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 не пригодны.

Низкое значение КПД линейных усилителей объясняется значительными потерями мощности на управляющих элементах, которые определяются очевидным соотношением

.

Поскольку ток i_уэ, протекающий через управляющий элемент, равен току нагрузки, то он не может быть равным нулю. Следовательно, единственной возможностью уменьшать потери мощности на управляющем элементе - это уменьшить падение 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 (U_уэ) равно разности напряжений источника питания (Е_ип) и нагрузки (U_н), то есть .

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 Е_ип=const, а U_н(t)=rar, 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, то есть ключевом режиме. В результате приходим к схеме усилителя, изображенной на рис. 5.55 а. Здесь ключевой усилитель представлен набором источников питания Е₁¸Е_N, которые с помощью электронных ключей подключаются к зажимам 1-1 источника питания линейного усилителя в определенной последовательности так, чтобы обеспечить минимум заштрихованной площади (рис. 5.55 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 ограниченна длительностью переходного процесса переключения ключей.

Рис. 5.56. Ключевой усилитель с ШИМ-модуляцией

а) б) Рис. 5.55. Схема ключевого усилителя со следящим питанием (а), временная диаграмма напряжения (б)

Вариант построения усилителя по условию реализуется путем подключения нагрузки непосредственно к источнику питания постоянного напряжения с помощью ключа (рис. 5.56).

Рис. 5.57. Принцип ШИМ-модуляции

В этом случае управление энергией сигнала в нагрузке возможно за счет изменения длительности замкнутого состояния ключа.

Действительно, при чисто активной нагрузке R_н средняя 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

Dt=f(U_c).

Такое преобразование называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), пример которой приведен на рис. 5.57. Сигнал в нагрузке будет повторять по форме импульсы управления. Если кроме задачи управления средней мощностью сигнала в нагрузке от усилителя требуется еще и воспроизведение формы входного сигнала, то выходной сигнал с широтно-импульсной модуляцией должен быть подвергнут демодуляции. На рис. 5.58 а,б,в изображены соответственно спектр немодулированной последовательности импульсов управления, спектр некоторого сигнала с максимальной частотой w₀ и спектр модулированных по ширине этим сигналом импульсов управления. Очевидно, что сигнал в нагрузке по форме, а следовательно, и по спектру будет повторять сигнал управления. Из рис.5.58в хорошо видно, что в спектре выходного сигнала ключевого усилителя с ШИМ-модуляцией спектр входного сигнала присутствует в чистом виде, что позволяет выделить его путем простой фильтрации, то есть путем подавления всех частот выше w_с. Следует подчеркнуть, что указанная на рис. 5.58 структура спектра имеет место лишь при выполнении очевидного условия

Рис. 5.58. Спектр ШИМ-модулированного сигнала (в)

w₁>>w_с,

из которого по заданной максимальной частоте сигнала w_{с max} и должна выбираться требуемая для неискаженной передачи формы сигнала тактовая частота коммутации w₁. Для того, чтобы фильтрация не приводила к потере КПД, необходимо, чтобы от источника питания ток фильтруемых высших гармоник не потреблялся.

Рис. 5.59. Структурная схема усилителя с ШИМ-модуляцией

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-модуляцией должна содержать элементы, изображенные на рис. 5.59.

а)     б)     в) Рис. 5.60. Варианты ключевого усилителя с ШИМ-модуляцией: а) без инверсии напряжения; б) с инверсией напряжения; в) с усилением по напряжению

По способу включения индуктивного элемента фильтра различают три варианта каскада ключевого усилителя (рис. 5.60 а, б, в). Управляемый элемент на рисунках условно изображен в виде ключа.

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.5.60,б постоянное напряжение в нагрузке имеет полярность, противоположную полярности источника питания.

Факторы, определяющие КПД реального ключевого усилителя

КПД ключевого усилителя теоретически равно 100% при идеальном ключевом элементе, для которого справедливо соотношение

,

где U_уэ, i_уэ, Р_уэ - 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. 5.61. 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 U_ост и остаточного тока через разомкнутый ключ i_ост. Мощность, рассеиваемая на ключевом элементе, определяется очевидным соотношением

.

Реальное значение КПД ключевого усилителя определяется равенством

Рис. 5.61. Временные диаграммы при коммутации реального ключа

и целиком зависит от значения Р_уэ.

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_å /Т. Очевидно, что динамические потери растут по мере роста опорной частоты модуляции w=1/Т. Это ограничивает возможность применения ключевых усилителей для усиления высокочастотных сигналов. Статические потери определяются остаточными параметрами U_ост и i_ост 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

При построении ключевых усилителей в качестве управляемых могут быть использованы все современные элементы: биполярные и полевые транзисторы, тиристоры.

Рис. 5.62. Схема двухтактного (реверсивного) усилителя с ШИМ-модуляцией

На рис. 5.62 изображена простейшая реверсивная схема ключевого усилителя. В режиме покоя импульсы управляющего напряжения строго симметричны - в их спектре отсутствует постоянная (или низкочастотная) составляющая, а высокочастотные составляющие подавляются фильтром L_ф, С_ф. В результате напряжение в нагрузке равно нулю. При передаче положительной или отрицательной полярности сигнала увеличивается длительность соответственно положительных или отрицательных импульсов управления, в спектре которых появляются составляющие с частотой сигнала, которые фильтром не подавляются и поступают в нагрузку.

Наибольшее распространение в системах автоматики получили мостовые схемы ключевых усилителей (рис. 5.63), в которых в каждый момент времени в цепь источника питания включены последовательно два ключевых элемента.

а) б)   Рис. 5.63. Схема мостового ключевого усилителя: а) формирование положительного напряжения на нагрузке; б) формирование отрицательного напряжения на нагрузке