УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к технике усиления мощности электрических сигналов и может быть использована при усилении мощности в системах воспроизведения звука, а также в усилителях мощности радиопередающих систем.
Усилители мощности предназначены для создания требуемой мощности на нагрузке, как с определенным, так и произвольным сопротивлением. Усиление по мощности определяется произведением коэффициентов усиления по напряжению и току. Для усилителей мощности чаще всего нормируются коэффициент усиления, быстродействие и связанная с ним полоса усиления полной мощности, отношение сигнал/шум. Важным параметром усилителя мощности является коэффициент полезного действия (отношение выходной и потребляемой мощности). С этим параметром связан коэффициент использования напряжения питания (отношение максимальной амплитуды выходного напряжения к напряжению питания). В технической литературе [Ю.С.Ежков, Справочник по схемотехнике усилителей, РадиоСофт, Москва, 2002, стр.154-176] приведен целый ряд схем усилителей мощности, но все они гарантируют заданную выходную мощность только на определенном сопротивлении нагрузки. Поэтому назвать их усилителями мощности можно только с уточнением, например при работе на нагрузку 4 Ом. При работе на нагрузку с произвольным сопротивлением (что является штатным режимом работы усилителя звуковой частоты, работающим на динамик) более точным будет название усилитель напряжения, если на выходе будет обеспечено напряжение
пропорциональное входному напряжению (току) или усилитель тока при обеспечении в нагрузке тока, пропорциональному входному напряжению(току). Для того, чтобы обеспечить на нагрузке с произвольным сопротивлением заданную мощность, требуются другие схемно-технические решения.
Известен полосовой усилитель мощности [патент РФ №2297093, опубликован 10.04.2007], в котором для повышения коэффициента усиления введены дополнительный детектор, дополнительный биполярный транзистор, входная корректирующую цепь, выходная согласующая цепь, высокочастотный дроссель и цепь управления. Данный усилитель обеспечивает эффективную работу только на согласованную нагрузку.
Известен усилитель мощности, реализующий способ управления силовым каналом усилителя мощности класса D [патент РФ №2320077, опубликован 20.03.2008], который содержит суммирующее устройство, с помощью которого производится вычитание сигнала отрицательной обратной связи из входного сигнала, компараторы и интегратор, позволяющие снизить потери энергии в ключах силового канала. По этому техническому решению предполагается расширение динамического диапазона усиления сигналов, но не решается задача работы на реальную нагрузку.
Наиболее близким по входящим в схему элементам является усилитель мощности радиопередатчика [патент РФ №2117381, опубликован 10.08.1998], содержащий N блоков усиления, каждый из которых содержит мостовой ключевой усилительный каскад с обратными диодами, выходной трансформатор, датчик мощности, включенный в цепь нагрузки, двухпороговый компаратор, реверсивный счетчик, регулируемый источник питания, датчик тока, датчик напряжения и управляемый ключ. По данному изобретению датчики тока и напряжения используются для определения неисправности каждого из N блоков усиления, а датчик мощности по цепи обратной связи с компаратором и реверсивным счетчиком обеспечивает переключение с неисправного блока усиления на исправный, тем самым, обеспечивая номинальную выходную мощность устройства. Решается задача сохранения работоспособности, но не обеспечения заданной мощности на реальной нагрузке.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение является создание усилителя, который обеспечивает выходную мощность в нагрузке пропорционально входному напряжению или току независимо от сопротивления нагрузки в заданных пределах.
Технический результат достигается тем, что в усилитель мощности, содержащий выходной усилитель, датчик тока и датчик напряжения, в цепь обратной связи введено решающее устройство. При этом выходной усилитель соединен с датчиком напряжения, выход которого соединен с первым входом решающего устройства, и с датчиком тока. Первый выход датчика тока является выходом на нагрузку, а второй выход соединен со вторым входом решающего устройства, выход которого соединен с управляющим входом выходного усилителя.
На чертеже фиг.1 условно изображена функциональная схема усилителя мощности, содержащая выходной усилитель 1, датчик тока 2, решающее устройство 3, датчик тока 4 и нагрузку 5. Выходной усилитель 1, вход которого является входом усилителя мощности, соединен с датчиком напряжения 4 и с датчиком тока 2. Выход датчика напряжения 4 соединен с первым входом решающего устройства 3. Первый выход датчика тока 2 является выходом на нагрузку 5, а второй выход соединен со вторым входом решающего устройства 3. Выход решающего устройства 3 соединен с управляющим входом выходного усилителя 1.
Схема усилителя мощности работает следующим образом. С выходного усилителя 1 сигнал через датчик тока 2 поступает на нагрузку 5, при этом датчик тока 2 фиксирует выходной ток, а датчик напряжения 4 фиксирует выходное напряжение. Данные о выходном напряжении и выходном токе поступают соответственно на первый и второй входы решающего устройства 3. Решающее устройство 3 определяет выходную мощность на нагрузке 5 (вычисляет произведение тока на напряжение) и по цепи обратной связи подает сигнал управления коэффициентом усиления (Кус) по напряжению (или току) выходного усилителя 1. Значение сигнала управления Кус соответствует величине выходной мощности на нагрузке 5 в данный момент времени. Если выходная мощность меньше заданной, то по сигналу управления Кус с решающего устройства 3 коэффициент усиления выходного усилителя 1 увеличивается. Если выходная мощность больше заданной, то по сигналу управления Кус коэффициент усиления выходного усилителя 1 уменьшается. Таким образом, поддерживается заданная мощность на нагрузке 5.
Выходным усилителем может быть операционный усилитель с управлением по коэффициенту усиления. Управление осуществляется с решающего устройства в зависимости от величины произведения входных сигналов от датчиков тока и напряжения. Датчик тока может быть реализован любым известным способом, например - на резисторе или с использованием датчика на эффекте Холла. Промышленностью выпускается разнообразное количество датчиков тока и напряжения. Решающее устройство может быть построено на базе операционных усилителей с использованием известных схем реализующих логарифмические, анти логарифмические закономерности, умножители, делители, например AD 825, AD835, AD8307 фирмы Analog Devices или реализовано на процессоре, например ADAU1702 фирмы Analog Devices, имеющем входные АЦП для преобразования аналогового сигнала с датчиков тока и напряжения в цифровой сигнал и выходной ЦАП для задания соответствующего коэффициента усиления в операционном усилителе или формирования сигнала обратной связи.
Наиболее простым способом реализации характеристики близкой к оптимальной является схема, построенная на резисторах в цепях обратной связи выходного усилителя, обеспечивающих обратную связь по току и по напряжению в требуемой пропорциональности.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемый усилитель мощности обеспечивает на выходе мощность пропорционально входному напряжению независимо от величины выходной нагрузки в заданных пределах.