2. Ключ с линейной индуктивностью.

Индуктивность L в цепи коллектора является постоянной и независящей от тока, ее активное сопротивление равно нулю. Кроме того транзистор считаем идеальным (Рис.1.6,а).

До включения транзистора (t<t_o, рис.1.7) рабочая точка занимает положение 1 (рис.1.6,б). После включения (tt_o) рабочая точка скачком перемещается в начало координат по оси абсцисс, т.к. выполняется условие (1.2) и транзистор входит в режим насыщения (U_кэн=0). Затем ток коллектора будет возрастать под влиянием ЭДС Е_к источника питания по линейному закону (рис.1.7):

,(1.23)

а рабочая точка транзистора - перемещается по оси ординат до точки 2 (рис.1.6,б).

Рис.1.6. Транзисторный ключ с идеальной индуктивностью.

Рис.1.7. Диаграммы токов и напряжений в ключе с идеальной индуктивностью.

В момент времени t=t₁ действительный ток коллектора становится равным кажущемуся ·I_б1 и транзистор сразу же переходит в активный режим, а его рабочая точка в положение 3 (рис.1.6,б), напряжение на коллекторе становится равным Е_к (рис.1.7).

При быстром запирании транзистора (в момент времени t=t₂) ток коллектора не может измениться скачком и будет поддерживаться ЭДС самоиндукции е_L=-L·di/dt. Энергия запасенная индуктивностью на интервале t_о<t<t₂ :

(1.24)

достаточно велика, что вызывает резкое увеличение напряжения на коллекторе транзистора в виде выброса, которое суммируясь с ЭДС источника питания Е_к, может привести к пробою коллекторного перехода транзистора. При этом рабочая точка транзистора из положения 3 переходит в положение 4 и далее на ось абсцисс и по ней в положение 1, где U_кэ=Е_к (рис.1.6,б). Практически вся энергия, запасенная индуктивностью, рассеивается транзистором.

Для уменьшения выброса напряжения на коллекторе транзистора и предотвращения пробоя коллекторного перехода в момент запирания транзистора индуктивность шунтируют диодом VD (рис.1.6). При открытом и насыщенном транзисторе диод смещен в непроводящем направлении и ток индуктивности равен току коллектора, а напряжение на L равно Е_к. При закрытом транзисторе ток коллектора равен нулю, а ток нагрузки (индуктивности L) замыкается через диод. Напряжение на индуктивности в этом случае определяется падением напряжения на диоде VD, работающем в проводящем направлении, и составляет обычно 0,5...1,0 В. Напряжение на транзисторе превышает ЭДС источника питания на величину этого напряжения.

3. Ключ с нагрузкой типа двигатель постоянного тока.

Рис.1.8. Схема транзисторного ключа с двигателем постоянного тока в качестве нагрузки.

Чисто активная или индуктивная нагрузка не характерна для усилителей, работающих в классе D. Чаще всего такие усилители используются в следящих системах с исполнительными двигателями постоянного тока, и нагрузкой для них является якорь двигателя, обладающий как активным сопротивлением, так и индуктивностью, а при вращающемся якоре в нем, кроме того, индуцируется ЭДС вращения Ев. Поэтому нагрузка усилителя может быть представлена эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных источника ЭДС Е_в, активного сопротивления R_н и индуктивности L_н. Схема простейшего усилителя с такой нагрузкой показана на рис.1.8. Для предотвращения пробоя коллекторного перехода вследствии возникновения большой ЭДС самоиндукции в момент закрывания транзистора, нагрузка шунтируется диодом VD.

При периодическом входном сигнале обычно в схеме выполняются такие соотношения величин, что при открытом и насыщенном транзисторе ток в нагрузке нарастает, а при закрытом спадает (рис.1.9). Среднее значение напряжения на нагрузке:

U_нср = U_н1·К_з - U_н2(1-К_з)  Е_к·К_з (1.25)

где U_н1 - напряжение на нагрузке при открытом VT,

U_н2=U_д - падение напряжения на диоде, по-прежнему определяется коэффициентом заполнения К_з, а среднее значение тока через нагрузку:

, (1.26)

Пульсации тока через нагрузку зависят от соотношения между периодом коммутаций и постоянной времени нагрузки:

_H = L_н / R_н, (1.27)

Рис.1.9. Временная диаграмма усилителя с ДПТ при периодическом входном сигнале.

При достаточно большой тактовой частоте (частоте коммутации), когда T<<_н, пульсации малы, и в пределах такта можно считать ток нагрузки постоянным i_н=I_нср=I_н. В этом случае потребляемая от источника мощность будет равна:

P_о = Е_к · I_ср = Е_к · I_н · К_з , (1.28)

соответственно полезная мощность:

P_н = U_нср · I_н , (1.29)

мощность, рассеиваемая транзистором:

P_тр = U_кэн · I_н · К_з , (1.30)

мощность, рассеиваемая диодом:

P_д = U_д · I_д · (1 - К_з) , (1.31)

Коэффициент полезного действия:

.(1.32)

при максимальном входном напряжении (К_з=1) равен коэффициенту полезного действия простейшего ключевого каскада с чисто активной нагрузкой (1.17), но уменьшается по мере снижения выходного напряжения из-за увеличения мощности рассеиваемой диодом (кривая 2 на рис.1.10).

Рис.1.10. Графики зависимостей КПД усилителя от среднего значения напряжения нагрузки.

Картина переходных процессов в простейшем усилителе с индуктивностью в цепи нагрузки (рис.1.8) при выполнении условия T<<_н, где _н=L_н/R_н показана на рис.1.11. При закрытом транзисторе ток нагрузки замыкается через диод, а напряжение на транзисторе практически равно ЭДС источника питания Е_к. По мере нарастания тока коллектора ток через диод убывает, но он остается открытым в течении всего фронта t_ф1 и закрывается лишь тогда, когда ток коллектора становится равным току нагрузки. В течении этого времени напряжение на транзисторе остается практически равным Е_к, а в момент окончания переднего фронта резко спадает до значения U_кэн.

Аналогично этому в период снижения тока коллектора диод открыт и напряжение на коллекторе транзистора практически равно Е_к.

Рис.1.11. Временные диаграммы работы ключа с активно-индуктивной нагрузкой.

Предполагается, как и раньше, линейный характер нарастания и спадания тока коллектора и одинаковой длительностью фронтов, получим среднее значение рассеиваемой транзистором мощности:

(1.33)

и коэффициент полезного действия усилителя:

(1.34)

Из сравнения (1.30) и (1.33) видно, что дополнительная составляющая рассеиваемой транзистором мощности, обусловленная переходным процессом на транзисторе, относительно больше в усилителе с индуктивностью в цепи нагрузки. Соответственно, при прочих равных условиях, будут меньше и коэффициент полезного действия (кривая 4 на рис.1.10) и коэффициент использования транзистора. При увеличении тактовой частоты достаточно высокие энергетические показатели ключевых усилителей могут заметно ухудшиться. Это ограничивает максимальную тактовую частоту, и, поэтому не всегда удается уменьшить пульсации тока нагрузки до желаемых значений.