Импульсные усилители мощности.

Практическое использование управляемых ключей может осуществляться двумя различными способами. При первом используют информацию о том, включен или выключен ключ в данный момент времени. Это направление легло в основу построения цифровых устройств. Во втором интересуются мощностью, выделяющейся в нагрузке при переключении ключа, Изменяя время включенного состояния которого можно этой можно этой мощностью управлять.

Это свойство транзисторных ключей положено в основу разработки класса устройств, называемых импульсными усилителями мощности.

6.2.1 Регулирование мощности в нагрузке.Рассмотрим более подробно вопросы, возникающие при разработке данного класса устройств. Для этого обратимся к последовательному ключу, показанному на рис.6.1.а). При периодическом включении и выключении ключа на сопротивлении нагрузки формируется последовательность прямоугольных импульсов, амплитуда которых равна напряжению питания (рис.6.5.а). Для простоты будем полагать, что нагрузка имеет чисто активный характер ( ). Мощность, выделяющаяся в нагрузке равна:

, (6.7)

где: - действующее напряжение нагрузки. Его величина равна:

,

где: - коэффициент заполнения импульсов.

С учетом полученного значения окончательно будем иметь

. (6.8)

Таким образом, при изменении коэффициента заполнения ( ) от 0 до единицы мощность, выделяющаяся в нагрузке линейно возрастает от нуля до своего максимального значения (рис.6.5.б).

Рис.6.5. Временные диаграммы изменения напряжения на нагрузке а) и регулировочная характеристика импульсного усилителя б).

6.2.2. Режимы регулирования мощности.Как наиболее типичный рассмотрим процесс регулирования мощности в RL нагрузке. При этом будем полагать, что за время действия одного импульса, ток нагрузки изменяется незначительно, то есть постоянная времени нагрузки много больше периода повторения импульсов ( ). В этом случае существует три основных метода регулирования электрической мощности в нагрузке.

Первый импульсный режим. В этом режиме на нагрузке формируется последовательность однополярных прямоугольных импульсов с амплитудой регулируемой длины. Этот режим используется для регулирования мощности в нереверсируемых нагрузках, так как создает ток неизменного направления. Он, например, может обеспечить регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока в неизменном направлении.

Рис.6.6. Временные диаграммы изменения напряжения и тока нагрузки в первом импульсном режиме.

Средний ток нагрузки, с учетом возможной противоЭДС ( )определяется выражением:

(6.9)

Второй импульсный режимобеспечивает формирование на нагрузке последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой чередующейся полярности (рис.6.7.). Этот режим используется для регулирования мощности в реверсивной нагрузке. Он, например, может обеспечить регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока в различных направлениях.

Зависимость среднего тока нагрузки от изменения коэффициента заполнения имеет вид:

(6.10)

Очевидно, что при средний ток нагрузки отрицателен, а при - средний ток нагрузки положителен. При ток нагрузки равен нулю.

Рис.6.7. Временные диаграммы изменения напряжения и тока нагрузки во втором импульсном режиме.

Третий импульсный режимхарактеризуется формированием на нагрузке последовательности импульсов противоположной полярности и равной длительности, причем между импульсами существует интервал, на котором напряжение нагрузки равно нулю (рис.6.8).

Рис.6.8. Временные диаграммы изменения напряжения нагрузки в третьем импульсном режиме.

При такой форме напряжения средний ток нагрузки равен нулю ( ) и при изменении выполняется регулирование мощности переменного напряжения. Разлогая это напряжение в ряд, получим выражение для амплитуды первой гармоники напряжения, частота которой совпадает с частотой переключения ключей:

, (6.11)

где: