Существует немало приложений – от люминесцентных светильников до генераторов вызывных сигналов телефона, – для которых требуется относительно мощный источник синусоидального управляющего напряжения без каких-либо строгих требований к качеству его формы. Как правило, гармоники основной частоты могут быть достаточно большими, а значение самой частоты не имеет большого значения. Однако при использовании фильтрованных прямоугольных импульсов или при ступенчатом формировании такого напряжения возникают нежелательные броски тока, избыточные потери мощности и проблемы электромагнитной совместимости. Иногда подходит напряжение трапецеидальной формы, но такое решение нельзя считать наилучшим. Предлагаемый в данной статье метод формирования синусоидального сигнала имеет множество преимуществ по сравнению с более сложными методами.
 |
||
| Рисунок 1. | Для формирования псевдосинусоидального сигнала требуется всего несколько компонентов. |
|
Для схемы нужен всего один силовой коммутирующий элемент, управлять переключением которого можно с помощью как аналогового, так и цифрового сигнала. Перечень компонентов схемы совсем невелик: диод, переключающий транзистор или MOSFET, индуктивность, в качестве которой можно использовать и трансформатор, и конденсатор. Потери мощности в этой схеме низки, а нагрузка на коммутирующее устройство во время работы минимальна. Схема устройства изображена на Рисунке 1, а происходящие в схеме процессы иллюстрируются осциллограммами, показанными на Рисунке 2.
 |
||
| Рисунок 2. | Формы напряжений и тока в схеме на Рисунке 1. | |
Выходное синусоидальное напряжение снимается с конденсатора C последовательного LC-контура. Частота источника внешнего тактового сигнала, управляющего транзистором Q, должна быть ниже частоты собственного резонанса контура. Пока транзистор открыт, индуктивность накапливает энергию за счет тока, идущего через диод D. После того, как транзистор закроется, запасенная в индуктивности энергия передается в конденсатор C, и в цепи начинаются затухающие колебания. Напряжение на конденсаторе C аппроксимирует синусоиду (верхняя осциллограмма на Рисунке 2). Как видно из средней осциллограммы, пока напряжение на конденсаторе поддерживает прямое смещение диода D, ток стока транзистора Q отсутствует (средняя осциллограмма). Период импульсов, управляющих затвором, меньше периода колебаний частоты последовательного резонанса, задаваемой значениями L и C (нижняя осциллограмма).
В той части цикла, когда выходное напряжение отрицательно, к затвору транзистора приложено открывающее напряжение внешнего источника импульсов, но диод D остается смещенным в обратном направлении, и, таким образом, ток через транзистор Q не проходит. При положительном напряжении на конденсаторе C диод D проводит ток, позволяя индуктивности восстанавливать энергию, потерянную в предыдущем цикле. В установившемся режиме энергия, запасенная в фазе проводимости транзистора, восполняет энергию, отдаваемую в нагрузку и рассеиваемую в компонентах.
Для получения бóльших пиковых напряжений нужно увеличить время проводящего состояния транзистора, повысив частоту управляющих импульсов или расширив интервал включения. Для стабилизации выходного напряжения можно использовать обычные методы обратной связи, управляющей частотой импульсов генератора или, в цифровых системах, изменяющей длительность импульсов. Для большинства приложений, в которых ток нагрузки относительно стабилен, таких, например, как электролюминесцентные панели, достаточную гибкость обеспечивает ручная регулировка при разомкнутой обратной связи, при условии, что вы определили диапазон тактовых частот, соответствующий требуемой интенсивности света.
Для пиковых напряжений, превышающих напряжение питания менее чем в 10 раз, нагрузку можно подключать непосредственно к точке соединения элементов D, L и C. Более высоких коэффициентов повышения напряжения можно достичь за счет увеличения напряжения и тока в элементах L и C. Вместо этого можно добавить к индуктивности изолированную повышающую вторичную обмотку. Наилучшим для КПД схемы будет использование компонентов, предназначенных для работы в мощных высокочастотных цепях, таких как конденсаторы с полипропиленовым диэлектриком и индуктивности с низкими потерями.
Если нагрузкой служит электролюминесцентная панель, ведущая себя как конденсатор с потерями, появится возможность исключить из схемы внешний конденсатор C. Что касается транзистора Q, то очевидно, что он должен быть в состоянии выдерживать имеющиеся в схеме пиковые значения напряжений и токов, но его остальные характеристики относительно некритичны. Благодаря работе в режиме класса E, в фазе проводимости в схеме отсутствуют потери переключения, а выходной конденсатор ускоряет закрывание транзистора. При выходных напряжениях, не превышающих уровня порядка 50 В, вы можете повысить КПД схемы, воспользовавшись диодом Шоттки или иным диодом с быстрым восстановлением.
На питание ламп и формирование телефонных вызывных сигналов «плоские участки» синусоиды влияют незначительно из-за их относительно короткой продолжительности и низкого содержания гармоник энергии. Минимизировать длительность этих участков можно, уменьшив произведение LC и увеличив таким образом нагруженную добротность LC-контура. Однако при заданном выходном напряжении увеличение добротности увеличивает и пиковый ток, поскольку то же количество энергии должно передаться в индуктивность за меньшее время.
