УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА "D"

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в источниках вторичного электропитания, усилителях сигналов звуковых частот, генераторах зондирующих сигналов гидроакустических систем, в ультразвуковых технологических установках. Преимущественная область использования - гидроакустика.
Известен двухтактный ключевой усилитель мощности [1], работающий на фиксированной частоте, содержащий два транзистора, коллекторы которых подключены к первичной обмотке трансформатора, средняя точка которой подсоединена к источнику постоянного напряжения, а к другим обмоткам трансформатора подключена нагрузка и вспомогательные элементы управления. Первичная обмотка трансформатора работает в режиме последовательного резонанса с конденсатором, включенном в тиристорный мост. Транзисторы, работающие в ключевом режиме, предназначены для улучшения формы тока в резонансной цепи трансформатора и обеспечения безопасной работы тиристоров.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности усилителя, обусловленные тем, что ключевые элементы усилителя (транзисторы) отпираются поочередно на временные интервалы равные половине периода выходного сигнала. За счет инерционности транзисторов, в их коллекторных цепях в момент переключения возникают сквозные токи, что снижает надежность работы усилителя. Выходной сигнал усилителя имеет сложный гармонический состав, а коэффициент гармоник (отношение действующего значения высших гармоник к значению первой гармоники) равен 48,4%. [2]. Это снижает общий коэффициент полезного действия усилителя. Наличие настроенного в резонанс первичного контура усилителя обуславливает его работу только на частоте резонанса, что не позволяет формировать сигналы в широком диапазоне частот. Так как в современных гидроакустических системах используют сложные частотно модулированные (ЧМ) фазомодулированные (ФМ) и другие виды широкополосных сигналов, то данный усилитель находит в них ограниченное применение. Кроме того в усилителе сложно выполнять регулировку выходной мощности и защищать коллекторные цепи транзисторов от перенапряжений.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом - транзисторы, коллекторы которых подключены к первичной обмотке трансформатора, средняя точка которой подсоединена к источнику постоянного напряжения, а к другим обмоткам трансформатора подключена нагрузка.
В усилителе, предложенном в патенте [3] в качестве резонансного контура использована вторичная обмотка трансформатора, настроенная в параллельный резонанс с емкостью нагрузки, а транзисторы отпираются на четверть периода формируемых выходных колебаний. Это позволило устранить сквозные токи через транзисторы, но остальные недостатки не были устранены. Кроме того в результате появления интервалов времени когда оба транзистора закрыты - увеличилась величина выбросов перенапряжений на коллекторах транзисторов [4, рис.9.2].
Анализ аналогичных патентов [5-15] показал, что им присущи все перечисленные недостатки. Кроме того в них не установлены цепи защиты коллекторных (стоковых) цепей транзисторов от выбросов перенапряжений, возникающих при запирании транзисторов.
Устройства, описанные в данных патентах, имеют признаки, совпадающие с заявленным объектом - два транзистора, коллекторы (или стоки) которых подключены к первичной обмотке трансформатора, средняя точка которой подсоединена к источнику постоянного напряжения, а к другим обмоткам трансформатора подключена нагрузка.
В литературных источниках [2, 4, 16] приведены схемные реализации усилителей класса D, в которых установлены дополнительные элементы, защищающие коллекторные (стоковые) цепи транзисторов от выбросов перенапряжений. Такими элементами являются:
- цепочки, состоящие из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и подключенные параллельно секциям первичной обмотки трансформатора;
- стабилитроны, подключенные между коллекторами (стоками) транзисторов и общей шиной усилителя, или между коллекторами (стоками) и средней точкой первичной обмотки трансформатора;
- цепочки, состоящие из диода, параллельно соединенных резистора и конденсатора и подключенные между коллекторами (стоками) транзисторов и общей шиной усилителя, или между коллекторами (стоками) и средней точкой первичной обмотки трансформатора.
Эти цепочки уменьшают величину выбросов напряжения на коллекторах (стоках) транзисторов, но при этом на элементах цепочек рассеивается значительная мощность, достигающая при высокой частоте выходного сигнала (десятки - сотни килогерц) до 10% от выходной мощности усилителя. Это уменьшает его общий коэффициент полезного действия, увеличивает габариты и тепловыделение усилителя. Увеличенная мощность, рассеиваемая на элементах цепочек, объясняется тем, что ток в них протекает при любых изменениях напряжения на коллекторах (стоках) транзисторов как при их запирании, так и при их отпирании. Рабочие перепады напряжения на коллекторах (стоках) транзисторов, достигающие удвоенной величины напряжения питания прикладываются к элементам цепочек и вызывают протекание в них значительных импульсных токов даже при отсутствии выбросов перенапряжений. Оптимальные параметры элементов цепочек зависят от значений частоты выходного сигнала, напряжения питания, выходной мощности и величины нагрузки. При работе усилителя на акустические преобразователи, а тем более в диапазоне частот, приходится выбирать параметры цепочек для наиболее сложного сочетания исходных параметров, поэтому при их других значениях происходит или увеличение потребляемой мощности, или появление некомпенсированных выбросов напряжения на коллекторах (стоках) транзисторов. Следует также отметить, что импеданс акустических преобразователей в значительной степени зависит от частоты питающих напряжений [17], что усложняет процесс оптимизации параметров цепочек. В гидроакустических системах регулировку выходной мощности обычно осуществляют путем изменения выходного напряжения подаваемого на элементы акустического преобразователя. Регулировку выходной мощности путем изменения длительности импульсов, снимаемых с усилителя, практически не используют, так как при этом изменяется спектральный состав выходного сигнала [2]. Изменяют величину выходного напряжения обычно двумя способами: выполняют вторичную обмотку трансформатора с отводами и подключают нагрузку к части вторичной обмотки, или меняют величину постоянного напряжения питающего усилитель. В первом случае усложняется конструкция выходного трансформатора и элементов коммутации, так как они расположены в высокочастотных цепях усилителя. Во втором варианте изменяют величину постоянного напряжения питающего усилитель, и элементы коммутации находятся или в цепях постоянного тока, или в низкочастотных цепях блока питания усилителя (обычно это сеть с частотой 50 Гц). Однако при изменении напряжения питания усилителя изменяются и требования к параметрам цепочек защиты коллекторных (стоковых) цепей от перенапряжений. При использовании в качестве элементов защиты стабилитронов, их рабочее напряжение определяется наибольшей величиной постоянного напряжения питания усилителя, а при понижении напряжения питания на транзисторах появляются некомпенсированные выбросы напряжения. Это ухудшает форму выходного сигнала, в нем появляются дополнительные спектральные составляющие, ухудшающие условия возбуждения акустических преобразователей в диапазоне частот и последующую обработку эхо-сигналов в приемных трактах гидроакустических систем.
Все это ограничивает эксплуатационные возможности имеющихся усилителей класса D.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом - два транзистора, коллекторы (или стоки) которых подключены к защитным цепочкам и к выводам первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подсоединена к источнику постоянного напряжения, а к другим обмоткам трансформатора подключена нагрузка; другие концы защитных цепочек подсоединены к источнику постоянного напряжения или к общей шине усилителя.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей усилителя класса D.
Технический результат заключается в том, что путем введения в имеющиеся усилители класса D дополнительных блоков и связей происходит полное устранение выбросов перенапряжений на коллекторах (стоках) транзисторов при любых значениях постоянного напряжения питания усилителя, а также уменьшается мощность, рассеиваемая на элементах цепочек, защищающих транзисторы от перенапряжений.
Технический результат достигается тем, что в усилитель класса D, содержащий два транзистора, коллекторы (или стоки) которых подключены к защитным цепочкам и к выводам первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подсоединена к источнику постоянного напряжения, а к другим обмоткам трансформатора подключена нагрузка; другие концы защитных цепочек подсоединены к источнику постоянного напряжения или к общей шине усилителя, дополнительно введены две цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и резистора; один конец каждой цепочки соединен с коллектором (стоком) транзистора, а другие концы цепочек соединены с источником опорного напряжения равного удвоенной величине постоянного напряжения.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема заявляемого усилителя класса D, на фиг.2 - один из возможных вариантов схемной реализации усилителя.
Усилитель (Фиг.1) содержит два транзистора 1 и 2, коллекторы или стоки которых соединены с защитными цепочками 3, 4 и с выводами первичной обмотки трансформатора 5, средняя точка которой подсоединена к источнику постоянного напряжения U1. К другим обмоткам трансформатора 5 подключена нагрузка 6. Другие концы защитных цепочек 3 и 4 подсоединены к источнику постоянного напряжения U1 или к общей шине усилителя. К коллекторам (стокам) транзисторов подключены дополнительные цепочки, каждая из которых состоит из последовательно соединенных диодов 7, 8 и резисторов 9, 10. Другие концы дополнительных цепочек подсоединены к источнику опорного напряжения 11 с уровнем напряжения U2 равным удвоенной величине напряжения U1. При использовании биполярных n-p-n транзисторов или полевых транзисторов с n-каналом напряжения U1 и U2 имеют положительную полярность, а диоды 7 и 8 установлены катодами по направлению к источнику опорного напряжения U2-11. При использовании p-n-p биполярных транзисторов или полевых транзисторов с p-каналом напряжения U1 и U2 имеют отрицательную полярность, а диоды 7 и 8 установлены анодами по направлению к источнику опорного напряжения U2-11. Базы (затворы) транзисторов соединены с драйвером 12.
Драйвер 12 вырабатывает последовательности противофазных видеоимпульсов U3 и U4, поступающие на базы (затворы) транзисторов 1 и 2 и открывающие их. Транзисторы 1 и 2 работают в ключевом режиме. При их запирании на обмотках трансформатора 5 возникают импульсные напряжения U5 и U6, величина которых может значительно превышать уровень постоянного напряжения U1, что может привести к пробою транзисторов 3 и 4. Для их устранения установлены защитные цепочки 3 и 4, одни концы которых подсоединены к коллекторам (стокам) транзисторов 1 и 2, а другие концы - к средней точке трансформатора 5 или к общей шине усилителя. Защитные цепочки 3 и 4 могут состоять из последовательно соединенных резистора и конденсатора, стабилитронов или сочетания других элементов [16]. При работе усилителя в полосе частот на нагрузку имеющую комплексный импеданс, зависящий от частоты (акустический преобразователь) выбросы напряжений U5 и U6 не убираются полностью защитными цепочками 3 и 4, поэтому между коллекторами (стоками) транзисторов 3, 4 и источником опорного напряжения 11 установлены дополнительные цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода 7 или 8 и резистора 9 или 10. Уровень опорного напряжения U2 равен удвоенной величине постоянного напряжения U1. Так как рабочее напряжение на коллекторах (стоках) транзисторов 1 и 2 при работе усилителя изменяется в пределах от напряжения насыщения до удвоенной величины постоянного напряжения U1, то все не скомпенсированные выбросы напряжений U5 и U6 будут убираться дополнительными цепочками 7-9 и 8-10. Таким образом, напряжения на коллекторах (стоках) транзисторов не будут превышать удвоенной величины постоянного напряжения U1, что предохранит транзисторы от пробоя и улучшит форму выходного напряжения. Кроме того, так как основное ограничение выбросов напряжений U5 и U6 выполняют дополнительные цепочки 7-9 и 8-10 то требования к защитным цепочкам 3 и 4 существенно снижаются, на них рассеивается значительно меньшая мощность, а в отдельных случаях их можно не устанавливать.
На фиг.2 показан упрощенный вариант схемной реализации усилителя. На первичную обмотку трансформатора Т1 подается сетевое переменное напряжение Uceт. С вторичной обмотки трансформатора Т1 снимается напряжение Uпит., величина которого может устанавливаться с помощью переключателя S1 в заданных пределах. Диодный мост VD1-VD4 и конденсатор С1 образуют двухполупериодный выпрямитель с уровнем выходного постоянного напряжения U1, подаваемого на среднюю точку первичной обмотки трансформатора Т2. Элементы C2, C3 и VD6 образуют второй выпрямитель с выходным напряжением U2 равным удвоенной величине постоянного напряжения U1 [18]. Это напряжение используется в качестве опорного и к нему подсоединены дополнительные цепочки R1-VD7, R2-VD8, другие концы которых подсоединены к стокам транзисторов VT1 и VT2. Элементы С4-R4 и С5-R5 составляют защитные цепочки. С драйвера на затворы транзисторов подаются противофазные импульсные последовательности U3 и U4, отпирающие транзисторы VT1 и VT2. При переключении транзисторов на их стоках образуются выбросы напряжений U5 и U6, которые частично сглаживаются защитными цепочками С4-R4 и С5-R5, а при превышении выбросами уровня напряжения U2 ограничиваются дополнительными цепочками R1-VD7, R2-VD8 до уровня U2. Дополнительная энергия, запасенная при этом в конденсаторе C3, рассеивается затем резистором R3. Регулировка выходной мощности усилителя осуществляется путем изменения величины напряжения Uпит. При этом меняется уровень постоянного напряжения U1 и одновременно величина опорного напряжения U2, которая будет равна удвоенной величине напряжения U1.
По материалам заявки был изготовлен макет усилителя, работающий на гидроакустическую антенну. Во всем диапазоне рабочих частот антенны, расположенных выше и ниже ее резонансной частоты выходной сигнал имел форму меандра, а напряжения на стоках транзисторов усилителя практически не превышали удвоенную величину постоянного напряжения питания усилителя.
Источники информации
1. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.26-35.
2. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.
3. Патент RU 25819 «Двухтактный ключевой усилитель мощности с емкостной нагрузкой», опубл. 20.10.2002.
4. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов вторичных источников электропитания. - М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.
5. Патент SU 1125743 «Усилитель класса Д», опубл. 23.11.1984.
6. Патент SU 1314439 «Двухтактный усилитель мощности», опубл. 30.05.1987.
7. Патент SU 1403307 «Двухтактный транзисторный инвертор», опубл. 15.06.1988.
8. Патент SU 1473050 «Двухтактный преобразователь постоянного напряжения», опубл. 15.04.1989.
9. Патент RU 2073303 «Двухтактный регулируемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное», опубл. 10.02.1997.
10. Патент RU 2120884 «Ключевое устройство», опубл. 10.05.1998.
11. Патент RU 2188498 «Двухканальный усилитель класса D», опубл. 27.08.2002.
12. Патент RU 2195687 «Гидроакустический передающий тракт», опубл. 27.12.2002.
13. Патент RU 2217790 «Преобразователь напряжения», опубл. 27.11.2003.
14. Патент RU 2267218 «Трансформатор постоянного напряжения», опубл. 27.12.2005.
15. Патент RU 2339150 «Двухтактный усилитель», опубл. 20.11.2008.
16. Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры. - Киев: Выща школа, 1986. - 383 с.
17. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. - Л.: Судостроение, 1980. - 232 с.
18. Журнал «Funkschau» (ФРГ), №10, 1980.