Библиографическое описание:

Дягилев В. И., Набоков С. А., Александров Е. С., Дмитриева И. С. Выбор параметров генератора синусоидального высокочастотного напряжения // Молодой ученый. — 2011. — №6. Т.1. — С. 45-48.

Представлены результаты математического моделирования высокочастотного генератора на транзисторах с использованием резонансного колебательного контура. Приведены расчетные зависимости – временные и параметрические, которые могут быть использованы при расчете такого рода схем.

В современных промышленных технологиях и научных исследованиях широко применяются высокочастотные генераторы различных по виду напряжений. Это и прямоугольные однополярные и биполярные импульсы тока с переменной скважностью и синусоидальные напряжения высокой частоты, и модулированные синусоиды сверхнизкой частоты.

Способы получения такого рода напряжений известны [1]. В настоящее время это однотактные и двухтактные транзисторные преобразователи, работающие в ключевом режиме, благодаря чему их к.п.д. может достигать значения 0.9 – 0.95. Для получения синусоидальных напряжений из прямоугольных, применяется индуктивно-емкостный фильтр для выделения первой гармоники. При этом может возникнуть еще один эффект. При рассогласовании волнового сопротивления контура фильтра и сопротивлении нагрузки напряжения на ней может быть значительно большим или меньшим входного. Естественно, что реактивности фильтра, накапливая энергию от источника через коммутирующие ключи (транзисторы) создают в них большие токи и подвергаются воздействию перенапряжений. Так возникает необходимость учета параметров схемы такого рода генераторов в разных режимах его работы.

Рассмотрим схему мостового транзисторного преобразователя постоянного напряжения в переменное прямоугольное (рис.1). Здесь при попарно перекрестном включение и выключение транзисторов М1-М4 и М2-М3 по нагрузке R протекает переменный ток. Если использовать L1, C1 фильтр, то в нагрузке будет выделяться первая гармоника тока при соблюдении условия резонанса в этом колебательном контуре [2].

Рис.1. Схема мостового транзисторного преобразователя

В [3] приведены расчетные выражения для нахождения параметров R, L, C контура в зависимости от заданных значений нагрузки R и частоты входного напряжения F. С =( 1 / 2πFR ) = tи / πR (1); L = 1 / 4π2F2C = tи / π2C (2); где F = (1/ T) = (1/2tи ),а tи – длительность протекания импульса тока нагрузки.

На рис.2а приведены графики зависимостей С( F,R ), на рис.2б L( F,R ). По этим номограммам удобно быстро определять величины C и L для заданных нагрузки и частоты.

Рис.2а. С( F,R )

Рис.2б. L( F,R )

В дальнейшем, во избежание сложных аналитических расчетов, все процессы в схеме были исследованы с помощью ЭВМ. Для этого в модели было задано 8 значений сопротивления нагрузки RRES (от 20 до 400 Ом). В качестве коммутирующих ключей используются мощные полевые транзисторы IRFP460. В таком, довольно большом интервале изменения нагрузки происходят различные по величине и характеру изменения токов, напряжений и мощностей в элементах схемы.

На рис.3 представлены временные зависимости напряжения на нагрузке (а), на транзисторе М1(б), тока транзистора (в). Обращает на себя внимание то, что в кривых тока и напряжения на транзисторе кроме гладкой составляющей с частотой колебательного контура, имеются импульсные всплески. Они обусловлены наличием паразитных емкостей и индуктивностей схемы.

Рис.3а. Временные зависимости напряжения на нагрузке

Рис.3б. Временные зависимости напряжения на транзисторе М1

Рис.3в. Временные зависимости тока транзистора

На рис.4 приведены параметрические зависимости напряжения на нагрузке.

Max(V(R:1,R:2))

Рис.4. Зависимость напряжения на нагрузке от ее сопротивления

Для оценки энергетических характеристик необходимо определить средние значения мощностей в нагрузке и в источнике питания. На рис. 5 приведены параметрические зависимости средних значений мощностей Рн.ср.(Rн) и Рист.ср.(Rн). Видно, что Рн.ср.> Р ист.ср. Этот факт можно объяснить двумя причинами. Во-первых, в модели схемы почти отсутствуют потери, а во-вторых, в реактивных сопротивлениях резонансного колебательного контура накапливается большая энергия, которая расходуется не только в нагрузке, но и на виртуальном источнике питания. Это видно при рассмотрении временной диаграммы Pист(t), представленной на рис.6. Из рассмотрения рис.7 видно, что потери в транзисторе весьма невелики.

Рис.5. Средние значения мощности в нагрузке (а) и потребляемой (б)

Рис.6. Временные зависимости мощностей потребляемых от источника питания

Рис.7. Средние мощности потерь в одном из 4-х транзисторов

Используя эти данные можно получать напряжения, токи и мощности для конкретных случаев, когда заданы напряжение питания, мощность, сопротивление нагрузки и частота тока в ней. После определения всех необходимых параметров схемы необходимо составить ее модель, чтобы убедиться в правильности этого выбора. Для выбора транзисторов, естественно, нужно учитывать импульсные всплески токов и напряжений на них, пользуясь рекомендациями, данными, например в [4].

Универсальность такому способу расчета сложной схемы может придать использование метода применения относительных единиц (о.е.). Например, функция Uн(Rи) для конкретных значений амплитуды напряжения на нагрузке от ее сопротивления заменяется зависимостью U*нмн). Здесь, Кн = Rи / Zb - коэффициент нагрузки (о.е.), Zb = L/C - волновое сопротивление (Ом), U*нм = Uн / Uпит - относительное напряжение на нагрузке (о.е.). таким же образом можно получить значения токов и мощностей в относительных единицах.

Для проверки полученных результатов был изготовлен макет высокочастотного транзисторного генератора. Сходимость результатов проверки не менее 10%.


Литература:

  1. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники/ Ю.К. Розанов. - М.: Энергоатомиздат, 1992.-296 с.

  2. Волощенко, Ю.И. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И. Волощенко. - М.: МАИ, 1993. – 416 с.
  3. Дягилев В.И., Дорошенко А.К. и др. Моделирование фильтров для получения синусоидального напряжения: Сборник докладов 4 Международной научно-практической конференции / В.И. Дягилев, А.К. Дорошенко. – Протвино: 2011.-722 с.

  4. Бачурин В.В., Дьяконов В.П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / В.В. Бачурин, В.П. Дьяконов. – М.: Радио и связь, 1994.-280 с.

Основные термины: зависимости напряжения, Временные зависимости напряжения, Выбор параметров, Выбор параметров силовой, колебательного контура, резонансного колебательного контура, параметров силовой установки, синусоидального высокочастотного напряжения, сопротивлении нагрузки напряжения, временные зависимости напряжения, параметров схемы, мостового транзисторного преобразователя, беспилотного летательного аппарата, частоты входного напряжения, летательного аппарата одноразового, напряжения высокой частоты, преобразователя постоянного напряжения, Выбор параметров генератора, аппарата одноразового применения, значений амплитуды напряжения

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle