Файл: Медников, В. А. Высоковольтные модулированные униполярные генераторы.pdf

так как максимальное значение U[ не может превышать Е„, то U[max может достигать величины Е„, в этом случае

С учетом к. п. д. транзисторов, выпрямителя, фильтра и потерь на переключение имеем

Т] — Т]м7]твф7]пер — ^С ^твф ^пср-

Выходное напряжение управляется амплитудой возбуждающих колебаний, поэтому зависимость K=f (U y) линейная. Для отно­ сительной мощности потерь в управляющем элементе

максимальное значение о получаем при К = 0,5

0,25 ~

ашах — /)Твф^пер

На рис. 2.5 эта зависимость представлена кривой ж. .

Такие результаты весьма близки к результатам, полученным в первом параграфе, поэтому, имея в виду, что специальный регуля­ тор отсутствует, получаем повышение экономичности устройства на величину rin.

§ 5. МОДУЛЯЦИЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ШИРИНЫ ВОЗБУЖДАЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ (рис. 2.8).

Применение управляющего напряжения прямоугольной формы (широтно-импульсной модуляции — ШИМ) позволяет обеспечить эффективную работу транзисторов мощного каскада при активной и реактивной нагрузках с минимальной мощностью потерь, так как ■они работают в наиболее энергетически выгодных областях отсеч­ ки и насыщения [32].

Определим, как и в предыдущих случаях, к. п. д. способа моду­ ляции

_Рп_ _1_

Ч" ~ Ро Tin •

Пользуясь диаграммой напряжений (рис. 2.8 б, в), нетрудно на­ писать для Рн

ч

Рн = ~jr ^ IsmSLxdt =

51

-о

Рис. 2.8. Транзисторный инвертор ШИМ и диаграммы

тогда

Чм = Ё7

62

Чаще всего транзисторы работают в режиме насыщения, а напря­ жения на них определяются

к. п. д. собственно широтно-импульсного модулятора постоянен, не зависит от К и близок к единице (рис. 2.2, кривая «и»).

Однако потери, неизбежно возникающие при переключении транзисторов, а также во время отсечки тока коллектора за счет неуправляемого обратного тока, останутся, и их необходимо учесть и проанализировать. Поэтому для получения полной картины за­ висимости i\ = f(K) необходимо определить т]п. Для этого рассмот­ рим форму напряжения на нагрузке (рис. 2.8) и Цп может быть определен выражением

Рн

"ПпРн+ Ру

Потери в области отсечки двухтактного усилителя мощности

Для потерь в области насыщения выходного каскада получаем

1 К н

Потери при переключении

Мощность в нагрузке определится как

Тогда, учитывая (2—38), (2—39), (2—40), (2—41), (2—42) для к. п. д.

получаем

4п = Рн +РУ

2 (х 1 + Т2 + т :з )+ 2 (7 " — XI — Т2 — "Сз) /чко+ 2 t 2 ^ ' СЭН-

(2-43)

53

Анализ зависимости (2—46) показывает, что yj останется довольно

высоким на протяжении значительной части изменения К, что весь­ ма существенно.

Определим в этом случае выражение для а

54

Отсюда следует, что потери в транзисторах с увеличением К растут пропорционально выходному напряжению и достигают мак­ симального значения при К — 1.

Ру/К =1 = 'J'l' 1-----г Рнтах-

Рациональным выбором транзисторов и режима их работы ве­

V Ч,»’ + Н г + *»)’

U вых — Р /вхТ(твф‘Ио .

Максимальное значение и Вых достигается минимальной индук­ тивностью дросселя (Тттрттп). Следовательно, для регулировочной характеристики определяем

Описанный способ не обладает хорошей регулировочной харак­ теристикой. При небольших изменениях К необходимо значительно' менять индуктивность дросселя Lap. При нормальной работе Дрос­ селя насыщения амплитуда токов в его рабочей обмотке должна быть значительно меньше тока насыщения сердечника. Выполне­ ние этого условия приводит к необходимости увеличивать индук­ тивность дросселя, поэтому габариты и вес его значительно пре­ вышают аналогичные параметры высоковольтного трансформато­ ра. Кратность изменения индуктивности дросселя невысока, что делает глубину модуляции высокого напряжения неудовлетвори­ тельной. На повышенных частотах велики потери на вихревые токи

55

и гистерезис в магнитопроводе дросселя. К тому же дроссель должен выполняться на полную мощность нагрузки, а это увеличивает вес и габариты устройства в целом. Транзисторы выходного каскада не могут быть достаточно эффективно использованы из-за паразит­ ных параметров дросселя насыщения. Кроме того, большая индук­ тивность обмотки управления дросселя не позволяет осуществлять модуляцию широким спектром частот. Однако, если больших из­ менений К не требуется, схема экономически выгоднее первого спо ­ соба, так как в процессе регулирования участвует реактивное сопротивление дросселя, и можно подушить усиление моду­ лирующего сигнала по току благодаря подмагничивающей об­

мотке.

Сравнивая различные способы модуляции,, можно легко за­ метить, что в энергетическом отношении целесообразнее применить широтно-импульсный способ модуляции, так как он дает возмож­ ность управлять большой мощностью, поступающей в нагрузку при малых потерях в цепях управления. Это играет огромную роль, так как для охлаждения управляющего элемента необходимо ста­ вить дополнительные устройства (радиаторы, принудительные сис­ темы охлаждения, мощные теплоотводы), что связано с конструк­ тивными трудностями, а иногда и невозможностью применения данного устройства из-за увеличения его габаритов, веса, энерго­ емкости, вследствие бесполезной затраты энергии в управляющем элементе в процессе регулирования. В случае применения ШИМ небольшие потери в мощном каскаде преобразователя дают воз­ можность иногда вообще отказаться от радиаторов, что сущест­ венно облегчает конструкцию и уменьшает ее габариты [33].

При работе в схеме с ШИМ выходной каскад работает с боль­ шим коэффициентом использования транзисторов как по мощнос­ ти, так по току и напряжению, что в свою очередь облегчает выбор транзисторов силового каскада [31]. Этому способу модуляции больше всего подходит метод получения высокого напряжения пу­ тем выпрямления высоковольтного напряжения прямоугольной формы с последующим умножением.

Отметим, что схема с дросселем насыщения также может быть успешно применена при условии, если не требуется больших вариа­ ций выходных параметров. Схема выходного каскада для ШИМ может быть собрана и на других активных элементах (например, на тиристорах), при этом сохраняются ее основные преимущества.

§ 7. СХЕМА ЛАМПОВОГО МОДУЛИРОВАННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Схема модулированного генератора высокого напряжения, поз­ воляющего воспроизводить модулирующий сигнал со спектром 0-Ч-5 кгц в динамическом диапазоне 0,5-1-50 кв с максимальной мощностью нагрузки 50 вт, представлена на рис. 2.9 [28].

56