Полумостовой усилитель мощности класса АВ

Полезная модель  относится к радиоэлектронике, и может быть использовано в качестве усилителя синусоидальных колебаний мощности в широком частотном диапазоне для возбуждения электростатических громкоговорителей и пьезоэлектрических излучателей звукового и ультразвукового диапазона.
Известен мощный усилитель ЗЧ (Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств : Справочник. – М. : Радио и связь, 1988, с.70, рис. 4.28), построенный на биполярных транзисторах по полумостовой схеме, работающий в классе АВ и обеспечивающий в нагрузке максимальную мощность 100 Вт при однополярном напряжении питания 80 В. Низкоомная нагрузка подключена между выходом усилителя и минусом источника питания через разделительный конденсатор.
Недостатком мощного усилителя ЗЧ является недостаточно высокая выходная мощность, и невозможность получения высокого выходного напряжения.
Известен быстродействующий высоковольтный усилитель с обратной связью по току (Режим доступа: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=637101 – Загл. с экрана), обеспечивающий на выходе высокое напряжение, и предназначенный для питания ионной ловушки микро- и наночастиц через высоковольтный трансформатор, а также в качестве драйвера трубчатого пьезосканера и в сканирующем оптическом микроскопе ближнего поля. Усилитель питается от двуполярного источника напряжения в диапазоне от ±50 до ±230 В.
Недостатком быстродействующего высоковольтного усилителя с обратной связью по току является малая выходная мощность и необходимость питания от двуполярного высоковольтного источника напряжения, а также необходимость применения высоковольтных транзисторов.
Известен ламповый оконечный двухтактный усилитель на 6Н23П и 6П43П (Режим доступа: http://www.radiostation.ru/home/usilitel-stud.html – Загл. с экрана), построенный на электронных лампах, обеспечивающий выходную мощность 15 Вт, и питающийся от высоковольтного сетевого трансформаторного однополярного источника напряжения 360 В. Нагрузка имеет сопротивление 8 Ом и подключается к усилителю через выходной трансформатор.
Недостатком лампового оконечного двухтактного усилителя на 6Н23П и 6П43П является недостаточно большая мощность в нагрузке, необходимость наличия высоковольтного сетевого трансформаторного однополярного источника напряжения и малый КПД.
Известен усилитель 50 Ватт на транзисторах с однополярным питанием (Режим доступа: http://www.radiostation.ru/home/usilitel-stud.html – Загл. с экрана), построенный на четырех транзисторах и обеспечивающий в нагрузке мощность 50 Вт. Низкоомная нагрузка подключена между выходом усилителя и минусом источника питания через разделительный конденсатор. Питание усилителя осуществляется от однополярного источника напряжением 39 В.
Недостатком усилителя 50 Ватт на транзисторах с однополярным питанием является недостаточно высокая выходная мощность, и невозможность получения высокого выходного напряжения.
Известен УМЗЧ без общей ООС («Радио», 1989, №9, с. 65-68), состоящий из трех каскадов: эмиттерного повторителя, усилителя напряжения и выходного каскада. Нагрузка имеет сопротивление 4 Ома и подключена между выходом усилителя и минусом источника питания через разделительный конденсатор. Питание усилителя осуществляется от однополярного стабилизированного источника напряжением 45 В.
Недостатком данного УМЗЧ без общей ООС является невысокий КПД, обусловленный невозможностью получения высокого значения выходного напряжения из-за невысокого значения напряжения питания, и малая выходная мощность (25 Вт).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является УМЗЧ с выходной мощностью 24 Вт без общей ООС по сигналу («Радио», 2022, №10, с. 65-68), выбранный в качестве прототипа, и состоящий из двух каскадов: входной каскад, построенный по схеме с общей базой, и выходной каскад, построенный по схеме с общим коллектором. Нагрузка имеет сопротивление 8 Ом и подключена между выходом усилителя и средней точкой емкостного делителя напряжения, состоящего из двух конденсаторов. Питание усилителя осуществляется от однополярного нестабилизированного источника напряжением 40 В.
Недостатком данного УМЗЧ с выходной мощностью 24 Вт без общей ООС по сигналу является невысокий КПД, обусловленный невозможностью получения высокого значения выходного напряжения из-за невысокого значения напряжения питания, и малая выходная мощность.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в разработке полумостового усилителя мощности класса АВ с высоким КПД и высоким выходным напряжением.
Технический результат - повышение КПД полумостового усилителя мощности класса АВ при изменении напряжения аккумуляторного источника питания в широких пределах и получение высокого выходного напряжения.
Технический результат достигается за счет того, что полумостовой усилитель мощности класса АВ, содержащий включенные последовательно входной каскад и выходной каскад, источник питания, два конденсатора, образующие емкостной делитель напряжения, соединенные последовательно и подключенные между положительным и отрицательным выводами источника питания, нагрузку, дополнительно содержит четыре реле, выходной трансформатор с изменяемым коэффициентом трансформации, первичная обмотка которого подключена через контакты реле к выходу выходного усилителя, питание входного и выходного каскадов осуществляется от аккумулятора, микроконтроллер с встроенным аналого-цифровым преобразователем, делитель напряжения, вход которого подключен к положительному выводу аккумулятора, а его выход подключен к входу микроконтроллера, выходы микроконтроллера подключены к входам управления реле и к входу управления входного каскада, а нагрузка подключена к выходной обмотке выходного трансформатора с изменяемым коэффициентом трансформации.
Сущность предлагаемого полумостового усилителя мощности класса АВ заключается во введении в него выходного трансформатора с изменяемым коэффициентом трансформации, реле, делителя напряжения и микроконтроллера, что позволяет определить напряжение аккумулятора, и в соответствии с его значением изменить коэффициент усиления усилителей и коэффициент трансформации выходного трансформатора, что обеспечивает высокий КПД полумостового усилителя мощности класса АВ и получение высокого выходного напряжения.
На фиг. 1 приведена структурная схема полумостового усилителя мощности класса АВ. На фиг. 2 показан график зависимости КПД полумостового усилителя мощности класса АВ от напряжения аккумулятора.
вх
Полумостовой усилитель мощности класса АВ состоит из входного каскада 1, обеспечивающего усиление входного сигнала U по напряжению, выходного каскада 2, обеспечивающего усиление сигнала по току, конденсаторов 3 и 4, образующих емкостной делитель напряжения, выходного трансформатора 5, первичная обмотка 6 которого подключена одним концом к точке соединения конденсаторов 3 и 4, а вторым концом – через контакты одного из реле 7-10 к выходу выходного каскада 2 полумостового усилителя мощности класса АВ. К выходной обмотке 11 выходного трансформатора 5 подключена нагрузка 12.
Питание усилителя осуществляется от аккумулятора 13. Измерение напряжения аккумулятора 13 осуществляется при помощи делителя напряжения 14, состоящего из резисторов 15 и 16. Вход делителя напряжения 14 подключен к положительному выводу аккумулятора 13, его выход подключен к входу микроконтроллера 17, а выходы микроконтроллера 17 соединены с входами управления реле 7 – 10 и с входом управления входного каскада 1.
вх
Полумостовой усилитель мощности класса АВ работает следующим образом. На вход входного каскада 1 подается входное напряжение U. Усиленное входное напряжение с выхода входного каскада 1 подается на вход выходного каскада 2, обеспечивающего усиление сигнала по току. Усиленное напряжение с выхода выходного каскада 2 прикладывается к второму выводу первичной обмотки 6 выходного трансформатора 5 через контакты одного из реле 7-10. Первый вывод обмотки 6 выходного трансформатора 5 подключен к точке соединения конденсаторов 3 и 4. Конденсаторы 3 и 4 образуют делитель напряжения, в точке соединения которых напряжение равно половине напряжения аккумулятора 13.
На вход микроконтроллера 17 поступает напряжение с выхода делителя напряжения 14, пропорциональное напряжению аккумулятора 13 (напряжению питания). Это напряжение измеряется при помощи встроенного в микроконтроллер 17 аналого-цифрового преобразователя. В зависимости от значения измеренного напряжения микроконтроллер включает одно из реле 7-10, тем самым изменяя количество витков первичной обмотки 6 выходного трансформатора 5, и, соответственно, его коэффициент трансформации. Одновременно с изменением коэффициента трансформации выходного трансформатора 5 изменяется коэффициент усиления входного каскада 1 путем подачи управляющего сигнала на вход управления входного каскада 1.
Для того, чтобы КПД полумостового усилителя мощности класса АВ при любом значении напряжения питания был близок к максимальному, нужно при любом значении входного сигнала получить выходное напряжение выходного каскада 2 близким к максимальному значению. Поскольку в процессе работы напряжение аккумулятора 13 изменяется, то для увеличения КПД полумостового усилителя мощности класса АВ напряжение аккумулятора 13 разбивается на поддиапазоны, и каждому поддиапазону напряжения аккумулятора соответствует определенный коэффициент усиления входного каскада 1, выходного каскада 2 и коэффициент трансформации выходного трансформатора 5.
тр
вых
вх
Приведение коэффициента усиления полумостового усилителя мощности класса АВ к требуемому значению достигается изменением коэффициента усиления по напряжению входного каскада 1, а также изменением коэффициента трансформации выходного трансформатора 5 при помощи реле 7-10. При включении любого из этих реле изменяется количество витков первичной обмотки 6, что приводит к изменению коэффициента трансформации (К) выходного трансформатора 5. Зависимость выходного напряжения U (напряжения на нагрузке) от входного напряжения U определяется по формуле:
вых
вх
тр
U = U ⋅К⋅ К,
вх
где U - входное напряжение;
К - модуль коэффициента усиления входного каскада 1;
тр
К - коэффициент трансформации выходного трансформатора 5.
Коэффициент усиления входного каскада 1 и коэффициент трансформации выходного трансформатора 5 в каждом поддиапазоне изменяются таким образом, чтобы их произведение оставалось постоянным.
Количество поддиапазонов напряжения питания может быть любым, и принципиально не ограничено.
В качестве примера рассмотрим зависимость КПД полумостового усилителя мощности класса АВ от напряжения литиевого аккумулятора с номинальным напряжением 48 В, которое разбито на 4 поддиапазона I-IV. В процессе работы напряжение литиевого аккумулятора может находиться в диапазоне 42 - 58 В.
При выходном напряжении аккумулятора, соответствующим диапазону I (42-46 В), максимальное действующее значение синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке 6 выходного трансформатора 5, составляет 14,14 В. При напряжении аккумулятора, соответствующим диапазону II (46-50 В), максимальное действующее значение синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке 6 выходного трансформатора 5, составляет 15,55 В. Для третьего (III) и четвертого (IV) диапазонов эти напряжения соответственно равны 16,97 В и 18,38 В.
тр
1
В таблице представлены напряжения аккумулятора для поддиапазонов I – IV, значение коэффициента трансформации К выходного трансформатора 5, действующее значение напряжения U на первичной обмотке 6 выходного трансформатора 5 и КПД полумостового усилителя мощности класса АВ при работе на активную нагрузку при напряжениях аккумулятора, соответствующих крайним точкам поддиапазонов I-IV.
вх
АКК
АКК
вых
вых
В таблице приведены расчётные значения параметров для следующих исходных величин: входное напряжение U = 1 В, напряжение литиевого аккумулятора U = 42 – 58 В, мощность, потребляемая от аккумулятора Р, выходное напряжение U = 200 В, выходная мощность Р = 200 Вт, минимальное падение напряжения на транзисторах выходного каскада 2 принято равным 2 В.
Таблица
Поддиапазон
U<sub>АКК</sub>, В
U<sub>1</sub> , В
К<sub>тр</sub>
Р<sub>АКК </sub>, Вт
Р<sub>вых</sub> , Вт
КПД, %
I
42
14,14
14,14
312,7
200
64,0
46
342,4
58,4
II
46
15,55
12,86
311,4
200
64,2
50
338,5
59,1
III
50
16,97
11,78
310,0
200
64,5
54
334,8
59,7
IV
54
18,38
10,88
308,9
200
64,7
58
331,8
60,3
КПД полумостового усилителя мощности класса АВ рассчитывался по формуле:
АКК
где P - мощность, потребляемая от аккумулятора;
вых
Р- выходная мощность полумостового усилителя мощности класса АВ;
ТР
ТР
КПД - КПД выходного трансформатора (для расчета принято КПД = 0,95).
На фиг. 2 график 1 показывает зависимость КПД предлагаемого полумостового усилителя мощности класса АВ от напряжения литиевого аккумулятора, а график 2 - зависимость КПД полумостового усилителя мощности класса АВ с выходным трансформатором от напряжения литиевого аккумулятора (без изменения коэффициента трансформации выходного трансформатора 5 и без изменения коэффициента усиления входного каскада 1).
1
КПД полумостового усилителя мощности класса АВ (без изменения коэффициента трансформации выходного трансформатора 5 и без изменения коэффициента усиления входного каскада 1) при изменении напряжения литиевого аккумулятора в диапазоне 42-58 В, и при действующем значении напряжения U=14,14 В на первичной обмотке 6 выходного трансформатора 5 (при этом амплитудное значение напряжения на первичной обмотке 4 выходного трансформатора 5 составляет 20 В) равен:
АКК
КПД = 64,0 % (при U = 42 В);
АКК
КПД = 46,3 % (при U = 58 В).
Таким образом, предложенный полумостовой усилитель мощности класса АВ, содержащий выходной трансформатор с изменяемым коэффициентом трансформации, реле, делитель напряжения и микроконтроллер, позволяет получить высокий КПД полумостового усилителя мощности класса АВ путем изменения коэффициента усиления входного усилителя и коэффициента трансформации выходного трансформатора в зависимости от напряжения аккумулятора, а также получить высокое выходное напряжение.