрузки равен:
/ |
у . |
* |
Г) |
*Н. МИН-- <-/П |
~ , |
||
|
|
Hi + |
А2 |
(164)
(165)
(166)
Отсюда можно определить кратность регулирования то ка в нагрузке:
Кг = /н' макс = |
— + 1. |
(167) |
Л ь МИН |
^ 1 |
|
Пользуясь величиной кратности регулирования тока в нагрузке, можно максимальное напряжение на транзи сторе определять как:
гл.э.макс = U n ( K l - \ ) . |
(168) |
Таким образом, максимальное напряжение на тран зисторе не зависит от тока нагрузки, а определяется только напряжением питания схемы и кратностью регу лирования тока в нагрузке. Нетрудно заметить, что при малых кратностях тока нагрузки (порядка 1,2— 1,3) максимальное напряжение на транзисторе составляет лишь 20—30% напряжения питания, что позволяет из бегать необходимости последовательного соединения транзисторов в ключевой схеме, обеспечивающей им пульсное регулирование.
Графики электрических процессов в схеме, изобра женной на рис. 69, а, показаны на рис. 69, б—д. В мо мент выключения транзистора напряжение на нем имеет наибольшее значение и равно произведению тока выклю чения на сопротивление резистора Яг- Затем ток начина ет уменьшаться и в соответствии с этим уменьшается напряжение на закрытом транзисторе.
177
§ 12. Широтно-импульсные модуляторы
Широтно-импульсным модулятором называется им пульсная схема, вырабатывающая последовательность
импульсов с регулируемым коэффициентом |
заполнения |
|
, |
tn |
напряжения |
к3 = — , линейно зависящим от величины |
управляющего сигнала. Коэффициент заполнения К можно регулировать двумя способами: путем изменения длительности вершины импульса /и при постоянном пе риоде следования импульсов и путем изменения периода следования импульсов Т при постоянной длительности вершины импульса tu.
В первом случае регулирование коэффициента запол нения осуществляется при неизменной частоте f импуль сов, во втором — при меняющейся частоте. В соответ ствии с этим широтно-импульсные модуляторы подраз деляются на схемы с неизменной частотой и схемы с ме няющейся частотой следования импульсов.
Широтно-импульсные модуляторы с неизменной ча стотой применяются в тех случаях, когда вырабатывае мая модулятором последовательность импульсов долж на быть синхронна с каким-либо напряжением импульс ного устройства, например, с напряжением сети перемен ного тока. Качество широтно-импульсного модулятора характеризуется следующими параметрами: динамиче ским диапазоном по входному сигналу At/Bx. макс = = UBx. макс — ^вх. мин,-динамическим диапазоном по выход-
ному сигналу D = |
—3'макС' , |
крутизной передаточной ха- |
|
К з . МИН |
|
рактеристики S = |
АКз |
нелинейностью передаточной |
|
д и „ '5 _ |
s . |
характеристики К„ел = —------ - (см. гл. I).
Для широтно-импульсных модуляторов с переменной частотой важным параметром является также диапазон
изменения частоты выходных импульсов |
./макс |
я / = ! |
|
|
/ м |
Широгпо-импульсные модуляторы в сочетании с мощ ным транзисторным или тиристорным выходным каска дом можно использовать в качестве управляющего уси
178
лителя в цепи якоря или в цепи возбуждения машин по стоянного тока, а также в цепи любой другой мощной нагрузки. Кроме того, широтно-импульсные модуляторы применяют в схемах умножения двух электрических ве личин. В этих схемах одним из сомножителей является входное напряжение, управляющее коэффициентом за полнения импульсного сигнала, вторым сомножителем служит напряжение коллекторного питания выходного каскада.
На выходе схемы включается интегрирующая RC цепь, сглаживающая импульсный сигнал. Напряжение на выходе интегрирующей схемы пропорционально про изведению величин напряжения входного сигнала и на пряжения коллекторного питания.
Формирование временных интервалов в широтно-им пульсном модуляторе в любом случае основано на срав нении времязадающего напряжения Uc, меняющегося во времени по линейному или экспоненциальному зак'ону с некоторым пороговым напряжением. Однако управляю щий сигнал Uy может изменить длительность формируе мого импульса двумя путями — воздействием на величи ну пилообразного напряжения, либо на порог срабаты вания пороговой схемы. Воздействие управляющего на пряжения на величину пилообразного напряжения может осуществляться также двумя путями — изменением ско рости нарастания или спада пилообразного напряжения, а также изменением начального значения пилообразного напряжения при постоянной скорости изменения напря жения.
Основные элементы широтно-импульсного модулято ра — генератор пилообразного напряжения и пороговый элемент — могут быть представлены в широтном моду ляторе явно, в виде отдельных схем, либо быть объеди нены в переключающей схеме типа одновибратора или мультивибратора. Наиболее часто широтные модулято ры классифицируют по виду управляемого элемента на схемы с управляемым пороговым элементом, схемы с управляемым одновибратором или мультивибратором, а также схемы с управляемым мультивибратором, имею щим регулируемую несимметрию. В широтно-импульс ных модуляторах с управляемой пороговой схемой вер шина импульса соответствует времени, в течение которо го величина линейно меняющегося напряжения меньше
179
![](/html/65386/283/html_UGl0DL6Xbe.oyVi/htmlconvd-hmLgRD180x1.jpg)
l/y
5 |
Г |
t |
|
|
|
У-снач |
|
|
ГК IK [К |
|
u c jJ |
6 |
Гw |
Рис. 70. Временные диаграммы напряжений при различных способах формирования широтно-импульсного сигнала:
а — напряжения при формировании широтно-импульсного сигнала с помощью пороговой схемы, имеющей регулируемый порог срабатыва ния; б — напряжения при формировании широтно-импульсного сигнала с помощью мультивибратора, имеющего регулировку крутизны пило образных напряжений; в — напряжения при формировании широтно импульсного сигнала с помощью мультивибратора, имеющего регули
ровку начальных значений пилообразных напряжений