Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

§ 1 1 . Транзисторные силовые ключи с активно-индуктивной нагрузкой

Очень часто в схемах судовой автоматики нагрузкой мощных транзисторных ключей являются обмотки раз­ личных электромеханических устройств (реле, контакто­ ров, электродвигателей и т. д.). Кроме активного сопро­ тивления такая нагрузка содержит значительную индук­ тивность (рис. 66). Работа транзисторного ключа на ак­ тивно-индуктивную нагрузку обладает рядом особенно­ стей, которые нужно учитывать при проектировании и эксплуатации транзисторных схем.

Если нагрузка транзистора содержит индуктивность, то при отпирании транзистора импульсом базового тока

управляющего импульса, транзистор выключается и пе­ реходит в закрытое состояние (рис. 66, в). Протекание тока через транзистор при этом должно мгновенно пре­ кратиться. Однако, в соответствии с первым законом коммутации, ток индуктивной нагрузки мгновенно изме­ ниться не может.

-£/„ Vn

Рис. 66. Транзисторный ключ с активно-индуктивной нагрузкой:

а — схема ключа; б — контактная схема коммутации активно-индук­ тивной нагрузки; в — временная диаграмма базового тока; г — вре­

менная диаграмма коллекторного тока; д — временная диаграмма напряжения на нагрузке; е — вре­ менная диаграмма напряжения на транзисторе

170

Практически это означает, что ток, уменьшаясь по ве­ личине, будет некоторое время протекать через закры­ тый транзистор, пока не спадет до нуля (рис. 66, г). Од­ нако протекание сколько-нибудь существенного тока че­ рез закрытый транзистор возможно только при пробое транзистора. Этот пробой возникает в результате значи­ тельного повышения напряжения между коллектором и эмиттером транзистора из-за того, что к напряжению источника коллекторного питания добавляется ЭДС са­ моиндукции, возникающая в индуктивности при спаде тока.

Описанное явление аналогично тому, которое наблю­ дается при размыкании механического ключа в электри­ ческих цепях, содержащих индуктивность (рис. 66, б). В этом случае при большом значении докоммутационного тока возникает значительная ЭДС самоиндукции, приво­ дящая к дуговому пробою воздушного промежутка раз­ мыкающегося контакта. Нормальная работа такого клю­ ча возможна при наличии так называемых дугогасящих цепей, препятствующих резкому сбросу тока в индуктив­ ности и, соответственно, развитию значительной ЭДС са­ моиндукции.

Такие же меры приходится применять в схеме тран­ зисторного ключа с индуктивной нагрузкой в целях за­ щиты транзистора от пробоя.

Анализ работы транзисторного ключа с активно-ин­ дуктивной нагрузкой производится графически с исполь­ зованием выходных характеристик трансформатора и ли­ нии нагрузки. Для случая активно-индуктивной нагрузки уравнение цепи нагрузки имеет вид:

Выключение транзистора приводит к резкому спада-

di

нию тока нагрузки, при этом производная тока — име- dt

ет отрицательный знак и весьма значительна по величи­ не. Вследствие этого ЭДС самоиндукции совпадает по направлению с напряжением источника питания (скла­ дывается с этим напряжением) и, как правило, бывает достаточной для необратимого пробоя транзистора.

171

В установившемся открытом или закрытом со­ стоянии транзистора, когда не происходит изменения то-

di

ка нагрузки, величина — равна нулю и линия нагруз- dt

ки совпадает с линией нагрузки для активного сопротив­ ления R.

Графическая иллюстрация пробоя транзистора при выключении приводится на рис. 67. Состоянию отсечки соответствует кривая I, состоянию насыщения — кривая II. Прямая III есть линия нагрузки, соответствующая ак­ тивному сопротивлению нагрузки.

Рассмотрим полностью характер переходных процес­ сов в транзисторе, полагая, что как длительность верши­ ны управляющего импульса, так и длительность пауз между импульсами превышают полное время переходно­ го процесса в коллекторной цепи. В качестве исходной рабочей точки выбирается точка 1, соответствующая ре­ жиму отсечки. В этом режиме выходная характеристика транзистора изображается кривой I.

При включении транзистора в цепи базы протекает ток, и характеристика транзистора соответствует кривой

II.Рабочая точка транзистора в этот момент переходит

вточку 3, поскольку ток нагрузки в начальный момент включения транзистора остается равным току отсечки. Далее ток нагрузки экспоненциально увеличивается в со­ ответствии с уравнением (159) и по прошествии доста­ точно длительного времени достигает предельного зна­

чения, соответствующего точке 2.

При окончании отпирающего импульса транзистор переходит в закрытое состояние и его выходная характе­ ристика вновь соответствует кривой I. Поскольку ток, протекавший в нагрузке непосредственно до выключения транзистора, мгновенно уменьшиться не может, рабочая точка транзистора переходит в точку 4 и далее постепен­ но перемещается в точку 1. К моменту времени /г (см. рис. 66, г) ток нагрузки спадает до тока отсечки, и процесс выключения заканчивается.

Таким образом, рабочая точка транзистора в процес­ се его выключения под действием ЭДС самоиндукции не­ избежно переходит в область пробоя, что сопровождает­ ся выделением в транзисторе значительной тепловой энергии, могущей вызвать его разрушение.

172

Рис. 67. Положение рабочей течки транзистора с активно-индуктив­ ной нагрузкой в различных этапах процесса переключения

Избежать пробоя путем выбора транзистора с высо­

ким допустимым напряжением принципиально невоз­ можно, ПОСКОЛЬКУ НеЗаВИСИМО ОТ ВеЛИЧИНЫ U K. 3. макс, доп

(первый закон коммутации) всегда будет вырабатывать­ ся ЭДС самоиндукции, необходимая для поддержания

тока нагрузки постоянным в момент коммутации, то есть произойдет пробой транзистора.

Для защиты транзистора от пробоя в схему ключа необходимо вводить элементы, обеспечивающие при вы­ ключении транзистора разряд энергии, накопленной в ин­ дуктивности нагрузки. При этом выключение транзисто­ ра не будет сопровождаться возникновением значитель­ ной ЭДС самоиндукции. Обычно в качестве разрядной цепи используют диод, включаемый параллельно нагруз­ ке в направлении, встречном полярности источника пита­ ния (рис. 68, а). Графики электрических процессов в та­ кой схеме показаны на рис. 68, б—ж. Ток выключения нагрузки спадает по экспоненциальному закону:

_ t_

где / выкл — ток, протекающий в нагрузке в момент вы­ ключения транзистора;

т — постоянная времени цепи нагрузки.

173

В реальных ключевых схемах с индуктивной нагруз­ кой время паузы импульса значительно меньше полного времени переходного процесса в нагрузке, и поэтому ток в нагрузке за время паузы импульсного сигнала не успе­ вает значительно уменьшиться и имеет к моменту вклю­ чения транзистора некоторое ненулевое значение.

Если выполняется условие Т т, ток в нагрузке мож­ но считать практически постоянным.

Среднее значение тока нагрузки, как и в случае чисто

Форма тока, протекающего в транзисторе, показана на рис. 68, г. Максимальной величина среднего тока

174

транзистора бывает при к 3 —1. Она составляет

Во время пауз сигнала на входе ток нагрузки замы­ кается через диод. Форма тока, протекающего через шунтирующий диод, показана на рис. 68, д. Средний ток, протекающий через диод, можно найти из уравнения:

дуктивности при выключении транзистора, шунтируется диодом, то, пренебрегая величиной падения напряжения на шунтирующем диоде, можно максимальное напряже­ ние, падающее на выключенном транзисторе, считать равным напряжению питания, то есть UK.э. макс ~ Un.

В схеме с шунтирующим диодом полностью сохраня­ ются все преимущества ключевого режима работы тран­ зистора, в частности высокий КПД каскада.

Однако применение ключевой схемы с шунтирующим диодом возможно только в тех случаях, когда напряже­ ние питания схемы не превышает предельно допустимо­ го напряжения транзистора.

Для того чтобы с помощью сравнительно низковольт­ ного транзисторного ключа можно было осуществлять импульсное регулирование тока высоковольтной нагруз­ ки, необходимо коммутировать этим ключом не всю на­ грузку в целом, а только небольшое сопротивление, включаемое последовательно с нагрузкой, производя в импульсном режиме поочередное включение и выключе­ ние этого сопротивления в цепи нагрузки (рис. 69, а). Величина сопротивления этого резистора выбирается такой, чтобы падение напряжения на нем под действием тока нагрузки не превышало предельного напряжения ключевого транзистора [8].

Для уменьшения тока нагрузки в эту схему вводится также последовательно с нагрузкой дополнительное со­ противление.

Нетрудно убедиться, что наибольшее напряжение на транзисторе схемы получается в момент его запирания

175

6

LH

* 1

Недостатком такой схемы коммутации является огра­ ниченный диапазон регулирования тока в нагрузке, а также дополнительные потери мощности в резисторах

/?д и R2.

Наиболее перспективным применение этой схемы коммутации нагрузки представляется в схемах стабили­ зации напряжения генераторов постоянного тока, где не требуется широкого диапазона регулирования тока воз­ буждения, а потери в схеме регулятора получаются весь­ ма незначительными по сравнению с мощностью генера­ тора.

Максимальное напряжение на транзисторе в схеме рис. 69, а получается в момент выключения транзистора, если через него протекает максимальный ток нагрузки:

176

и к. э.макс = / и. „акс • # 2- Максимальный ток нагрузки оп-

ределяется:

Отсюда можно определить кратность регулирования то­ ка в нагрузке:

Пользуясь величиной кратности регулирования тока в нагрузке, можно максимальное напряжение на транзи­ сторе определять как:

Таким образом, максимальное напряжение на тран­ зисторе не зависит от тока нагрузки, а определяется только напряжением питания схемы и кратностью регу­ лирования тока в нагрузке. Нетрудно заметить, что при малых кратностях тока нагрузки (порядка 1,2— 1,3) максимальное напряжение на транзисторе составляет лишь 20—30% напряжения питания, что позволяет из­ бегать необходимости последовательного соединения транзисторов в ключевой схеме, обеспечивающей им­ пульсное регулирование.

Графики электрических процессов в схеме, изобра­ женной на рис. 69, а, показаны на рис. 69, б—д. В мо­ мент выключения транзистора напряжение на нем имеет наибольшее значение и равно произведению тока выклю­ чения на сопротивление резистора Яг- Затем ток начина­ ет уменьшаться и в соответствии с этим уменьшается напряжение на закрытом транзисторе.

177