3.14 Ключевые режимы генератора с внешним возбуждением

Основные энергетические показатели генератора с внешним возбуждением – мощность и к.п.д. в значительной мере определяются формой импульса коллекторного тока и формой выходного напряжения. В обычном, моногармоничес-ком режиме класса «В», «С» при синусоидальной форме напряжения мощность тепловых потерь на активном элементе (лампе, транзисторе) в первом приближении может быть определена площадью взаимного перекрытия мгновенных значений выходного тока и напряжения (см. рисунок 3.29).

Рисунок 3.29 - Волновые диаграммы ГВВ в моногармоническом режиме.

Мощность потерь заметно падает, а к.п.д. растет с уменьшением угла

отсечки θ. Однако уменьшение θ при сохранении импульсного значения тока, которое ограничено допустимым значением для конкретного активного элемента, неизбежно приведет к падению величины первой гармоники, а значит и выходной мощности.

Практически работа генератора с углами отсечки менее 60˚ становится не желательной, или даже невозможной вследствие низкого использования активного элемента по мощности, снижения коэффициента усиления и перегрузки входной цепи.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для повышения эффективности генератора необходимо, чтобы при прохождении тока через активный элемент напряжение на его электродах было близким к 0. При гармонической форме напряжения это возможно лишь при достаточно «узком» импульсе тока, а значит при относительно малой мощности генератора.

Чтобы получить от генератора номинальную мощность (т.е. при «широком» импульсе тока) необходимо соответствующим образом изменить форму выходного напряжения. Эта идея была реализована в ключевых режимах, получивших условное название класс «D» и «Е».

Для режима класса «D» характерна «прямоугольная» форма (меандр) либо выходного напряжения, либо тока, либо напряжения и тока одновременно. При этом, как правило, используется угол отсечки 90⁰и двухтактная схема генератора.

Варианты сочетания выходных напряжений и токов в генераторах класса «D» представлены на рисунке 3.30.

Рис. 3.30 – Волновые диаграммы токов и напряжений

в режимах класса «D»

В периодической литературе генератор, соответствующий варианту рисунок 3.30а, иногда именуют переключателем напряжения (ПН); варианту 3.30б - переключателем тока (ПТ); варианту рисунок .3.30в – переключателем тока и напряжения (ПТН).

На практике применение нашли варианты «а» и «в». В частности, режим аналогичный ПН реализуется в схеме последовательного резонансного инвертора (ключевой генератор с последовательным фильтрующим контуром).

3.14.1 Последовательный резонансный инвертор

Упрощенная схема этого генератора и его эквивалентная схема представлены на рисунке 3.31.

Рисунок 3.31 – Последовательный резонансный инвертор

В эквивалентной схеме транзистор представлен идеальным ключом S , с сопротивлением насыщения транзистора - rнас . Емкость Со – выходная емкость транзистора и емкость диода. Волновая диаграмма коллекторного напряжения и тока «нижнего» по схеме транзистора представлена на рисунке 3.32.

Благодаря формированию на транзисторах напряжения в форме меандра и режиму насыщения, потери мощности в транзисторах минимальны. Импульс коллекторного тока представляет собой отрезок синусоиды и определяется переходным процессом в контуре. Для нормальной работы генератора каждый транзистор должен быть открыт ровно половину периода (угол отсечки θ=90˚).

Рисунок 3.32 – Волновая диаграмма последовательного

резонансного инвертора

Если транзисторы будут открыты одновременно (θ >90º), возникает «сквозной» ток, т.е. источник питания оказывается короткозамкнутым через два транзистора. Величина сквозного тока может быть очень большой, что приведет к перегрузке транзисторов и выходу их из строя. Если транзисторы будут открыты меньше половины периода (θ < 90º), то при запирании любого транзистора ток в индуктивности контура обрывается . Возникающая э.д.с. самоиндукции замкнет ток контура через второй транзистор, который переходит в опасный инверсный режим (ток протекает через прямо смещенный коллекторно-базовый переход). Для исключения инверсного режима параллельно каждому транзистору включаются «обратные» диоды, которые открываясь замыкают контурный ток на себя. Аналогичная ситуация возникает и при расстройке контура, когда из-за фазового сдвига между током и напряжением запирание транзистора происходит при токе в контуре отличном от 0.

Ток в нагрузке генератора складывается из токов каждого транзистора и имеет чисто гармоническую форму.

Скачкообразная форма коллекторного напряжения в режиме класса «D» приводит к сильной зависимости энергетической эффективности ГВВ от частоты. Пока транзистор генератора находится в закрытом состоянии его паразитная емкость Со заряжается до напряжения источника питания Ек; после отпирания транзистора емкость разряжается на его внутреннее сопротивление (rнас). При этом в транзисторе выделяется мощность

Рк = 0,5(Со·Ек²·f) , которая приводит к дополнительным «коммутацион-

ным» потерям и снижению к.п.д.. Как следует из приведенной формулы коммутационные потери тем больше, чем больше паразитная емкость транзистора и рабочая частота f. Однако наиболее существенным фактором является напряжение источника питания. В связи с этим, ламповые схемы последовательного резонансного инвертора не находят практического применения. Из-за больших напряжений питания (до 10 – 15 кВ) высокий к.п.д. не удается получить уже на частотах 0,3 – 0,5 МГц.

У высокочастотных транзисторов напряжение питания обычно не превышает 20 – 40 В, поэтому они позволяют создавать эффективные ключевые генераторы на частотах до 100 МГц.

Замечательной особенностью последовательного резонансного инвертора являются не перекрывающиеся спектры высших гармоник меандра напряжения и «полусинусоиды» коллекторного тока ( рисунок 3.33).

В результате мощность высших гармоник в схеме генератора не выделяется, т.е. электронный к.п.д. совпадает с к.п.д. по первой гармонике.

Рисунок 3.33 – Спектры коллекторного напряжения и тока

Определим энергетические параметры последовательного резонансного инвертора.

Колебательная мощность в нагрузке

Поскольку в течение каждого полупериода ток коллектора последовательно обтекает rнас и R, электронный к.п.д. генератора определяется очевидным соотношением