Усилитель класса Н
CLASS H AMPLIFIER

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в гидроакустических широкополосных усилителях мощности.
н
н
т
Z
Известны технические решения усилителей [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, 209 с.], основанные на использовании ключевых усилителей мощности (КУМ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), определенных по принятой классификации как усилители класса D. Усилители класса D характеризуются высокой энергетической эффективностью, в том числе при работе на комплексную нагрузку с выраженной емкостной составляющей проводимости, что характерно для гидроакустических излучателей, выполненных на пьезоактивных материалах. В ключевом режиме работы потери на полупроводниковых приборах весьма малы и практически не зависят от сдвига фазы между выходным напряжением U и током I. При этом относительные потери энергии р, отнесенные к номинальной выходной мощности P, как правило, не превышают 10%. Вместе с тем, нелинейность импульсного преобразования и задержки переключений транзисторов оконечных каскадов КУМ обусловливают существенные нелинейные искажения (до 3%) и ограничивают динамический диапазон усилителей класса D (как правило, не более 30-40 дБ), что ограничивает возможности их применения в передающих трактах режимов гидроакустической связи (ГС), где требуется высокое качество широкополосных излучаемых сигналов.
н
н
Известны технические решения линейных усилительных устройств, с требуемым качеством широкополосных сигналов ГС, основанные на использовании усилителей класса АВ [Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей М.: Радио и связь 1988, 240 с]. В таких усилителях остаточное напряжение на проводящих транзисторах могут достигать значительной величины, особенно при работе на комплексную нагрузку. В режиме номинальной мощности при работе на активную нагрузку относительные потери энергии усилителя класса В составляют 25%, а при малом коэффициенте активной мощности нагрузки (при cos ϕ=0,1-0,2 где ϕ - фазовый сдвиг между выходным напряжением и током нагрузки) могут достигать 90-110% [Статья. Александров В.А., Майоров В.А., Маркова Л.В. Модули силовой электроники передающих трактов гидроакустических комплексов / Морская радиоэлектроника №2 (64), июль 2018. С 18-23].
Уменьшить потери энергии в линейном усилителе позволяет использование усилителя класса G, основанного на дискретном изменении напряжений электропитания усилителя мощности класса АВ [US 8072266 В class G amplifier with improved supply rail transition control. Date of patent Dec. 6, 2011]. Переключение даже одной ступени электропитания в усилителе класса G позволяет вдвое понизить потери энергии при работе на активную нагрузку. Однако, в условиях возбуждения гидроакустического преобразователя с малым коэффициентом активной мощности, потери энергии уменьшаются незначительно и могут достигать 70-80%.
Указанное обстоятельство обусловлено в известном усилителе класса G двумя факторами: во-первых, увеличением остаточных напряжений вследствие конечной величины дискретного изменения ступени электропитания; во-вторых, отсутствием рекуперации энергии из емкостной составляющей нагрузки.
Влияние первого фактора значительно уменьшено в известном усилителе класса Н [патент US №8149061 В2 Class Н amplifier. Date of patent: Apr, 3, 2011], где предложено использование плавного изменения напряжения электропитания линейного усилителя мощности в соответствии с выпрямленным выходным напряжением. Этот усилитель по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения.
Устройство-прототип, выполненное в соответствии со структурной схемой (фиг. 1), содержит сумматор 1, широтно-импульсный модулятор 2 (ШИМ), ключевой усилитель 3 мощности (КУМ), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ), инвертирующий ключевой преобразователь напряжения 5 (ПН), линейный усилитель 6 мощности (ЛУМ) класса АВ, цепь 7 обратной связи и нагрузку 8, в качестве которой используется акустический динамик (наушники). Положительная и отрицательная шины электропитания линейный усилитель мощности класса АВ в составе известного усилителя класса Н соединены через фильтр нижних частот с выходом ключевого усилителя мощности и с выходом инвертирующего ключевого преобразователя, причем шина электропитания ключевого усилителя мощности соединена с шиной электропитания усилителя, а вход - через широтно-импульсный модулятор с выходом сумматора, первый вход которого соединен с шиной управления усилителя, а второй вход, через цепь обратной связи, с выходом инвертирующего ключевого преобразователя напряжения, вход которого подключен к фильтру нижних частот.
у
AB
н
АВ
АВ
0
Принцип действия прототипа поясняются временными диаграммами сигналов (фиг. 2): U - управляющее напряжение на входе сумматора 1 и U - входной сигнал усилителя (фиг. 2а); U - выходное напряжение КУМ 3; i - ток нагрузки; +Е, -Е - положительное и отрицательное напряжения электропитания ЛУМ 6; U - остаточное напряжение на усилительных элементах ЛУМ 6 (фиг. 2б и фиг. 2в соответственно для активной и емкостной нагрузки).
Работа усилителя-прототипа осуществляется следующим образом.
y
AB
На входе формируется управляющее напряжение U, пропорциональное выпрямленному выходному напряжению U с дополнительным смещением ΔЕ:
где β - коэффициент передачи цепи 7 обратной связи. Такое управляющее напряжение для устройства прототипа формируется отдельным процессорным блоком (на фиг. 1 не показан), обеспечивающим цифровую обработку входного сигнала U.
y
АВ
АВ
Управляющее напряжение U преобразуется ШИМ 2 в последовательность высокочастотных импульсов, при ключевом усилении которых в КУМ 3 на выходе ФНЧ 4 формируется положительное напряжение +Е электропитания усилителя 6. При этом ПН 5 формирует аналогичное напряжение отрицательной полярности -Е:
AB
Использование обратной связи по напряжению электропитания усилителя 6 обеспечивает заданную точность выполнения условий (2) для низкочастотного диапазона усиливаемых сигналов. В случае активной нагрузки (фиг. 2б) в условиях синфазного выходного напряжения усилителя 6 U и тока нагрузки реализация известного усилительного устройства класса Н уменьшает потери энергии связанные с мощностью тепловыделения до уровня:
ABmax
AB
AB
где m=U/Max|E| - относительная амплитуда выходного напряжения U от максимального значения напряжения электропитания Е, для номинального режима работы m=(1-е) (где е=ΔЕ/Е);
н
Z - импеданс нагрузки для коэффициента активной мощности cos ϕ=1, Z=R.
т
Z
т
2
Нормируя величину Р к максимальной выходной мощности P≈E/2Z, получим относительные потери энергии р в усилительном устройстве класса Н:
С учетом весьма малой величины е≈0,1 в номинальном режиме относительные потери энергии в устройстве-прототипе при работе на активную нагрузку не превышают 13%.
н
AB
н
0
Однако при наличии фазового сдвига ϕ выходного напряжения линейного усилителя мощности ЛУМ 6 от тока нагрузки во время разнополярных величин U и i (фиг. 2в), остаточное напряжение U на усилительных элементах резко возрастает, что обуславливает увеличение мощности тепловыделения до уровня:
н
н
При этом для малых значений коэффициента активной мощности cos ϕ (при ϕ≈π/2) в номинальном режиме (m≈1) относительные потери энергии достигают значений:
Z
2
То есть даже при весьма малом значении е относительные потери в устройстве-прототипе составляют не менее 60% от уровня полной выходной мощности Max|P|=E/Z.
Проведенная оценка показывает низкую эффективность усилителя-прототипа при работе на комплексную нагрузку с выраженной емкостной проводимостью, к которой относятся гидроакустические излучатели, выполненные на пьезоактивных материалах. Следует заметить, что гидроакустические излучающие тракты даже для сравнительно маломощных режимов гидроакустической связи между необитаемыми подводными аппаратами (АНПА) характеризуются мощностью возбуждения сотни ВА. Электропитание передающей аппаратуры в таких устройствах осуществляется от аккумуляторных батарей с ограниченным энергоресурсом, что требует минимизации потерь энергии. Здесь большая мощность тепловыделения в усилительных элементах принципиально ограничивает применение известного усилительного устройства класса Н. В свою очередь использование технического аналога на основе усилителя класса D, характеризующегося высокой энергетической эффективностью, ограничено низким качеством сигналов возбуждения излучающей антенны.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности усилителя класса Н при работе на комплексную нагрузку.
Для решения поставленной задачи в известный усилитель класса Н, содержащий последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор, ключевой усилитель мощности, фильтр нижних частот и преобразователь напряжения, также содержащий сумматор, первый вход которого соединен с выходом цепи обратной связи, и линейный усилитель мощности, подключенный выходом к входу нагрузки, общий вход которой соединен с общей шиной устройства, предлагается ввести новые признаки, а именно: драйвер с гальванической развязкой, выход которого соединен с входом линейного усилителя мощности, а вход - с выходом сумматора, второй вход которого подключен к шине входного сигнала, в свою очередь выход линейного усилителя мощности соединен с входом цепи обратной связи, причем преобразователь напряжения содержит высокочастотный инвертор, трансформатор, синхронный выпрямитель, высокочастотный генератор, прямой и инверсный выходы которого соединены, соответственно, с прямым и инверсным входами синхронного выпрямителя и высокочастотного инвертора, выходы которого подключены к первичной обмотке трансформатора, соединенного вторичной обмоткой к входам синхронного выпрямителя, причем средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с входом преобразователя напряжения, первый и второй выходы положительного и отрицательного напряжения электропитания которого подключены к соответствующим входам электропитания высокочастотного инвертора и ключевого усилителя мощности, а также к шинам положительного и отрицательного электропитания устройства, при этом выходы положительного и отрицательного напряжения синхронного выпрямителя соединены через соответствующие выходы преобразователя напряжения с шинами электропитания линейного усилителя мощности.
Технический результат от использования заявляемого усилителя класса Н заключается в обеспечении рекуперации реактивной энергии комплексной нагрузки через соединенные последовательно линейный усилитель мощности с пониженным напряжением электропитания и ключевой усилитель мощности с высоким напряжением электропитания, с последующим использованием этой энергии для передачи в нагрузку. С учетом пониженного остаточного напряжения на элементах линейного усилителя мощности в циклах прямой и обратной передачи энергии, достигается значительное уменьшение потерь энергии при возбуждении комплексной нагрузки, в качестве которой может быть использован гидроакустический излучатель.
п
ШИМ
D
AB
н
АВ
АВ
1
2
0
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена структурная схема усилителя прототипа, на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу прототипа, на фиг. 3 - представлена структурная схема предлагаемого усилителя класса Н и на фиг. 4 - диаграммы сигналов, поясняющих принцип действия на примере усиления гармонического сигнала. При этом на фиг. 4а иллюстрируется входной сигнал U и опорное пилообразное напряжение U, широтно-импульсного модулятора, на фиг. 4б приведены временные диаграммы импульсного напряжения V ключевого усилителя мощности и выходного сигнала фильтра нижних частот U, на фиг. 4в - представлены диаграммы выходного напряжения линейного усилителя мощности U и тока нагрузки i, напряжений в шинах положительного и отрицательного электропитания линейного усилителя мощности +Е и -Е, напряжения на выходах синхронного выпрямителя Е(ϕ) и Е(ϕ), определяющие остаточное напряжение U на его усилительных элементах линейного усилителя мощности.
Заявляемый усилитель класса Н (фиг. 3) содержит сумматор 1, широтно-импульсный модулятор 2 (ШИМ 2), ключевой усилитель 3 мощности (КУМ 3), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ 4),, линейный усилитель 6 мощности (ЛУМ 6), цепь 7 обратной связи (ОС 7), нагрузку 8 и гальванически развязанный драйвер 9 (ГРД 9), а также преобразователь 5 напряжения (ПН 5) включающий высокочастотный инвертор 5.1 (ВЧИ 5.1), трансформатор 5.2 (TP 5.2), синхронный выпрямитель 5.3 (СВ 5.3), высокочастотный генератор 5.4 (ВЧГ 5.4).
Выполнение структурных узлов заявляемого устройства определяется функциональным назначением и соответствует принципу реализуемости по известным правилам.
с
Сумматор 1 предназначен для формирования разностного сигнала на входе ГРД 9 в результате суммирования инверсного напряжения с выхода ОС 7 и напряжения U с шины входного сигнала. Сумматор 1 может быть выполнен по резистивной схеме сложения, либо на операционном усилителе с коэффициентом усиления K обеспечивающим требуемую глубину обратной связи.
ШИМ
п
0
Широтно-импульсный модулятор 2 может быть выполнен по традиционной схеме широтно-импульсного преобразователя, обеспечивающего формирование последовательности импульсов V посредством сравнения опорного пилообразного напряжения U высокой частоты ƒ с низкочастотным (НЧ) входным сигналом U, частота F=1/Т которого многократно ниже частоты переключений ƒ=1/T (фиг. 4а).
c
ШИМ
D
Ключевой усилитель 3 мощности выполняется по известной полумостовой схеме, например, описанной в патенте US №8072266, с использованием быстродействующих полевых транзисторов для обеспечения эффективной работы на высокой частоте переключений ƒ>(20…40)F. При этом фильтр 4 нижних частот, выполняемый на двухзвенном LC-ФНЧ второго порядка должен иметь частоту среза F много выше частоты низкочастотного сигнала, что позволяет выделить НЧ составляющие импульсного напряжения V в виде сигнала U (фиг. 4б) с весьма малыми высокочастотными (ВЧ) составляющим при практическом отсутствии изменений амплитуды и фазы в полосе частот усиливаемого сигнала. В этих условиях суммарные отклонения формы выходного напряжения от формы входного сигнала не превышают 5%, что соответствует условию
где ϕ - текущая фаза входного гармонического сигнала;
D
K - результирующий коэффициент усиления ключевого усилителя мощности;
Е - величина напряжения положительной и отрицательной полярности;
|+E|=|-Е|=Е - напряжение относительно общей шины устройства на соответствующих входах ключевого усилителя мощности;
ПМ
п
U - амплитуда опорного пилообразного напряжения U.
D
1
АВ
D
2
АВ
D
Преобразователь 5 напряжения предназначен для формирования симметричных гальванических развязанных напряжений +ΔЕ, -ΔЕ электропитания линейного усилителя мощности. Причем выходы напряжений +ΔЕ и -ΔЕ ПН 5 должны обеспечивать последовательное сложение с выходным напряжением U, поступающим с выхода ФНЧ 4 на вход ПН 5, соединенный со средней точкой его выходных напряжений. В результате на входы электропитания ЛУМ 6, относительно общей шины устройства подаются напряжения Е(ϕ)=+Е=U+ΔЕ, Е(ϕ)=-Е=U-ΔЕ в условиях сохранения напряжений электропитания оконечного каскада ЛУМ 6 соответственно +ΔЕ и -ΔЕ.
у
ADmax
D
D
Линейный усилитель мощности (ЛУМ) 6 реализуется по типовой схеме полумостового усилителя класса АВ с коэффициентом K и может быть выполнен, например, на модуле APEX типа РВ63 на напряжение электропитания ΔЕ не более 60 В, либо на более низковольтном модуле с учетом выбора напряжения ΔЕ много меньше максимального уровня напряжения U=E, (ΔЕ=0,1…0,2E).
с
р
Цепь ОС 7 может быть выполнена на резистивном аттенюаторе с коэффициентом передачи β в условиях поддержания требуемой глубины обратной связи с учетом коэффициента усиления K сумматора 1 и коэффициента K передачи разностного сигнала через гальванически развязанный драйвер 9.
ос
При этом результирующий коэффициент передачи K усилителя класса Н, охваченного обратной связью, определяется соотношением:
с
р
у
ос
В условиях βKKK>30, что соответствует глубине обратной связи более 30 дБ с допустимой степенью приближения K=1/β.
ос
D
Условием сбалансированной работы ключевого усилителя 3 мощности и линейного усилителя 6 мощности является равенство коэффициентов K=K, что достигается соответствующей регулировкой коэффициентов β:
н
Нагрузка 8, в соответствии с областью применения настоящего изобретения, представляет гидроакустический преобразователь (ГАП) для излучения широкополосных сигналов гидроакустической связи. ГАП как правило выполняется на пьезоактивных материалах с выраженной емкостной проводимостью. Коэффициент активной мощности такой нагрузки, как правило, не превышает cos ϕ=0,2…0,5, а в полосе частот 2-3 октавы может уменьшаться до 0,05-0,1. При этом рекуперация энергии из емкостной составляющей нагрузки является необходимым условием уменьшения потерь энергии в звеньях линейного усилителя 6 мощности.
Предлагаемая реализация ПН 5 (фиг. 3), содержит высокочастотный инвертор 5.1 (ВЧИ), трансформатор 5.2 (TP), синхронный выпрямитель 5.3 (СВ), высокочастотный генератор 5.4 (ВЧГ).
Высокочастотный инвертор 5.1 может быть выполнен на полумостовой схеме из двух последовательно включенных транзисторов с выходным резонансным фильтром, что обеспечивает минимизацию динамических потерь энергии при переключении транзисторов (патент US №201118087 Method and apparatus for power converter for class D audio power amplifiers. Date of patent: 8.07.2011).
Трансформатор 5.2 обеспечивает гальваническую развязку и необходимое понижение амплитуды высокочастотного импульсного напряжения с выхода ВЧИ 5.1 на вход СВ 5.3.
Оконечный каскад синхронного выпрямителя 5.3 реализуется на полевых транзисторах, включенных в мостовую схему и обеспечивающих прямую и обратную передачу энергии между высоковольтными шинами выходного напряжения ПН 5.
Транзисторы ВЧИ 5.1 и диагоналей мостовой схемы СВ 5.3 управляются противофазно высокочастотными импульсными сигналами типа меандр от ВЧГ 5.4. Схематическая реализация ВЧГ 5.4 не представляет технических сложностей и может быть выполнена, например, на микросхеме TL5209-50, включающей формирователь импульсов и двухканальный драйвер импульсных сигналов.
Приведенное описание функциональных узлов, входящих в состав предлагаемого устройства, соответствует условиям технической реализуемости, а совокупность их применения обеспечивает достижение технического результата от использования заявляемого усилительного устройства класса Н.
Заявленный усилитель класса Н работает следующим образом.
Напряжения +Е и -Е от шин электропитания поступают на соответствующие входы электропитания КУМ 3 и ПН 5.
п
ШИМ
D
D
ШИМ
Входной сигнал U подается на вход ШИМ 2, где сравнивается с высокочастотным пилообразным напряжением U (фиг. 4а). В результате на выходе ШИМ 2 формируется последовательность широтно-модулированных импульсов, которая после ключевого усиления преобразуется КУМ 3 в импульсные напряжения V амплитудой E, поступающие на вход ФНЧ 4. Соответственно, на выходе ФНЧ выделяются полезные низкочастотные составляющие U импульсного напряжения V (фиг. 4б).
B
D
B
При правильно выбранном соотношении частоты следования импульсов ƒ и верхней частоты F усиливаемого сигнала выделения напряжения U (фиг. 4б) в условиях весьма малых ВЧ составляющих обеспечивается при частоте среза ФНЧ значительно (в 2-3 раза) выше F. Таким образом, с большой точностью выполняется соотношение (5), определяющее соответствие:
D
D
U(ϕ)=K⋅U(ϕ)
D
Одновременно напряжения электропитания +Е, -Е усилителя класса Н преобразуются ПН 5 в гальванически развязанные низковольтные напряжения +ΔЕ, -ΔЕ, которые включаются последовательно с напряжением U для формирования напряжений электропитания линейного усилителя мощности (фиг. 4в):
АВ
1
D
АВ
2
D
+Е=Е(ϕ)=U(ϕ)+ΔЕ; -Е=Е(ϕ)=U(ϕ)-ΔЕ
D
AB
н
Соответственно, обеспечивается последовательное включение выходных напряжений U КУМ 3 и U ЛУМ 6 и передача результирующего напряжения U - на нагрузку:
н
AB
D
U=U+U.
AB
н
н
Следует отметить, что выходное напряжение U формируется за счет усиления выходного сигнала ГРД 9, на вход которого поступает результирующий сигнал сумматора 1, образованный в результате сложения входного сигнала U и инверсного выходного сигнала U, поступающего через цепь ОС 7 с выхода ЛУМ 6. При достаточной глубине отрицательной обратной связи (более 30-40 дБ) выходное напряжение U с высоким качеством воспроизводит входной сигнал в широком динамическом и частотном диапазонах. Вместе с тем высокое качество напряжения на нагрузке в предлагаемом устройстве достигается при весьма малом отношении максимального остаточного напряжения на звеньях линейного усиления к максимальному уровню выходного напряжения КУМ 3:
D
D
AB
е=ΔE/E, где E=|МахE|.
Причем максимальная относительная величина е остаточного напряжения не зависит от направления протекания тока и полярности выходного напряжения.
D
ос
D
Выбор параметров K, K и β в соответствии с отношением (7), при выполнении условия воспроизведения U≈U с точностью до 5%, в заявляемом устройстве обеспечивает линейный режим ЛУМ 6 при относительной величине е=(0,1…0,2).
Проведенная оценка подтверждает повышение энергетической эффективности передающей аппаратуры при использовании заявляемого усилителя класса Н в условиях возбуждения комплексной нагрузки с малым коэффициентом активной мощности, что характерно для широкополосных гидроакустических излучающих антенн. В этом случае применение предполагаемого технического решения в режиме номинальной мощности позволяет кратно уменьшить потери энергии и соответственно мощность тепловыделения в элементах усилительного устройства.
н
н
Таким образом, в заявляемом усилителе класса Н достигается высококачественное усиление НЧ сигналов в динамическом диапазоне 40-60 дБ при весьма низких относительных потерях энергии не более 20%, в том числе при значительном фазовом сдвиге между выходным напряжением U и током нагрузки i (фиг. 4в) в случае работы на комплексную нагрузку с низким коэффициентом активной мощности. В результате достигается положительный эффект внедрения настоящего изобретения в передающей аппаратуре гидроакустических излучающих трактов.
Выделенные преимущества выгодно отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и аналогов, где при работе на комплексную нагрузку имеют место кратное увеличение потерь энергии. Так, например, в условиях работы на гидроакустический преобразователь в режиме номинальной мощности, относительные потери в известных устройствах превышают 60%, а в предполагаемом устройстве не превышают 20%.
В настоящее время на предприятии разработано экспериментальное усилительное устройство класса Н с полосой частот 1-10 кГц и номинальной выходной мощностью 100 ВА. Результаты испытаний подтвердили преимущества заявленного изобретения, что позволяет считать заявленный технический результат достигнутым и рекомендовать предлагаемое техническое решение к внедрению в составе передающей аппаратуре излучающего тракта режима ГС.