- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
Как было показано выше, предельное значение КПД линейных усилителей в режиме усиления гармонического сигнала не превышает 78 %. Реальное его значение, как правило, оказывается значительно ниже. В случае же реактивной нагрузки КПД линейного усилителя – вообще стремится к нулю. Поэтому для построения усилителей, характеризуемых выходной мощностью в несколько сотен ватт, линейные усилители непригодны.
Низкое значение КПД линейных усилителей объясняется значительными потерями мощности на управляющих элементах, которые определяются очевидным соотношением
.
Поскольку ток iуэ, протекающий через управляющий элемент, равен току нагрузки, то он не может быть равным нулю. Следовательно, единственной возможностью уменьшать потери мощности на управляющем элементе является уменьшение падения напряжения на нем при протекании тока
.
Это условие наиболее полно выполняется, если управляющий элемент работает в ключевом режиме. Характерной особенностью ключевого режима является то, что управляющий элемент находится длительно лишь в одном из двух «крайних» состояний: или полностью открыт (ключ замкнут), или полностью заперт (ключ разомкнут). В открытом состоянии ключи на электронных управляющих элементах обладают очень низким сопротивлением. В результате даже при протекании больших токов падение напряжения на замкнутом ключе составляет десятые доли вольта, что значительно меньше, чем при работе управляющего элемента в линейном (усилительном) режиме. В запертом состоянии через управляющий элемент протекает ничтожно малый ток. Таким образом, значение произведения в ключевом режиме мало в любом из двух статических состояний. Если и время перехода элемента из одного предельного состояния в другое сделать малым, то потери мощности на ключе и в переходном режиме оказываются незначительными. Усилители, в которых управление энергией сигнала в нагрузке осуществляется элементами, работающими в ключевом режиме, называются ключевыми усилителями.
Существует большое число способов реализации ключевых усилителей. Их можно определить, рассмотрев соотношение для мощности потерь, рассеиваемой на управляющих элементах усилителя. Из обобщенной структурной схемы усилителя следует, что напряжение на управляющем элементе (Uуэ) равно разности напряжений источника питания (Еип) и нагрузки (Uн), т. е.
.
Ясно, что для достижения 100 % КПД необходимо, чтобы мощность потерь была равна нулю, откуда следует условие реализуемости 100 % КПД:
.
Сразу становится ясно, что в линейном усилителе, у которого Еип=const, аUн(t)= var, это условие в принципе не выполнимо. Реализовать его можно двумя путями: или напряжение источника питания должно «следить» за изменением напряжения на нагрузке:
,
или напряжение нагрузки должно «повторять» напряжение источника питания:
.
Эти на первый взгляд одинаковые условия, реализуются принципиально различными способами. Вариант осуществляется с помощью вспомогательного усилителя, выходное напряжение которого выполняет роль источника питания основного линейного усилителя, причем напряжение питания по форме должно как можно ближе повторять форму сигнала в нагрузке основного усилителя. Очевидно, что эффект увеличения КПД в этом случае может быть достигнут, если вспомогательный усилитель работает в высокоэкономичном, т. е. ключевом, режиме. В результате приходим к схеме усилителя, изображенной на рис. 5.72,а. Здесь ключевой усилитель представлен набором источников питанияЕ1ЕN, которые с помощью электронных ключей подключаются к зажимам1-1источника питания линейного усилителя в определенной последовательности,так, чтобы обеспечить минимум заштрихованной площади (см. рис. 5.72, б).
а б
Рис. 5.72. Схема ключевого усилителя со следящим питанием (а), временная диаграмма напряжения (б)
Недостатки такого варианта очевидны: большое число источников и ключевых элементов, каждый из которых должен быть снабжен достаточно сложной схемой управления; общий КПД такого усилителя равен произведению КПД вспомогательного, ключевого и основного линейного; скорость изменения сигнала в нагрузке ограничена длительностью переходного процесса переключения ключей.
Вариант построения усилителя по условию реализуется путем подключения нагрузки непосредственно к источнику питания постоянного напряжения с помощью ключа (см. рис. 5.73).
В этом случае управление энергией сигнала в нагрузке возможно за счет изменения длительности замкнутого состояния ключа.
Действительно, при чисто активной нагрузке Rнсредняя мощность в ней будет равна
.
Отсюда следует, что для изменения мощности сигнала в нагрузке, по закону входного сигнала, необходимо осуществить преобразование интенсивности последнего в длительность замкнутого состояния ключа
t = f(Uc).
Рис. 5.73. Ключевой усилитель с ШИМ |
Рис. 5.74. Принцип действия ШИМ |
Рис. 5.75. Спектр
сигналов при ШИМ:а– импульсов
управления;б– входного сигнала;
в– модулированного сигнала
1>>с,
из которого по заданной максимальной частоте сигнала с maxи должна выбираться требуемая для неискаженной передачи формы сигнала тактовая частота коммутации1. Для того чтобы фильтрация не приводила к потере КПД, необходимо, чтобы от источника питания ток фильтруемых высших гармоник не потреблялся.
Для этого входное сопротивление фильтра фильтруемым частотам должно быть очень высоким, что достигается обязательным включением на входе фильтра индуктивного элемента – дросселя. Итак, структурная схема ключевого усилителя с ШИМ должна содержать элементы, изображенные на рис. 5.76.
Рис. 5.76. Структурная схема усилителя с ШИМ
а
б
в
Рис. 5.77. Варианты
ключевого
усилителя с ШИМ:а– без инверсии напряжения;б– с
инверсией напряжения;в– с усилением
по напряжению
Во всех трех схемах при замыкании ключа (открытом управляемом элементе) дроссель фильтра подключается к источнику питания, а при размыкании ключа запасенная в дросселе энергия через открывающийся при этом диод поступает в нагрузку. Характерно, что в схеме рис. 5.77, б постоянное напряжение в нагрузке имеет полярность, противоположную полярности источника питания, а в схеме рис. 5.77 происходит усиление напряжения.
Факторы, определяющие КПД реального ключевого усилителя
КПД ключевого усилителя теоретически равен 100 % при идеальном ключевом элементе, для которого справедливо соотношение
,
где Uуэ, iуэ, Руэ соответственно напряжение, ток и мощность управляющего (ключевого) элемента; Т – период коммутации. Приведенное выше условие реализуется лишь при идеальных ключах. Реальная картина, наблюдаемая в процессе переключения, имеет вид, изображенный на рис. 5.78. Характерные отличия реальной картины от идеального наблюдаются, во-первых, в наличии переходных процессов (конечные временные интервалы 0-t1, t2-t3) и, во-вторых, наличием остаточного (не нулевого) напряжения на замкнутом ключе Uост и остаточного тока через разомкнутый ключ iост. Мощность, рассеиваемая на ключевом элементе, определяется очевидным соотношением
Реальное значение КПД ключевого усилителя определяется равенством
Рис. 5.78. Временные
диаграммы
при коммутации реального
ключа
и целиком зависит от значения Руэ.
Первые два интеграла определяют потери мощности, вызванные конечным временем переключения управляющего элемента из замкнутого состояния в разомкнутое, и наоборот. Эти потери называются динамическими и определяются отношением t /Т. Очевидно, что динамические потери растут по мере роста опорной частоты модуляции=1/Т. Это ограничивает возможность применения ключевых усилителей для усиления высокочастотных сигналов. Статические потери определяются остаточными параметрамиUостиiост и учитываются двумя последними интегралами. Наибольшим значением КПД обладают ключевые усилители на МДП-транзисторах в силу значительно меньших как динамических, так и статических потерь, чем у биполярных транзисторов.
Схемотехника ключевых усилителей с источником питания постоянного тока
Рис. 5.79. Схема
двухтактного (реверсивного)
усилителя
с ШИМ
Наибольшее распространение в системах автоматики получили мостовые схемы ключевых усилителей (см. рис. 5.80), в которых в каждый момент времени в цепь источника питания включены последовательно два ключевых элемента.
а б
Рис. 5.80. Схема мостового ключевого усилителя: а – формирование положительного напряжения на нагрузке; б – формирование отрицательного напряжения на нагрузке