Ключевой усилитель мощности

 

Использование: в усилителях мощности низкой частоты, а также в преобразователях вторичных источников электропитания. Сущность изобретения: усилитель содержит основные транзисторы, включенные по двухтактной схеме, с согласующим трансформатором на входе, трансформатором тока с двумя первыми и двумя вторыми обмотками и выходным трансформатором. Параллельно базо-эмиттерному переходу основгого транзистора каждого плеча включены диодно-резисторная цепь и вторичная обмотка согласующего трансформатора. Между базой дополнительного и эмиттером основного транзисторов каждого плеча включены дополнительная диодно-резисторная цепь, параллельно которой включен конденсатор, и соответствующая вторая обмотка трансформатора тока, а также цепь из последовательно соединенных диодов. Параллельно коллекторно-базовому переходу дополнительного транзистора каждого плеча включен резистор смещения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электронным усилителям и может быть использовано в усилителях мощности низкой частоты, а также преобразователях вторичных источников электропитания.

Известны ключевые усилители мощности, содержащие ключевые транзисторы, коллекторы которых подключены к первичной обмотке трансформатора, средняя точка которой подключена к первой шине источника питания, эмиттеры - к второй шине источника питания, и трансформатор управления, вторичные обмотки которого включены в базо-эмиттерные цепи транзисторов. Для устранения сквозных токов посредством введения фиксированной задержки используется включение конденсатора между базами транзисторов, RC-цепочек и т.д. Недостатком известных ключевых усилителей мощности с фиксированной паузой является неоптимальная величина задержки, выбираемая из расчета наихудшего случая, приводящая к снижению КПД.

Известны также ключевые усилители мощности, содержащие согласующий и выходной трансформаторы, причем к базе каждого транзистора через диод подключена дополнительная обмотка выходного трансформатора. Недостатком таких усилителей мощности является склонность к самовозбуждению при отсутствии управляющего сигнала.

Устранение этого недостатка достигается введением дополнительных цепей из транзистора, резистора и диода. Недостатком такого усилителя является его сложность.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ключевой усилитель мощности, выполненный по двухтактной схеме с согласующим и выходным трансформаторами, содержащий в каждом плече транзисторы, к базо-эмиттерному переходу каждого из которых подключены последовательно соединенные диодно-резисторная цепь и обмотка согласующего трансформатора.

Недостатками этого ключевого усилителя мощности являются низкий КПД и ограниченный частотный диапазон. Это связано с тем, что инерционные свойства нагрузки определяют режим переключения включающего транзистора. Чем больше инерционность нагрузки, тем больше пауза в токе потребления, с увеличением частоты управляющего напряжения происходит сбой в работе усилителя за счет инерционности нагрузки. Одновременно с этим при включении транзистора затягивается фронт включения из-за плавного отключения действия обратной связи, поступающей с обмотки выходного трансформатора. Изменение нагрузки приводит к изменению времени рассасывания, так как базовый ток транзисторов фиксирован базовыми резисторами. Причем с увеличением входного напряжения необходимо предусматривать обеспечение надежного режима работы транзистора с формированием области безопасной работы для транзисторов, работающих по схеме с общим эмиттером. Пиковые мощности при этом могут достигнуть весьма значительных величин, что ограничивает частотный диапазон в области верхних частот.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот в область верхних частот и повышение КПД.

Цель достигается тем, что в ключевой усилитель мощности, выполненный по двухтактной схеме с согласующим и выходным трансформаторами, содержащий в каждом плече транзисторы, к базо-эмиттерному переходу каждого из которых подключены последовательно соединенные диодно-резисторная цепь и обмотка согласующего трансформатора, введены трансформатор тока, цепочки из последовательно соединенных диодов, дополнительные транзисторы, резисторы смещения, цепочки из последовательно соединенных диода и резистора, зашунтированные конденсатором, образующие RCD-цепь, конденсаторы, при этом согласующий трансформатор снабжен дополнительными обмотками по числу основных транзисторов, каждый дополнительный транзистор включен последовательно с основным, в коллекторную цепь каждого дополнительного транзистора включены последовательно соединенные первая обмотка трансформатора тока и дополнительная обмотка согласующего трансформатора, вторые обмотки трансформатора тока подключены через RCD-цепь к базе дополнительного транзистора и эмиттеру основного транзистора, параллельно которым подключена цепочка из последовательно соединенных диодов, резисторно-диодная цепочка основных транзисторов зашунтирована конденсатором, а параллельно коллекторно-базовому переходу дополнительного транзистора включен резистор смещения.

В ряде случаев каждая последовательно соединенная первая обмотка трансформатора тока и соответствующая ей дополнительная обмотка согласующего трансформатора выполнены в виде единой обмотки, охватывающей сердечники трансформатора тока и согласующего трансформатора.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема ключевого усилителя мощности со средней точкой; на фиг. 2 - полумостовая схема; на фиг. 3 - полумостовая схема с включением первой обмотки трансформатора тока и дополнительной обмотки согласующего трансформатора в цепь нагрузки.

Усилитель содержит согласующий трансформатор 1 с первичной обмоткой 2, вторичными обмотками 3, 4 и дополнительными обмотками 5, 6, выходной трансформатор 7 с первичной обмоткой 8 и выходной обмоткой 9, основные транзисторы 10, 11, к базо-эмиттерному переходу которых подключены обмотки 3, 4 согласующего трансформатора 1 через RCD-цепь из резисторов 12, 13, диодов 14, 15, конденсаторов 16, 17. Дополнительные транзисторы 18, 19 включены последовательно с основными транзисторами 10, 11. В коллекторную цепь каждого дополнительного транзистора 18, 19 включены последовательно соединенные первые обмотки 20, 21 трансформатора 22 тока и дополнительные обмотки 5, 6 согласующего трансформатора 1. Вторые обмотки 23, 24 трансформатора 22 тока подключены через RCD-цепи из резисторов 25, 26, диодов 27, 28, конденсаторов 29, 30 к базам дополнительных транзисторов 18, 19 и эмиттерам основных транзисторов 10, 11, параллельно которым подключены цепочки 31, 32 из последовательно соединенных диодов. Параллельно коллекторно-базовому переходу дополнительных транзисторов 18, 19 включены резисторы 33, 34 смещения. Полумостовой вариант содержит дополнительно емкостный делитель из конденсаторов 35, 36.

Ключевой усилитель мощности работает следующим образом.

При подаче на вход усилителя постоянного напряжения через резисторы 33, 34 смещения начинается заряд конденсаторов 29, 30 до величины, ограничиваемой напряжением n U_дпр, где n - количество диодов в цепочках 31, 32; U_дпр - прямое падение напряжения на диоде, обычно ≈0,7 - 1 В. При этом дополнительные транзисторы 18, 19 имеют на своих базах положительные потенциалы U_дпр. При подаче на первичную обмотку 2 согласующего трансформатора 1 управляющего напряжения прямоугольной формы "меандр" форсированно открывается один из основных транзисторов 10 (11) и через него начинает протекать базовый ток дополнительного транзистора 18 (19), при этом происходит разряд конденсатора 29 (30). Наличие базового тока приводит к появлению коллекторного тока как основного транзистора 10, так и дополнительного транзистора 18. При этом протекающий коллекторный ток наводит в первой обмотке 20 трансформатора 22 тока и дополнительной обмотке 5 согласующего трансформатора 1 переменное напряжение, трансформируемое в базовые цепи основного 10 и дополнительного 18 транзисторов. Начинает развиваться блокинг-процесс, при котором ток, протекающий через первую обмотку 20 трансформатора 22 тока и дополнительную обмотку 5 согласующего трансформатора 1, пропорционально передается в базовые цепи. При этом обычно W₂₀:W₂₃=W₂₁:W₂₄=W₅:W₃=W₆:W₄=1:5, что обеспечивает надежный режим насыщения этих транзисторов. Энергия для поддержания этих транзисторов в режиме насыщения поступает непосредственно из источника U_пит, при этом величина тока по цепи управления ничтожно мала и определяется током холостого хода согласующего трансформатора 1 по первичной обмотке 2. При смене полярности управляющего напряжения напряжение на конденсаторе 16 (17), складываясь с отрицательным напряжением на вторичной обмотке 3 (4) согласующего трансформатора 1, форсированно запирает основной транзистор 10, при этом отключается эмиттерная цепь дополнительного транзистора 18 (19), разрывается токовая положительная обратная связь. Коллекторный ток дополнительного транзистора 18 (19) устремляется через коллекторно-базовый переход и цепочку 31 (32) диодов в нагрузку. Одновременно продолжается трансформация тока из первой обмотки 20 (21) во вторую обмотку 23 (24) трансформатора 22 тока и через цепочку 31 (32) диодов протекает суммарный ток 1, 2I_к (при принятых соотношениях витков 1:5), происходит рассасывание неосновных носителей в области базы дополнительного транзистора 18 (19) током I_б=I_к, что соответствует максимальной скорости рассасывания при максимальном допустимом напряжении (отсутствует режим вторичного пробоя, так как рассасывается только коллекторный переход). При этом на вторичной обмотке 24 трансформатора 22 тока продолжает наводиться отрицательное напряжение, препятствующее открыванию дополнительного транзистора 19 и возникновению "сквозного" тока. После рассасывания коллекторно-базового перехода дополнительного транзистора 18 (19) происходит его запирание, что способствует прекращению тока и инверсии напряжений на всех обмотках трансформатора 22 тока и началу второго блокинг-процесса смежного плеча.

По существу, в данном усилителе объединены два блокинг-процесса: блокинг-процесс с токовой положительной обратной связью для основного транзистора и токовой положительной обратной связью для дополнительного транзистора. Для исключения влияния разброса напряжений U_дпр27, U_дпр28, U_дпр15, U_дпр12, U_бэ11, U_бэ10, U_бэ18, U_бэ19 включены резисторы 25, 26, 12, 13, что необходимо для обеспечения симметричного перемагничивания сердечников трансформатора тока и согласующего трансформатора. Количество диодов в цепочках 31, 32 выбирается из условия U₃₁=U₃₂=n U_дпр< U_бэ18(19)+U_кэ10(11), а величина импульсного тока через них должна быть не менее 1,2Iк в течение времени рассасывания.

Для полумостовой схемы возможен вариант, при котором первые обмотки 20, 21 токового трансформатора 22 и дополнительные обмотки 5, 6 согласующего трансформатора 1 объединяются и включаются последовательно с нагрузкой по цепи переменного тока (фиг. 3), при этом вышеописанные режимы работы элементов и усилителя остаются без изменения. Для упрощения усилителя может быть предложено следующее: каждую последовательно соединенную первую обмотку 20 (21) (или их общую обмотку, см. фиг. 3) трансформатора 22 тока и соответствующую ей дополнительную обмотку 5 (6) (или их общую обмотку, см. фиг. 3) согласующего трансформатора 1 выполнять в виде единой обмотки, охватывающей сердечники трансформатора тока и согласующего трансформатора. Обычно это единичный виток, что соответствует "прошивке" проводником двух сердечников одновременно.

Таким образом, достигаются увеличение надежности за счет исключения области вторичного пробоя, увеличение крутизны фронтов, так как Iб.расс=Iк, увеличение коэффициента усиления за счет применения двух регенеративных режимов, полное исключение влияния свойств нагрузки (при реактивной нагрузке необходимо введение рекуперационных диодов).

По данному техническому решению был спроектирован и испытан макет: U_вх= 300 В, схема фиг. 3, транзисторы КТ854А, Р_вых=300 Вт, F=50 кГц. Диоды цепочек КД247, трансформаторы на магнитопроводах К12х10х5, материал АМАГ-183 ТИО1, выходной трансформатор 2НСР К30х20х10, Р_упр=1 Вт. R₁₂=R₁₃=R₂₅=R₂₆=5 Ом, τ_вкл=70 нс, τ_выкл=100 нс, τ_расс=500 нс.

Режимы транзисторов согласованы с разработчиками предприятия ПО "Кремний".

Формула изобретения

1. КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, выполненный на основных транзисторах, включенных по двухтактной схеме с согласующим трансформатором на входе и выходным трансформатором на выходе, при этом параллельно базоэмиттерному переходу основного транзистора каждого плеча включены последовательно соединенные диодно-резисторная цепь и вторичная обмотка согласующего трансформатора, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона в область верхних частот и уменьшения потребляемой мощности, введены трансформатор тока с двумя первыми и двумя вторыми обмотками, а согласующий трансформатор снабжен двумя дополнительными вторичными обмотками, при этом в цепь коллектора основного транзистора каждого плеча введен дополнительный транзистор, в коллекторной цепи которого включены последовательно соединенные по питанию соответствующие дополнительная вторичная обмотка согласующего трансформатора тока, между базой дополнительного и эмиттером основного транзисторов каждого плеча включены последовательно соединенные дополнительная диодно-резистивная цепь, параллельно которой включен конденсатор, и соответствующая вторая обмотка трансформатора тока, а также цепь из последовательно соединенных диодов, а параллельно коллекторно-базовому переходу дополнительного транзистора каждого плеча введен соответствующий резистор смещения.

2. Усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что в каждом плече последовательно соединенные дополнительная обмотка согласующего трансформатора и первая обмотка трансформатора тока выполнены в виде единой обмотки, охватывающей сердечники трансформатора тока и согласующего трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3