ционально повышать стабильность выходного тока ДПР путем применения ПК, обладающих малым входным сопротивлением.

Опыт проектирования ВД показывает, что стойкость полупроводниковых ключей к воздействиям внешних факторов можно повысить путем создания достаточного запаса по управляющему току, повышением стабильности их коэффициентов передачи и рядом других приемов. Задача повышения стойкости ПК наиболее успешно решается при обеспечении пропорционально-токового управления ими, когда входной ток ключа автоматически изменяется в соответствии с изменением его выходного тока. Изменение входного тока производится таким образом, чтобы все транзисторы ПК всегда были насыщены.

Рассмотрим конструктивные особенности и свойства основных типов полупроводниковых ключей современных ВД.

В тех случаях, когда ДПР способен выработать сравнительно мощные сигналы (с током в десятки и сотни, миллиампер), имеющие высокую крутизну фронтов, а коммутируемые токи в секциях ВД сравнительно небольшие (0,5-1 А), ПК выполняются на основе одиночного транзистора [9]. Коммутаторы с такими ПК характеризуются наибольшей простотой и надежностью. Однако большие трудности в создании экономичных и простых по конструкции ДПР, способных вырабатывать значительные выходные токи, ограничивают минимальную мощность ВД единицами -десятками ватт. Меньшая мощность соответствует низким напряжениям питания ВД (6-27 В), а большая- сравнительно высоким (60-300 В). Для обеспечения отсечки ПК в периоды пауз между однополярными импульсами ДПР на его вход подается запирающее напряжение от запирающих устройств (на рис. 5.8, а это диод VD, резистор R и низковольтный источник напряжения и3). Если ДПР вырабатывает разнополярные импульсы, то необходимость в запирающих устройствах часто отпадает, так как здесь импульс ДПР одной полярности является отпирающим для ПК, а импульс другой полярности- запирающим. При применении в ПК современных кремниевых транзисторов их запертое состояние может обеспечиваться путем параллельного подключения базо-эмиттерными переходами транзисторов и резисторов (рис. 5.8, б) с сопротивлением, указанным в технических условиях на полупроводниковый прибор.

Если коммутируемые токи достигают большого значения (больше 1 А), то ПК выполняются на основе составных транзисторов одного или различных типов проводимости - на основе так называемых комплементарных транзисторов (рис 5.8, а, б). Применение в ПК комплементарных транзисторов позволяет обеспечить низкое входное сопротивление ключа, характерное для ПК на основе одиночных транзисторов, и, как следствие, уменьшить требуемое значение выходного напряжения и мощности ДПР. . . , .. ,.

В начале 80-х годов в ВД начали использовать магнито-транзисторные ключи (МТК), обеспечивающие пропорционально-токовое управление полупроводниковыми ключами. МТК /рис. 5.8, в) состоит из двух транзисторов VT1, VT2 и токового трансформатора Т с магнитосвязанными секционными обмотками в цепях баз и коллекторов. Эмиттеры транзисторов подключены к отрицательному зажиму источника питания. Средняя точка коллекторной обмотки трансформатора Т через на-

-01/

Рис. 5.8. Полупроводниковые ключи коммутаторов: а и б - с составным транзистором; в, г - магнитотранзистор-ные ключи

грузку (секцию якорной обмотки L) подключена к положительному зажиму источника питания. Для осуществления положительной обратной связи коллектор и база каждого транзистора МТК подключены к разноименным выводным концам коллекторных и базовых обмоток токового трансформатора.

При подаче напряжения питания на МТК в нем возникают автоколебания (резистор R и диод VD облегчают возбуждение автоколебаний). При этом на базовых и коллекторных обмотках токового трансформатора появляются прямоугольные напряжения, обеспечивающие переключение транзисторов VT1 и VT2 в противофазе. Так как напряжение на базовых обмотках МТК. равно сумме падений напряжений на базо-эмиттерном переходе открытого транзистора и диоде VD (всего около 1,5 В), то при обеспечении неравенства wK (реально Wc/wK = 4...5) на-

пряжение на коллекторной обмотке оказывается во много раз меньше напряжения питания (при напряжении питания 30 В - примерно в сто раз). Последнее обусловливает высокий КПД магнитотранзисторного ключа -до 98%. Высокий КПД магни-тотранзисторного ключа, способность коммутации больших токов и напряжений, значения которых определяются типом используемых транзисторов, простота устройства и возможность управления его работой при помощи постоянного Магнита - сигнального элемента ДПР (рис. 5.8, в) обеспечивают возможность создания мощных ВД, обладающих высокими энергетическими Показателями и высокой стойкостью к внешним воздействиям.

Управление МТК можно осуществлять также, воздействуя внешним магнитным полем иа магииточувствительиый элемент, подключенный параллельно всей первичной или вторичной обмотке трансформатора устройства или только части их [38, 39] (рис. 5.8, г). Таким элементом может быть дроссель Насыщения L, выполненный из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, нли магниторезистор. Для исключения влияния параметров дросселя иа Процессы во включенном МТК индуктивность ненасыщенного дросселя должна быть больше индуктивности обмотки, параллельно которой он подключен.

Рис. 5.9. Принципиальные схемы магиитотранзисториых ключей

Для уменьшения числа силовых транзисторов и амплитуды высокочастотных пульсаций напряжения на секциях якорной обмотки целесообразно, особенно при большой мощности ВД, выполнять МТК по составной схеме (рис. 5.9, а). Транзисторы VT1, VT2 совместно с токовым трансформатором Т образуют МТК, подобный показанному на рис. 5.8, в. МТК включен между базовым и коллекторным зажимами силового транзистора VT3, коллекторная цепь которого соединена с нагрузкой R (с секцией электрической машины). К базовому и эмиттериому зажимам силового транзистора VT3 подключен источник запирающего напряжения и3. Управляющим элементом МТК является постоянный магнит М.

Работа схемы состоит в следующем.

Пусть вначале управляющий магнит М удален от магнитопровода трансформатора Т. Тогда при подключении к схеме питающего напряжения МТК, собранный иа транзисторах VT1, VT2, возбуждается, что приводит к скачкообразному уменьшению сопротивления цепи, соединяющей базу транзистора VT3 с его коллектором, Нетрудно видеть, что транзистор VT3 совместно с

транзисторами VT1, VT2 МТК образуют составной транзисторный ключ. Как И в любом составном транзисторе, для обеспечения режима насыщения между коллектором силового транзистора и нагрузкой RH включается резистор R, сопротивление которого обычно составляет несколько процентов от сопротивления нагрузки. Включение резистора R, не изменяя КПД составного транзисторного ключа, позволяет значительно облегчить его тепловой режим, так как большая часть рассеиваемой мощности в этом случае выделяется за пределами полупроводниковой структуры.

Если управляющий магнит М приблизить к магнитопроводу трансформатора Т, то последний насыщается и происходит срыв колебаний в МТК. Сопротивления эмиттерио-коллекторных переходов транзисторов МТК резко возрастают, а ток, протекающий по базовому переходу транзистора VT3, уменьшается практически до нуля, что приводит к запиранию этого транзистора. Указанному способствует наличие источника запирающего напряжения з. Ток в нагрузке RH практически падает до нуля.

Процесс возбуждения МТК и срыв его колебаний происходят лавинообразно, что обусловливает релейиость работы описанной схемы.

Так как управляющие и коллекторные токи транзисторов VTJ, VT2 МТК пропорциональны току общей нагрузки, то схема составного МТК, так же как и обычного, обладает высоким КПД. Следует отметить, что в составном магнитотранзисторном ключе могут быть применены все схемы известных МТК.

Срыв и возбуждение колебаний в МТК можно осуществлять не только при помощи постоянного магнита, как рассмотрено выше, но и электрическим сигналом [40]. Схема такого устройства представлена на рис. 5.9, б. Основой ее является МТК, собранный по составной схеме (см. рис. 5.9, а). Электрический сигнал у, управляющий работой МТК, подается на вход дополнительного транзистора VT4. Эмиттер транзистора VT4 подсоединен к зажиму источника питания через дополнительный источник запирающего напряжения и%, а коллектор через диоды VD1, VD2 соединен с базами транзисторов VT1, VT2 МТК.

Если магнит М удален от магнитопровода трансформатора Т, а транзистор VT4 заперт сигналом, действующим на его входе, то при подключении к схеме питающего напряжения МТК возбуждается и обеспечивает насыщение исполнительного транзистора VT3. Напряжение прикладывается к нагрузке RH. При изменении полярности электрического сигнала на входе транзистора VT4 последний насыщается и шунтирует насыщенным переходом коллектор - эмиттер и диодами VD1, VD2 базо-эмит-терные переходы транзисторов МТК и исполнительного транзистора. Одновременно создается проводящий контур через открытые диоды VD1, VD2 для тока, обусловленного напряжением, действующим на обмотках трансформатора Т, который демпфирует колебания в МТК. Происходит нарушение режима автогенерации и выключение МТК. Падение напряжения на ба-Зо-эмиттерном переходе силового транзистора VT3 способствует этому процессу, а напряжение источника и3 обеспечивает режим отсечки транзисторов VT1, VT2, будучи приложенным к их входам через коллекторный переход транзистора VT4 и диоды VD1, VD2. При использовании в схеме рассматриваемого устройства кремниевых элементов наличие источника иъ необязательно.

При запирании транзистора VT4 напряжением иу МТК вновь лавинообразно возбуждается, если магнит М в это время достаточно удален от магнитопровода трансформатора Т. Сопротивление смещения /?См облегчает процесс возбуждения колебаний

Таким образом, введение в схему составных МТК дополнительно управляемого транзистора и диодов, соединенных с обмотками трансформатора Т, обеспечивает возможность управления МТК не только при помощи постоянного магнита, но и путем подачи соответствующих электрических сигналов. Это обстоятельство расширяет функциональные возможности МТК при использовании, например, в регулируемых широтно-импульсной модуляцией ВД.

Несмотря на отмеченные выше достоинства составных МТК, они имеют и недостаток - сравнительно большую мощность, выделяемую на коллектор-но-эмиттериом переходе силового исполнительного транзистора в режиме насыщения. Это обусловлено тем, что в составных МТК, так же как и в составных транзисторных ключах, падение напряжения между коллектором и эмиттером силового транзистора во включенном состоянии равно сумме падения напряжения между коллектором и эмиттером насыщенного управляющего транзистора и падения напряжения между базой и эмиттером силового транзистора. Для современных кремниевых транзисторов эта величина достигает 1,5-2 В.

Указанного недостатка лишена схема МТК, представленная иа рис. 5.9, в [41]. Устройство состоит из силового транзистора VT1 с нагрузкой R в цепи коллектора, МТК, подключенного параллельно коллекторно-эмиттерному переходу силового транзистора, управляющего постоянного магнита М и дополнительных транзисторов VT4, VT5. МТК собран иа транзисторах VT2, VT3, токовом трансформаторе Т с секционированными обмотками в цепях коллекторов и баз транзисторов и диоде VD.

Если магнит удален от магнитопровода трансформатора, то при подключении питающего напряжения МТК возбуждается, что приводит к поочередному насыщению в противофазе транзисторов VT2, VT3 и возникновению прямоугольных напряжений на обмотках трансформатора Т, При этом напряжение иа коллекторе выключенного транзистора МТК будет равно сумме напряжения на обмотке трансформатора Т, включенной между коллекторами транзисторов VT2, VT3, и напряжения иа коллекторно-эмиттерном переходе насыщенного в данный момент транзистора МТК. Это напряжение через одни из транзисторов (VT4 или VT5), открытый в данный момент напряжением на обмотке, включенной между коллекторами транзисторов VT2, VT3, подается на базо-эмиттерный переход силового транзистора VT1, насыщая его. По нагрузке R потечет ток /н, равный сумме токов Л и /г, протекающих соответственно через коллекторио-эмиттерные переходы силового транзистора VT1 и транзисторов VT2, VT3. Если параметры МТК выбраны правильно, то ток It всегда будет в 5-6 раз больше тока /2.

Известно, что токи в базо-эмиттериых переходах транзисторов VT2, VT3 МТК изменяются пропорционально току нагрузки. При этом будут изменяться по амплитуде и напряжения иа коллекторных обмотках трансформатора Г, увеличиваясь или уменьшаясь соответственно с увеличением или уменьшением тока нагрузки. По указанной причине пропорционально току нагрузки будет изменяться и ток в базе силового транзистора VT1.

Из рис. 5.9, в очевидно, что напряжение иа насыщенном переходе транзистора VT1 всегда будет равно напряжению между точками а и б схемы МТК. Это напряжение, в свою очередь, равно сумме напряжения иа насыщенном коллекторио-эмиттериом переходе транзистора МТК и половины напряжения на обмотке трансформатора Т МТК, включенной между коллекто-

рами его транзисторов VT2, VT3. Реально при использовании кремниевых транзисторов напряжение между точками а и б схемы МТК равно 0,4-0,7 В, что приблизительно в два раза меньше, чем у обычного кремниевого составного транзистора или у известных составных МТК.

Если магиит М приблизить к магиитопроводу трансформатора Т, то последний насыщается и происходит лавинообразный срыв колебаний в МТК. Напряжение иа его обмотках уменьшается до нуля, и все транзисторы устройства выключаются. Ток в нагрузке RH уменьшается при этом практически до нуля.

В табл. 5.1 приведены экспериментальные данные, снятые для устройства (рис. 5.9, в), в котором были использованы следующие элементы: транзистор VT1- КТ808А; транзисторы VT2, VT3 - КТ909Б; транзисторы VT4, VT5 - КТ313Б; диод VD - КД510А.

Таблица 5.1

Трансформатор Т выполнен на ферритовом магнитопроводе 2000НМК4 X 2,6 X 1- Общее число витков обмотки, подключенной к коллекторам транзисторов VT2, VT3, равно 8. Обмотка, подключенная к базам транзисторов VT2, VT3, имеет 30 витков.

Устройство испытывалось при четырех значениях тока нагрузки. Одновременно испытывалось устройство с составным МТК [42, 43] (рис. 5.9, а), собранным на тех же элементах, что и рассмотренный выше, и серийный составной транзисторный ключ КТ825Г.

В табл. 5.1 рассеиваемая мощность транзистора КТ825Г представлена без учета потерь в цепи управления, величина которых зависит от схемного решения.

Таким образом, составной МТК, изображенный на рис. 5.9, в, позволяет уменьшить рассеиваемую мощность в насыщенном со-

4 Зак. 976