2. Силовые импульсные цепи

Преобразование постоянного тока в импульсы стало очень широко использоваться в силовых цепях, передающих значительные мощности, после разработки простых, дешевых и достаточно надежных мощных ключей на тиристорях, биполярных и полевых транзисторах, а также на биполярных транзисторах с изолированным затвором (insulated gate bipolar transistor - IGBT) – гибриде полевого транзистора и биполярного. Такое преобразование можно встретить в блоках питания, мощных современных усилителях звуковой частоты класса D, в устройствах электропривода с регулированием частоты вращения (последнее будет рассматриваться при изучении управления движением). Терморегулятор ТРМ251 (рис.30) также управляет ключами БКСТ, которые изменяют токи в электропечи сопротивления. На рис. 37 показана схема работы ключа при изменении тока и мощности в цепи.

Рисунок 37. Изменение тока в цепи с помощью ключа

Для сравнения вверху слева показан случай изменения тока с помощью переменного резистороа (реостата), но в нем теряется мощность Р. Ниже показана работа ключа при изменении тока, в данном случае действующего значения тока Iд. При этом теоретически на ключе не теряется мощность, так как в разомкнутом сотоянии ток через ключ равен нулю, а в замкнутом состоянии напряжение на ключе равно нулю. Используется обычно два метода изменения параметров импульса:

широтно-импульсаная модуляция (ШИМ), когда изменяется скважность импульсов,

частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), когда изменяется частота импульсов.

Рисунок 38. Принцип работы электронного ШИМ-модулятора и анало-цифрового преобразователя (АЦП).

На рис. 38 показан принцип работы электронного ШИМ-модулятора, в котором применяются: генератор пилообразного напряжения, компаратор и R-S триггер, дающий выходные прямоугольные импульсы внизу рисунка. Когда пилообразное напряжение Uп равно 0, триггер устанавливается, при совпадении модулируемого напряжения U1 или U 2 и пилообразного напряжения Uп компаратор сбрасывает триггер. Длительность импульсов на рисунке увеличивается в 2 раза, так как U 2 в 2 раза больше, чем U1, при этом частота импульсов неизменна. Линейно растущее (пилообразное) напряжение можно получать двумя способами:

аналоговым – путём заряда конденсатора током постоянной величины от источника тока

цифровым – путем накопления импульсов постоянной частоты в счетчике, на выход которого включен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). В этом случае на счетчике получается цифровое значение модулируемой (измеряемой) аналоговой величины в момент ее совпадения с пилообразным напряжением.

Билет 19

1. Основные показатели усилителя

Усиление (gain)

Билет 3 +…

Позже усиление будет рассмотрено более подробно, так как зависимость выхода от входа для различных частот сигнала оказывается значительно сложнее (амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики).

Ширина полосы пропускания (частотный диапазон - bandwith)

Здесь обычно задается минимальная и максимальная частоты, в пределах которых коэффициент усиления по мощности изменяется не более, чем на 3 dB (в 2 раза) вверх и вниз от заданного значения усиления. Средний усилитель звуковых частот имеет диапазон от 20 Гц до 20 КГц (диапазон нормального слуха). Высококачественные усилители имеют более широкий диапазон частот на уровне 3 dB.

Коэффициент полезного действия (к.п.д. - efficiency)

Он показывает, какая доля затрачиваемой энергии переходит в выходной сигнал. Усилители класса А имеют низкий к.п.д.( 10-20 %). В этом классе обычно усиливают только напряжение сигнала (на схеме рис. 12 первых 2 ступени усиления), поэтому низкий к.п.д. не приводит к большим потерям энергии. Важен к.п.д. последней ступени, здесь работают в классе АВ (к.п.д. 35-55%), класс В дает большие искажения. Усилители класса D имеют к.п.д. около 90%. Они относятся к импульсным усилителям (switching amplifier), в них транзисторы работают в ключевом режиме на частоте, значительно выше частоты усиливаемого сигнала (это рассматривается в дальнейшем). Высокий к.п.д. усилителя связан с его малым нагреванием, как и для компьютера.

Линейность (linearity)

Чем выше линейность, тем меньше искажения ( см.рис.7 справа). Линейность обеспечивается при небольшой амплитуде сигнала, по мере ее роста достигается край линейной области, после чего начинается срезание сигнала (clipping). В усилителе может быть предусмотрено автоматическое ограничение коэффициента усиления, предотвращающее выход в нелинейную область. Для улучшения линейности традиционно используется отрицательная обратная связь (см. рис.13) и другие средства.

Шум (noise)

При отсутствии сигнала на входе, на выходе усилителя обычно имеется некоторый сигнал шума, вызванный внутренними шумами транзисторов, пульсацией питающего напряжения, недостаточной фильтрацией в импульсных усилителях и т.д.

Выходной динамический диапазон (output dynamic range)

Задается в dB как отношение максимального полезного сигнала на выходе к минимальному, максимальный ограничивается искажениями, а минимальный – шумом.

DR(dB) = 10 log (S + N ) /N где: DR – динамический диапазон

S – мощность максимального неискаженного сигнала на выходе; N – максимальная мощность шума на выходе.

2. Логические ячейки NOR и NAND

См. Билет 4