Двухтактный усилитель мощности

 

Использование: в усилителях двухполярного сигнала постоянного тока и звуковой частоты с незаземленной нагрузкой в радиоэлектронной аппаратуре, в устройствах автоматики. Сущность изобретения: в двухтактном усилителе мощности решается задача уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала путем уменьшения асимметрии за счет использования только одного управляемого униполярного источника тока или напряжения. Двухтактный усилитель мощности содержит управляемый фазоинвертор 2, управляемый униполярный источник 3 тока или напряжения, первый и второй нормально замкнутые ключи 4, 5, первый и второй нормально разомкнутые ключи 6, 7, источник питания 8, компаратор 9, нагрузку 10, которая имеет выводы 11, 12, а все ключи 4, 5, 6, 7 образуют коммутатор 13, шины 1-1ʹ. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в усилителях двухполярного сигнала постоянного тока и звуковой частоты с незаземленной нагрузкой в радиоэлектронной аппаратуре, в устройствах автоматики.

Известен двухтактный усилитель, содержащий операционный усилитель, нагруженный на вход фазоинвертора, подключенного своими выходами ко входам управляемых источников токов, при этом операционный усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью через резистор [1] Недостатком двухтактного усилителя является трудность подбора транзисторов управляемых источников тока с характеристиками, близкими во всем диапазоне значений выходного сигнала и необходимость в двухполярном источнике питания. Разброс параметров транзисторов делает двухтактную схему не полностью симметричной, а двухполярный мощный источник питания сложен, затруднительно его выполнение по бестрансформаторной схеме с удвоенной сетевой частотой пульсации на выходе. Каждый источник униполярного тока и половина источника питания работают поочередно в зависимости от направления тока в нагрузке, т.е. их загрузка близка к 50% т.е. низок коэффициент полезного действия.

Известен мостовой усилитель, содержащий один источник питания, униполярные мощные источники тока, фазоинвертор, управляемый компаратор и переключатель [2] В этом усилителе велики нелинейные искажения, поскольку в моством усилителе для положительной и отрицательной полуволн сигнала используются отдельные управляемые источники тока, что приводит к асимметрии.

Сущность заявленного изобретения состоит в решении задачи уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала путем уменьшения асимметрии за счет использования только одного управляемого униполярного источника тока или напряжения.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема двухтактного усилителя мощности; на фиг.2 а,б,в,г,д- диаграммы работы.

Двухтактный усилитель мощности содержит шины 1-1^l, которые являются информационным входом (фиг. 1), управляемый фазоинвертор 2, управляемый униполярный источник 3 тока или напряжения, первый и второй нормально замкнутые ключи 4, 5, первый и второй нормально разомкнутые ключи 6, 7, источник питания 8, компаратор 9 и нагрузку 10, которая имеет выводы 11, 12. Все ключи 4, 5, 6, 7 образуют коммутатор 13.

На фиг. 2 представлены эпюры в различных точках схемы: а напряжение на информационном входе; б напряжение на выходе управляемого фазоинвертора; в вытекающий ток на выходе управляемого униполярного источника тока или напряжения; г напряжение на выводе 11 относительно вывода 12 (напряжение на сопротивлении нагрузки 10); д напряжение на выходе компаратора 9.

На фиг.2 интервал времени t_o < t < t₁ соответствует нулевому уровню напряжения на информационном входе, интервал времени t₂ < t < t₃ соответствует положительной полярности напряжения на информационном входе, интервал времени t₂ < t < t₃ соответствует отрицательной полярности входного напряжения на информационном входе, интервал времени t₃ <t соответствует нулевому уровню входного напряжения на информационном входе.

Двухтактный усилитель мощности работает следующим образом.

Допустим, что используется управляемый униполярный источник 3, который является источником вытекающего тока, и источник питания 8, выдающий положительное напряжение относительной общей шины, на выходе компаратора 9 напряжение равно нулю при выходном напряжении на информационном входе, равном или выше нуля, а при отрицательном входном напряжении на выходе компаратора 9 напряжение положительное. При нулевом напряжении на выходе компаратора 9 положения контактов ключей 4, 5, 6, 7 соответствуют положениям приведенным на фиг. 1, при положительном напряжении на выходе компаратора 9 положение контактов ключей изменяется на обратное. На информационный вход поступает асимметричное переменное напряжение в виде положительной и отрицательной полуволны, у которого амплитуда положительного напряжения U+ превышает амплитуду отрицательного напряжения U- (фиг.2а). Допустим, что переключение контактов коммутатора 13 происходит мгновенно, при нулевом управляющем сигнале входной сигнал проходит через управляемый фазоинвертор 2 без изменения полярности, а при положительном управляющем сигнале с изменением полярности. В интервал времени t_o < t < t₁ входное напряжение равно нулю, на выходе управляемого фазоинвертора 2 напряжение равно нулю, на выходе управляемого источника тока ток также также равен нулю. В интервале t₁ < t < t₂ напряжения на информационном входе (фиг.2а) на выходе управляемого фазоинвертора 2 (фиг. 2б) положительное, управляемый униполярный источник 3 формирует вытекающий ток, повторяющий по форме входное положительное напряжение (фиг.2в), Этот ток проходит по первой контактной группе (верхней по схеме на фиг.1) и через вывод 11 поступает в нагрузку 10, на которой он создает напряжение положительной полярности относительно вывода 12 (фиг.2г). Далее ток из нагрузки 10 поступает к выводу 12 и далее через нижнюю группу контактов, общую шину. И источник питания 8 в управляемый униполярный источник 3.

В интервал времени t₂ < t < t₃ напряжение на информационном входе отрицательное (фиг.2а), управляемый фазоинвертор 2 под действием управляющего сигнала с компаратора 9 (фиг.2д) меняет фазу сигнала на противоположную, поэтому на выходе управляемого фазоинвертора напряжение снова положительной полярности (фиг.2б). Управляемый сигналом управляемый униполярный источник 3 формирует пропорциональный вытекающий ток (фиг.2в), повторяющий по форме отрицательное входное напряжение. Этот ток проходит через вторую (нижнюю на фиг. 1) контактную группу коммутатора 13, переключающие контакты замкнуты с нормально разомкнутыми контактами в коммутаторе 13 под действием управляющего сигнала с выхода компаратора 9, через вывод 12 нагрузки 10, на котором он создает напряжение отрицательной полярности относительно вывода 12 (фиг. 2г). Далее ток из нагрузки 10 поступает к выводу 11, через первую (верхнюю на схеме фиг.1) контактную группу коммутатора 13 в общий провод, затем источник питания 8 и т.д. Далее работа двухтактного усилителя мощности будет повторяться в зависимости от полярности входного сигнала. Работа двухконтактного усилителя мощности соответствует классу В. Напряжение на нагрузке 10 повторяет по форме входное напряжение, для формирования которого был использован один управляемый униполярный источник 3 тока или напряжение и один источник питания 8, который также является униполярным, т.е. выполнено условие полной симметрии для положительной и отрицательной полуволн входного сигнала, управляемый униполярный источник 3, источник питания 8 полностью загружен, исключая моменты, соответствующие нулевому уровню входного сигнала. Для медленно изменяющегося напряжения в качестве коммутатора 13 может быть использовано электромагнитное реле с двумя группами контактов на переключение. Для быстроизменяющегося напряжения могут быть использованы электронные ключи, например, на полевых транзисторах с малым сопротивлением канала в открытом состоянии и малым временем перехода из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Формула изобретения

ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, содержащий соединенные в кольцо источник питания, управляемый униполярный источник тока или напряжения, первый нормально замкнутый ключ, нагрузку и второй нормально замкнутый ключ, фазоинвертор, выход которого подключен к управляющему входу управляемого униполярного источника тока или напряжения, первый нормально разомкнутый ключ, который включен между точкой соединения нагрузки с первым нормально замкнутым ключом и точкой соединения источника питания с вторым нормально замкнутым ключом, второй нормально разомкнутый ключ, один вывод которого соединен с точкой соединения нагрузки с вторым нормально замкнутым ключом, компаратор, выход которого подключен к управляющим входам первого нормально замкнутого ключа и первого нормально разомкнутого ключа, при этом вход фазоинвертора является информационным входом двухтактного усилителя мощности, опорный вход компаратора соединен с точкой соединения второго нормально замкнутого ключа с источником питания и подключен к общей шине, отличающийся тем, что фазоинвертор выполнен в виде коммутируемого фазоинвертора, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, при этом информационный вход компаратора соединен с входом коммутируемого фазоинвертора, управляющие входы второго нормально замкнутого ключа и второго нормально разомкнутого ключа подключены к выходу компаратора, второй выход второго нормально разомкнутого ключа подсоединен к точке соединения управляемого униполярного источника тока или напряжения и первого нормально замкнутого ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2