УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для защиты усилителя мощности при работе на динамически изменяющуюся нагрузку.
Одной из основных задач при проектировании усилителей мощности для систем радиосвязи является задача максимального использования транзисторов усилителя по мощности. Это приводит к тому, что мощные высокочастотные транзисторы не имеют больших запасов по максимально допустимым параметрам в нормальном эксплуатационном режиме работы. Даже весьма кратковременное и сравнительно небольшое превышение этих параметров приводит к снижению надежности или внезапному отказу транзистора. Основной причиной произвольного изменения режимов эксплуатации радиопередающего оборудования является рассогласование выходных каскадов усилителей мощности с нагрузкой. Поэтому задача избавления транзисторов от опасности выхода из строя из-за перегрузок оказывается значимой.
Известны устройства защиты [Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. - 2-е изд. - М: Энергия, 1976. - 448 с] усилителей мощности от перегрузок по выходу, связанных с изменением величины нагрузки, представляющие собой ферритовые вентили или циркуляторы с балластной нагрузкой, устанавливаемые между выходом усилителя мощности и его нагрузкой. Достоинством этих устройств является быстродействие защиты. К их недостаткам следует отнести: узкополосность, большие вес и габариты устройств на феррите, а при большом уровне мощности и балластных нагрузок, снижение КПД усилителя при работе на динамически меняющуюся нагрузку.
Для защиты транзисторов усилителя от перегрузки как со стороны входа, так и со стороны выхода, в том числе при значительном рассогласовании выходного сопротивления усилителя с нагрузкой можно использовать устройство [Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки / Титов А.А., Ильюшенко В.Н. RU 2217861, оп.27.11.2003], содержащее в цепи обратной связи усилителя мощности направленный ответвитель (НО), выполненный в виде двух связанных линий, вход первой из которых нагружен на согласованную нагрузку НО, а выход соединен с детектором, выход которого соединен с блоком управления. Вход второй линии НО подключается к выходу усилителя мощности, а ее выход - к нагрузке усилителя мощности. В состав цепи обратной вязи введен биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, с которого на базу биполярного транзистора подается постоянное запирающее оба перехода биполярного транзистора напряжение. Коллектор-эмиттер биполярного транзистора является двухполюсником, соединенным с общим для усилителя мощности и цепи обратной связи проводником и входом усилителя мощности.
С увеличении рассогласования нагрузки усилителя мощности с выходным сопротивлением НО мощность отраженной волны, а значит, и напряжение на выходе детектора увеличиваются. При превышении допустимого значения, напряжение управления, подаваемое на базу транзистора с блока управления, начинает уменьшаться, уменьшая амплитуду входного воздействия, поступающего на вход усилителя мощности.
Достоинствами данного устройства называются высокое быстродействие и возможность защиты выходного транзистора усилителя мощности от перегрузки по входу при воздействии на управляющий транзистор сигналов, вплоть до создающих максимально допустимую мощность рассеяния на коллекторе транзистора, подключаемого ко входу усилителя мощности. Недостатком является ограничение по частоте входного сигнала, обусловленное внесением в ВЧ тракт достаточно большой емкости коллекторного перехода биполярного транзистора, не позволяющее применять данное устройство в широкополосных усилителях мощности. Еще одним недостатком является снижение КПД усилителя мощности при снижении напряжения возбуждения выходного каскада из-за перехода его ВЧ транзисторов в недонапряженный режим работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство защиты, описанное в книге: Радиопередающие устройства / М.В.Балакирев, Ю.С.Вохмяков, А.В.Журиков и др.; Под ред. О.А.Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982, глава 10. Оно состоит из направленного ответвителя на выходе усилителя мощности, регистрирующего отраженную от нагрузки волну, детектора и операционного усилителя, выходной сигнал которого поступает на каскад предварительного усилителя с переменным коэффициентом усиления. При рассогласовании нагрузки уменьшается мощность раскачки, поступающая на выходной каскад.
Данное устройство можно использовать для защиты усилителя мощности в широкой полосе частот, однако применение такого устройства также снижает КПД выходного каскада, а значит и КПД усилителя мощности в целом. Поэтому существует опасность теплового разрушения транзисторов выходного каскада.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является защита усилителя мощности и сохранение КПД его выходного каскада при перегрузке со стороны выхода усилителя мощности при работе на динамически изменяющуюся нагрузку вплоть до ее короткого замыкания или обрыва.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство защиты усилителя мощности, содержащее усилитель мощности, направленный ответвитель, выполненный в виде двух связанных линий, детектор отраженной волны, первый дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения, введены второй дифференциальный усилитель, первый фильтр нижних частот? широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, второй фильтр нижних частот, при этом усилитель мощности содержит последовательно соединенные регулируемый каскад предварительного усиления и выходной каскад и подключен через первую из связанных линий направленного ответвителя к нагрузке усилителя мощности, вход второй линии направленного ответвителя согласован, а ее выход через детектор соединен с первыми входами первого и второго дифференциальных усилителей, вторые входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, выход первого дифференциального усилителя подключен к управляющему входу регулируемого каскада предварительного усиления усилителя мощности, выход второго дифференциального усилителя через первый фильтр нижних частот, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, второй фильтр нижних частот подключен ко входу питания выходного каскада усилителя мощности.
На чертеже представлена структурная схема заявляемого устройства, где обозначены: усилитель мощности (12), направленный ответвитель (1), нагрузка (13) усилителя мощности (12), детектор (4), первый (2) дифференциальный усилитель, второй (6) дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения (7), первый (9) фильтр нижних частот, широтно-импульсный модулятор (8), импульсный усилитель (5), второй (3) фильтр нижних частот, при этом усилитель мощности (12) содержит регулируемый каскад (10) предварительного усиления и выходной каскад (11).
Устройство работает следующим образом. Направленный ответвитель (1) является датчиком отраженной от нагрузки (13) усилителя мощности (12) волны, мощность которой пропорциональна напряжению, снимаемому с детектора (4). Напряжение с выхода детектора (4) поступает на инвертирующие входы первого (2) и второго (6) дифференциальных усилителей. На неинвертирующие входы первого (2) и второго (6) дифференциальных усилителей подается постоянное напряжение с источника опорного напряжения (7), определяющее безопасный для усилителя мощности (12) уровень мощности отраженной волны. Выходной сигнал первого (2) дифференциального усилителя управляет коэффициентом усиления регулируемого каскада (10) предварительного усиления усилителя мощности (12). Выходной сигнал второго (6) дифференциального усилителя поступает через первый (9) фильтр нижних частот на широтно-импульсный модулятор (8), управляя шириной, формируемых им импульсов, поступающих на вход импульсного усилителя (5). Полученный сигнал с выхода импульсного усилителя (5) преобразуется с помощью второго (3) фильтра нижних частот в напряжение питания выходного каскада (11) усилителя мощности (12). Первый (9) фильтр нижних частот необходим для устойчивости системы с обратной связью.
Если значение сопротивления нагрузки (13) усилителя мощности (12) находится в пределах допустимого диапазона, то напряжение на выходе детектора (4), поступающее на инвертирующие входы первого (2) и второго (6) дифференциальных усилителей, незначительно. Напряжение на выходе первого (2) дифференциального усилителя соответствует максимальному значению коэффициента усиления регулируемого каскада (10) предварительного усиления, мощности которого достаточно для обеспечения критического режима работы выходного каскада (11) усилителя мощности (12). Напряжение на выходе второго (6) дифференциального усилителя, преобразованное с помощью первого (9) фильтра нижних частот, широтно-импульсного модулятора (8), импульсного усилителя (5) и второго (3) фильтра нижних частот в напряжение питания выходного каскада (11) усилителя мощности (12) соответствует значению достаточному для полного использования транзисторов выходного каскада (11) по напряжению и мощности и обеспечения требуемой выходной мощности в номинальной нагрузке (13) усилителя мощности (12).
При аварийном изменении сопротивления нагрузки (13) усилителя мощности (12) в ВЧ тракте появляется отраженная волна, регистрируемая направленным ответвителем (1), сигнал с детектора (4) увеличивается, уменьшая выходные напряжения первого (2) и второго (6) дифференциальных усилителей. Управляющее напряжение на выходе первого (2) дифференциального усилителя уменьшает коэффициент усиления регулируемого каскада (10) предварительного усиления усилителя мощности (12), снижая уровень мощности возбуждения выходного каскада (10) усилителя мощности (12), а управляющее напряжение на выходе второго (6) дифференциального усилителя уменьшает ширину формируемых широтно-импульсного модулятором (8) импульсов, понижая напряжение питания выходного каскада (11) усилителя мощности (12), а значит его выходную и, следовательно, отраженную от нагрузки (13) мощность, защищая усилитель мощности (12) от перегрузки, вызванной изменением величины нагрузки (13). Одновременное управление уровнями возбуждения и напряжения питания выходного каскада (11) усилителя мощности (12) позволяет обеспечить режим работы его транзисторов близким к критическому, и его КПД, большей частью определяющий и КПД всего усилителя мощности (12), при этом остается неизменным.