УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА ABD ДЛЯ ГИДРОАКУСТИКИ
ABD HYDROACOUSTIC AMPLIFIER

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и звукоподводной связи.
Известны ключевые усилители мощности [1, 2], использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот. Реализация методов ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку.
Для усиления знакопеременных низкочастотных (НЧ) сигналов используются известные усилители с ШИМ в режиме класса AD [1]. Известные устройства содержат широтно-импульсный преобразователь (ШИП), ключевой усилитель мощности (КУМ), выполненный, например, по полумостовой схеме, и фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на дросселе и конденсаторе, включенном параллельно нагрузке.
Принцип действия усилителей с ШИМ в режиме класса AD основан на преобразовании усиливаемого сигнала в последовательность импульсов, модулированных по длительности, ключевом усилении по мощности и демодуляции НЧ составляющих импульсного напряжения фильтром нижних частот на нагрузке. Ключевое усиление импульсного сигнала обуславливает весьма малые потери в усилительных приборах, находящихся в открытом либо закрытом состоянии. Основные потери энергии в ключевых элементах связаны с изменением их состояния, соответствующим фронту либо спаду импульсов модулированного сигнала. Таким образом, потери энергии практически пропорциональны частоте переключений (частоте следования импульсов) и могут быть уменьшены при соответствующем уменьшении частоты модулированной импульсной последовательности.
Вместе с тем уменьшение частоты переключений ограничено проникновением комбинационных составляющих [1] спектра модулированного импульсного напряжения в полосу частот пропускания ФНЧ. Указанное обстоятельство усугубляется при использовании усилителей с ШИМ в гидроакустике для возбуждения пьезоэлектрических излучателей, имеющих выраженную емкостную составляющую проводимости в области верхних частот, что обуславливает резкий подъем амплитудно-частотной характеристики ФНЧ на частотах 0,7…0,9 от частоты среза фильтра. В результате частота переключений КУМ класса AD должна превышать верхнюю частоту усиливаемого сигнала не менее чем в 15…20 раз. Необходимость такого повышения частоты переключений приводит к ухудшению энергетических характеристик. В частности для верхней частоты усиливаемого сигнала 15 кГц частота переключений в усилителе класса AD должна составлять порядка 300 кГц, что соответствует КПД усилителя не более 85%.
Известны способы повышения КПД ключевых УНЧ, основанные на использовании режима BD [1, 2, 3]. Такой режим возможен в ключевых усилителях мощности (КУМ), выполненных по мостовым схемам [4] при управлении усилительными приборами от двухтактного широтно-импульсного преобразователя. В усилителях с ШИМ в режиме BD динамические потери энергии могут быть уменьшены более чем в 1,5-2 раза. Вместе с тем, в мостовой схеме КУМ в режиме BD имеют место характерные искажения при малых уровнях сигнала. Искажения такого вида объясняются наличием задержек включения ключевых элементов, необходимым для исключения сквозных токов.
Введение таких задержек является необходимым условием устранения сквозных токов через ключевые элементы и соответственно надежной работы усилительного устройства. В свою очередь, наличие задержек при малых выходных токах приводит к обрыву выходного тока дросселя ФНЧ и искажению амплитудной характеристики. Вид искажений в этой зоне имеет форму ступеньки, относительная величина которой достигает значения 6-10%. Для усилителей в режиме BD зона искажения амплитудной характеристики соответствует малым входным сигналам и может быть определена как "зона молчания". При изменении входного сигнала в этой зоне напряжение на выходе усилителя отсутствует, что ограничивает динамический диапазон такого устройства на уровне 20-30 дБ. Наличие искажений амплитудной характеристики обуславливает гармонические искажения выходного напряжения, величина которых возрастает от 2-3% до 30% при изменении выходного напряжения от 0 дБ до минус 20 дБ. Таким образом, некоторое повышение КПД (до 90%) усилителя класса BD по сравнению с усилителем класса AD связано с ростом гармонических искажений и ограничением динамического диапазона усиления.
Наиболее близким к предлагаемому является усилитель с двухканальной ШИМ класса ABD, описанный в патенте [5]. Усилитель-прототип выполняется на двухканальном широтно-импульсном преобразователе, двух ключевых усилителях мощности, реализованных на полумостовых схемах, двух дросселях, двух трансформаторах, конденсаторе выходного фильтра и блокировочном конденсаторе, причем парофазные выходы двухканального ШИМ, синфазные по НЧ модулирующему сигналу и противофазные по напульсному ВЧ напряжению, попарно соединены с входами КУМ, имеющими задержку по включению, выводы электропитания КУМ соединены параллельно и подключены к шинам электропитания, выходы КУМ через соответствующие дроссели подключены к первым и вторым выводам блокировочного конденсатора и первым выводам первичных обмоток соответствующих трансформаторов, вторые выводы которых соединены с нулевой шиной электропитания, вторичные обмотки трансформаторов включены последовательно синфазно по НЧ и подключены к выводам конденсатора фильтра и выходным шинам устройства.
Структурная схема устройства прототипа, представленная на фиг.1, содержит двухканальный парофазный ШИП 1, два ключевых усилителя КУМ 2, КУМ 3, дроссели 4, 5, конденсатор 6, два трансформатора 7, 8 и конденсатор 9. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства-прототипа, иллюстрируются на фиг.2.
Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом.
П1
П2
1
2
Двухканальный ШИП 1 формирует две последовательности широтно-модулированных импульсов, имеющих фазу 0 и π на высокой частоте (ВЧ) преобразования f. Такие сигналы с ШИМ могут быть сформированы, например, посредством сравнения входного сигнала U с противофазными пилообразными напряжениями V, V (фиг.2). Две последовательности импульсов с парофазных выходов ШИП 1 поступают на прямой и инверсный входы КУМ 2 и КУМ 3. В результате на выходах КУМ, выполненных по полумостовым схемам, формируются знакопеременные импульсные напряжения V, V синфазные по НЧ и противофазные по ВЧ.
1
2
C
К
Импульсные напряжения V, V прикладываются через дроссели 4, 5 к выводам блокировочного конденсатора 6. В результате через дроссели 4, 5 и блокировочный конденсатор 6 замыкается ВЧ ток I, вызванный действием разностного импульсного напряжения V.
1
2
H
1
2
T
T
Синфазные составляющие сигналов V, V через дроссели 4, 5 также поступают на первичные обмотки трансформаторов 7, 8, вторичные обмотки которых включены согласно последовательно. При идентичных трансформаторах результирующее импульсное напряжение, приведенное к входу фильтра НЧ, выполненного на дросселях 4, 5 и конденсаторе 9, определяется суммарным импульсным напряжением V=(V+V)K (где K - коэффициент трансформации напряжения трансформаторов 7, 8).
H
H
Следует отметить, что частота импульсов суммарного напряжения V в два раза выше частоты f, а ВЧ составляющие выходного тока I весьма малы. Выделенное преимущество устройства-прототипа, соответствующее режиму BD, сочетается с наличием знакопеременного ВЧ тока в области малых сигналов и пониженным уровнем гармонических искажений, характерными для режима AD.
Таким образом достоинства режима ABD выгодно отличают устройство прототип от известных аналогов сравнительно высоким КПД (до 90%) при удовлетворительном качестве выходных сигналов.
Недостатком устройства прототипа является существенная зависимость амплитуды ВЧ тока от уровня входного сигнала, что приводит к возникновению искажений выходного напряжения, соответствующих обрыву тока дросселей ФНЧ, на относительном уровне напряжения не более 0,2…0,3. На этом уровне типовые нелинейные искажения выходного сигнала, связанные с "зоной молчания", могут достигать 2…4%.
Попытка увеличить относительный уровень "зоны молчания" в устройстве-прототипе посредством уменьшения индуктивности дросселей фильтра приводит к возрастанию амплитуды ВЧ тока при отсутствии входного сигнала до значений, превышающих максимальную амплитуду НЧ тока, что обуславливает повышение потерь и, как следствие, понижение КПД усилителя. Такой же негативный эффект имеет место в устройстве-прототипе при работе на пьезоэлектрический излучатель с выраженной емкостной проводимостью, где уменьшение индуктивности дросселей фильтра диктуется необходимостью повышения частоты среза ФНЧ при заданной емкости нагрузки.
Другим недостатком устройства прототипа является возможность протекания значительных НЧ токов через первичные обмотки трансформаторов при даже незначительных разбалансах НЧ составляющих выходных напряжений КУМ 2, КУМ 3, что обусловлено подключением вторых выводов первичных обмоток к общей шине электропитания.
Выделенные недостатки обуславливают понижение энергетической эффективности, ухудшение надежности и качественных характеристик выходного сигнала при снижении верхней частоты усиливаемых сигналов устройства-прототипа, что ограничивает его использование в широкополосных гидроакустических излучающих трактах.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности, надежности работы и улучшение характеристик качества выходного сигнала при расширении области применения усилителя класса ABD для гидроакустики.
Для решения поставленной задачи в известный усилитель класса ABD, содержащий широтно-импульсный преобразователь, вход которого соединен с входной шиной, а первый и второй выходы которого, соответствующие фазовым сдвигам широтно-импульсной модуляции 0 и π, соединены с входами первого и второго ключевых усилителей мощности, шины электропитания которых подключены к шинам положительного и отрицательного напряжения электропитания, а выходы соединены соответственно через первый и второй дроссели с первыми выводами первичных обмоток первого и второго трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно, а также первый блокировочный конденсатор и конденсатор фильтра, включенный между выходными шинами, введена новая совокупность блоков и связей.
В предлагаемом усилителе класса ABD дополнительно введены третий и четвертый ключевые усилители мощности, третий и четвертый дроссели, третий и четвертый трансформаторы, второй блокировочный конденсатор, четыре емкостных делителя, а широтно-импульсный преобразователь снабжен третьим и четвертым выходами, соответствующими фазовым сдвигам широтно-импульсной модуляции π/2 и 3π/4, причем третий и четвертый выходы широтно-импульсного преобразователя соединены с входами третьего и четвертого ключевых усилителей мощности, выходы которых через третий и четвертый дроссели соединены с первыми выводами первичных обмоток третьего и четвертого трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно с вторичными обмотками первого и второго трансформаторов и подключены к выходным шинам, в свою очередь, первый, а также второй блокировочные конденсаторы включены между первыми выводами первичных обмоток первого и третьего, а также второго и четвертого трансформаторов, вторые выводы первичных обмоток которых подключены к средним выводам соответствующих емкостных делителей, включенных выводами положительной и отрицательной полярности к шинам положительного и отрицательного напряжения электропитания, соединенным также к шинам электропитания третьего и четвертого ключевых усилителей мощности.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении энергетической эффективности и надежности работы при улучшении характеристик качества выходного сигнала.
Обеспечение технического результата достигается реализацией гарантированной зоной ABD до глубины модуляции (относительном уровне усиливаемого сигнала) m=0,5 и отсутствием возможности протекания НЧ выходного тока КУМ при допустимой не идентичности НЧ составляющих импульсного напряжения. Причем амплитуда ВЧ выходного тока в заявленном устройстве в диапазоне модуляции m=0…0,5 практически не изменяется и может быть обеспечена на уровне половины максимальной амплитуды НЧ выходного тока КУМ при величине результирующей индуктивности дросселей в два раза меньше, чем в устройстве-прототипе. Последнее обстоятельство позволяет более чем в 1,5 раза расширить диапазон частот усиливаемых сигналов при возбуждении широкополосных гидроакустических преобразователей с выраженной емкостной составляющей проводимости.
Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах усилительной техники ранее не использовалась, позволяет впервые реализовать режим ABD в усилителе с четырехканальной ШИМ для обеспечения повышения энергетической эффективности, надежности работы и улучшения характеристик качества выходного сигнала. Положительный эффект достигается не суммарным наращиванием блоков в усилителе с четырехканальной ШИМ, а связан с новой, ранее не использованной структурой реализации режима ABD ключевых усилителей мощности при относительном фазовом сдвиге широтно-импульсной модуляции π/2.
Особенность реализации устройства-прототипа и сущность изобретения поясняются фиг.1, 2 и фиг.3, 4 соответственно. Структурные схемы устройства прототипа и предлагаемого устройства приведены на фиг.1 и фиг.3, а временные диаграммы сигналов, поясняющие их работу, иллюстрируются на фиг.2 и фиг.4.
Предлагаемый усилитель класса ABD (фиг.3) содержит широтно-импульсный преобразователь (ШИП) 1, выполненный четырехканальным, а также четыре ключевых усилителя мощности (КУМ) 2, 3 и 10, 11, соединенные входами с выходами ШИП 1, соответствующим фазовым сдвигам по частоте ШИМ 0, π/4 и π/2, 3π/2, причем КУМ 2, 3 и 10, 11 попарно включены параллельно через дроссели 4, 5 и 12, 13 и блокировочные конденсаторы 6 и 14. В свою очередь, выходы КУМ 2, 3 и 10, 11 подключены через первичные обмотки трансформаторов 7, 8 и 15, 16 к средним выводам емкостных делителей 17, 18, 19, 20, включенных между шинами положительного и отрицательного электропитания, соединенных с соответствующими выводами электропитания КУМ 17, 18, 19, 20. Вторичные обмотки трансформаторов 7, 8 и 15, 16 соединены последовательно и подключены к выводам конденсатора 9 фильтра с выходными шинами.
Ключевые усилители мощности выполняются по известной полумостовой схеме [5] с задержкой включения транзисторов для предотвращения сквозных токов транзистор-транзистор.
П1
П2
П3
П4
1
3
2
4
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: четырехканальный ШИМ-1 формирует четыре последовательности широтно-модулированных импульсов с фазовым сдвигом 0, π/2, π, 3π/2. Такое формирование может быть обеспечено, например, посредством сравнения усиливаемого сигнала U с пилообразными напряжениями V, V, V, V с временным сдвигом, 0, T/4, T/2, 3T/4 соответственно (T-период ШИМ преобразования). В результате на выходах КУМ формируются знакопеременные импульсные напряжения V, V и V, V, определяемые соотношением
<mrow><mtable><mtr><mtd><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>П</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>П</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>П</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>V</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>П</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable></mtd><mtd><mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
П1
П2
П3
П4
где V(t)=V(t+T/2)=V(t+T/4)=V(t+3T/4).
1
3
2
4
К1
1
3
К2
2
4
C1
C2
Импульсные напряжения V, V и V, V попарно прикладываются к выходам блокировочных конденсаторов 6 и 14 через дроссели 4, 5 и 12, 13. Результирующие импульсные напряжения V=(V-V) и V=(V-V) вызывают протекание через блокировочные конденсаторы 6 и 14 высокочастотных токов I, I (фиг.4).
Амплитуда ВЧ тока при отсутствии входного сигнала U=0 (m=0) определяется выражением
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ч</mi><mi>М</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mi>f</mi><mi>L</mi><mo>.</mo><mtext>                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ВЧМ
ВЧ
1
3
2
4
К1
К2
Следует обратить внимание, что величина I в предлагаемом устройстве может достигать величины Max(I), характерной для известного устройства, в условиях в два раза меньшей результирующей индуктивности дросселей. Отмеченное обстоятельство объясняется тем, что в предлагаемом устройстве вследствие временного сдвига T/4 напряжений V, V и V, V результирующие разностные сигналы V и V представляют для m=0 симметричные разнополярные импульсы длительностью T/4. Это приводит к двукратному уменьшению амплитуды ВЧ тока по сравнению с импульсным сигналом типа меандр длительностью импульсов T/2, соответствующей принципу действия устройства-прототипа.
С увеличением уровня усиливаемого сигнала в диапазоне от m=0…0,5 амплитуда ВЧ тока в предлагаемом устройстве практически сохраняется, так как результирующая длительность импульсов разностных сигналов изменяется незначительно.
min
Выделенные преимущества предлагаемого устройства обеспечивают возможность реализации постоянной зоны режима ABD в диапазоне m≤0,5. При этом минимальное значение результирующей индуктивности фильтра L может быть обеспечено в два раза ниже, чем в известном устройстве.
1
3
2
4
1
3
2
4
H
H
Включение блокировочных конденсаторов 6 и 14 в предлагаемом устройстве, также как в известном, не влияет на параметры результирующего ФНЧ. Это объясняется тем, что НЧ составляющие напряжений V, V и V, V, определяемые усиливаемым сигналом, синфазны и равны по амплитуде. Следовательно, через конденсаторы 6, 14 НЧ ток практически не замыкается. Синфазные НЧ и ВЧ составляющие импульсных сигналов V, V и V, V не фильтруются блокировочными конденсаторами 6, 14, поступают непосредственно на первичные обмотки трансформаторов 7, 8 и 15, 16 и складываются в последовательно включенных вторичных обмотках не выходе устройства. Приведенное суммарное выходное напряжение соответствует результирующему импульсному сигналу при четырехканальной ШИМ. Напряжение V имеет учетверенную частоту переключений, обладает улучшенной формой и спектральным составом, что значительно упрощает условия фильтрации ВЧ составляющих выходного сигнала при весьма малых пульсациях выходного тока I (фиг.4).
Применение в предлагаемом устройстве отдельных емкостных делителей 17, 18, 19, 20 для каждого ключевого усилителя мощности исключает возможный разбаланс НЧ токов КУМ и возникновение постоянного тока первичных обмоток трансформаторов, обусловленных не идеальностью формирования широтно-модулированных импульсных последовательностей. Выделенное преимущество заметно повышает надежность работы предлагаемого устройства.
min
Двукратное уменьшение величины L при гарантированном обеспечении зоны ABD в диапазоне m=0…0,5 позволяет:
во-первых, обеспечить линейность амплитудной характеристики усиления для выходного НЧ тока до 0,5 от максимального значения;
во-вторых, в два раза уменьшить минимально достаточную величину индуктивности результирующего фильтра при заданной максимальной амплитуде ВЧ тока КУМ;
в-третьих, реализовать постоянство амплитуды ВЧ тока в широком диапазоне изменения выходного НЧ тока.
Выделенные преимущества режима ABD, реализуемые в предлагаемом устройстве, приводят более чем к двукратному уменьшению нелинейных искажений выходного сигнала, особенно в граничном режиме не более 1…1,5%, уменьшению потерь энергии вследствие мягких траекторий переключения и повышению КПД до 95%, расширению верхнего диапазона частот усиливаемых сигналов более чем 20 кГц при частоте переключений 100 кГц, в том числе, для активно-емкостной нагрузки.
Совокупность преимуществ заявляемого устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить в передающие тракты гидролокации и звукоподводной связи. В настоящее время разработан опытный образец усилителя класса ABD, созданный на основе заявляемого устройства. Результаты испытаний подтвердили представленные преимущества. Опытный образец усилителя при номинальной выходной мощности 5 кВА обеспечивает номинальный КПД 95%, динамический диапазон более 60 дБ, диапазон рабочих частот 25 кГц.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявленного технического решения, что подтверждает обоснованность его внедрения в передающей аппаратуре звукоподводной связи.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. - М.: Связь, 1980, с.207.
2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. - М.: Энергия, 1980, с.232.
3. Алексанян А.А., Галахов В.А. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с ШИМ. Радиотехника, 1986, №10.
4. Патент США №4115740 МКИ HOF 3/16 приоритет от 19.09.1978.
5. Патент РФ №2188498 МКИ HOF 3/217 приоритет от 29.01.2001.