Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току

Использование: в радиотехнике, в частности в технике связи. Технический результат заключается в обеспечении защиты усилителя как при изменении сопротивления нагрузки, так и при перегрузке по входу. Устройство содержит цепь обратной связи, содержащую делитель мощности, детектор, блок управления, резистор, биполярный транзистор, при этом делитель мощности выполнен в виде трансформатора тока, состоящего из ферритового кольца и двух обмоток, первичная обмотка выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, концы которого образуют вход и первый выход делителя мощности, а вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход делителя мощности, при этом резистор размещен в отверстии ферритового кольца, а его выводы охватывают кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике связи, и может быть использовано в усилителях мощности передатчиков оптической связи и радиолокации.

Известно устройство защиты усилителя от перегрузки по току, содержащее цепь отрицательной обратной связи, включенную между выходом усилителя и его инвертирующим входом, резистор, включенный между выходом усилителя и нагрузкой, и цепь положительной обратной связи, включенную между точкой соединения резистора с нагрузкой и неинвертирующим входом усилителя [1]. Недостатками такого устройства защиты усилителя от перегрузки по току являются то, что оно не защищает усилитель от перегрузки по току при подаче на вход усилителя мощного сигнала, то, что на выходе усилителя в канал прямой передачи необходимо включать резистор, и то, что усилитель должен иметь инвертирующий и неинвертирующий входы. Такое устройство защищает усилитель от перегрузки по току только при изменении нагрузки. Однако в процессе эксплуатации на вход усилителя могут поступать сигналы с амплитудой, превышающей номинальное значение. В этом случае перегрузка по току неизбежна, поскольку коэффициент усиления усилителя не зависит от амплитуды усиливаемых сигналов. Включение резистора в канал прямой передачи на выходе усилителя приводит к потере части выходной мощности и к необходимости создания условий по отводу тепла от указанного резистора, что препятствует использованию таких схем включения в мощных усилителях. Необходимость иметь в усилителе инвертирующий и неинвертирующий входы для использования рассматриваемого устройства защиты усилителя от перегрузки по току ограничивает возможности применения этого устройства при построении усилителей, имеющих, как правило, один вход [2].

Известно также устройство защиты усилителя от перегрузки по току, содержащее транзистор, коллектор которого подключается к цепи питания усилителя, первый резистор, включенный между эмиттером транзистора и источником питания, второй резистор, включенный между базой транзистора и источником питания, третий резистор, включенный между базой транзистора и общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, и стабилитрон, включенный параллельно второму резистору [3]. Недостатком такого устройства защиты усилителя от перегрузки по току является то, что защита реагирует на постоянную составляющую потребляемого тока и не реагирует на пиковые перегрузки потребляемого тока.

Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят делитель мощности, выполненный в виде направленного ответвителя, первый вход которого подключен к выходу защищаемого усилителя, первый выход - к нагрузке усилителя, детектор, вход которого подключен ко второму выходу делителя мощности, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, резистор, один вывод которого соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а второй - ко второму входу делителя мощности, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор которого соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключенный к входу усилителя [4].

Недостатком устройства-прототипа является то, что оно не обеспечивает защиту усилителя от перегрузки по току при усилении однополярных импульсов, поскольку делитель мощности, выполненный в виде направленного ответвителя, является узкополосным устройством, в то время как импульсный сигнал имеет спектр с коэффициентом перекрытия по частоте, составляющим 10²...10⁴ раз [5].

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - создание устройства защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току как при изменении сопротивления нагрузки, в том числе при значительном рассогласовании выходного сопротивления усилителя с нагрузкой, в частности, вызванного коротким замыканием нагрузки или ее обрывом, так и при перегрузке по входу, в том числе при многократном превышении амплитуды входных сигналов номинального значения.

Это достигается тем, что в устройстве для защиты усилителя мощности от перегрузки, содержащем цепь обратной связи, в состав которой входят делитель мощности, вход которого подключен к выходу защищаемого усилителя, первый выход - к нагрузке усилителя, детектор, вход которого подключен ко второму выходу делителя мощности, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, резистор, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор которого соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключенный к входу усилителя, делитель мощности выполнен в виде трансформатора тока, состоящего из ферритового кольца и двух обмоток, первичная обмотка выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, концы которого образуют вход и первый выход делителя мощности, а вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход делителя мощности, при этом резистор размещен в отверстии ферритового кольца, а его выводы охватывают кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току.

Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току содержит трансформатор тока 1 [6], выполненный в виде ферритового кольца и двух обмоток, первичная обмотка выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, концы которого образуют вход и первый выход трансформатора тока 1, вход подключен к выходу защищаемого усилителя 2, первый выход - к нагрузке усилителя 2, а вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход трансформатора тока 1, детектор 3, вход которого подключен ко второму выходу трансформатора тока 1, блок управления 4, вход которого соединен с выходом детектора 3, резистор 5, выводы которого охватывают ферритовое кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой, биполярный транзистор 6, база которого подключена к выходу блока управления 4, коллектор транзистора 6 соединен с общим для усилителя 2 и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора 6 образует выход цепи обратной связи, подключенный к входу усилителя 2. Вместо р-n-р транзистора 6, изображенного на чертеже, в заявляемом устройстве может использоваться также n-р-n транзистор.

Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току работает следующим образом. На базу транзистора 6 с блока управления 4, имеющего малое выходное сопротивление, подается постоянное запирающее оба перехода транзистора 6 напряжение. В случае использования р-n-р транзистора 6 это напряжение положительное. При подаче на вход усилителя 2 усиливаемых однополярных импульсов положительной полярности транзистор 6 будет заперт до тех пор, пока амплитуда усиливаемых импульсов будет меньше запирающего напряжения, подаваемого с блока управления 4 на базу транзистора 6. При превышении амплитуды усиливаемых импульсов значения запирающего напряжения, подаваемого с выхода блока управления 4 на базу транзистора 6, транзистор 6 открывается, и его входное сопротивление будет составлять единицы Ом. Поэтому в этом случае транзистор 6 будет играть роль самоуправляемого ограничителя и защищать усилитель 2 от перегрузки по входу.

Известно [6], что при неизменном значении напряжения возбуждения и уменьшении сопротивления нагрузки усилительного каскада, значение сигнального тока, отдаваемого транзистором в нагрузку, увеличивается. Поэтому в случае работы усилительного каскада в режиме номинальной выходной мощности и при уменьшении сопротивления нагрузки сигнальный ток может превысить допустимое значение, что приведет к выгоранию транзистора. Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току препятствует этому. При превышении сигнальным током допустимого значения напряжение, подаваемое с детектора 3 на вход блока управления 4, начинает превышать порог срабатывания блока управления 4 и напряжение на его выходе уменьшается. Это приводит к уменьшению сигнального напряжения на входе усилителя 2, поскольку при превышении амплитуды усиливаемых импульсов значения запирающего напряжения, подаваемого с выхода блока управления 4 на базу транзистора 6, транзистор 6 открывается, и его входное сопротивление, составляющее единицы Ом, шунтирует входное сопротивление усилителя 2. Работа схемы напоминает работу схемы автоматической регулировки усиления с задержкой [7].

В случае работы заявляемого устройства защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току в усилителе 2 с выходной мощностью в импульсе более 10...20 Вт и при отсутствии резистора 5 ферритовое кольцо трансформатора тока 1 перегревается и теряет свои магнитные свойства. Резистор 5 и его выводы образуют замкнутый вокруг ферритового кольца контур с сопротивлением, равным сопротивлению резистора 5. Использование резистора 5 позволяет уменьшить нагревание ферритового кольца. Изменяя сопротивление резистора 5, можно изменять уровень магнитного поля в ферритовом кольце и потери мощности в нем.

Предложенное устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает защиту усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току при изменении сопротивления нагрузки, в том числе при значительном рассогласовании выходного сопротивления усилителя с нагрузкой, в частности, вызванного коротким замыканием нагрузки. Это достигается тем, что делитель мощности выполнен в виде трансформатора тока 1, состоящего из ферритового кольца и двух обмоток, первичная обмотка которого выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, а резистор 5 и его выводы образуют замкнутый вокруг ферритового кольца виток с сопротивлением, равным сопротивлению резистора 5.

Предложенное устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току позволяет сохранить работоспособность защищаемого усилителя 2 при воздействии на его вход импульсных сигналов со средней за период мощностью вплоть до максимально допустимой мощности, рассеиваемой коллектором транзистора 6.

Источники информации

1. Патент РФ №2151462, Н03F 1/52. Усилитель мощности с защитой от перегрузки по току / Коваленко Г.В., Лахметкин Б.Е., Яценко В.И. - Опубл. 20.06.2000.

2. Белов Л.А. Твердотельные усилители малой и средней мощности // Электроника: НТБ. - 2006. - №5. - С.46-54.

3. Бунин С. Защита мощных выходных транзисторов // Радио. - 1982. - №4. - С.22.

4. Патент РФ №2217861, Н03F 1/52. Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки // Титов А.А., Ильюшенко В.Н.. - Опубл. 27.11.2003. - прототип.

5. Пикосекундная импульсная техника. / В.Н.Ильюшенко, Б.И.Авдоченко, В.Ю.Баранов и др. / Под ред. В.Н.Ильюшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 368 с. [стр.6].

6. Титов А.А. Сверхширокополосные усилители мощности. Эффективность автоматической регулировки режима класса А // Электроника: НТБ. - 2003. - №4. - С.32-35.

7. Крисилов Ю.Д. Автоматическая регулировка и стабилизация усиления транзисторных схем. - М.: Советское радио, 1972. - 272 с. [стр.260, рис.5.9].

Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току, содержащее цепь обратной связи, в состав которой входят делитель мощности, вход которого подключен к выходу защищаемого усилителя, первый выход - к нагрузке усилителя, детектор, вход которого подключен ко второму выходу делителя мощности, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, резистор, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор которого соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключенный к входу усилителя, отличающееся тем, что делитель мощности выполнен в виде трансформатора тока, состоящего из ферритового кольца и двух обмоток, первичная обмотка выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, концы которого образуют вход и первый выход делителя мощности, а вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход делителя мощности, при этом резистор размещен в отверстии ферритового кольца, а его выводы охватывают кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой.