3.14.2 Генератор «с вилкой фильтров» на выходе
Генератор этого вида относится к классу ПНТ (рисунок 3.30в). Упрощенная схема генератора представлена на рисунке 3.34.
Рисунок 3.34 – Схема генератора с вилкой фильтров на выходе
Фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает в нагрузку ток первой гармоники. Высшие гармоники через фильтр верхних частот (ФВЧ) отводятся на балластную нагрузку, где в виде тепла рассеивается их мощность. Частоты среза фильтров и волновые сопротивления в полосах пропускания
подбираются так, чтобы входное сопротивление фильтров было одинаковым для всех гармоник тока. Только при этом условии обеспечивается прямоугольная форма тока и напряжения характерные для ПНТ. Волновая диаграмма напряжения и тока нижнего по схеме ключа представлена на рисунке 3.35. Здесь же приведены графики напряжений в точках 1,2,3 схемы (рисунок 3.34).
Для оценки энергетических показателей генератора необходимо определить постоянную составляющую и первую гармонику коллекторного тока. Для этого воспользуемся полученными ранее формулами гармонического анализа
Здесь θ=π/2; iк = iкмакс ............. –θ < ωt < θ
iк = 0..................... –θ > ωt > θ
Рисунок 3.35 – Волновая диаграмма генератора
В результате вычисления интегралов получим
Iко = 0,5·iкмакс
Аналогично для первой гармоники меандра напряжения получим
С
другой стороны
Приравнивая правые части последних выражений, получим
Ек = 2iкмакс(Rн+rнас)
Мощность, потребляемая генератором
Ро = Ек·Iко =iк2макс(Rн+rнас)
Колебательная мощность генератора
К.П.Д. генератора
Как и в случае последовательного резонансного инвертора при расчете полного к.п.д. генератора следует учитывать коммутационные потери обусловленные паразитными емкостями схемы (см. 3.52 и 3.53)
Следует также отметить, что дополнительные коммутационные потери возникают и при переключении тока за счет паразитной индуктивностей выводов и соединительных проводов (LП). Действительно, пока через АЭ протекает ток iкмакс , паразитные индуктивности накапливают энергию
w
=
.
При запирании АЭ цепь индуктивности обрывается и возникающая э.д.с. самоиндукции рассеивает накопленную энергию на сопротивлении утечки АЭ.
Мощность коммутационных потерь определится выражением
=
f
Однако с этими потерями приходится считаться только при использовании сильноточных и низковольтных АЭ.
1.14.3. Генератор в режиме класса «е»
Как было установлено выше, скачкообразный характер изменения формы тока и напряжения приводит к ограничению частотного диапазона эффективных режимов генератора. В определенной мере этого недостатка нет в другом ключевом режиме, получившем условное название режим класса «Е».
Упрощенная схема такого генератора и его эквивалентная схема представлены на рисунке 3.36.
Рисунок 3.36 – Схема генератора в режиме класса «Е»
Контур LкCк – настроен в резонанс на частоту возбуждения и имеет достаточно высокую добротность для фильтрации высших гармоник.
Контур L(C1+Co) – «формирующий»; его назначение – реализация оптимальной формы коллекторного напряжения, обеспечивающего минимальные коммутационные потери.
Генератор
работает следующим образом. При отпирании
транзистора в формирующем контуре L1,С2
возникает переходный процесс;
частота и затухание контура подбираются
так, чтобы к моменту следующего отпирания
транзистора напряжение на коллекторе
и его производная
оказались
равными 0. Это позволяет избавиться от
коммутационных потерь за счет паразитных
емкостей транзистора и схемы. Такой
режим получил название оптимального.
Длительность времени насыщения (τнас)
транзистора может быть больше, меньше
или равной половине периода рабочей
частоты генератора. В зависимости от
этого подбирается резонансная частота
формирующего контура и его добротность,
определяющая степень затухания
переходного процесса. Поскольку
затухание должно быть значительным,
добротность формирующего контура не
превышает 1,5-2. Волновая диаграмма
коллекторного напряжения и тока для
генератора в режиме класса «Е» представлена
на рисунке 3.37. Резонансная частота
формирующего контура при τнас<
Т/2 должна быть ниже рабочей
частоты, а при τнас
≥ Т/2 -выше.
Расчеты показывают, что наилучшие
результаты с точки зрения эффективности
генератора обеспечивает режим с
τнас
≈ Т/2 [ 2 ].
В момент запирания АЭ ток коллектора становится равным 0. Однако ток в формирующем контуре не обрывается, а замыкается через емкость контура (ic)
Несмотря на лучшие частотные свойства режим класса «Е» не нашел широкого применения, т.к. при закрытом транзисторе пиковое напряжение на коллекторе может в несколько раз превышать напряжение источника питания. В оптимальном режиме при τнас ≈ Т/2 пиковое напряжение в 3,7 раза превышает Ек.
Рисунок 3.37 – Волновая диаграмма генератора класса «Е»
При использовании транзистора в таком генераторе резко возрастает опасность электрического пробоя, особенно в процессе настройки, когда режим отличается от оптимального и пиковое напряжение может быть значительно больше 3,7Ек. Более подходящим прибором для генератора класса «Е» является генераторная лампа, т.к. она способна выдержать многократные импульсные перегрузки по напряжению. Однако и в этом случае надежность генератора оказывается невысокой из-за большой вероятности электрического пробоя.
Вследствие низкой добротности формирующего контура, форма напряжения на нагрузке далека от гармонической, поэтому в схему ГВВ добавляется фильтрующий контур, имеющий высокую добротность и настроенный на рабочую частоту. Амплитудно–частотные характеристики формирующего (1) и фильтрующего (2) контуров показаны на рисунке 3.38.
С ростом рабочей частоты генератора емкость формирующего контура необходимо уменьшать. Как только необходимая емкость контура станет меньше паразитной емкости схемы, обеспечение оптимального режима становится невозможным и к.п.д. генератора начнет быстро падать.
Рисунок 3.38 – Амплитудно-частотные характеристики
В заключение следует заметить, что приведенные сведения не исчерпывают все схемы и методы повышения эффективности ГВВ. Более подробно этот материал излагается в [ 2 , 3] .