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*нм (Кн). 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:
Розанов Ю.К. Основы силовой электроники/ Ю.К. Розанов. - М.: Энергоатомиздат, 1992.-296 с.
- Волощенко, Ю.И. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И. Волощенко. - М.: МАИ, 1993. – 416 с.
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.
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.
