Обзор схемотехники усилителей напряжения

Расчет силового каскада

 

Для питания силового каскада используется источник постоянного напряжения, схема которого приведена на рис. **. Элементы этой схемы посчитаны с помощью специальной программы PI Eexpert 6.1.0.2. Источник питания – обратноходовой преобразователь, управляемый специальной микросхемой TopSwitch марки TOP250Y. Схема работает с частотой переключения 132 кГц. Номиналы элементов приведены в приложении **.

 

 

К мостовому преобразователю (рис. **) подается напряжение питания в . Обратное напряжение на транзисторах не превышает этого значения, а максимальная амплитуда тока через них . Частота переключения ключей – .

 

Транзисторы типа APT5020BVR, выбранные на основе этих значений, имеют следующие параметры:

максимальное обратное напряжение ;

максимальный прямой ток ;

мощность рассеяния ;

максимальное напряжение затвор-исток ;

сопротивление канала сток-исток во включенном состоянии ;

время включения ;

время выключения ;

выходная емкость ;

заряд на затворе ;

Посчитаем потери мощности в транзисторе []. Потери мощности при включении:

 

 

Потери мощности во включенном состоянии:

 

;

 

Потери мощности, определяемые цепью затвора:

 

;

 

Суммарная мощность потерь на одном транзисторе:

 

.

 

Чтобы ток во время паузы, когда все четыре транзистора закрыты, не протекал через внутренний диод транзистора, создавая тем самым дополнительные потери в нем, в схему включены диоды . Тогда весь ток во время паузы потечет через диоды , которые к тому же более быстродейственны, чем внутренние диоды транзисторов. Диоды  – диоды Шоттки типа 20L15T, имеющие параметры []:

максимальное обратное напряжение ;

максимальный прямой ток ;

максимальное прямое падение напряжения ;

максимальный обратный ток .

Потери в диоде определяются как .

А диоды  – диоды типа RHRP860 с параметрами []:

максимальное обратное напряжение ;

максимальный прямой ток ;

максимальное прямое падение напряжения ;

максимальный обратный ток ;

заряд на диоде .

Потери в диоде в этом случае считаются по формуле

 

 

Каждую группу элементов ( ) разместим на отдельных штыревых радиаторах. Определим размеры радиатора для рассеивания мощности в  при температуре перехода  [найв].

Зададимся высотой радиатора .

По графику на рис. ** для  определяем коэффициент неравномерности температуры штыревого радиатора при принудительной конвекции .

Определяем допустимую среднюю поверхностную температуру радиатора и его перегрев:

 

,

.

 

Для вертикально ориентированной поверхности высотой  рассчитаем коэффициент теплообмена при принудительной конвекции:

 

,

 

где  - число Рейнольдса;

 - коэффициент теплопроводности термопасты.

Коэффициент теплообмена излучением:

 

,

 

где  – степень черноты поверхности радиатора, выполненного из анодированного алюминия;

 - коэффициент облученности, выбран на основании [].

 взято из таблицы **.

Определяем суммарный коэффициент теплообмена:

 

.

 

Рассчитываем площадь теплоотдающей поверхности радиатора:

 

.

 

Зададимся следующими параметрами штыревого радиатора:

толщина основания ;

высота штыря ;

шаг между штырями ;

радиус верхнего основания штыря ;

радиус нижнего основания штыря ;

Ширина штыревого радиатора:

 

,

где ;

,

 

Размеры штыревого радиатора принимаем следующие: .

НЧ фильтры рассчитаем на частоту среза . Суммарная емкость на выходе примем равной 4 мкФ. Зная, что  и  получаем емкости

 

.

 

Индуктивности дросселей фильтров тогда можно определить из формулы

 

.

 

Диаметр намоточных проводов равен

 

,

 

где  – плотность тока в проводах.

 

Обзор схемотехники усилителей напряжения

 

1.1 Анализ технического задания. Обзор возможных способов реализации усилителя

 

Рассмотрим основные способы реализации усилителей и режимы их работы.

Режим А. В этом режиме точка покоя транзистора находится примерно в средней части используемой части характеристики усилительного элемента, работающего, как принято говорить, без отсечки тока. Временные диаграммы на рис. ** дают представление о сущности режима А.

 

Режим А характеризуется сравнительно низким уровнем высших гармоник, однако энергетические показатели оказываются неблагоприятными. В режиме А непрерывно, независимо от уровня сигнала потребляется приблизительно одна и та же мощность от источника питания, а вследствие сравнительно небольшого коэффициента использования тока, например, коллекторного

 

,

 

где  – амплитуда первой гармоники,  – среднее значение тока, близкое к постоянному значению  в отсутствие сигнала, КПД получается меньше 50%. Действительно, КПД, представляющий собой отношение полезной (отдаваемой) мощности  к мощности, потребляемой от источника питания , равный

 

 

не может быть больше 50%. Это объясняется тем, что и коэффициент использования напряжения (коллекторного)

 

,

 

где  – амплитудное значение первой гармоники коллекторного напряжения,

 – постоянное напряжение на коллекторе в отсутствие сигнала.

Недостатком класса А является то, что от источника питания при любых сигналах потребляется почти одинаковая мощность , и с уменьшением амплитуды сигнала все большая ее часть тратится бесполезно [бел. ЭЦ].

Режим А широко применяется в однотактных каскадах, для которых он является единственно возможным. В реальных усилителях с режимом работы класса А КПД не превышает 25% [Белов ЭЦ].

Режим В. Это такой режим работы усилительного элемента (транзистора), в котором при синусоидальном входном сигнале  ток в выходной цепи протекает только в течение половины периода  (рис. **). Среднее значение тока в выходной цепи в этом случае примерно [Бел. ЭЦ]

 

,(1)

 

где  – амплитуда импульсов выходного тока. Это равенство является строгим, если на интервале времени  ток , а на интервале .

 

 

 

Выходной ток усилителя (рис. **) в целом резко несинусоидален, т.е. содержит кроме основной гармоники большой процент высших гармоник. Поэтому класс В на практике применяется только в так называемых двухтактных каскадах, состоящих из двух усилительных элементов, каждый из которых работает в классе В, но со сдвигом в полпериода . В них выходной ток почти синусоидальный, среднее значение тока, потребляемого от источника питания, равно , а коэффициент использования тока источника

 

.

 

С учетом равенства (1) получаем, что , т.е. коэффициент использования тока источника не зависит от амплитуды входного сигнала и существенно больше, чем в классе А. КПД в классе В определяется как

, (2)

 

где . При  получаем , т.е. 78,5%

Таким образом, в классе В КПД существенно больше, чем в классе А, и, согласно (2), не зависит от тока , потребляемого от источника питания. Поскольку согласно (1) среднее значение тока, потребляемого от источника питания, изменяется пропорционально амплитуде входного сигнала, то при малых сигналах, когда мощность на выходе мала, уменьшается и мощность, потребляемая от источника питания.

В режиме малого сигнала и при условии  коэффициенты усиления по напряжению , по току  и выходное сопротивление каскада  составляют

 

, ,

 

где  – крутизна, характеризующая усиление переменной составляющей тока коллектора при изменении напряжения сигнала в цепи база-эмиттер  в рабочей точке при постоянном напряжении в цепи коллектор-эмиттер ;

 – температурное напряжение;

B – коэффициент передачи тока базы;

 – усиление тока в режиме малого сигнала.

Малосигнальные параметры  и  сильно зависят от уровня входного сигнала. При низких уровнях  уменьшается крутизна , вследствие чего стремится к нулю коэффициент усиления  и стремится к бесконечности выходное сопротивление . Возникающие при этом нелинейные искажения называются переходными нелинейными искажениями.

Режим АВ. В этом режиме ток в выходной цепи усилительного элемента при синусоидальном входном сигнале протекает в интервале времени, немного превышающем полпериода. По энергетическим показателям он близок к классу В и применяется в двухтактных каскадах для уменьшения нелинейных искажений сигнала.

Режим С. Это режим работы усилительного элемента, когда при синусоидальном входном сигнале ток выходной цепи протекает в интервале, меньшем половины периода . Для этого режима в пределе (при ) характерны  и , где  – длительность импульса тока . Однако вследствие значительной доли всех высших гармоник (2f, 3f, …), этот режим не пригоден для рассматриваемого нами типов усилителей. Он весьма широко используется в однотактных и двухтактных каскадах мощных усилителей радиочастоты, содержащих колебательные системы, эффективно фильтрующие высшие гармоники [Войшвилло].

Режим D. Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Скважность последовательности импульсов должна быть пропорциональной амплитуде полезных сигналов. На рис. **, а приведена структурная схема реализации однотактной односторонней ШИМ-2, содержащая генератор тактовых импульсов ГТ, генератор пилообразного напряжения ГПН, компаратор DA1 и RS-триггер.

 

 

Момента начала пилообразного напряжения синхронизированы с моментами генерации тактовых импульсов  (рис. **, б), которые устанавливают RS-триггер в состояние 1. При этом формируется фронт выходного импульса . В момент времени, когда пилообразное напряжение  становится больше , на выходе компаратора формируется положительный перепад напряжения. Этот перепад устанавливает RS-триггер в состояние 0, вследствие чего его выходное напряжение  скачком снижается до нуля, т.е. формируется спад выходного импульса Усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (можно встретить и другое название этого способа импульсной модуляции, например, ДИМ – длительно-импульсная модуляция) позволяют получить более высокий, чем у усилителей класса В, КПД (рис. **) [Шкритек]. Это связано с тем, что усилительный элемент работает в ключевом режиме [Бел. ЭиМ], поэтому потери мощности в усилительном элементе существенно уменьшаются (в закрытом состоянии потери энергии в нем определяются только током утечки, в открытом состоянии – малым остаточным напряжением на нем). Это преимущество особенно проявляется в малосигнальном режиме (при усилении сигналов низкого уровня), т.к. КПД каскада без учета потерь энергии при переключениях усилительного элемента не зависит от амплитуды полезного сигнала, как это имеет место в классах А, АВ, В. Мощность на выходе усилителя ШИМ в зависимости от коэффициента модуляции

 

,

 

где  – напряжение на нагрузке  – сопротивление насыщения транзистора, Ом;  – сопротивление катушек индуктивности фильтра, Ом;  – сопротивление нагрузки, Ом.

 

 

 

Режим . В этом режиме усилитель – это усилитель мощности, работающий в режиме класса В, в котором напряжение питания управляется в зависимости от напряжения сигнала [Шкритек] (см. рис. **). На рис. **  – положительная полуволна напряжения питания, зависящая от уровня сигнала;  – отрицательная полуволна напряжения питания, зависящая от уровня сигнала;  – выходное напряжение. Питающее напряжение усилителя класса В формируется усилителем класса А. Оно может быть достаточно низким (порядка 5% от выходного), поскольку при одинаковых коэффициентах усиления каскадов А и В напряжение сигнала равно среднему напряжению питания (рис. *). Каскад А выполняет также функцию фильтра искажений, возникающих в каскаде В. Типичные коэффициенты искажений при частоте сигнала 20 кГц не превышают 0,003% [Шкритек].

 

 

Режим G. Сущность его состоит в то, что два каскада усилителя работают при разных напряжениях питания (рис. **). Входной сигнал  подается на базы транзисторов. Коллектор транзистора VT1 соединен с источником меньшего напряжения U₁ через защитный диод VD1. Для сигналов напряжением  переход база-эмиттер транзистора VT2 имеет обратную полярность, и транзистор заперт. Диод VD3 защищает от пробоя переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT1 открыт, и через него сигнал поступает на нагрузку R_н. При увеличении напряжения входного сигнала  отпирается второй транзистор VT2. При этом диод VD1 защищает источник питания U₁ от броска тока в момент отпирания VT2. Диод VD2 предупреждает возникновение переходных искажений при переключении цепи с VT1 на VT2. Сущность этой защиты заключается в том, что диод VD2 запрещает транзистору VT1 перейти в состояние насыщения раньше, чем откроется транзистор VT2.

При малых уровнях входного сигнала  активным является только транзистор VT1, поэтому установившиеся мощностные показатели (мощность потерь) соответствуют усилителю, работающему в режиме В или АВ при пониженном напряжении питания U₁. Типичное соотношение напряжений питания .