ТЗ на усилитель¶

  • 2.1. Усилители должны обеспечивать усиление сигнала заданного уровня мощности
    и заданной частоты в импульсном режиме работы с длительностью импульсов от 100
    мкс до 350 мкс.
  • 2.2. Частота повторения импульсов: не более 5 Гц.
  • 2.8. Спад плоской вершины импульса (от 10 мкс после переднего фронта до 10 мкс
    перед задним фронтом): не более 0.5 % мощности на каждые 15 мкс длительности импульса.
  • 2.14. Нестабильность по мощности от импульса к импульсу (после прогрева усилителя): не более 0.1% от мощности, измеряемой в кВт
  • 2.17. Передний и задний фронт импульса (от 10% до 90% амплитуды ВЧ сигнала) при работе на согласованную нагрузку: не более 10 мкс
In [8]:
Vcc = 50 # VCC
In [9]:
Timp = 350e-6 # время испульса
Toff = 1/5 # период следования импульсов
Trise = 1e-6 # время фронта

ТЗ на конденсаторы¶

Ток номинальный пульсирующий, А

In [10]:
I_2200 = 5.76 # Iном пульсирующий 100кГц К50-104-2200
I_1500 = 11.1 # Iном пульсирующий 100кГц К50-98-1500
C_2200 = 2200e-6 # емкость К50-104-2200
C_1500 = 1500e-6 # емкость К50-98-1500

Запас энергии в конденсаторах, Дж

In [13]:
E_2200 = C_2200*pow(Vcc,2)/2
In [14]:
E_1500 = C_1500*pow(Vcc,2)/2

Полевой транзистор¶

Вставленное изображение.png

Характеристики IRFR24N15DTRPBF:

In [25]:
Ciss = 890e-12 # Input capacitance
Crss = 46e-12 # Reverse transfer capacitance
Isd = 24 # Continuous source-drain diode current
Rds = 0.095 # R drain surce max
Vgs_max = 7 # Fig. 3 - Typical Transfer Characteristics для Ids = 20 A - линейный режим
Vgs_min = 5 # Fig. 3 - Typical Transfer Characteristics для Ids = 20 A - линейный режим

Ток фронта Irise (на затвор при открытии)

In [16]:
Irise = (Crss*(Vcc+Vgs_max)+Ciss*Vgs_max)/Trise
In [17]:
Irise
Out[17]:
0.008852

Cопротивления¶

R нагрузки (Ом)¶

In [18]:
Vcc/Isd
Out[18]:
2.0833333333333335
In [19]:
Rload = 2

Пусть Rload = 2

R sense (Ом)¶

In [20]:
Rsense = 0.05

Времена разряда. Рассеиваемая мощность¶

Время полного разряда конденсаторов с номинальным током разряда (секунд):

In [21]:
E_1500/(pow(I_1500,2)*Rload)
Out[21]:
0.0076089603116630145
In [22]:
E_2200/(pow(I_2200,2)*Rload)
Out[22]:
0.04144362461419753
In [23]:
Timp
Out[23]:
0.00035

Рассеиваемая мощность в резисторе нагрузке при работе на VCC: P_R

  • Toff = 20 мс - частота следования импульсов
  • Timp = 100 мкс - длительность импульса
In [147]:
Icont = Vcc/(Rload+Rds+Rsense)
In [158]:
P_R = (Timp/(Toff+Timp))*pow(Icont,2)*Rload
print(P_R)

1.8984279046652415

Рассеиваемая мощность в транзисторе при работе на VCC: P_VT

In [156]:
P_VT = (Timp/(Toff+Timp))*pow(Icont,2)*Rds
print(P_VT)

0.09017532547159897

Рассеиваемая мощность в датчике тока Rsense при работе на VCC: P_Rs

In [159]:
P_Rs = (Timp/(Toff+Timp))*pow(Icont,2)*Rsense
print(P_Rs)

0.04746069761663104

Операционный усилитель¶

Характеристики TL072CDT:¶

  • Output short-circuit current 40 ma
  • High slew rate: 16 V/µs (typ)
  • Rise time 0.1 µs

Cхема¶

image.png

Схема была отмоделирована в MICROCAP с использованием компонентов:¶

  • Резистор постоянный SMD 2512 0.005R 1% (1W), https://www.chipdip.ru/product0/9000987614
  • TL072CDT, 2х канальный, малошумящий операционный усилитель с входным каскадом на полевых транзисторах, https://www.chipdip.ru/product/tl072cdt
  • IRFR24N15DTRPBF, Транзистор, HEXFET, N-канал, 150В, 24А, https://www.chipdip.ru/product/irfr24n15dtrpbf-infineon

Напряжения источников питания, V:

  • 14 => VC >= 10 V для обеспечения работы затвора в линейном режиме. чтобы Vgate попадало в диапазон линейного режима работы [V_gsmin; Vgsmax] Пояснение: ОУ будет обеспечивать VGate такой, чтобы на резисторе 0.05 Ом было нужное напряжение, если же нужное напряжение создать не удасться, то Vgate станет верхней границей напряжения ОУ (около 13 В при данном диапазоне VC) и транзистор просто будет в насыщении.
  • -5 < VE < -3 V для обеспечения чувствительности к напряжению Rsense
In [26]:
Vcc = 50
VC = 10
VE = -5

Параметры входного сигнала:

  • Фронт 1 мкс
  • Плато 100 мкс
  • Спад 1 мкс
  • Напряжение единицы Vone

Полученые результаты для параметров выходного сигнала:

  • Фронт (не более) 3 мкс
  • Плато 98 мкс
  • Спад (не более) 3 мкс

Графики симуляции¶

  • По оси Х отложено время в мкс

  • По оси У отложено напряжение, входного сигнала (синим) в V, и ток в нагрузку (красным) в А для разных значений напряжения единицы входного сигнала Vone в диапазоне 0...1 V с шагом 0.2 V

  • Видно, что входным напряжениям соответствует выходной ток в диапазоне 0...20 А с шагом 4 А

  • Формула зависимости тока в нагрузке I от входного напряжения Vone:

I = Vone/Rsense, где Rsense = 0.05 Ом

image.png