УСИЛИТЕЛЬ ТОКА С УПРАВЛЯЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной и звуковой усилительной технике и может быть использована для построения прецизионных источников тока и преобразователей напряжение-ток, а также в усилителях высококачественного звуковоспроизведения.
Усилители с токовым характером выходного сигнала напряжения широко используют в электроизмерительной и контрольно-испытательной технике для построения управляемых источников и калибраторов тока, а также при звуковоспроизведении. Спецификой всех этих применений является широкий диапазон изменения уровня выходного сигнала тока при значительной мощности, потребляемой нагрузкой.
Усилитель тока по своим выходным характеристикам должен быть противоположен (дуален) усилителю напряжения и схемотехника этих усилителей различна. Питание обоих типов усилителей осуществляют, как правило, от источников напряжения. Без принятия специальных мер коэффициент полезного действия (КПД) усилителей тока, под которым понимается отношение активных мощностей, потребляемых нагрузкой и усилителем, крайне низок - при снижении сопротивления нагрузки и, соответственно, напряжения на нагрузке, он стремится к нулю. Избыточная мощность, потребляемая от источника питающего напряжения, выделяется в виде тепла в выходном каскаде усилителя тока, что, в целом, сильно ухудшает его характеристики. В усилителях переменного тока, для питания которых с целью повышения КПД применяют двухполярное питающее напряжение и нагрузка которых может иметь комплексный характер с широким диапазоном отношения активной и реактивной составляющих (cos φ), даже при больших уровнях напряжения на нагрузке реактивная мощность, потребляемая нагрузкой, оборачивается такими же дополнительными потерями активной мощности в усилителе.
Снижение КПД приводит к повышенному выделения тепла в силовой части усилителей, что ухудшает его надежность и практически все характеристики усилителя - электрические и весогабаритные.
Известен источник тока содержащий усилитель, выполненный в виде двухтактного повторителя напряжения, выход которого соединен с одним выводом токозадающего резистора, другой вывод соединен с общим проводом устройства и одной из клемм для подключения нагрузки, двухполярный источник питания, образованный двумя последовательно и согласно включенными элементами питания, общая точка которых служит второй клеммой для подключения нагрузки. Плюсовый вывод положительного плеча первого элемента питания соединен с положительной шиной питания усилителя, а отрицательный вывод второго элемента питания подключена к отрицательной шине питания усилителя [А.с СССР №1201826. Источник стабильного тока. Приоритет от 26.06.84 г. МПК 4 G01F 3/16].
Устройство обладает высокой стабильностью выходного сигнала тока при изменении сопротивления нагрузки. Его недостатком является низкий КПД как при малых значениях электрического сопротивления нагрузки, так и при реактивном характере нагрузки, когда вся мощность, соответствующая выходному току усилителя и напряжениям элементов питания, рассеивается на выходном каскаде усилителя.
Одно из возможных решений проблемы КПД - использование ключевых или импульсных методов преобразования сигналов, имеет существенный недостаток - погрешности, вносимые коммутационными помехами носят аддитивный характер, что не позволяет обеспечить требуемые соотношение сигнал-шум при звуковоспроизведении или точность в измерительных приложениях в широком динамическом диапазоне выходных сигналов.
Известно много решений, в которых для повышения КПД усилителей напряжения используется управление напряжением питания. Аналогичные решения применимы и к усилителям тока. В частности, усилители напряжения, работающие в режиме класса А+, в которых усилитель в режиме В формирует питание усилителя, работающего в режиме А. КПД такого усилителя напряжения повышается только на 10% [Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - М., Мир, 1991, с.219, 220.]. Усилители напряжения класса G используют два каскада, работающие при разных уровнях питания (там же, с.221, 222). Известны усилители напряжения с, так называемым, динамическим линейным возбуждением, использующие суммирование выходных сигналов двух каскадов, работающие, соответственно, при малых и больших уровнях выходного напряжения (там же, с.223, 224). Недостатками усилителей этого типа, как и усилителей класса G, являются наличие в выходном сигнале коммутационных помех и невысокий КПД. Эти недостатки не позволяют достичь у таких усилителей напряжения высокой точности в широком динамическом диапазоне при большой выходной мощности. Кроме того, при использовании их в качестве усилителей тока они обладают низкой стабильностью выходного тока при изменении сопротивления нагрузки.
Наиболее близким по реализации к предлагаемому является усилитель напряжения с управляемым источником питания [http://schematic.narod.ru/Audio/semi/Amp/20kW.gif]. Он содержит усилитель с положительным и отрицательным плечами питания, причем положительное плечо питания состоит из соединенных последовательно и согласно основного элемента питания и m дополнительных элементов питания, где m=1, 2, …, из m коммутирующих элементов (КЭ), объединенных входами управления, и m диодов, причем катод каждого из них соединен с первым выводом соответствующего коммутирующего элемента, анод первого диода соединен с объединенными выводами основного и первого дополнительного элементов питания, второй вывод последнего коммутирующего элемента соединен с плюсовым выводом последнего дополнительного элемента питания. Отрицательное плечо питания состоит из соединенных последовательно и согласно основного элемента питания и n дополнительных элементов питания, где n=1, 2, …, а также из n коммутирующих элементов, объединенных входами управления, и n диодов, причем анод каждого из которых соединен с первым выводом соответствующего коммутирующего элемента, катод первого диода соединен с объединенными выводами основного и первого дополнительного элементов питания, второй вывод последнего коммутирующего элемента соединен с минусовым выводом последнего дополнительного элемента питания. Минусовый вывод основного элемента питания положительного плеча подключен к плюсовому выводу основного элемента питания положительного плеча.
В известном устройстве ступенчатое изменение напряжения питания в зависимости от значения выходного напряжения усилителя позволяет повысить его КПД. Ключевые элементы, подключающие дополнительные элементы питания и ступенчато изменяющие напряжение питания усилителя напряжения, могут использоваться только в ключевом режиме. Из-за этого в пределах одного уровня (ступени) питающего напряжения практически вся избыточная мощность используемых ступеней питающего напряжения выделяется на выходном каскаде усилителя, что снижает его надежность и практически все его другие характеристики. Другим недостатком этого устройства является высокий уровень коммутационных помех в выходном сигнале, вызванных ступенчатым изменением питающего напряжения. Кроме того, известное устройство обладает низкой точностью и стабильностью выходного тока при изменении сопротивления нагрузки.
Задачей полезной модели является создание усилителя тока с управляемым источником питания, позволяющего повысить стабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки, снизить уровень коммутационных помех и повысить его надежность.
Поставленная задача решена за счет того, что усилитель тока с управляемым источником питания так же, как в прототипе, содержит усилитель с положительным и отрицательным плечами питания, причем положительное плечо питания состоит из соединенных последовательно и согласно основного элемента питания, и m дополнительных элементов питания, где m=1, 2, …, а также из m коммутирующих элементов, объединенных входами управления, и m диодов, катод каждого из них соединен с первым выводом соответствующего коммутирующего элемента, а анод первого диода соединен с объединенными выводами основного и первого дополнительного элементов питания, второй вывод последнего коммутирующего элемента и плюсовой вывод последнего дополнительного элемента питания соединены между собой. Отрицательное плечо источника питания состоит из соединенных последовательно и согласно основного элемента питания и n дополнительных элементов питания, где n=1, 2, …, а также из n коммутирующих элементов, объединенных входами управления, и из n диодов, анод каждого из n диодов отрицательного плеча соединен с первым выводом соответствующего коммутирующего элемента, катод первого диода соединен с объединенными выводами основного и первого дополнительного элементов питания, второй вывод последнего коммутирующего элемента и минусовой вывод последнего дополнительного элемента питания соединены между собой. При этом плюсовый вывод основного элемента питания отрицательного плеча соединен с минусовым выводом основного элемента питания положительного плеча.
Согласно полезной модели, коммутирующие элементы каждого из плеч источника питания соединены последовательно и согласно и выполнены в виде повторителей напряжения. Объединенные выводы основных элементов питания положительного и отрицательного плеч подключены к первой клемме для подключения нагрузки. Введены первый и второй элементы смещения, причем их разноименные выводы соединены с общим проводом устройства, а положительный вывод первого элемента смещения и отрицательный вывод второго элемента смещения соединены соответственно с входами управления коммутирующих элементов положительного и отрицательного плеч питания. Положительная шина питания усилителя соединена с объединенными катодом первого диода положительного плеча и первым выводом первого коммутирующего элемента положительного плеча, а отрицательная шина питания усилителя соединена с объединенными анодом первого диода отрицательного плеча и первым выводом первого коммутирующего элемента отрицательного плеча. Аноды диодов положительного плеча, начиная со второго, соединены с отрицательным выводом соответствующего дополнительного элемента положительного плеча. Катоды диодов отрицательного плеча, начиная со второго, соединены с положительным выводом соответствующего дополнительного элемента отрицательного плеча. Выход усилителя соединен с первым выводом токозадающего резистора, второй вывод которого соединен с общим проводом устройства, являющимся второй клеммой для подключения нагрузки.
Каждый коммутирующий элемент положительного плеча состоит из npn-транзистора, двух резисторов и диода, причем эмиттер и коллектор npn-транзистора являются соответственно первым и вторым выводами коммутирующего элемента, первый резистор подключен параллельно эмиттерному переходу npn-транзистора, второй резистор одним выводом соединен с базой npn-транзистора, а другой его вывод подключен к катоду диода, анод которого является входом управления коммутирующего элемента положительного плеча.
Каждый коммутирующий элемент отрицательного плеча состоит из pnp-транзистора, двух резисторов и диода, причем эмиттер и коллектор pnp-транзистора являются соответственно первым и вторым выводами коммутирующего элемента, первый резистор подключен параллельно эмиттерному переходу pnp-транзистора, второй резистор одним выводом соединен с базой pnp-транзистора, а другой его вывод подключен к аноду диода, катод которого является входом управления коммутирующего элемента отрицательного плеча.
Включение между выходом усилителя и общим проводом устройства токозадающего резистора и подключение нагрузки между объединенными выводами основных элементов питания положительного и отрицательного плеч устройства и его общим проводом обеспечивают предлагаемому усилителю тока главное свойство источника тока - высокую стабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки.
Выполнение коммутирующих элементов положительного и отрицательного плеч в виде однополярных повторителей напряжения позволяет поддерживать напряжение на шинах питания усилителя не зависящим от изменения напряжения на нагрузке в широком диапазоне. При этом каждый дополнительный элемент питания подключается к питающим шинам усилителя напряжения плавно без коммутационных помех. Кроме того, избыточная мощность используемых ступеней питающего напряжения делится между транзисторами выходного каскада усилителя и транзисторами коммутирующих элементов. Это позволяет облегчить тепловой режим выходного каскада усилителя, за счет чего повысить надежность и другие его характеристики.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого усилителя тока с управляемым источником питания.
Общий провод (шина нулевого потенциала) устройства обозначен цифрой 0. Усилитель тока с управляемым источником питания содержит усилитель 1, питание которого состоит из положительного 2 (ПП) и отрицательного 3 (ОП) плеч. Положительное плечо 2 (ПП) питания состоит из соединенных последовательно и согласно основного 4 и m дополнительных элементов питания 5, из m коммутирующих элементов 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm) и из m диодов 7, где m=1, 2, …. Катоды каждого из диодов 7 положительного плеча соединены с первыми выводами соответствующих коммутирующих элементов 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm), а аноды диодов 7 соединены с отрицательными выводами соответствующих дополнительных элементов питания 5 положительного плеча. Второй вывод последнего (m-го) коммутирующего элемента 6 и плюсовой вывод последнего (m-го) дополнительного элемента питания 5 положительного плеча соединены между собой.
Отрицательное плечо 3 (ОП) источника питания состоит из соединенных последовательно и согласно основного 8 и n дополнительных элементов питания 9, из n коммутирующих элементов 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn) и из n диодов 11, где n=1, 2, …. Аноды каждого из диодов 11 соединены с первыми выводами соответствующих коммутирующих элементов 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn), а катоды диодов 11 соединены с отрицательными выводами соответствующих дополнительных элементов питания 9. Второй вывод последнего (n-го) коммутирующего элемента 10 (КЭn) и отрицательный вывод последнего (n-го) дополнительного элемента питания 9 соединены между собой.
Коммутирующие элементы 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm) положительного плеча 2 (ПП), также как и коммутирующие элементы 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn) отрицательного плеча 3 (ОП) соединены последовательно и согласно. Положительный вывод первого элемента смещения 12 соединен с объединенными входами управления коммутирующих элементов 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm) положительного плеча 2 (ПП). Отрицательный вывод второго элемента смещения 13 соединен с объединенными входами управления коммутирующих элементов 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn) отрицательного плеча 3 (ОП). Отрицательный вывод первого элемента смещения 12 и положительный вывод второго 13 элемента смещения соединены с общим проводом 0 устройства. Положительная шина питания 15 усилителя 1 соединена с объединенными катодом первого диода 7 и первым выводом первого коммутирующего элемента 6 (КЭ1) положительного плеча 2 (ПП), а отрицательная шина питания 16 усилителя напряжения 1 соединена с объединенными анодом первого диода 11 и первым выводом первого коммутирующего элемента 10 (КЭ1) отрицательного плеча 3 (ОП).
Выход 14 усилителя 1 соединен с первым выводом токозадающего резистора 17, второй вывод которого, а также общий провод 0 устройства соединены с первой клеммой 18 для подключения сопротивления нагрузки 19. Отрицательный вывод основного элемента питания 4 положительного плеча 2 (ПП) и положительный вывод основного элемента питания 8 отрицательного плеча 3 (ОП) соединены со второй клеммой 20 для подключения сопротивления нагрузки 19.
Каждый из коммутирующих элементов 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm) положительного плеча 2 (ПП) содержит npn-транзистор 21, первый и второй резисторы 22 и 23 и диод 24. Эмиттер и коллектор npn-транзистора 21 являются соответственно первым и вторым выводами коммутирующих элементов (КЭ1, КЭ2, …, КЭm). Первый резистор 22 подключен параллельно эмиттерному переходу npn-транзистора 21. Второй резистор 23 одним выводом соединен с базой npn-транзистора 21, а другой его вывод подключен к катоду диода 24, анод которого является входом управления коммутирующего элемента 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm) положительного плеча 2 (ПП).
Каждый из коммутирующих элементов 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn) отрицательного плеча 3 (ОП) содержит pnp-транзистор 25, первый и второй резисторы 26 и 27 и диод 28. Эмиттер и коллектор pnp-транзистора 25 являются соответственно первым и вторым выводами коммутирующих элементов 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn). Первый резистор 26 подключен параллельно эмиттерному переходу pnp-транзистора 25, второй резистор 27 одним выводом соединен с базой pnp-транзистора 25, а другой его вывод подключен к аноду диода 28, катод которого является входом управления коммутирующего элемента 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn) отрицательного плеча 3 (ОП).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Усилитель 1 выполнен в виде двухтактного повторителя и напряжение на выходе 14 повторяет входное напряжение усилителя 1. Токозадающий резистор 17, включенный между общим проводом устройства и выходом усилителя 1, является единственной нагрузкой последнего. Поэтому протекающий по нему ток пропорционален входному напряжению и равен току, потребляемому усилителем 1 по положительной 15 и отрицательной 16 шинам питания от основных 4 и 8 и дополнительных 5 и 9 элементов питания обоих плеч.
При низких уровнях напряжения на нагрузке 19, пропорционального ее сопротивлению и току токозадающего резистора 17, не превосходящего по уровню напряжение элементов смещения 12 и 13, усилитель 1 получает напряжения питания от основных элементов питания 4 и 8 через первые диоды 7 и 11 соответственно положительного 2 (ПП) и отрицательного 3 (ОП) плеч питания. При этом остальные диоды закрыты и дополнительные элементы питания 5 и 9 обоих плеч питания не участвуют в питании усилителя.
Дальнейшая работа устройства поясняется для положительной полярности входного напряжения усилителя 1 и упоминаются элементы положительного плеча 2 (ПП) питания.
Наличие напряжения на сопротивлении нагрузки 19, противоположного по знаку напряжениям источников основного 4 и дополнительных 5 элементов питания, уменьшает потенциал их выводов по отношению к общему проводу 0 устройства. Возрастание уровня напряжения на сопротивлении нагрузки 19 приводит к снижению потенциала плюсового вывода основного элемента питания 4 ниже потенциала управляющих входов коммутирующего элемента 6 (КЭ1), определяемого первым элементом смещения 12, что приводит к открытию второго диода 7 и первого коммутирующего элемента 6 (КЭ1). Питание усилителя осуществляется основным 4 и первым дополнительным 5 элементами питания. При этом npn-транзистор 21 первого коммутирующего элемента 6 (КЭ1) работает в линейном режиме и обеспечивает на положительной шине питания 15 усилителя 1 напряжение, близкое к напряжению первого элемента смещения 12, достаточное для работы усилителя 1. По этому условию и выбирается значение напряжения элемента смещения 12.
По мере дальнейшего роста уровня напряжения на нагрузке 19 npn-транзистор 21 первого коммутирующего элемента 6 (КЭ1) открывается полностью, напряжение первого дополнительного элемента питания 5, поступающее на положительную шину питания 15 усилителя 1, запирает первый диод 7, который отсекает основной элемент питания 4 от положительной шины питания 15 усилителя 1. Когда npn-транзистор 21 первого коммутирующего элемента 6 (КЭ1) еще не доходит до насыщения, начинает открываться следующий коммутирующий элемента 6 (КЭ2). Таким образом, следующий дополнительный элемент питания подключается прежде, чем отключается (переходит в режим насыщения) предыдущий, чем обеспечивается плавное изменение напряжения, питающего усилитель 1, и исключаются коммутационные помехи. Указанная последовательность работы обеспечивается соответствующим выбором номиналов первого 22 и второго 23 резисторов коммутирующих элементов 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm).
Аналогично работает и отрицательное плечо питания 3 усилителя 1 при отрицательной полярности его выходного напряжения.
Коммутирующие элементы 6 (КЭ1, КЭ2, …, КЭm) и 10 (КЭ1, КЭ2, …, КЭn) могут также выполняться и на полевых транзисторах с типом проводимости канала, соответствующим полярности питания каждого плеча, а также других управляемых приборах, работающих в линейном режиме.
Количество коммутирующих элементов в каждом из плеч питания усилителя 1 может быть различным. Предлагаемое решение применимо и к усилителям с однополярным питанием, когда отсутствуют все элементы одного из плеч питания.
Выполнение коммутирующих элементов в виде повторителей напряжения позволяет поддерживать постоянным напряжение на шинах питания усилителя 1 независимо от изменения напряжения на нагрузке 19.
КПД предлагаемого усилителя тока с управляемым источником питания не уступает другим известным решениям, в которых используется ступенчатое изменение напряжения питания. Его преимуществом является отсутствие коммутационных помех, поскольку на шинах питания усилителя 1 всегда поддерживается напряжение, превышающее его выходной сигнал на величину напряжений элементов смещения 12 и 13. Это также позволяет рассеивать избыточную мощность, потребляемую от используемых ступеней питающего напряжения, на транзисторах коммутирующих элементов, по крайней мере, один из которых работает в линейном режиме, что облегчает тепловой режим выходного каскада усилителя 1 и за счет чего повышается его надежность и улучшаются другие его характеристики.