Устройство защиты от перегрузок двухтактного усилителя мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для защиты мощных выходных каскадов в двухтактном усилителе от перегрузок. Устройство содержит в каждом плече усилителя резисторный датчик тока и напряжения нагрузки, транзистор защиты, дифференцирующий конденсатор для компенсации оставления фазы тока нагрузки и стабилитрон для компенсации падения напряжения на базе транзистора защиты. В устройстве также предусмотрен резистор, ограничивающий импульсный ток базы транзистора защиты, и регулировочный резистор для компенсации номинального разброса параметров элементов схемы. Технический результат: исключение самовозбуждения схемы защиты при любом характере сопротивления несогласованной нагрузки наряду со значительным уменьшением импульсных перегрузок выходных каскадов и исключением сквозных токов через них, а также снижение амплитуды мгновенных значений мощности рассеивания на выходных каскадах при перегрузке (для любого характера нагрузки и при любом напряжении на ней) до значения, близкого к лимиту мощности при номинальной нагрузке. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для защиты мощных выходных транзисторов в двухтактном усилителе от перегрузок.

Известна схема защиты транзисторов, содержащая в каждом плече двухтактного усилителя датчик тока в цепи эмиттера усилительного транзистора и датчик напряжения между коллектором и эмиттером усилительного транзистора, состоящий из двух последовательных резисторов, включенных между коллектором усилительного транзистора и выходом усилителя, причем точка соединения двух резисторов этого делителя подключена к базе транзистора защиты, коллектор которого соединен с базой усилительного транзистора через развязывающий диод, а эмиттер соединен с выходом усилителя [патент США, N 3671879, Н.кл. 330-207, М.кл. H 03y21/00, опубл. 1972].

Данное устройство допускает самовозбуждение схемы защиты на частоте, находящейся в пределах эффективно усиливаемых усилителем частот в случае, когда нагрузка подключается к выходу усилителя через согласующий трансформатор, сопротивление нагрузки больше номинального, а внутреннее сопротивление источника питания отлично от нуля.

Известно устройство защиты двухтактного усилителя мощности, содержащее датчик тока в нагрузке, датчик напряжения нагрузки и исполнительный транзистор защиты, база которого связана с датчиками посредством операционного усилителя защиты, а коллектор соединен через развязывающие диоды с базами усилительных транзисторов двух плеч усилителя, а также содержащее интегрирующий конденсатор параллельно датчику напряжения [авторское свидетельство СССР N 614524, М. кл. H 03 F 3/26; H 02 H 7/20, опубл. 05.06.1978].

Недостатком известного устройства является то, что при быстром изменении тока и напряжения на выходе усилителя, оно допускает длительные импульсные перегрузки усилительных транзисторов из-за прохождения сигнала обратной связи схемы защиты через операционный усилитель, который содержит множество транзисторов, создающих большую совокупную задержку. Импульсные перегрузки еще больше увеличиваются из-за преднамеренно созданной задержки интегрирующим конденсатором в цепи измерения напряжения нагрузки, при исключении которого схема защиты неизбежно самовозбудится на гораздо более низкой частоте, чем схема, не содержащая операционного усилителя.

Известен усилитель мощности на комплементарной паре транзисторов со средствами активного токового ограничения, содержащий в каждом плече усилительный транзистор, включенный по схеме с общим коллектором с резисторным датчиком тока в цепи эмиттера, и транзистор защиты, коллектор которого посредством разделительного диода, а база через резистор, соединены соответственно с базой и эмиттером усилительного транзистора, а также содержащий в каждом плече последовательно соединенные резистор и диод, посредством которых база защитного транзистора связана со средней точкой двуполярного источника питания усилителя [патент США N 3500218, Н.кл. 330-11, М.кл. H 03 F 3/04; 21/00, опубл. 1970].

Недостатком известного усилителя является то, что в нем допускается очень большая перегрузка по мощности усилительных транзисторов в случаях, когда нагрузка подключается через выходной трансформатор или разделительный конденсатор, или конденсатор и трансформатор. При напряжении между коллектором и эмиттером усилительного транзистора любого из плеч, большем, чем напряжение питания одного из полюсов двуполярного источника питания, переход диода, включенного между базой усилительного транзистора данного плеча и средней точкой источника питания, смещается в обратном направлении, и на усилительном транзисторе допускается рассеивание мощности, величина которой растет пропорционально росту напряжения на нем. Такой усилитель быстро выходит из строя в момент подачи питания или при несогласованной нагрузке и при возбуждении усилителя сигналом, близким по частоте к нижнему пределу эффективно усиливаемых частот по требованию на усилитель.

Известен двухтактный усилитель с защитой от перегрузки с источником питания со средней точкой, содержащий в каждом плече усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором с резисторным датчиком тока в цепи эмиттера, и транзистор защиты, коллектор которого непосредственно, а база через резистор соединены соответственно с базой и эмиттером транзистора усилительного каскада, содержащий также в каждом плече резистор, включенный между базой транзистора защиты и средней точкой источника питания, а также нагрузку, включенную между точкой соединения резисторных датчиков тока и средней точкой источника питания [патент ФРГ N 1811765, Н.кл. 21а2, М.кл. H 03 F 21/00, 18/08, 1971].

Известное устройство допускает самовозбуждение схемы защиты при уменьшении активного сопротивления нагрузки по отношению к номинальному и при наличии в нем реактивной составляющей индуктивного характера, вызванного, например, индуктивностью линии, соединяющей выход усилителя с нагрузкой или индуктивностью рассеивания выходного трансформатора усилителя, из-за отставания фазы тока в датчике тока по отношению к напряжению на нагрузке. При самовозбуждении ток через транзистор выходного каскада меняется от нуля до удвоенного значения тока, ограничиваемого схемой защиты без ее возбуждения.

Известное устройство также допускает существенное повышение амплитуды мощности рассеивания на транзисторе усилительного каскада при перегрузке по сравнению с амплитудой мощности при номинальной нагрузке за счет падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора защиты и амплитуда мощности, рассеиваемой на выходном транзисторе, существенно превышает предельно допустимую.

Задача состоит в том, чтобы найти такую схему защиты, которая не была бы склонна к самовозбуждению при любом характере нагрузки, индуктивном или емкостном, в том числе как при меньшей, так и при большей активной составляющей сопротивления нагрузки по отношению к номинальному ее сопротивлению, и не допускала бы повышения амплитуды мощности рассеивания на транзисторах усилительного каскада при перегрузке по сравнению с амплитудой мощности при номинальной нагрузке, в том числе, не допускала бы импульсных перегрузок по мощности при быстром изменении напряжения или тока в несогласованной нагрузке.

Техническим результатом является исключение самовозбуждения схемы защиты наряду со значительным уменьшением импульсных перегрузок усилительных транзисторов, а также существенное снижение амплитуды мощности между коллектором и эмиттером усилительных транзисторов при перегрузке для любого характера несогласованной нагрузки и при любом напряжении на ней в пределах напряжения питания усилителя. Эта амплитуда мощности почти доведена до амплитуды мощности, возникающей при номинальной нагрузке. При этом отсутствие искажение обеспечивается учетом разброса номиналов при расчете схемы, а минимально возможная амплитуда мощности при перегрузке обеспечивается регулированием с помощью двух регулировочных элементов.

Одновременно с уменьшением импульсных перегрузок по мощности предлагаемая схема позволяет уменьшить импульсные сквозные токи, протекающие через усилительные транзисторы при номинальной нагрузке и при быстром изменении усиливаемого сигнала.

Предлагаемая схема защиты не вносит искажений при большей или равной номинальному значению активной составляющей сопротивления нагрузки и при изменении усиливаемого сигнала в пределах заданных частот.

Благодаря использованию предлагаемой схемы время безотказной работы усилителя даже при длительной работе на несогласованную нагрузку любого характера одновременно с непрерывным возбуждением усилителя паразитным сигналом любой формы достигает величины, соответствующей времени безотказной работы усилителя на номинальную нагрузку при действии на входе усилителя полезного сигнала.

Предлагается схема защиты от перегрузок двухтактного усилителя мощности, охваченного отрицательной обратной связью и имеющего точку нулевого потенциала. Для каждого плеча выходного каскада схема защиты содержит резисторный датчик тока, включенный последовательно в цепь выхода плеча, и транзистор защиты, коллектор которого соединен со входом плеча, а переход база-эмиттер связан с датчиком тока посредством делителя напряжения нагрузки. Параллельно резистору делителя напряжения, связывающему базу транзистора защиты с датчиком тока, подключен дифференцирующий конденсатор, а последовательно с резистором делителя, связывающим базу с точкой нулевого потенциала, включен компенсирующий стабилитрон. Для плеча, питающегося положительным напряжением, к точке нулевого потенциала усилителя подключена p-область перехода стабилитрона, а в противоположном плече - n-область.

Последовательно в цепи базы транзистора защиты предусмотрен ограничительный резистор, а последовательно в цепи схемы возбуждения каждого плеча выходного каскада предусмотрен регулировочный резистор.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства защиты от перегрузок двухтактного усилителя мощности; на фиг. 2 изображены графики зависимостей мгновенного значения мощностей рассеивания между коллектором и эмиттером усилительного транзистора любого из плеч от модуля мгновенного значения напряжения на нагрузке при условии непрерывного срабатывания защиты для различных схем, где имеются следующие обозначения: p. k.- модуль мгновенных значений мощности, рассеиваемой между коллектором и эмиттером усилительного транзистора любого из плеч; Pн - средняя мощность, развиваемая в номинальной нагрузке при действии на выходе усилителя синусоидального сигнала максимальной амплитуды, при которой синусоидальная форма сигнала не искажается; u.k. - модуль мгновенных значений напряжения между коллектором и эмиттером усилительного транзистора любого из плеч; Uп - модуль напряжения для любого из полюсов источника питания относительно его средней точки.

Предлагаемое устройство зашиты от перегрузок двухтактного усилителя мощности, изображенное на фиг. 1, содержит верхнее плечо 1 и нижнее плечо 2, подключенные соответственно к положительному 3 и отрицательному 4 полюсам источника питания.

Выход 5 схемы возбуждения плеча 1 соединен с базой усилительного транзистора 6 через регулировочный резистор 7. База защитного транзистора 8 плеча 1 через ограничительный резистор 9 соединена с делителем напряжения нагрузки, состоящим из резисторов 10 и 11, причем параллельно резистору 11 подключен дифференцирующий конденсатор 12, один вывод которого соединен с датчиком тока 13 и выходом усилительного транзистора 6. Противоположный конец делителя (нижний вывод резистора 10) соединен с катодом стабилитрона 14.

Выход 15 схемы возбуждения плеча 2 соединен с базой усилительного транзистора 16 через регулировочный резистор 17. База защитного транзистора 18 плеча 2 через ограничительный резистор 19 соединена с делителем напряжения нагрузки, состоящим из резисторов 10 и 21, причем параллельно резистору 21 подключен дифференцирующий конденсатор 22, один вывод которого соединен с датчиком тока 23 и выходом усилительного транзистора 16. Противоположный конец делителя (верхний вывод резистора 20) соединен с анодом стабилитрона 24. Нагрузка 25 одним концом соединена с датчиками токов 13 и 23 и с эмиттерами транзисторов 8 и 18, а другим концом - с анодом стабилитрона 14, катодом стабилитрона 24 и со средней точкой 26 двуполярного источника питания.

Нагрузка 25 изображена в виде эквивалентного сопротивления.

Каждый из усилительных транзисторов (6 или 16) может быть выполнен как в виде составного транзистора в одном корпусе, так и в виде множества транзисторов, каждый из которых размещен в своем корпусе, образующих составной транзистор, причем составной транзистор плеча 2 может быть как комплементарным, так и квазикомплементарным по отношению к составному транзистору плеча 1.

Устройство защиты от перегрузок двухтактного усилителя мощности работает следующим образом.

Делитель напряжения нагрузки, изображенный на фиг. 1 в виде двух резисторов 10 и 11, образует балансный мост сопротивлений совместно с датчиком тока 13 и нагрузкой 25, который не вызывает отпирания защитного транзистора 8 и не влияет на работу усилительного транзистора 6 в случае, если активная составляющая эквивалентного сопротивления 25 больше номинальной. При этом мгновенные значения мощности, рассеиваемой между коллектором и эмиттером усилительных транзисторов 6 или 16, не превышают значений, ограниченных кривой 1 на фиг. 2.

При номинальной нагрузке зависимость мгновенных значений мощности описывается кривой 1. При этом лимит мощности между коллектором и эмиттером чуть превышает половину средней мощности, развиваемой в нагрузке при действии на нее неискаженным синусоидальным сигналом с максимально возможной амплитудой. Номиналы всех элементов защиты выбраны такими, а резистор 7 отрегулирован так, чтобы при любом напряжении на номинальной нагрузке появление напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 8 не вызывало никаких искажений сигнала в нагрузке при условии, если усилитель совместно со схемой возбуждения охвачен общей отрицательной обратной связью. Все номиналы элементов предлагаемой схемы защиты рассчитываются и выбираются с учетом паспортного разброса их параметров для их выбираемых номиналов.

При уменьшении активной составляющей сопротивления нагрузки 25 по отношению к номинальной на переходе база-эмиттер транзистора защиты 8 плеча 1 возникает напряжение, равное напряжению насыщения и транзистор 8 отводит такую часть тока возбуждения усилительного транзистора 6, что при любом напряжении между коллектором и эмиттером транзистора 6, мгновенная рассеиваемая на нем мощность не превышает значения, соответствующего ломаной 3 на фиг. 2. При этом схема возбуждения на выходе 5 вырабатывает максимальный ток возбуждения, общая отрицательная обратная связь между усилителем и схемой возбуждения разрывается и на выходе усилителя возникает искажение сигнала.

При напряжении нагрузки, меньшем, чем напряжение стабилизации стабилитрона 14, но большем, чем ноль, стабилитрон не участвует в работе схемы, и излишняя мощность на 6 обуславливается падением напряжения между базой и эмиттером транзистора 8, равного напряжению насыщения. При этом сопротивление 13 рассчитывается так, чтобы лимит мощности при нулевом напряжении на нагрузке не превысил допустимой мощности при самой наихудшей зависимости напряжения насыщения база-эмиттер транзистора 8 с точки зрения защиты от перегрузки на рассматриваемом интервале напряжений. Расчетный лимит мощности при нулевом напряжении нагрузки показан ломаной 3. Фактический же лимит мощности в этой точке несколько меньше расчетного.

При напряжении нагрузки, большем, чем напряжение стабилизации стабилитрона 14, последний действует как источник напряжения, компенсирующего напряжение насыщения база-эмиттер транзистора 8, и кривая 3 почти совпадает с кривой 1. Заметное превышение лимита мощности кривой 3 по отношению к кривой 1 объясняется тем, что при расчете кривой 3 учитывалось наихудшее с точки зрения защиты от перегрузки поведение напряжения насыщения база-эмиттер транзистора 8 на рассматриваемом интервале, и это расчетное превышение составляет не больше 10-15 процентов от лимита кривой 1. Фактическое же превышение существенно меньше, в то время, как для известного двухтактного усилителя с защитой от перегрузки лимит мощности при перегрузке превышает лимит кривой 1 на 50-60 процентов от его величины при том же отношении напряжения источника питания к напряжению насыщения база-эмиттер транзистора 8, и при том же соотношении сопротивлений 13 и 25. Это наглядно отражает кривая 2 на фиг. 2. Кривая 2 может быть приближена к кривой 1 при значительном увеличении сопротивления 13. Тогда напряжение стабилизации 14 может быть выбрано равным нулю. Но увеличение сопротивления 13 приведет к неоправданным потерям выходной мощности усилителя. Поэтому приведенные соотношения лимитов мощностей рассчитывались при соотношении сопротивлений 13 и 25, равном 1 к 10 (отношение напряжения источника питания к напряжению насыщения база-эмиттер транзистора 8 при расчете приведенных соотношений лимитов мощности выбиралось средним для усилителей различного типа и для наиболее подходящих транзисторов защиты, а именно - 42 к 1,1).

При напряжении нагрузки, равном напряжению стабилизации стабилитрона 14, сопряжение кривой 1 с ломаной 3 в точке 4 выполняется регулированием сопротивления 7 при работе усилителя на номинальную нагрузку. Этим регулированием достигается, с одной стороны, отсутствие искажений в точке 4 при номинальной нагрузке, а с другой стороны, минимально возможный лимит мощности на транзисторе 6 при перегрузке.

Близость точки 4 на фиг. 2 к точке лимита мощности на кривой 3, расположенной левее и выше точки 4, обеспечивает отсутствие существенного влияния разброса параметров типономиналов для всех резисторов схемы защиты на лимит мощности при перегрузке, а регулирование сопротивления 7 полностью компенсирует разброс напряжений насыщения база-эмиттер транзистора 8 и разброс напряжений стабилизации для выбранного в соответствии с расчетом типономинала стабилитрона 14 (расчет указанного лимита мощности при перегрузке был проведен для двух напряжений стабилизации, соответствующих крайним значениям в допуске + 10% на типономинал стабилитрона, и при этом лимиты отличались друг от друга не больше, чем на 0,02 части от их среднего значения).

Ограничительный резистор 9 служит для ограничения импульсного тока базы транзистора защиты, который может превысить допустимый в результате действия конденсатора 12 при импульсных перегрузках усилителя.

Защита плеча от перегрузок по току обеспечивается при расчете номиналов с учетом максимально возможного падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 8 при напряжении между коллектором и эмиттером транзистора 6, близком к нулю.

Плечо 2 работает аналогично плечу 1.

В результате при установке в усилитель транзисторов 6 и 16, для которых паспортная допустимая мощность рассеивания очень несущественно превышает лимит мощности на коллекторе при номинальной нагрузке, перегрузка этих транзисторов не произойдет ни при каком характере нагрузки, в том числе не будет кратковременных импульсных перегрузок транзисторов 6 и 16 благодаря действию конденсаторов 12 и 22, емкость которых рассчитывается исходя из ограничения на нее сверху, накладываемого верхним пределом эффективно усиливаемых частот по техническому требованию на усилитель. Действие этих же конденсаторов предотвращает возникновение сквозных токов через усилительные транзисторы при номинальной нагрузке и быстром изменении входного сигнала, когда в его спектре присутствуют гармонические составляющие за пределами диапазона эффективно усиливаемых частот по требованию на усилитель.

Формула изобретения

1. Устройство защиты от перегрузок двухтактного усилителя мощности, охваченного вместе со схемой возбуждения общей отрицательной обратной связью по напряжению и имеющего точку нулевого потенциала, содержащее для каждого плеча двухтактного усилителя резисторный датчик тока, установленный последовательно в цепи выхода плеча, делитель напряжения, установленный между точкой нулевого потенциала и датчиком тока, транзистор защиты, коллектор которого связан со входом плеча, эмиттер связан с одним концом датчика тока, а база связана посредством делителя напряжения с другим концом датчика тока, и конденсатор параллельно резистору делителя напряжения, связывающему базу транзистора защиты с датчиком тока, отличающееся тем, что для каждого плеча двухтактного усилителя последовательно в цепь резистора делителя напряжения, связывающего базу транзистора защиты с точкой нулевого потенциала, введен стабилитрон, причем с точкой нулевого потенциала связана положительная область перехода стабилитрона для плеча, питающегося положительным напряжением относительно этой точки, а для противоположного плеча - отрицательная область перехода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для каждого плеча двухтактного усилителя введен регулировочный резистор, включенный последовательно в цепь схемы возбуждения плеча.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для каждого плеча двухтактного усилителя введен ограничительный резистор последовательно в цепи между базой транзистора защиты и датчиком тока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для каждого плеча двухтактного усилителя введен разделительный диод, посредством которого коллектор транзистора защиты связан с входом плеча.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для каждого плеча двухтактного усилителя введен защитный диод параллельно выходу плеча.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2