Рис.1.8. Схема транзисторного ключа с двигателем постоянного тока в качестве нагрузки.
Чисто активная или индуктивная нагрузка не характерна для усилителей, работающих в классе D. Чаще всего такие усилители используются в следящих системах с исполнительными двигателями постоянного тока, и нагрузкой для них является якорь двигателя, обладающий как активным сопротивлением, так и индуктивностью, а при вращающемся якоре в нем, кроме того, индуцируется ЭДС вращения Ев. Поэтому нагрузка усилителя может быть представлена эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных источника ЭДС Ев, активного сопротивления Rн и индуктивности Lн. Схема простейшего усилителя с такой нагрузкой показана на рис.1.8. Для предотвращения пробоя коллекторного перехода вследствии возникновения большой ЭДС самоиндукции в момент закрывания транзистора, нагрузка шунтируется диодом VD.
При периодическом входном сигнале обычно в схеме выполняются такие соотношения величин, что при открытом и насыщенном транзисторе ток в нагрузке нарастает, а при закрытом спадает (рис.1.9). Среднее значение напряжения на нагрузке:
Uнср = Uн1·Кз - Uн2(1-Кз) @ Ек·Кз (1.25)
где Uн1 - напряжение на нагрузке при открытом VT,
Uн2=Uд - падение напряжения на диоде, по-прежнему определяется коэффициентом заполнения Кз, а среднее значение тока через нагрузку:
, (1.26)
Пульсации тока через нагрузку зависят от соотношения между периодом коммутаций и постоянной времени нагрузки:
tH = Lн / Rн, (1.27)
Рис.1.9. Временная диаграмма усилителя с ДПТ при периодическом входном сигнале.
При достаточно большой тактовой частоте (частоте коммутации), когда T<<tн, пульсации малы, и в пределах такта можно считать ток нагрузки постоянным iн=Iнср=Iн. В этом случае потребляемая от источника мощность будет равна:
Pо = Ек · Iср = Ек · Iн · Кз , (1.28)
соответственно полезная мощность:
Pн = Uнср · Iн , (1.29)
мощность, рассеиваемая транзистором:
Pтр = Uкэн · Iн · Кз , (1.30)
мощность, рассеиваемая диодом:
Pд = Uд · Iд · (1 - Кз) , (1.31)
Коэффициент полезного действия:
. (1.32)
при максимальном входном напряжении (Кз=1) равен коэффициенту полезного действия простейшего ключевого каскада с чисто активной нагрузкой (1.17), но уменьшается по мере снижения выходного напряжения из-за увеличения мощности рассеиваемой диодом (кривая 2 на рис.1.10).
Рис.1.10. Графики зависимостей КПД усилителя от среднего значения напряжения нагрузки.
Картина переходных процессов в простейшем усилителе с индуктивностью в цепи нагрузки (рис.1.8) при выполнении условия T<<tн, где tн=Lн/Rн показана на рис.1.11. При закрытом транзисторе ток нагрузки замыкается через диод, а напряжение на транзисторе практически равно ЭДС источника питания Ек. По мере нарастания тока коллектора ток через диод убывает, но он остается открытым в течении всего фронта tф1 и закрывается лишь тогда, когда ток коллектора становится равным току нагрузки. В течении этого времени напряжение на транзисторе остается практически равным Ек, а в момент окончания переднего фронта резко спадает до значения Uкэн.
Аналогично этому в период снижения тока коллектора диод открыт и напряжение на коллекторе транзистора практически равно Ек.
Рис.1.11. Временные диаграммы работы ключа с активно-индуктивной нагрузкой.
Предполагается, как и раньше, линейный характер нарастания и спадания тока коллектора и одинаковой длительностью фронтов, получим среднее значение рассеиваемой транзистором мощности:
(1.33)
и коэффициент полезного действия усилителя:
(1.34)
Из сравнения (1.30) и (1.33) видно, что дополнительная составляющая рассеиваемой транзистором мощности, обусловленная переходным процессом на транзисторе, относительно больше в усилителе с индуктивностью в цепи нагрузки. Соответственно, при прочих равных условиях, будут меньше и коэффициент полезного действия (кривая 4 на рис.1.10) и коэффициент использования транзистора. При увеличении тактовой частоты достаточно высокие энергетические показатели ключевых усилителей могут заметно ухудшиться. Это ограничивает максимальную тактовую частоту, и, поэтому не всегда удается уменьшить пульсации тока нагрузки до желаемых значений.