Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост энергетической эффективности современной радиопередающей и усилительной техники, модуляторов, вторичных источников электропитания, широкого спектра лабораторно-технолопгческой аппаратуры, построенной с использованием ключевых методов преобразования и усиления сигналов в широком диапазоне частот - одна из основных тенденций в развитии мощных устройств радиоэлектроники и связи. Помимо собственно экономии энергоресурсов, что имеет все большее и большее значение, повышение КПД аппаратуры способствует решению важных технических и хозяйственных задач. Так, снижение тепловыделения аппаратурой, установленной в ограниченных объемах либо на подвижных объектах, упрощает их построение в совокупности с системами тегшоотаода, а в ряде случаев обеспечивает единственно возможный путь их построения. Часто методы повышения энергетической эффективности приводят не только к ощутимой экономии, но и способствуют повышению надежности и увеличению срока службы изделий. Это происходит из-за исключения режимов, для которых оказываются характерными большие кратковременные значения энергии, выделяемой на отдельных элементах устройства. Характерны ситуации, когда снижение выделяемой в виде тепла энергии оказывается единственным путем, обеспечивающим построение аппаратуры в формах и габаритах, пригодных для использования в конкретных условиях потребителя.
Длительное время решение задачи повышения энергетической зффектип-носта аппаратуры оснозыпается на использовзлпш ключевого режима работы аігпшннх, обычно полупроводниковых, прнСоров. Первый опыт гхпользовангл ключевых методов з преобразовательной технике отиоситш х 20 - 30-м годам нашего столетия и основывается на применении разработаїпікз; х этому сремз-ни мощных газоразрядных я ртупіьгх вентилей. Сейчас трудно, зосстаипвлкБая историческую справедатвосп., определить первыЛ-пркм'р использования собственно клточесых методов для усиленій зле::гроиаппггных колебаний. Не существует так же четкой границы мохду ездкми ключевыми и неххочгсъя'.и методами. Тзк, изобретение бягариснкческих и полигЕрмошгкс:хих режимов работы оконечных крекадоз лемповых передатчиков било шагом, основанным ка энергетическом преимуществе, сбеспгчнгземс! і приближением формы напря-жекиз (либо тока) активного прибора к прямоугольной. Возможно считать первой публикацией по применению шкротио-импульсиой модуляции для усиления работу Бэдфорда Bedford B.D., 1931 г.), однако широкое прігменение метода ключевого усиления начинается двумя десятилетиями позже, когда технические параметры применяемой элементной бази сделали ключевые методы конкурентноспособнымн с существующими. Практически одновременно Д.В.Агеев в Горькокском политехническом институте п СССР и П.Шарбонье во Франций (Sherbonuel, 1955 г.) разработали ключевые устройства для усиления сигналов.
Огромная заслуга в развитии и обобщении методов ключевого усиления сигналов низкой частоты (совместно с Д.В. Агеевым) принадлежит В.В.Маланову. Лишь немногим позже начинают развиваться методы ключевого генерирования сигналов и расширяется частотный диапазон коммутации полупроводниковых ключей как в системах усиления, так и в системах генерирования. В этой связи нельзя не упомянуть труды И.А. Попова, Э.В. Сырникова В.М. Кибакина. Во многом решающий вклад в развитие теории ключевого усиления и генерирования электромагнитных колебаний внесла школа, созданнал в середине столетия в Ленинградском Политехническом институте А.Д.Артымом и его последователями (в алфавитном порядке] А.А.Алексаняном, В.Ф.Дмитриковым, М.А.Сиверсом, С.В.Томашевичем М.А.Уткйным, а позже, их сотрудниками и учениками В.А.Александровым В.А.Галаховым, В.А.Майоровым, В.Н.Плюсниным и многими другими.
Одновременно с успешным опытом повышения КПД устройств за счеі применения ключевого режима и созданием на этой основе систем и средеп радиосвязи, вещания, аппаратуры специального применения стало выясняться что проблемы энергетики и качества обработки сигналов в ключевых устройствах находятся в тесном диалектическом единстве. Практически невозможным оказывается добиваться прогресса в улучшении качества сигнала бе: учёта энергетики и, естественно, наоборот. Следует*также отметить, что с по добными проблемами сталкивались специалисты, работавшие в области создания систем автоматического управления и регулирования на основе импульс ных схем. В целом же два рассмотренных направления развивались во mhotov независимо, однако тенденции взаимного проникновения математических методов исследования и технических средств реализации аппаратуры со време нем усиливались. В настоящий момент трудно провести чёткую грань межд] преобразовательной техникой, во многой базирующейся на использованш принципов, заложенных в системах автоматического регулирования и усилите лями, созданными на основе ключевых методов в радиоэлектронике. Налищ
Тенденции сближения НЄ ТОЛЬКО ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ, КОТОРЫМИ ОПерИруЮТ ЭТ1
отрасли, но и диапазонов изменения основных физических величш (напряжения, токи, мощности и частоты).
Вопросы качества преобразования cm налов в этой связи разделились к ряд крупных направлений. Проблемы повышения качества усиливаемых (бол широко и исторически обоснованно-обрабатываемых) сигналов в системах і широтно-импульсной модуляцией решались Я.Д.Ширманом, Н.М.Изюмовым В.В.Малановым, Л.М.Сетюковым. Несколько позднее появились работі М.А.Сиверса, А.А.Алексаняна, а также Н.А.Батурина, В.Н.Плюснинг В.А.Александрова, Н.НСлепова, А.М.Михеенко, Н.А.Ионкина, А.П.Мишачёв и Л.Е.Смольникова, В.И.Школьникова, В.Т.Пилецкого, В.Г.Чумаченко и дру гих. Несколько особняком расположены работы, затрагивающие одновременна ШИМ и АИМ, например, труды, посвященные изучению многозонной ШИ?і (А.В. Кобзев ), многоканальной ШИМ, методов исследования, общих дл
ШИМ и АИМ. Основой для изучения показателей качества систем с импульсной модуляцией в этих работах является исследование принципа ключевой обработки и искажений, вносимых вследствии нелинейности" операции преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность импульсов. Большая группа работ касается исследования дополнительных искажений, вносимых в системах с ключевым преобразованием неидеальностью элементов тракта (активных и пассивных ключей, трансформаторов, фильтров, нагрузки и т.п.).
Подробный анализ процессов в ключевых преобразователях с широтно-имггульсной модуляцией, проведённый в отмеченных работах и проводимый в настоящей работе показывает, что на данный момент отсутствует обобщённая теория исследования показателей качества выходных сигналов широтно-импульсных преобразователей и устройств усиления и модуляции на их основе, определяемых принципом ключевого преобразования. Методы исследования искажений не охватывают широко распространённых случаев полигармоничности модуляции, воздействия на широтно-импульсный преобразователь спектральных составляющих повышенной частоты (в т.ч. соизмеримой с частотой дискретизации). Применение большинства методов оказывается затруднённым при наличии двух и более времязависящих модулируемых параметров (например, при одновременной модуляции ширины импульса и частоты следования импульсов). Ряд методик, предлагаемых различными авторами, находится зо взаимном противоречии и нередко эти противоречия носят принципиальный характер. Сказанное свидетельствует о необходимости существенного развития методов анализа искажений, вносимых шнротно-нмпульсными преобразователями и создания на этой основе эффективного инженерного инструментария (алгоритмов, программ, методик) анализа качестла в системах с ШИМ.
Во многом аналогичная ситуация складывается и вокруг устройств генерирования сигналов на большом уровне мощности в широком диапазоне частот. Дополнительные сложности вносит то, что разработчики, связанные с созданием радиопередающей техники, используют простейшие прямоугольные напряжения и вопросы повышения качества решаются в основном фильтрацией, и, наоборот, образцы лабораторной техники, промышленно-технологические установки (источники бесперебойного питания, устройства возбуждения электроакустических преобразователей в гидроакустике и мате-риалообработке и т.п.), для которых характерны несколько более низкие рабочие частоты, используют ступенчатое приближение синусоидального сигаала, решая, таким образом, проблему качества другими путями. Спектр работ, посвященных проблеме энергетика-качество в этой области оказывается существенно шире, чем для усилителей с ШИМ. Вместе с тем, для широкого круга решаемых генераторной техникой проблем в обоих случаях возможно существенное обобщение теории, позволяющее анализировать структуры генераторов на основе простых критериев и с наиболее общих позиций. Подобное обобщение позволит не только выработать для 'каждой конкретной ситуации це-
лесообразную форму квазигармонического напряжения, но и разработать оптимальную по ряду важнейших параметров структуру генератора, реализующую эту форму, наметив пути повышения энергетической эффективное^ уже в пределах выбранной структуры.
С переходом к ключевым методам формирования сигналов при их усилении основным принципом повышения энергетической эффективности устройств стало использование всё более мощной и совершенной элементно? базы. Достаточно сказать, что для МДП транзистора "совокупный" энергетиче
скийпараметр, определяемый произведением Jс JJ си R'cu, имееттенден цию к увеличению в 10 раз каждые 5-6 лет. Вместе с тем, для болыпикств; ключевых устройств имеется источник энергетических потерь, на которьгі улучшение технических характеристик элементной базы не оказывает суще ственного влияния. Этим источником являются так называемые неустранимы) сквозные токи (экстратоки), изученные совершенно недостаточно как с точю зрения общности, так и фактической достоверности исследования. Во много» это объясняется тем, что усилия исследователей и разработчиков были направ лены на борьбу с устранимыми экстратоками, снижение разрушающего воз действия которых на РЭА в диапазоне частот также явилось непростой научно технической задачей. Именно проведение дополнительных исследований, н основе которых мог бы быть предложен ряд мер по устранению вредного воз действия неустранимых экстратоков, может стать основой для существенног повышения энергетических характеристик мощной РЭА в ключевом режиме.
Рост энергетических характеристик и показателей качества усилителей ШИМ позволяет искать возможности их применения в новых режимных и ах паратных реализациях. Это обеспечивает работу таких систем как устройсп раздельного ключевого усиления составляющих однополосного сигнала, улу1 шая, тем самым, энергетические характеристики трактов для одного из nej елективних направлений радиосвязи и радиовещания, а также предполагав возможность достижения ключевыми усилителями принципиально НОВЫХ, Hi доступных в технике классического, линейного усиления, нагрузочных хара теристик, стабильности амплитуде- и фазочастотных характеристик в условю широчайших пределов изменения импеданса нагрузки. Исследования и пра тическая реализация асинхронных режимов ШИМ, обеспечивающих достиж ние таких результатов, также может проводиться на основе обобщённых по ходов, разрабатываемых в настоящей работе.
Целью настоящей работы является развитие и совершенствование клі чевых методов усиления и формирования сигналов, обобщение н расширен методов исследования процессов в усилителях с импульсной модуляцией создание на этой основе радиопередающих устройств, научно-лабораторной промышленно-технологической аппаратуры, обладающих более высокими, чі существующие, энергетическими характеристиками и показателями качества,
Основные задачи диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:
-
Развитие и обобщение методов анализа спектрального состава сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Создание инженерных методик, алгоритмов и программ расчета искажений в системах с ШИМ при любом соотношении модулирующей и тактовых частот, при полигармонических модулирующих воздействиях для модуляций любого рода, при одновременном наличии широтной и частотно-импульсной компоненты.
-
Расчет и исследование искажений, определяемых принципом ключевого преобразования, в усилителях с ШИМ I и II рода в широком диапазоне соотношений модулирующей, тактовой частоты и частоты среза демодулг. рующего фильтра. Исследование влияния на показатели качества выходного сигнала тонкой структуры спектра, создаваемой влиянием комбинационных составляющих высших гармоник тактовой частоты, и определение диапазона соотношения тактовой и модулирующей частот, в котором таковой структурой пренебречь нельзя.
3. Исследование отрицательной обратной связи (ООС) в ключевых уси
лителях с ШИМ. Расчет и анализ специфических искажений, сопутствующих
ООС и определение предельных возможностей повышения показателей ка
чества с помощью обратной связи. Разработка инженерных рекомендаций по
выбору параметров широтно-импульсного преобразователя и тракта с ООС в
целом, способствующих минимизации искажений.
4. Исследование асинхронных методов осуществления ШИМ. Разработка
аналитических методик анализа основных параметров усилителей с асинхрон
ной ШИМ, расчет и исследование показателей их качества. Исследование
основных особенностей спектрального состава выходных сигналов усилителей
с асинхронной ШИМ, определение областей целесообразного использования
асинхронных методов.
-
Исследование ступенчатых квазигармонических напряжений, обладающих наилучшими по ряцу критериев показателями качества. Исслсдоваїіие спектров выхолных сигналов генераторов ступенчатого напряжения (ГСН) без ограничивающих предпосылок симметрии и кратного (рационального) соотношения частоты дискретизации и частоты аппроксимируемого сигнала. Разработка способа построения ГСН с максимально высокими показателями качества при заданном числе ключевых элементов.
-
Разработка эффективной методики анализа показателей качества трактов раздельного усиления однополосных сигналов. Выявление основных причин искажений в трактах раздельного усиления. Расчет и анализ искажений, вызываемых раздельным и совокупным воздействием искажающих факторов. Определение предельных возможностей повышения показателей качества при заданных параметрах тракта и разработка инженсоных методик снижения искажений.
-
Исследование неустранимых экстратоков как основной причины, препятствующей повышению энергетической эффективности трактов ключевого усиления. Расчет основных характеристик экстратоков как функции параметров элементов тракта в распространенном случае соизмеримости быстродействий отпираемого и запираемого ключевых элементов. Выработка инженерных рекомендаций по снижению дестабилизирующего воздействия экстратоков в комплексе с задачей сохранения высоких показателей качества усилительных трактов.
-
Разработка способов повышения КПД передатчиков с амплитудной модуляцией, основанных на новых, энергетически более выгодных принципах осуществления AM.
9. Практическое создание, комплексное обследование, лабораторная,
опытная и промышленная эксплуатация ряда перспективных изделий, исполь
зующих ключевые режимы, для отрасли "связь" и смежных отраслей.
Методика исследований.
В основе методики исследований лежит анализ физических процессов в электронных схемах и функционирующих в них ключевых элементах с использованием теории линейных и нелинейных электрических цепей.
Конкретные методы основаны на использовании аппарата спектрального Фурье-анализа, кратных и обобщенных рядов*Фурье, теории почти-периодических функций. Широко применяются различные приемы интегрирования, например при построении' многомерных функций Каптейна в теории полигармоннческой ШИМ 2, численного интегрирования на ЭВМ, теория степенных рядов в случае приближенного решения трансцендентных уравнений. В ряде случаев эффективным оказалось использование элементов теории систем автоматического регулирования (метод гармонического баланса). Ряд за-< дач, связанных с приложениями амплитудно-импульсной модуляции II рода, решен на основе теории ортогональных функций Уолша.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Теоретические результаты, данные математического моделирования, итоги экспериментов, представленные в диссертационной работе, являются новыми. Конкретизация элементов научной новизны проведена в частных заключениях к разделам диссертации, в автореферате дается обобщенное изложение:
достигнуты новые научные результаты в исследовании не изученных ранее явлений и процессов в ключевых усилителях. Проведен анализ воздействия этих процессов на энергетические характеристики и показатели качества устройств с импульсной модуляцией;
существенно развиты и обобщены методы исследования процессов в ключевых схемах, созданы эффективные новые методики, позволяющие анализировать \щ важнейших физических явлений, присущих системам с импульсным п|>ге/5р«зованием;
- определен и доказан на основе новых методов ряд основных положений
еорйи функционирования ключевых устройств с приоритетным использова-
ием их на практике. В диссертации защищаются: '
1. Обобщения и модификации метода деформации, обеспечивающие
озможность спектрального анализа выходных сигналов ширйтно-импульсных
реобразователей при любом соотношении модулирующей и тактовой частоты,
также при наличии частотно-импульсной компоненты модуляции". Методики яализа спектров сигналов с ШИМ I и II рода при полигармонической модуляцій.
-
Модель усилителя с ШИМ при наличии ООС, позволяющая проводить >асчет искажений с учетом совокупного воздействия комбинационных продук-ов преобразования на тракт прямого усиления.
-
Возможность и способы существенного улучшения нагрузочных, фазо-I амплитудно-частотных характеристик усилителей с ШИМ, основанные на трименении асинхронных режимов широтно-импульсных преобразователей. Методики аналитического исследования параметров усилителей с асинхронной НИМ.
-
Способ анализа искажений в трактах раздельного ключевого усиления гоставляющих однополосного сигнала, позволяющий получить значения амплитуд побочных спектральных составляющих в замкнутой аналитической форме. Инженерные рекомендации по расчету искажений, а также методики их снижения.
-
Методики анализа параметров неустранимых экстратоков, применимые в условиях близости быстродействий активных и пассивных ключей. Способы снижения их дестабилизирующего воздействия на усилитель.
-
Новые способы импульсного преобразования, обеспечивающие возможность достижения высокой энергетической эффективности и показателей качества разработанных классов модуляторных и генераторных узлов.
Практическая ценность работы заключается прежде всего в том, что результаты большинства проведенных в диссертации исследований послужили основой разработки, проектирования и практической реализации ряда высокоэффективных радиотехнических изделий - радиопередающих устройств, систем вторичного электропитания, лабораторной, промышленно-технологической аппаратуры. Значительная часть созданной аппаратуры находится на промышленной эксплуатации, позволяя решать новые исследовательские, технологические и хозяйственные задачи.
Значительный элемент практической ценности заложен в выявленных качественных и количественных оценках связи энергетических характеристик и показателей качества разнообразных трактов, использующих ключевое усиление, с конкретными методами организации коммутации ключевых приборов, физическими процессами в этих приборах, и доведении этих оценок до методик, применимых в инженерной практике, позволяющих анализировать, проек-
тировать и улучшать энергетику и качество разрабатываемых устройств, наделяя их новыми, недостижимыми ранее параметрами.
Внедрение результатов диссертационной работы.
Проведенные в работе исследования и практические разработки позволили создать, обследовать и внедрить в промышленное использование ряд высокоэффективных радиопередающих устройств, установок для проведения лабораторных исследований, образцов промышленного и технологического оборудования.
Радиопередающие устройства внедрены:
В подразделен:- > і ПР-2 СПб: ОВЧ ЧМ радиопередатчик мощностью 1 кВт (впоследствии передан тя промышленной эксплуатации на РПЦ г. Челябинска); Серия из двух ОВЧ ЧМ передатчиков-возбудителей ПЧМ-0,5-1 и тре> передатчиков-возбудителей ПЧМ-0,5-2 и ПЧМ-0,5-2М, находящаяся на промышленной эксплуатации для обслуживания стереовещания в СПб.;
Радиопередатчики ПЧМ-0,5-1М и ПЧМ-0,2-1 внедрены на областное РПТЦ г. Пскова;
Разработан, изготовлен и внедрен в ОВЧ-ЧМ вещательном передатчике "ПРУТ" малогабаритный источник электропитания, ставший прототипом прецизионных источников электропитания серии ОВЧ-ЧМ передатчиков, внедренных на объектах Минсвязи. Передатчик "ПРУТ" разработки СКБ Грозненского радиотехнического завода рекомендован к серийному производству Го сударственной Комиссией 12.10.89.
Радиопередатчик ЗОНА мощностью 200 Вт с амплитудной модуляциеі внедрен для обеспечения радиовещания в г. Вентспилсе Латв. ССР в 1986 г. где и работает по настоящее время.
Промышленио-технологическое и лабораторное оборудование:
В НПО Автоматики и Приборостроения (Москва) внедрены: мощны! управляемый источник электропитания, используемый в качестве основы си стемы электродугоаой резки и сварки металлов с непрерывным током до 320А Мощный генератор синусоидального напряжения, используемый при произ водстве и испытаниях высокочастотных трансформаторов нового поколения.
В НПО ВНИИ ТВЧ (СПб) внедрен ряд генераторов радиочастот и систе» их электропитания, используемых для обработки и очистки материалов в неак тивных жидких средах, а также для индукционного нагрева.
В КБ Специального машиностроения (СПб) внедрена серия источникої квазисинусоидального вторичного электропитания, использованная при созда иии измерительно-вычислительных комплексов ЦГ70О7.
Ряд высокоэффективных преобразовательных устройств и систем элек тропитания на их основе внедрен на предприятиях различных министерств і СПб и Москве (ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор", ЦНИИ Морфнзпрнбор, и др.).
Серия мощных источников вторичного электропитания, предназначен ных для обеспечения электропитания систем автоматики АЭС, внедрена : ЗАО "Завод Электропульт" в аппаратуре для Игналинской АЭС.
Система генераторных и усилительных устройств для проведения гкдро-ікустнческих исследований мирового океана суммарной мощностью 30 кВт інедрена на предприятии АОЗТ "Мидлтон".
Положения диссертации, непосредственно использованные при построе-ши вышеперечисленных устройств, отмечены в соответствующих актах внед->ения.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах СП6ТУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, я том числе на1 45,46,47,48,49 и 50 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава университета, на научных семинарах НИИ и промышленных предприятий, Всесоюзных и межотраслевых конференциях, посвященных созданию мощной преобразовательной техники.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано более 60 работ, в том числе авторские свидетельства на изобретения, научные статьи, тезисы докладов, учебные пособия.
Объем и структура диссертационной работы.
Работа состоит из введения, пяти оригинальных разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 380 стр. без актов внедрения, в том числе 350 стр. основного текста, включая 135 рисунков. Список литературы включает 322 наименования.
