СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНО-ИМПУЛЬСНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ Российский патент 2004 года по МПК H03F3/68 

Изобретение относится к технике усиления мощности электрических сигналов и может быть использовано при усилении мощности в системах воспроизведения звука, а также в устройствах автоматики, измерительной и преобразовательной техники.

Известны усилители мощности электрических сигналов с последовательно включенными линейным (например, класса АВ-усиления) и импульсным (класса D-усиления) каналами [1]. Для управления импульсным каналом используют цифровой задающий сигнал, который компрессируют. Цифровой сигнал преобразуют в широтно-модулированный импульсный сигнал. На выходе импульсного канала мощный импульсный сигнал фильтруют.

Выходной сигнал импульсного канала суммируют с положительным и отрицательным напряжениями небольшой величины и полученные напряжения используют для питания линейного канала. С помощью линейного канала осуществляют линейное усиление задающего сигнала. Поскольку ток линейного канала равен току нагрузки, его мощность и потери оказываются сравнительно большими.

Наиболее близким по технической сущности является способ управления преобразователем электрической энергии с параллельно включенными линейным и импульсным каналами [2]. С помощью линейного канала (например, класса АВ) усиливают задающий сигнал. При этом выходной ток линейного канала измеряют и используют для управления импульсным каналом по релейному закону. С помощью импульсного канала (класса D) посредством широтно-импульсной модуляции производят коммутацию энергии в нагрузку в соответствии с сигналом выходного тока линейного канала и одновременно его ограничение в рамках заданных уставок. Выходное напряжение импульсного канала фильтруется с помощью дросселя и по форме повторяет задающий сигнал, а ток суммируется на нагрузке с током линейного канала. Линейный канал используют для усиления сигналов малой величины и дополнительной фильтрации выходного напряжения импульсного сигнала, что обеспечивает качественные характеристики воспроизведения сигнала.

Полярность выходных импульсов импульсного канала задают соответствующей полуплоскости релейной характеристики, в пределах которой изменяется выходной ток линейного канала, а при малых задающих сигналах или во время паузы напряжение на выходе импульсного канала равно нулю. Такой вид широтно-импульсной модуляции принято называть модуляцией с возвратом выходных импульсов к нулю.

Для задания полярности импульсов используют смещение верхней половины релейной характеристики импульсного канала, расположенную в первом и втором квадранте координатной плоскости относительно нижней (расположенной в третьем и четвертом квадранте). При этом выходной ток линейного канала содержит в своем составе часть выходного тока, соответствующую задающему сигналу, на основании которой определяется полярность импульсов. Задающий сигнал по отношению к модулирующему расположен в низкочастотной части спектра и может содержать в своем составе постоянную составляющую. Потери энергии пропорциональны квадрату тока, поэтому их составляющая, обусловленная низкочастотным задающим сигналом, значительно превышает потери, обусловленные модулирующей составляющей. Модулирующая составляющая тока линейного канала имеет почти треугольную знакопеременную форму. Уменьшение смещения релейной характеристики и, в результате, низкочастотной составляющей тока линейного канала в условиях активно-индуктивной нагрузки нелинейного характера приводит к изменению характера широтно-импульсной модуляции, которая преобразуется в модуляцию без возврата к нулю. При этом возрастают потери в усилителе и одновременно уровень помех.

Решение задачи уменьшения потерь состоит в уменьшении и исключении низкочастотной составляющей тока линейного канала во время работы импульсного канала путем определения полярности его выходных импульсов на основе данных, во-первых, об изменении тока линейного канала и, во-вторых, об его абсолютном значении.

Техническим результатом заявляемого решения является снижение потерь энергии в линейном канале и усилителе в целом за счет уменьшения низкочастотной составляющей тока линейного канала. Вследствие этого уменьшаются вес и габариты усилителя.

Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что опорные сигналы срабатывания импульсного канала делают симметричными, а для определения полярности формируемых импульсов и обеспчения широтно-импульсной модуляции с возвратом импульсов к нулю используют дополнительную информацию. В случае последовательного изменения полярности тока линейного канала в границах опорных значений первой пары сигналов полярность импульса задают на интервале паузы, равной полярности предыдущего импульса. Если же ток линейного канала на интервале паузы меняет знак производной и растет, достигая опорного сигнала второй пары той же полярности, при которой произошло отключение импульса, то это означает, что полярность импульсов не соответствует полярности выходного тока и ее необходимо изменить. В результате формируют импульс противоположной полярности, которая совпадает с полярностью опорного сигнала большей величины.

Импульсный канал работает при больших мощностях выходных сигналов усилителя мощности и обеспечивает только часть динамического диапазона воспроизводимых сигналов. Когда ток нагрузки мал и в течение заданного интервала времени на выходе импульсного канала нет импульсов, его переводят в третье состояние - запертое, а значение полярности импульсов обнуляют. Воспроизведение задающих сигналов обеспечивают посредством линейного канала. После этого при достижении величины тока линейного канала граничного значения, равного опорному сигналу первой пары, формируют импульс, а его полярность задают и запоминают равной полярности этого сигнала.

На фиг.1 изображены диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления линейно-импульсным усилителем мощности электрических сигналов; на фиг.2 - релейная характеристика усилителя; на фиг.3 - функциональная блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

На диаграмме 1.1 (фиг.1) приведены кривая 1 задающего сигнала, а также условно выходного напряжения усилителя и ломаная 2 напряжения коммутируемой импульсным каналом энергии. Пунктирными линиями 3 отмечена амплитуда коммутируемого напряжения импульсного канала. С помощью диаграммы 1.2 показаны кривая 4 тока индуктивно-активной нагрузки и ломаная 5 тока импульсного канала. На диаграмме 1.3 изображена ломаная 6 тока линейного канала. Пунктирными линиями обозначены первая пара опорных сигналов 7,8 и вторая пара 9,10.

С помощью фиг.2 показана релейная характеристика 11 импульсного канала, на которой опорным сигналам первой пары соответствуют абсциссы вертикальных прямых 7 и 8, а второй паре - 9 и 10 (аналогично фиг.1). Типичные из возможных траекторий движения рабочей точки коммутируемого напряжения импульсного канала в зависимости от тока линейного канала условно изображены с помощью пунктирных кривых 12. С помощью кривых 13 изображен процесс изменения полярности выходного напряжения.

Устройство для осуществления предлагаемого способа управления линейно-импульсным усилителем мощности (фиг.3) состоит из линейного 14 и импульсного 15 каналов усиления мощности электрических сигналов, подключенных к нагрузке параллельно через дроссель 16 и датчик тока 17. Обработка сигналов, в частности задающего и выходного, а также сигнала датчика тока осуществляется с помощью процессора 18 цифровой обработки сигналов. Управление работой узлов усилителя и взаимодействие с внешними устройствами возложено на контроллер 19.

Способ управления линейно-импульсным усилителем мощности осуществляется следующим образом.

Задающий сигнал в цифровой или аналоговой форме (кривая 1 на фиг.1) поступает на соответствующие входы цифрового процессора сигналов 18 (фиг.3). На вход процессора подают сигнал отрицательной обратной связи по напряжению с выхода усилителя. В случае необходимости задающий сигнал усиливается, фильтруется. Параметры обработки сигналов (усиление, регулировка тембра и т. д.) задают путем внешнего управления с помощью контролера 19. В результате на выходе линейного канала и, следовательно, всего усилителя получается напряжение, соответствующее задающему сигналу с точностью, определяемой параметрами линейного канала усиления.

Ограничение выходного тока линейного канала в рамках заданных опорных сигналов и, следовательно, его мощности производят с помощью импульсного канала путем соответствующей коммутации напряжения (ломанная 2 на фиг.1). Для этого выходной ток (ломанная 6) линейного усилителя измеряют с помощью датчика тока 15 на фиг.2 и подают на вход процессора сигналов. С помощью процессора сигнал выходного тока анализируют и в случае, например, возрастания величины тока, при его достижении заданного опорного значения (пунктирная линия 7 на фиг.1 и соответствующий ей вертикальный отрезок 7 на фиг.2) выдают команду на генерирование импульса посредством импульсного канала так, что полярность импульсов совпадает с полярностью сигнала тока. На временном интервале импульса ток линейного канала уменьшается, пока не достигнет противоположного опорного сигнала (линии 8 на фиг.1 и 2), равного по модулю первому, но противоположного по знаку, в данном случае отрицательного. В этом случае импульс отключают, а выход импульсного канала замыкают на общий вывод и в нагрузку поступает энергия, накопленная в дросселе 16. При этом ток линейного канала на интервале паузы начинает возрастать. Описанный процесс коммутации напряжения соответствует верхней половине релейной характеристики на фиг.2 (первый и второй квадранты), а циклы движения рабочей точки выходного напряжения импульсного канала изображены кривыми 12.

При изменении полярности задающего сигнала происходит соответствующее изменение тока нагрузки и линейного канала. Процессы формирования импульсов аналогичны описанным выше с той разницей, что соответствие опорных сигналов коммутации импульсов изменяется на противоположную. В этом случае процесс коммутации напряжения соответствует нижней половине (полуплоскости) релейной характеристики.

Для определения знакового соответствия пороговых значений тока линейного канала командам включения и отключения импульсов вводят дополнительную пару опорных сигналов, которые превышают величину первых по модулю. Задание полярности выходных импульсов осуществляют на интервале паузы.

Если на интервале паузы сигнал датчика тока линейного канала достигает значения второго опорного уровня, имеющего полярность, равную полярности первого опорного сигнала, при котором произошло выключение импульса, то это означает, что полярность импульсов не соответствует полярности выходного тока и ее необходимо изменить. Этот процесс показан на фиг.2 с помощью кривых 13, и на фиг.1 с помощью ломаной 6, когда после отключения импульса ток линейного канала сначала уменьшается по модулю, но затем продолжает возрастать в прежнем направлении. В этом случае производят возбуждение импульсов, имеющих полярность, соответствующую второму опорному значению. В результате происходит изменение полярности генерируемых импульсов и одновременно соответствия пороговых сигналов формированию команд включения и отключения импульсов.

Для определения полярности формируемых импульсов, строго говоря, достаточно данных о первой производной функции тока линейного канала. Введение второй пары опорных сигналов обусловлено тем, что в общем случае нагрузка имеет сложный характер, в частности может быть переменной и нелинейной, а также содержать в своем составе не только индуктивную и активную составляющие, но и емкостную. На фиг.1 изображены диаграммы напряжений и токов для нагрузки индуктивно-активного характера и усилителя с линейным каналом, имеющим малое выходное сопротивление, но отличное от нуля. Поэтому ток линейного канала выходит за рамки первой пары опорных сигналов.

В импульсном канале не формируют импульсов при малых мощностях усиливаемых сигналов. Параметры дросселя 16 определяются частотными свойствами импульсного канала, которые значительно превышают диапазон частот воспроизводимых сигналов. Таким образом, линейный канал оказывается нагруженным на дроссель сравнительно малой индуктивности и ключ импульсного канала, замыкающий его выход на общий вывод. Для устранения этой нагрузки импульсный канал запирают по истечении интервала времени, определяемого постоянной времени дросселя, при этом его выходное сопротивление возрастает до величины, значительно большей, чем сопротивление нагрузки. На фиг.1 показан интервал времени от начала координат до точки А, когда импульсный канал заперт.

Использование прелагаемого способа управления линейно-импульсным усилителем мощности позволяет снизить потери энергии и уменьшить установочную мощность линейного канала.

Источники информации

1. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. - М.: Энергия, 1980, с.15.

2. Авторское свидетельство СССР №1615852, кл. Н 02 М 7/537, 1987.

Изобретение относится к технике усиления мощности электрических сигналов и может быть использовано в усилителях мощности устройств воспроизведения звука, а также в устройствах автоматики, измерительной и преобразовательной техники. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности усилителя мощности путем уменьшения потерь электрической энергии. Способ заключается в том, что электрические сигналы усиливают по двум параллельно включенным каналам усиления: линейному (ЛК) и импульсному (ИК), с последующим суммирование их на общей нагрузке. (ЛК) осуществляет линейное непрерывное усиление мощности, (ИК) - широтно-импульсное усиление, а также ограничение мощности (ЛК). Способ отличается тем, что формируют первую пару опорных сигналов положительной и отрицательной величины, равных по модулю, и вторую пару, аналогичную, но большую по модулю. (ИК) переключают в состояние импульса в момент равенства тока (ЛК) опорному сигналу первой пары, а выключают импульс в момент равенства тока противоположному сигналу этой пары. Полярность выходных импульсов (ИК) задают, исходя из полярности опорного сигнала второй пары в момент достижения тока (ЛК) значения этого сигнала. 3 ил.

1. Способ управления линейно-импульсным усилителем мощности электрических сигналов, содержащим параллельные линейный и импульсный каналы усиления электрических сигналов, которые суммируют на общей нагрузке, состоящий в том, что формируют и подают на линейный канал сигнал управления, равный усиленной разности входного задающего сигнала и выходного напряжения усилителя, измеряют выходной ток линейного канала и в моменты его равенства опорным сигналам формируют и подают сигналы переключения импульсного канала, отличающийся тем, что формируют две пары опорных сигналов, из которых первые два сигнала - положительный и отрицательный - равны по модулю заданной величине, а вторые два - положительный и отрицательный - равны по модулю большей, чем первая, заданной величине, импульсный канал переключают из состояния паузы в состояние импульса в момент равенства тока линейного канала опорному сигналу первой пары, а выключают импульс и переводят импульсный канал в состояние паузы путем замыкания его выхода на общий вывод в момент равенства тока противоположному сигналу этой пары, полярность выходных импульсов импульсного канала задают и запоминают на интервале паузы, равной полярности опорного сигнала второй пары, каждый раз в момент достижения тока линейного канала значения этого сигнала, при этом возбуждают импульс, опорный сигнал первой пары той же полярности задают, как сигнал управления для дальнейшего включения импульса, а сигнал противоположной полярности служит для выключения импульса.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае отсутствия импульсов импульсного канала в течение заданного интервала времени его переводят в третье, запертое состояние, значение полярности импульсов обнуляют, после этого при достижении величины тока линейного канала опорного сигнала первой пары импульсный канал переводят из запертого состояния в состояние импульса, а полярность первого импульса задают и запоминают равной полярности этого сигнала.