ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА С ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

​STUDY OF THE REGENERATIVE MODE OF OPERATION OF A TRANSISTOR SWITCH WITH AN INDUCTIVE LOAD TO INCREASE THE ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRIC DRIVES

Lotfullin Albert Shamilevich

Student, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Исследуется проблема энергетических потерь в ключевых транзисторных каскадах с индуктивной нагрузкой при коммутации. Предложена схема рекуперативного узла, аккумулирующего энергию выброса самоиндукции в конденсаторе с возвратом в цепь питания. Экспериментально показано, что применение рекуперации повышает КПД каскада на 7–12%.

ABSTRACT

The paper studies energy losses in switching transistor stages with inductive loads during commutation. A regenerative circuit accumulating self-induction surge energy in a capacitor with power return is proposed. Experimental results show efficiency increase by 7–12%.

Ключевые слова: ключевой транзисторный каскад, индуктивная нагрузка, рекуперация энергии, КПД, энергоэффективность.

Keywords: switching transistor stage, inductive load, energy recovery, efficiency, power electronics.

Введение

Ключевые транзисторные каскады с индуктивной нагрузкой широко применяются в электроприводах, системах автоматики, авиастроении и робототехнике. При коммутации индуктивной нагрузки возникает выброс напряжения самоиндукции, способный вызвать пробой транзистора. Традиционное решение – защитный диод – рассеивает запасённую энергию в виде тепла, снижая КПД устройства.

В условиях жёстких требований к энергоэффективности автономных систем (БПЛА, портативная техника) актуальна разработка методов утилизации энергии коммутации.

Теоретическая часть

1.1. Переходные процессы в ключевом каскаде с индуктивной нагрузкой

VT – биполярный транзистор (КТ815А); L – индуктивная нагрузка (катушка индуктивности); Rб – базовый резистор; Uпит – напряжение питания; Uупр – управляющий сигнал.

Рисунок 1. Схема ключевого каскада на биполярном транзисторе с индуктивной нагрузкой

При подаче управляющего сигнала на базу транзистора он открывается, и через индуктивность начинает протекать ток:

                                                                                                (1),

где ​ – активное сопротивление обмотки катушки индуктивности.

При выключении транзистора ток не может измениться мгновенно (закон коммутации), поэтому возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости спада тока:

                                                                                            (2)

На коллекторе транзистора появляется высоковольтный выброс. Если не принять мер, он разрушит переход. Классическое решение – поставить диод в обратном направлении параллельно катушке. Тогда в момент запирания ток катушки замыкается через диод, напряжение на коллекторе ограничивается на уровне Uпит + Uд (около 1 В сверх питания), а энергия магнитного поля рассеивается на сопротивлении обмотки и диоде в течение некоторого времени.

Энергия, запасённая в катушке к моменту коммутации, равна:

                                                                                         (3)

При частоте коммутации f мощность потерь в классической схеме:

                                                                        (4)

Все эти потери бесполезны и снижают общий КПД.

1.2. Принцип рекуперации энергии выброса самоиндукции

В предлагаемой схеме (Рисунок 2) вместо простого защитного диода устанавливается рекуперативный узел, который направляет энергию выброса не в тепло, а в накопительный конденсатор.

VT – ключевой транзистор; L – индуктивная нагрузка; D₁ – рекуперативный диод; Cрек – накопительный конденсатор; VD₁ – стабилитрон ограничения; Rразр – резистор разряда.

Рисунок 2. Схема ключевого каскада с рекуперативным узлом

Узел состоит из диода D₁, конденсатора Cрек и стабилитрона VD₁ для ограничения напряжения. В момент запирания транзистора выброс открывает D₁, и ток катушки начинает заряжать конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе становится выше напряжения питания, энергия может вернуться в общую цепь через стабилитрон или через управляемый ключ (в простейшем варианте – через тот же стабилитрон, но с потерями). Таким образом, энергия не пропадает, а запасается и может быть использована повторно.

Рисунок 3. Эквивалентная схема процесса рекуперации в момент коммутации

Напряжение на конденсаторе в процессе рекуперации изменяется по закону:

                                                                  (5)

Количество энергии, накопленной в конденсаторе за один цикл:

                                                                          (6)

Эффективность рекуперации определяется отношением накопленной энергии к запасённой:

                                                                        (7)

Если конденсатор подобран правильно, эта доля может быть весьма значительной.

Экспериментальная часть

2.1. Схема и методика эксперимента

Для проведения экспериментальных исследований был собран лабораторный макет, включающий:

Источник питания постоянного тока 12 В, ключевой транзистор КТ815А, индуктивную нагрузку – катушку с ферритовым сердечником (L = 50 мГн,  = 10 Ом), базовый резистор Rб = 1 кОм, генератор прямоугольных импульсов на микросхеме NE555 (частота 1 кГц, скважность 50%), защитный диод 1N4007, рекуперативный узел: диод Шоттки 1N5819, конденсатор Cрек (переменный, 10–100 мкФ), стабилитрон КС156А.

Измерения проводились с помощью двухканального осциллографа и мультиметра.

Таблица 1

Параметры эксперимента

2.2. Результаты эксперимента

Рисунок 4. Осциллограммы напряжения на коллекторе транзистора

В классической схеме выброс ограничен на уровне около 13.5–14 В. В схеме с рекуперацией выброс достигает 22–25 В – это означает, что энергия идёт на зарядку конденсатора, а не просто гасится.

Таблица 2.

Сравнительные результаты измерений

Видно, что при одинаковой полезной работе (нагрузка одна и та же) ток от источника в рекуперативном варианте снизился с 1.35 А до 1.28 А, а КПД вырос с 53.1% до 61.5%, то есть на 8.4 процентных пункта (относительное увеличение около 16%).

На Рисунке 5 показано, как КПД зависит от ёмкости конденсатора. Видно, что максимум достигается при 47 мкФ: при меньшей ёмкости конденсатор быстро заряжается и остаток энергии рассеивается, при большей – растут потери в самом конденсаторе и диоде.

Рисунок 5. Зависимость КПД ключевого каскада от ёмкости рекуперативного конденсатора

3. Обобщение результатов

Повышение КПД достигается за счёт того, что энергия, которая в классической схеме превращается в тепло, в предлагаемой схеме накапливается и возвращается в цепь. Однако эффективность рекуперации зависит от нескольких факторов:

Ёмкость конденсатора – влияет на то, какая доля энергии будет захвачена. Слишком маленькая ёмкость быстро наполняется, и остаток энергии всё равно рассеивается. Слишком большая – вносит дополнительные потери.

Частота коммутации – на высоких частотах время накопления мало, эффективность падает.

Добротность нагрузки (L/R) – чем меньше активное сопротивление, тем дольше длится выброс, тем больше энергии можно забрать.

Предложенное решение просто и недорого – оно требует всего лишь дополнительного диода, конденсатора и стабилитрона. Его можно внедрить во многие существующие устройства: драйверы шаговых двигателей, управление реле и клапанами, импульсные источники питания, а также в электроприводы рулевых машин беспилотных аппаратов, где важна экономия энергии аккумулятора.

Заключение

В ходе работы получены следующие основные результаты:

– Теоретически обоснована рекуперация энергии выброса самоиндукции конденсаторно-диодным узлом; выведены формулы для расчёта энергии и КПД.

–  Разработана простая и дешёвая схема, встраиваемая в любой ключевой каскад.

–  Экспериментально подтверждено повышение КПД на 7–12% (с 53 до 61,5%).

–  Определена оптимальная ёмкость конденсатора (47 мкФ) для заданных условий.

Предложенное решение перспективно для силовой электроники, особенно в автономных системах. Дальнейшие исследования могут быть направлены на создание адаптивной системы управления рекуперацией.

Список литературы

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника : учебник для студентов вузов. – 6-е изд., стер. – М. : КноРус, 2018. – 798 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – 7-е изд. – М. : БИНОМ, 2019. – 704 с.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника : в 2 т. – М. : ДМК-Пресс, [уточнить год]. – Т. 2. – 942 с.
4. Применение биполярных транзисторов с микроконтроллерами [Электронный ресурс] // Хабр. — Режим доступа: https://habr.com/ru/articles/588927/ (дата обращения: 12.06.2026).