Факторы, определяющие КПД реального ключевого усилителя

КПД ключевого усилителя теоретически равен 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. 5.78. 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. 5.78. 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_ости 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

Рис. 5.79. Схема двухтактного (реверсивного) усилителя с ШИМ

При построении ключевых усилителей в качестве управляемых могут быть использованы все современные элементы: биполярные и полевые транзисторы, тиристоры. На рис. 5.79 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 (см. рис. 5.80), в которых в каждый момент времени в цепь источника питания включены последовательно два ключевых элемента.

а б

Рис. 5.80. Схема мостового ключевого усилителя:
а – формирование положительного напряжения на нагрузке;
б – формирование отрицательного напряжения на нагрузке

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные характеристики усилителя мощности.

2. Назовите способы повышения КПД линейных усилителей.

3. Составьте схему двухтактного повторителя на комплементарных полевых МДП-транзисторах.

4. Назовите ключевые усилители мощности: их достоинства и недостатки.