УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2000 года по МПК H03F1/52 

Изобретение относится к области радиотехники, конкретно - к усилению мощности и предназначено для использования в усилителях с защитой от перегрузки по току.

Известно, что одной из основных причин повреждений усилителя мощности является его перегрузка по выходному току в процессе эксплуатации. Это может быть перегрузка по входу (большой входной сигнал), изменение импеданса нагрузки по частоте, неправильный выбор номинальной нагрузки и, наконец, просто короткое замыкание усилителя по выходу. Что касается защиты от перегрузки по входу, то она осуществляется достаточно эффективно посредством ограничителей напряжения мгновенного или инерционного типа (пикосрезатели, компрессоры и т.п.). Защита от изменений импеданса нагрузки сложна, так как в выходных цепях протекает большой ток. В общем виде применяемые средства защиты от перегрузки по выходному току можно представить в виде датчика тока, включенного последовательно в цепь нагрузки, (чаще всего - резистор, сопротивление которого много меньше импеданса нагрузки) порогового устройства, подключенного параллельно датчику тока (оно может содержать интегрирующую цепь) управляющего устройства, включенного на выходе порогового и преобразующего его выходной сигнал в сигнал управления исполнительной цепью, включенной на выходе управляющего устройства. Исполнительное устройство может представлять собой предохранитель, электронный выключатель, электронный регулятор, ограничитель и т. п. и включаться как в цепь усилителя мощности (вход, выход), так и в цепь питания усилителя. Подобные устройства защиты описаны, например, в авторских свидетельствах СССР N 1555813 и N 1589374, в заявках ФРГ N 3924471, 3833654, в заявках Японии N 1-47046, 1-55602 и 1-19284, в патенте США N 4866401 и др. Их библиографические данные приведены в конце заявки.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является усилитель с защитой от перегрузки по выходному току, используемый в полном усилителе "Бриг-У-001-стерео НГ" Он описан в руководстве по эксплуатации полного усилителя - ОКП 65 8752 0009 Схемы принципиальные электрические.

Этот усилитель выбран в качестве прототипа. Он состоит из усилителя мощности, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, резистора, включенного между его выходом и выводом для подключения нагрузки, порогового устройства, подключенного параллельно резистору, выход которого через интегрирующую цепь соединен с электронным реле. Одна пара контактов электронного реле включена последовательно с нагрузкой, вторая - параллельно входу усилителя (фиг.1).

Усилитель работает следующим образом. При возбуждении его входным сигналом, последний усиливается усилителем мощности и через резистор усиленный сигнал поступает к выводу для подключения нагрузки и далее в нагрузку. При этом потери мощности на резисторе невелики, так как величина резистора намного меньше номинального импеданса нагрузки. Система защиты в случае, если выходной ток усилителя не превышает заранее заданной (пороговым устройством) величины, не работает, поскольку не срабатывает пороговое устройство. При существенном уменьшении импеданса нагрузки - либо из-за его частотной или временной зависимости, либо из-за подключения большого числа потребителей, либо просто из-за короткого замыкания в линии или нагрузке - выходной ток через резистор (соответственно - напряжение на резисторе) превысит заранее заданный максимальный уровень, сработает пороговое устройство, на выходе которого образуется управляющий сигнал, достаточный для срабатывания исполнительной цепи - реле, одна пара контактов которого включена параллельно входу усилителя, а вторая последовательно с нагрузкой. Сигнал, возбуждающий усилитель, упадет до нуля, следовательно, выходной сигнальный ток усилителя также снизится до нуля. Усилитель не выйдет из строя из-за перегрузки по выходному току. При этом, обычно, срабатывают тревожные сигнализации и оператор выясняет причину перегрузки, устраняет ее и включает усилитель. Если пороговое устройство и электронное реле выполнены без автоблокировки после срабатывания, то функционирование усилителя автоматически восстановится при прекращении перегрузки даже без участия оператора.

Описанный усилитель - прототип достаточно надежен, но имеет существенные недостатки - заметные на слух искажения (щелчки) при автоматическом срабатывании защиты и последующем возобновлении работы усилителя, т.к. при этом происходит скачкообразное изменение сигнала на выходе. Такое явление может происходить при защите с пороговым устройством мгновенного действия достаточно часто, т.к. мгновенное значение выходного сигнала в звукоусилении часто значительно превышает средний уровень. При введении же интегрирования в работу порогового устройства указанный дефект в значительной мере устраняется (выключение происходит реже), но возникает опасность выхода усилителя из строя из-за перегрузки по току - защита не успеет сработать при большой кратковременной перегрузке (типа короткого замыкания).

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков - снижение искажений, вносимых защитой, и повышение ее надежности. Эти задачи достигаются тем, что в известный усилитель мощности с защитой от перегрузки по выходному току, содержащий усилительный каскад, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению, и резистор, включенный между выходом усилительного каскада и выводом для подключения нагрузки, внесены существенные изменения и дополнения, а именно: усилитель охвачен положительной обратной связью с вывода для подключения нагрузки на вход, причем глубина положительной обратной связи равна глубине отрицательной обратной связи. Для обеспечения гарантированной защиты от перегрузки минимальную глубину отрицательной обратной связи можно выбрать из соотношения

где R - величина резистора, Z - номинальный импеданс нагрузки, К - коэффициент передачи усилителя, П - допустимая перегрузка усилителя по току (относительно номинальной). Кроме того, в качестве усилительного каскада можно выбрать каскад с дифференциальным входом, в котором отрицательная обратная связь образована резистивным делителем, включенным между выходом и инверсным входом, а положительная обратная связь - резистивным делителем, включенным между выходом усилителя и прямым входом дифференциального каскада.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 2 и 3, где изображены соответственно примеры структурной схемы усилителя мощности с защитой от перегрузки по выходному току и принципиальной схемы на базе дифференциального каскада.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - вход, 2 - усилительный каскад, 3 - цепь отрицательной обратной связи, 4 - резистор, 5 - выход, Z - нагрузка, 6 - цепь положительной обратной связи, 7, 8 - резистивный делитель отрицательной обратной связи. 9, 10 - резистивный делитель положительной обратной связи, 11 - разделительный конденсатор.

Усилитель (фиг. 2) представляет собой усилительный каскад 2, вход которого соединен со входом 1 усилителя, выход - с выходом 5 усилителя через резистор 4. Усилительный каскад 2 охвачен цепью 3 отрицательной обратной связи с выхода на вход и цепью 6 положительной обратной связи с выхода 5 усилителя на его вход.

Усилитель фиг. 3 отличается от фиг. 1 конкретизацией элементов. В качестве усилительного каскада 2 применен дифференциальный усилитель 2, цепь 3 отрицательной обратной связи образована резистивным делителем 7, 8, включенным между выходом усилительного каскада 2 и его инверсным входом, а цепь 6 положительной обратной связи образована резистивным делителем 9, 10, включенным между выходом 5 усилителя и прямым входом дифференциального каскада 2 через разделительный конденсатор 11.

Схемы фиг. 2 и фиг. 3 работают следующим образом. При поступлении на вход 1 усилителя мощности усиливаемого сигнала последний прикладывается (на фиг. 3 - через резистор. 9) к прямому входу дифференциального каскада 2, с выхода которого выходит ток через резистор 4, попадает на выход 5 и далее в нагрузку. Отрицательная обратная связь цепи 3 (на фиг. 3 - резисторы 7, 8) связывает выход усилительного каскада с его инверсным входом. Она стабилизирует коэффициент передачи усилительного каскада. Положительная обратная связь по цепи 6 (на фиг. 3 - резистивный делитель 9, 10) связывает выход 5 усилителя с его прямым входом, совместное действие равных по глубине положительной и отрицательной обратных связей как будет показано ниже обеспечивает независимость выходного тока от импеданса нагрузки, что и требуется для защиты усилителя от перегрузки по выходному току.

Механизм работы усилителя можно пояснить так. Действие отрицательной обратной связи происходит по схеме:

(при уменьшении импеданса нагрузки Z_H)

(при увеличении импеданса нагрузки Z_H)
Здесь: Z_H - импеданс нагрузки, U_вых, I_вых - напряжение и ток на выходе усилителя, U_H, U_Z - напряжение на резисторе 4 и нагрузке; U_вхε - суммарный сигнал на прямом входе усилителя, состоящий из входного напряжения и напряжения положительной обратной связи, пропорциональное U_Z.

При одинаковых по глубине положительной и отрицательной обратных связях (т.е. при одинаковых коэффициентах деления делителей 7, 8 и 9, 10 ток в нагрузке не зависит от импеданса нагрузки и равен входному напряжению усилителя, деленному на сопротивление резистора 4 [Б.И. Горошков. Радиоэлектронные устройства, МРБ, М., Радио и связь, 1984, стр. 93].

Величину резистора 4 выбирают в пределах 0,1-0,01 от импеданса нагрузки. При величине резистора 4 меньше 1/100 импеданса снижается эффективность положительной обратной связи, при величине, большей 1/10, возникают заметные потери мощности на нем. В предельном случае перегрузки усилителя по выходному току - образования короткого замыкания - действие положительной обратной связи прекращается, остается только отрицательная обратная связь. Для исключения перегрузки усилителя в этом предельном случае ее глубину надо выбрать из соотношения

где R - величина резистора 4, Z - импеданс нагрузки, К - коэффициент усиления усилителя, П - допустимый коэффициент перегрузки усилителя по току. Таким образом, предложенный усилитель надежно защищен от перегрузки по выходному току даже в предельном случае - короткого замыкания. При этом ни усилитель, ни цепь его питания не отключаются - просто возрастает влияние отрицательной обратной связи, не скомпенсированной делителем положительной обратной связи. При прекращении перегрузки - устранении короткого замыкания, - излишней нагрузки или частотного участка программы, на котором нагрузка имеет провалы импеданса - работа усилителя продолжается.

Т.е. устранены недостатки известных схем защиты, связанные либо с заметными на слух щелчками программы, вызванными переключением цепей усиления или питания, и нет опасности опоздания в срабатывании защиты, т.к. она не инерционная, а мгновенного действия.

Нам не известны решения, подобные заявляемому ни из рекламной, ни из научно-технической, ни из патентной литературы по усилителям мощности и смежным областям, что подтверждает критерий "новизна".

Существенные отличительные признаки предложенного решения - использование одновременно положительной и отрицательной обратных связей, равных по глубине и снимаемых с разных точек усилителя, разделенных резистором, дало неочевидный специалисту эффект - исключение помех, вызываемых работой элементов защиты от перегрузки. Это подтверждает соответствие предложения критерию "неочевидность". Промышленная осуществимость усилителя не вызывает сомнений: все его элементы давно освоены промышленностью".

Экспериментальная проверка показала достижение ожидаемых результатов. В серийном усилителе высшей группы сложности "Бриг- 001С" левый канал усилителя мощности был оставлен без изменений, а правый - изменен в соответствии с предложенным изобретением (с сохранением основных электрических параметров: диапазон частот, гармонические искажения, отношение сигнал/шум, номинальная выходная мощность). Проводились испытания на короткое замыкание (КЗ). При КЗ на выходе левого канала усилителя его защита обеспечила: полную сохранность при выходной мощности не более 1/3 от максимальной и 100% выход из строя оконечного каскада при максимальной выходной мощности. При КЗ на выходе правого канала при любой мощности на выходе усилитель не выходит из строя, причем в режиме КЗ он может находиться неопределенно долгое время (несколько часов), при этом радиаторы оконечных транзисторов разогреваются не больше обычного. Кроме того, проведено оценочное сравнение по звуковому давлению работы каналов на акустическую систему типа 10МАС-1М. При этом рабочий диапазон частот в правом канале расширился в области низших частот с 70 до 35 Гц, а верхних - с 12 до 19 кГц, коэффициент гармонических искажении снизился с 2-х до 1%, а форма воспроизводимого прямоугольного импульса (меандра) утратила колебательный характер (переходные искажения).

Учитывая вышеизложенное, считаем, что заявленное решение соответствует требованиям, предъявляемым к изобретениям.

Литература
1. Авт. свид. СССР N 1555813, М.кл. H 03 F 1/52, Усилительное устройство с защитой от перегрузки и короткого замыкания нагрузки, ИСМ, N 13-1990.

2. Авт. свид. СССР N 1589374, М.кл. H 03 F 1/52, Усилитель мощности низкой частоты, ИСМ N 22-1990
3. Заявка ФРГ N 3924471, М.кл. H 03 F 3/04, 1/52, Широкополосный усилитель со схемой смешения с токовым зеркалом в цепи обратной связи, ИСМ, N 23-1990.

4. ФРГ N 3833654, М.кл. H 03 F 1/52, 3/217. Схема для защиты транзисторов, ИСМ N 4-1990.

5. Заявка Японии N 1 - 47046, М.кл. H 03 F 1/52, H 03 С 3/30, Схема защиты от выбросов напряжения и перенапряжений в высокочастотном усилителе мощности, ИСМ N 12 - 1990.

6. Заявка Японии N 1 - 55602, М.кл. H 03 F 1/52. Схема для защиты усилителей, ИСМ, N 15 - 1990.

7. Заявка Японии N 1 - 19284, М.кл. H 03 F 1/52. Схема усилителя мощности с отрицательной обратной связью, ИСМ N 3 - 1990.

8. Патент США N 4866401, М.кл. H 03 F 1/52, 3/50. Усилитель большого тока на паре Дарлингтона, ИСМ N 14 - 1990.

Изобретение относится к усилителям мощности с защитой от перегрузок. Задача - снижение искажений, вносимых схемой защиты и повышение надежности защиты. Она решается тем, что усилитель охвачен положительной обратной связью (ПОС) с выхода для подключения нагрузки на вход, причем глубина ПОС равна глубине отрицательной обратной связи (ООС), минимальная глубина ООСβ определяется из соотношения где К - коэффициент передачи усилителя, Z - импеданс нагрузки, R - величина резистора, включенного последовательно в выходную цепь усилителя, П - допустимый коэффициент перегрузки усилителя по току. Технический результат: снижение искажений, вносимых схемой защиты и повышение надежности защиты. 3 ил.

Усилитель мощности с защитой от перегрузки по току, содержащий усилительный каскад, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению, и резистор, включенный между выходом усилительного каскада и выводом для подключения нагрузки, отличающийся тем, что усилитель охвачен положительной обратной связью, образованной резистивным делителем, включенным между выходом усилителя и прямым входом дифференциального каскада через разделительный конденсатор, причем глубина положительной обратной связи равна глубине отрицательной обратной связи, минимальная глубина которой определена соотношением:

где К - коэффициент передачи усилителя;
β - минимальная глубина отрицательной обратной связи;
П - допустимый коэффициент перегрузки усилителя по току;
Z - номинальный импеданс нагрузки;
R - величина резистора.