Канал низкочастотного ключевого усиления Российский патент 2024 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относится к области усилительной и генераторной технике и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и гидроакустической связи.

Известны низкочастотные ключевые усилители класса D, использующие широтно-импульсную модуляцию и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М:. Связь. 1980. с 207]. Реализация методов ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку с невысоким коэффициентом активной мощности cos ϕ ≤ 0,5. Формирование импульсов, модулированных по длительности в зависимости от мгновенных значений усиливаемых сигналов, например, в результате сравнения с опорным симметричным пилообразным напряжением, обеспечивает линейность амплитудной характеристики и оптимизацию структуры спектра импульсного напряжения, и, как следствие, высокое качество выходных напряжений усилителя класса D.

Наряду с высокой энергетической эффективностью дополнительным преимуществом широкополосных ключевых усилителей является стабильность выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах, что обусловлено весьма низким собственным сопротивлением транзисторов в открытом состоянии.

Современные мощные полевые транзисторы позволяют обеспечить формирование импульсных напряжений до 1000 В при выходном токе до десятков Ампер при сопротивлении открытых каналов не более 0,01-0,1 Ом. Как правило, в усилителях класса D гидроакустических передающих трактов величина индуктивности L_ф ФНЧ выбирается из условия выделения на нагрузке напряжения возбуждения гидроакустического излучателя в диапазоне звуковых частот (до F_в=20 кГц) без искажения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Это обеспечивается при индуктивном сопротивлении Y_L=2πF_вL_ф значительно меньшем минимального сопротивления нагрузки Z_н(F_в).

Вместе с тем, высокая стабильность нагрузочных характеристик усилителей класса D связана с возможностью практически неограниченного нарастания выходного тока при значительном уменьшении импеданса нагрузки, либо с наличием пик фактора усиливаемых сложных сигналов. В результате могут возникать аварийные режимы перегрузки, что может приводить к выходам из строя транзисторов оконечных каскадов КУМ. Возникновение таких ситуаций является типичным для каналов ключевых усилителей, обеспечивающих возбуждение широкополосных гидроакустических преобразователей сложными сигналами цифровых сообщений, характеризующихся значительным пик фактором и фазовыми сдвигами в условиях работы на емкостную нагрузку. Попытка использовать отрицательную обратную связь по выходному току, согласно известному технологическому решению [Алексанян А.А., Александров В.А., Галахов В.А., Лондон Г.Ф. Авторское свидетельство СССР SU №1531186 от 23.12.19889 Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки. МПК H03K 3/02] приводит усилитель класса D в режим генератора тока. В результате при изменении импеданса нагрузки в полосе частот недопустимо искажается спектральная структура сигнала гидроакустической связи (ГС).

При необходимости обеспечения требуемой стабильности АЧХ напряжения возбуждения гидроакустических преобразователей (ГАП) безопасность работы каналов ключевых усилителей может быть обеспечена аварийным отключением по возрастанию остаточного напряжения на транзисторах. (Александров В.А., Киселев П.А., Куреной А.В. Патент РФ №2573229 от 20.01.2016. Модуль ключевого усиления. МПК H03F 3/217] либо при превышении амплитуды выходного тока предельного значения [Александров В.А., Майоров В.А., Полканов К.И. Патент РФ №2195687 от 27.12.2002. Гидроакустический передающий тракт. МПК G01S 7/524, 15/00].

Срабатывание механизма защиты предотвращает выход транзисторов из строя, запрещая работу КУМ на время всего цикла излучения. В результате имеет место неустойчивый режим передачи цифрового сообщения, что является недопустимым в рамках решения технических и технологических задач гидроакустических станций.

Наиболее близким к предлагаемому решению по количеству общих признаков является реализация канала ключевого усиления с динамическим ограничением выходного тока, описанная в патенте [Александров В.А., Казаков Ю.В., Калашников С.А. Патент РФ №2574813 от 10.02.2016. Многоканальный усилитель класса D. МПК H03F 3/217].

Прототип - канал низкочастотного ключевого усиления мощности по патенту №2574813 (фиг. 1), содержит широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП 1), ключевой усилитель 2 мощности (КУМ 2), датчик 3 тока, сумматор 5 и цепь 4 пороговой обратной связи.

Временные диаграммы сигналов, представленные на фиг. 2 для пояснения принципа действия устройства-прототипа, включают напряжения:

U - входной сигнал;

U_т - сигнал с выхода датчика тока;

U_oc - сигнал на выходе цепи 4 пороговой обратной связи; и_р - разностный сигнал на выходе сумматора 5;

U_н - сигнал на активно емкостной нагрузке КУМ 2, включающей дроссель ФНЧ.

-U_г'+U_г - граничные уровни пороговой ОС (пунктирная линия)

Сплошная линия - без токовой перегрузки, пунктирная линия - в режиме токовой перегрузки.

Работа устройства прототипа осуществляется следующим образом.

Входной сигнал U через сумматор 5 поступает на вход ШИП 1, где преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов, которые передаются через драйверы в составе КУМ 2 на управление транзисторами полумостового оконечного каскада ключевого усиления. В составе КУМ 2 по известным правилам [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М:. Связь. 1980. с 207] также входит дроссель ФНЧ, индуктивность L_ф которого обеспечивает ограничение высокочастотных составляющих выходного тока. При этом через датчик 3 тока в шине нагрузки формируется низкочастотное напряжение U_н, практически повторяющее по форме входное напряжение на заданном уровне мощности. При работе на гидроакустические преобразователи основным фильтрующим звеном выходного напряжения является емкость нагрузки С_н, коэффициент активной мощности которой, как правило, не превышает cos ϕ=0,4 и на высоких частотах в области собственной частоты практически не превышает cos ϕ_ф=0,1. Соответственно, добротность фильтра достигает 10, что связано с существенным подъемом АЧХ выходного напряжения.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения в полосе рабочих частот, верхнюю частоту рабочего диапазона фильтра Ω_в выбирают значительно (в 2-3 раза) ниже собственной частоты ФНЧ.

В результате гармоники низкочастотных составляющих модулированного импульсного напряжения, попадающие в область собственной частоты ФНЧ, могут кратно подчеркиваться, обуславливая повышение нелинейных искажений, и в отдельных случаях вызывая опасное превышение амплитуды выходного тока. Выделенное обстоятельство предъявляет еще более жесткие требования к качественным характеристикам тракта ключевого усиления, включающего ШИП 1 и КУМ 2, что достигается применением симметричной модуляции и быстродействующих полевых транзисторов в оконечном каскаде схемы ключевого усиления.

Таким образом, в номинальном режиме работы при значении выходного тока I_L менее достигнутого значения |I_L|≤I_Lд, обеспечивается требуемое качество выходного напряжения. В этом случае полуволны выходного напряжения U_т датчика 3 тока не превышают установленных значений +U_тд и -U_тд, определяющих границы сравнения цепи 4 пороговой обратной связи (ОС). Соответственно сигнал U_oc=0 означает, что обратная связь по выходному току отсутствует и не влияет на изменение разностного сигнала U_p на входе ШИП 1.

В режиме токовой перегрузки выходной сигнал U_т датчика 3 тока превышает граничные значения пороговой цепи 4 ОС ±U_тд. При этом на второй вход сумматора 5 поступает разностный сигнал:

В результате изменяется уровень и форма разностного сигнала U_p на входе ШИП 1. Для одинаковых коэффициентов суммирования (R₁=R₂) выполняется соотношение Up = U - U_oc, что приводит к соответствующему изменению низкочастотных составляющих модулированного импульсного напряжения в КУМ 2 и коррекции выходного тока (некорректированные сигналы U_т и U_р показаны на фиг. 2 пунктирными линиями). Вследствие корректирующего воздействия сигнала пороговой обратной связи по току достигается ограничение выходного тока (U_т - сплошная линия). Одновременно изменяется уровень и форма выходного напряжения при значительном ухудшении качества сигнала. Нелинейные искажения при этом обусловленные главным образом третьей и пятой гармоникой, могут достигать 20-40%. Особенно значительные искажения имеют место при работе на преимущественно емкостную нагрузку, для которой третья гармоника может значительно подчеркиваться собственным резонансом ФНЧ.

Такое подчеркивание гармонических искажений не только принципиально ухудшает качество напряжения возбуждения гидроакустического преобразователя, но и значительно ухудшает стабильность ограничения выходного тока КУМ, амплитуда которого может более чем в 1,5 раза превосходить установленное граничное значение, что влияет на надежность работы канала низкочастотного ключевого усиления - прототипа.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы канала низкочастотного ключевого усиления мощности при улучшении качества напряжения в режимах перегрузки.

Техническим результатом от использования настоящего изобретения является ограничение амплитуды выходного тока в условиях перегрузки при работе на преимущественно емкостную нагрузку не более чем на 20% от заданного граничного значения при не менее чем двукратном уменьшении гармонических искажений усиленного сигнала.

Технический результат достигается тем, что в известном канале низкочастотного ключевого усиления, содержащем сумматор, первый вход которого соединен с шиной входного сигнала, а второй вход - с выходом пороговой цепи обратной связи, а выход - с входом широтно-импульсного преобразователя, подключенного выходом к входу ключевого усилителя мощности, выход которого через датчик тока соединен с шиной нагрузки, введены новые признаки, а именно: выпрямитель и параллельная RC цепь, включенная между общей шиной и входом пороговой цепи обратной связи, соединенным через выпрямитель с выходом датчика тока.

В свою очередь цепь пороговой обратной связи канала низкочастотного ключевого усиления содержит первый и второй операционные усилители, причем инверсный вход первою операционного усилителя соединен с прямым входом второго операционного усилителя и подключен к входу пороговой цепи обратной связи, а прямой вход первого операционного усилителя соединен с инверсным входом второго операционного усилителя и подключен к шине опорного напряжения, при этом выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через диоды положительной и отрицательной проводимости подключены параллельно к выходу пороговой цепи обратной связи.

Обеспечение технического результата достигается модуляцией ограничения выходного тока при превышении амплитудного значения, определенного в результате амплитудного детектирования, установленного граничного значения. При этом достигается равномерное ограничение полуволн низкочастотного (НЧ) модулирующего (разностного) сигнала, формирующее импульсное напряжение с ШИМ и, соответственно, выходное напряжение и ток нагрузки. Фиксирование амплитуды выпрямленного сигнала датчика тока на время разряда амплитудного детектора позволяет реализовать режим ограничения модулирующего сигнала при превышении огибающей амплитуды тока установленного датчика, что соответствует уменьшению гармонических искажений выходного напряжения при минимизации превышения максимального тока граничного уровня.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена схема устройства-прототипа, на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу, на фиг. 3 схема заявленного устройства, на фиг. 4 временные диаграммы, поясняющие работу заявленного устройства.

Структурная схема заявленного канала низкочастотного ключевого усиления (фиг. 2) содержит широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП 1), ключевой усилитель мощности 2 (КУМ 2), датчик 3 тока, цепь 4 пороговой обратной связи, сумматор 5, выпрямитель 6 и параллельная RC-цепь 7. В свою очередь цепь 4 пороговой обратной связи включает операционные усилители 4.1 и 4.2, шину 4.3 опорного напряжения U_о и диоды 4.4, 4.5.

Принцип действия заявляемого технического решения поясняется диаграммами сигналов (фиг. 4), где представлены следующие временные зависимости:

U-напряжение на шине входного сигнала для преимущественно емкостной нагрузки;

U_т- напряжение на выходе датчика тока (пунктиром обозначен сигнал в режиме перегрузки без ограничения тока);

U_о - уровень порогового напряжения цепи 5 пороговой ОС

U_дт - детектированный уровень напряжения на выходе выпрямителя 6, нагруженного на параллельную RC-цепь 7 (пунктиром обозначен уровень сигнала без ограничения тока);

U_p'+U_ос'-U_ос - уровни ограничения положительной и отрицательной полуволн входного сигнала, определяющие максимальную амплитуду напряжения U_p на выходе сумматора 5 при R₁ >> R₂.;

-U_г'+U_г - граничные уровни пороговой ОС (пунктирная линия)

В состав предлагаемого устройства входят блоки, выполненные по известным правилам в соответствии с заявленными особенностями реализации, совокупное применение которых обеспечивает достижение технического результата.

ШИП 1 выполняется по традиционной схеме (Артым. А.Д.), реализующей формирование одноканальной ШИМ первого рода. В состав ШИП-1 входят генератор пилообразного напряжения тактовой частоты, значительно (более чем в 15-30 раз) превышающий верхнюю частоту усиливаемого сигнала, и коммутатор, обеспечивающий формирование ШИМ сигнала по результату входного воздействия U_p с пилообразным напряжением.

Ключевой усилитель 2 мощности для предлагаемого низкочастотного канала ключевого усиления выполняется по полумостовой схеме на полевых транзисторах с требуемыми допустимыми значениями напряжения и тока. Для противофазного управления транзисторами полумостовой схемы ключевого усилителя в составе КУМ 2 реализуются драйверы импульсных сигналов с плавающей точкой, например, применяемые в пат. РФ №2573229 (Модуль ключевого усилителя мощности. Опубл. 17.12.2015), либо с оптоэлектронной развязкой, согласно пат. РФ №2716041 (Модуль высоковольтного ключевого усилителя. Опубл. 06.03.2020).

Датчик 3 тока, применительно к каналу низкочастотного ключевого усилителя с частотным диапазоном не ниже 100 Гц, наиболее простым образом выполняется на трансформаторе тока. Например, при одном витке первичной обмотки и 100 витках вторичной, нагруженной на сопротивление 100 Ом, коэффициент передачи такого датчика тока составит K_т=1В/1А.

Выпрямитель 6 обеспечивает выпрямление полуволн сигнала U_т, пропорционального выходному току U_т=K_тI, выполняется по мостовой, либо (при вторичной обмотке трансформатора тока со средней точкой) по двухтактной схеме на обычных полувольтных диодах.

RC - цепь предназначена для выполнения функции детектора амплитуды выпрямленных выпрямленного напряжения U_т. При параллельном включении RC - цепи 7 на выходе выпрямителя формируется напряжение U_дт, уровень которого определяется максимальной амплитудой сигнала U_т с постоянной времени разряда, примерно равной полупериоду нижней частоты диапазона усиливаемого сигнала U.

Цепь 4 пороговой обратной связи предназначена для формирования граничных условий положительной +U_ос и отрицательной -U_oc полярности для ограничения уровня, соответственно, положительной и отрицательной полуволн выходного сигнала при превышении уровня U_дт, установленного значения U_о. При уровне U_дт<U_о граничные значения +U_ос, -U_ос находятся выше номинальной амплитуды входного сигнала U=U_p и препятствуют его прохождению через сумматор 6 на вход ШИП 1. В режиме токовой перегрузки U_дт>U₀, что приводит к уменьшению граничных значений |+U_oc| и |-U_oc| и, соответственно, ограничению уровня положительной и отрицательной полуволны усиливаемого сигнала U_p.

Для реализации заданной функции цепь 4 выполняется на двух операционных усилителях 4.1 и 4.2 и двух диодах 4.4 и 4.5, а также содержит шину 4.3 опорного напряжения U_о. Собственный коэффициент усиления операционных усилителей устанавливается не менее 30, чем достигается глубина ограничения выходного тока более чем 30 дБ, соответствующая формированию заявленного технического результата.

В рамках решаемой задачи сумматор 5 предназначен для ограничения уровня полуволн усиливаемого сигнала при прохождении резистора R₁, что достигается при условии соотношения резисторов в резистивном сумматоре R₁ >> R₂. Например, для входного сопротивления ШИП 1 не менее 10 кОм сопротивление резисторов сумматора могут составлять R₁=1 кОм, R₂=100 Ом.

Предлагаемый канал низкочастотного ключевого усилителя работает следующим образом.

В номинальном режиме работы входной сигнал U через сумматор 5 поступает без ограничения уровня на вход ШИП 1 с входным сопротивлением R_вх=10 кОм в виде результирующего напряжения U_p=UK_с=UR₁/R_вх. При этом максимальная U_p (например, U_p=5 В) не превышает граничные значения +U_ос и -U_oc, установленные цепью 6 пороговой обратной связи. Соответственно, ШИМ сигнал, формируемый ШИП 1, обеспечивает модуляцию длительности импульсов управления КУМ 2 из условия пропорциональности низкочастотной составляющей модулированного импульсного напряжения U_н пропорционально текущим значениям сигнала U_p:

U_н(t) = U_p(t)K₀ = UK_сK₀,

где K₀=E/U_пм - коэффициент усиления КУМ 2 при напряжении электропитания ±Е.

Далее модулированное импульсное напряжение поступает через дроссель с индуктивностью L_ф в составе КУМ 2 и датчик 3 тока в шину нагрузки с существенной емкостной составляющей С_ф. В результате появления ВЧ составляющих импульсного напряжения LC ФНЧ второго порядка на нагрузке появляется НЧ напряжение U_н с весьма незначительными составляющими высокочастотного импульсного преобразования. Так при собственной частоте среза фильтра При этом обеспечение заданного отношения частот Ω₀/ω₀ при преимущественно емкостной нагрузке обуславливает изменение индуктивности L_ф, что соответствует значительным ВЧ составляющим тока дросселя, достигающего 0,1 - 0,3 от номинального уровня низкочастотного тока нагрузки. Здесь следует отметить, что именно указанное обстоятельство ограничивает глубину ОС по выходному току в устройстве-прототипе.

В режиме перегрузки, связанном с уменьшением нагрузки, либо переходными процессами при усилении сложных сигналов, в предлагаемом канале низкочастотного ключевого усиления выходной сигнал датчика 3 тока, поступающий через выпрямитель 7 и RC цепь 8 на вход цепи 4 превышает установленное граничное значение U_о. В результате уровни +U_ос и -U_oc понижаются и ограничивают амплитуду отрицательной и положительной полуволн результирующего напряжения U_p, что в свою очередь приводит к уменьшению амплитуды НЧ-составляющей U_н модулированного импульсного напряжения и ограничивает максимальное значение тока нагрузки. Таким образом, достигается пороговая обратная связь в предлагаемом канале НЧ ключевого усилителя. Следует отметить, что амплитудное значение сигнала U_Δt=|U_т| фиксируется амплитудным детектором, выполненном на выпрямителе 6 и RC цепи 7 на постоянную времени τ=RC. При этом граничные значения +U_ос и -U_oc практически не имеют ВЧ составляющих, чем достигается глубина ОС по ограничению выходного тока более чем на 30 дБ.

При устранении режима перегрузки через установленный временной интервал t_в ≈ (2 - 3)τ направление на входе цепи 4 пороговой обратной связи понижается за пороговый уровень U_о, что приводит к понижению границ ограничения +U_ос и -U_oc до номинальных значений. В результате устраняется ограничение сигнала U_p, чем обеспечивается переход канала НЧ ключевого усиления в номинальный режим работы.

Таким образом, в заявленном устройстве обеспечивается ограничение выходного тока при перегрузке с глубиной более 30 дБ, что более чем в два раза уменьшает превышение максимальной амплитуды выходного тока установленного номинального значения по сравнению с устройством-прототипом. При этом ограничение формы выходного НЧ напряжения, соответствующее режиму перегрузки связано с минимальными гармоническими напряжениями (не более 10%) по сравнению с устройством-прототипом, где искажения при существенно емкостной составляющей нагрузки могут превышать 30%.

В результате предлагаемое решение позволяет существенно повысить надежность работы гидроакустических излучающих трактов режимов ГЛ и СВ при исключении срывов циклов излучения сложных сигналов в условиях изменения нагрузки в широких пределах.

На предприятии разработан экспериментальный образец заявленного канала НЧ ключевого усилителя, результаты работы которого подтвердили его преимущества по сравнению с техническими аналогами, реализующими техническое решение на основе канала НЧ ключевого усилителя - прототипа. По результатам экспериментальной апробации предложено внедрение предлагаемого технического решения в новых разработках приборов генераторных устройств гидроакустических станций.

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и гидроакустической связи. Технический результат - ограничение амплитуды выходного тока в условиях перегрузки при работе на преимущественно емкостную нагрузку не более чем на 20% от заданного граничного значения при не менее чем двукратном уменьшении гармонических искажений усиленного сигнала, что позволяет существенно повысить надежность работы. Для этого предложен канал низкочастотного ключевого усиления, содержащий широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП 1), ключевой усилитель мощности 2 (КУМ 2), датчик 3 тока, цепь 4 пороговой обратной связи, сумматор 5, выпрямитель 6 и параллельная RC-цепь 7. В свою очередь цепь 4 пороговой обратной связи включает операционные усилители 4.1 и 4.2, шину 4.3 опорного напряжения U_о и диоды 4.4, 4.5. 4 ил.

Канал низкочастотного ключевого усиления, содержащий сумматор, первый вход которого соединен с шиной входного сигнала, второй вход подключен к выходу цепи пороговой обратной связи, а выход - к входу широтно-импульсного преобразователя, выход которого соединен с выходом ключевого усилителя мощности, подключенного выходом через датчик тока к шине нагрузки, отличающийся тем, что в его состав введены выпрямитель и параллельная RC цепь, включенная между общей шиной и входом пороговой цепи обратной связи, соединенной через выпрямитель с выходом датчика тока, при этом цепь обратной связи содержит первый и второй операционные усилители, причем инверсный вход первого операционного усилителя соединен с прямым входом второго операционного усилителя и подключен к входу пороговой цепи обратной связи, а прямой вход первого операционного усилителя соединен с инверсным входом второго операционного усилителя и подключен к шине опорного напряжения, при этом выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через диоды положительной и отрицательной проводимости подключены параллельно к выходу цепи пороговой обратной связи.