ДВУХТАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НЧ

May 29, 2010 by admin Комментировать »

С. Полтавский

В последнее время в радиолюбительской практике на­ходят применение низкочастотные усилительные устрой­ства с широтно-импульсной модуляцией, позволяющие реализовать режим работы выходных каскадов в классе D. Такие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими схемами усилителей низкой частоты, в частности высокий коэффициент полезного действия при любых уровнях сигнала и устойчивость к самовозбужде­нию. Вместе с тем усилители низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией сложнее обычных и обладают не­достатками из-за ограниченного частотного диапазона и повышенного уровня нелинейных искажений, что сужает область применения таких усилителей. Применение их перспективно в тех случаях, когда на первое место вы­двигаются требования экономичности, надежности, стабиль­ности при умеренных требованиях к качеству выходного сигнала: многоканальная громкоговорящая связь, селектор­ные устройства, мегафоны и т. п.

Выходная мощность рассматриваемого ниже усилителя опреде­ляется напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки. При применении указанных на принципиальной схеме деталей уси­литель развивает мощность 100 Вт при коэффициенте нелинейных ис­кажений примерно 2 %. Рабочий диапазон усилителя от 10 до 10 000 Гц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики не более 3 дБ. Входное сопротивление 5 кОм. Коэффициент полезного дейст­вия т) = 87 %.

clip_image002

Рис. 1. Структурная схема – усилителя с широтно-импульсной модуляцией

Структурная схема усилителя с широтно-импульсной модуляцией приведена на рис. 1.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) вырабатывает импульсы, поступающие на вход широтно-импульсного модулятора. Длительность импульсов модулятора пропор­циональна амплитуде входного сигнала низкой частоты. Импульсный сигнал с переменной скважностью усилива­ется по мощности выходным каскадом, работающим в клю­чевом режиме, и поступает на вход фильтра низких час­тот (ФНЧ), где осуществляется фильтрация высокочастотных составляющих и демодуляция сигнала. Среднее значение напряжения на нагрузке определяется выраже­нием:

clip_image004

где Uo — амплитуда напряжения выходного импульса, практически равная напряжению питания; ТИ — период тактовых импульсов; тм — длительность импульса широтно-импульсного модулятора;

clip_image006 — коэффициент заполнения импульсов.

clip_image008

Рис. 2. Структурная схема двухтактного усилителя

Рабочую точку такого усилителя (режим покоя) выби­рают при у = 0,5; при этом в нагрузке выделяется значи­тельная мощность, что приводит к уменьшению коэффи­циента полезного действия усилителя до 0,5 и менее. Это зависит от качества ФНЧ. Наличие значительной по­стоянной составляющей в выходном напряжении умень­шает эффективность динамических головок, приводит к подмагничиванию выходных трансформаторов и резко уве­личивает коэффициент нелинейных искажений. Этот не­достаток особенно проявляется, когда получают большую выходную мощность (десятки — сотни ватт). При этом тре­буется применение разделительного конденсатора с боль­шой емкостью.

Повышение КПД и реализация режима работы без постоянной составляющей достигаются применением двух­тактного усилителя, структурная схема которого приве­дена на рис. 2. При усилении положительной полуволны входного сигнала работает только ключ К1, отрицатель­ной — ключ К2. Среднее значение силы тока в нагрузке за период входного сигнала равно нулю, следовательно, отсутствует постоянная составляющая.

Усилитель содержит два широтно-импульсных моду­лятора: ШИМ-1 для преобразования положительной по­луволны входного сигнала и ШИМ-2 — для отрицатель­ной полуволны.

Принципиальная схема двухтактного усилителя с широтно-импульсной модуляцией приведена на рис. 3.

В ШИМ-1 и ШИМ-2 для получения ид-пульсов, моду-, лированных по длительности, используется метод срав­нения линейного пилообразного напряжения с медленно меняющимся (по сравнению с тактовой частотой) входным напряжением. Управление генератсрами пилообразного напряжения осуществляется при помощи генератора так­товых импульсов. Частота следования импульсов около 100 кГц.

В качестве генератора тактовых импульсов использу­ется симметричный мультивибратор VT12 и VT13. Через согласующий усилитель {VT14 и VT15) тактовые импуль­сы (рис. 4, Л) поступают на формирователь последователь­ности разнополярных импульсов (VT16 и VT17), сдвину­тых относительно друг друга на половину периода такто­вых импульсов. На коллекторных нагрузках импульсных формирователей образуется последовательность разнопо­лярных импульсов с малой длительностью, которые по­ступают на управляющие входы широтно-импульсных модуляторов (рис. 4, Б). Поскольку принцип действия ши­ротно-импульсных модуляторов одинаков, рассмотрим ра­боту одного из них, например ШИМ-1.

Усилитель DA1 и транзистор VT1 образуют регули­руемый генератор тока, сила которого равна отношению напряжения на неинвертирующем входе усилителя DA1 к сопротивлению резистора R3. Это справедливо, если ко­эффициент передачи тока транзистора VT1 велик (равен 100 и более), т. е. значения его эмиттерного и коллектор­ного токов близки и базовым током можно пренебречь. Формирование пилообразного напряжения достигается за счет зарядки емкости конденсатора С4 коллекторным током транзистора VT1 в течение периода тактовых импульсов.

clip_image010

Рис. 3. Принципиальная схема двухтактного импульсного усилителя низкой частоты

Напряжение на конденсаторе С4 и напряжение на пе­реходе коллектор — эмиттер транзистора VT1 изменяются в широких пределах, но ток зарядки стабилен благодаря использованию усилителя DA1. Благодаря этому достиг­нута хорошая линейность широтно-импульсного преоб­разования. Можно изменить масштаб этого преобразова­ния, регулируя переменным резистором R2 ток зарядки конденсатора С4 и амплитуду пилообразного напряжения. Один раз за период конденсатор С4 быстро разряжается через открывающийся транзистор VT2, управляемый им­пульсами с коллекторной нагрузки транзистора VT16.

Пилообразное напряжение с выхода ГПН, выделяющее­ся на резисторе R5, поступает на неинвертирующий вход сравнивающего устройства на усилителе DA2, который работает в режиме компаратора (рис. 4, В). При нулевом входном сигнале начальное смещение на инвертирующем входе, обеспечивающее минимальную длительность по­ложительных импульсов на коллекторе транзистора VT3, устанавливается переменным резистором R8. При подаче на этот же вход модулирующего напряжения на выходе сравнивающего устройства (коллектор транзистора VT3) получаются импульсы, длительность которых пропорци­ональна амплитуде модулирующего напряжения, причем в течение отрицательного полупериода модулирующей час­тоты импульсные сигналы на выходе сравнивающего ус­тройства отсутствуют (рис. 4, Г).

clip_image012

Рис. 4. Диаграмма напряжений в импульснам усилите­ле

clip_image014

clip_image016

Pис. 5. Печатная плата ИМПУЛЬСНОГО усилителя: а — печатный монтаж; б — расположение элементов

В течение отрицательного полупериода входного напря­жения импульсы, модулированные по длительности, по­являются на выходе сравнивающего устройства ШИМ-2 (рис. 4, Д).

Выходные сигналы ШИМ-1 и ШИМ-2 усиливаются по мощности ключевыми каскадами на транзисторах VT6 — VT11.

Обычно для фильтрации высокочастотных составля­ющих последовательно с нагрузкой включают дроссель, параллельно — конденсатор. Здесь демодуляция низко­частотного сигнала осуществляется динамической голов­кой ВА1. Для выполнения этих функций с заданным ко­эффициентом нелинейных искажений требуется соблюде­ние условия:

clip_image018

где Ти — период тактовых импульсов; Тм — период верхней частоты рабочего диапазона усилителя; L — индуктивность динамических головок; R — активное со­противление динамических головок.

При использовании динамических головок с сопротив­лением 3…4 Ом индуктивность их должна быть не менее 2 К)-4 Гн. Невыполнение этого условия приводит к уве­личению коэффициента нелинейных искажений.

clip_image020

Рис. 6. Принципиальная схема блока питания

Диоды VD5 и VD6 служат для предотвращения пере­напряжений на индуктивной нагрузке при коммутации ключей выходных каскадов.

Каскад на операционном усилителе DA5 служит для предварительного усиления входного сигнала. Максималь­ная амплитуда входного сигнала 250 мВ.

На транзисторах VT4 — VT5 и VT18 — VT19 и ста­билитронах VD2 и VD3 выполнены стабилизаторы напря­жения +7 В и — 7 В для питания широтно-импульсных модуляторов и предварительного усилителя.

Усилитель смонтирован на печатной плате из фольги-рованного стеклотекстолита размером 180 X 130 X 1,5 мм. Чертежи печатной платы и расположения деталей приве­дены на рис. 5.

Выходные транзисторы ключевых каскадов VT7 — VT8 и VT10 — VT11 установлены на радиаторе из алюминиевой пластины размером 180 X 60 X 5 мм.

Блок питания усилителя содержит нестабилизированные источники постоянного напряжения ±30 В и ±36 В. Принципиальная схема блока питания приведена на рис. 6. Трансформатор 1 собран на магнитопроводе ПЛМ 25 X X 40 X 58. Первичная обмотка содержит 400 + 300 вит­ков провода ПЭВ-2 1,0. Вторичные I и IV — по 14 вит­ков провода ПЭВ-2 0,23. Обмотки II и III содержат по 70 витков ПЭВ-2 1,5.

В усилителе транзисторы КТ315Г и КТ608А можно за­менить транзисторами серий КТ601, КТ602; КТ361Е — транзисторами КТ326А, КТ313А; ГТ321Е — транзистором КТ203А; КТ817А — транзистором КТ807А. Дроссели L1 — Ц0 могут быть намотаны проводом ПЭЛ-0,1 на резисторе МЛТ-0,5 сопротивлением 100…200 кОм до заполнения.

Резисторы R2, R8, R32, R37 — СП-16; R13, R28 — МЛТ-2, остальные — МЛТ-0,25. Конденсаторы С10 — С13, С26 — С29, СЗЗ, С34 — К50-6; С6, С24, С32 — К50-3, ос­тальные — КМ-6, КТ-1.

Настройка усилителя сводится к установке рав­ных амплитуд пилообразного напряжения на резисторах R5 и R35 с помощью переменных резисторов R2, R32, при­чем амплитуда пилообразного напряжения выбирается рав­ной максимальной амплитуде модулирующего напряжения на выходе предварительного усилителя DA5. Резисторами R8 и R37 выбирают зону нечувствительности (предотвра­щение искажений типа «ступенька»), для чего, как было ука­зано выше, в отсутствии сигнала на входе устанавливают наименьшую возможную длительность положительных им­пульсов на коллекторе транзистора VT3 и отрицательных — на коллекторе транзистора VT22.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты