Патент на изобретение №2166834

(54) КОММУТАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С АНАЛОГОВОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Коммутационный усилитель мощности содержит два источника переменного опорного напряжения, n разрядных ячеек, каждая из которых содержит трансформатор, первый, второй диоды, шунтирующий диод, соединенные соответствующим образом, n ключевых элементов, клемму для подключения входного сигнала, элемент усиления. Также усилитель содержит управляемый выпрямитель, фильтр, аналого-цифровой преобразователь для управления разрядными ячейками, элемент усиления выполнен в виде аналогового усилителя мощности. Коммутационный усилитель мощности содержит также делитель напряжения, соединенный с нагрузкой, с аналоговым усилителем мощности, шиной заземления. Технический результат: уменьшение количества источников питания, повышение коэффициента полезного действия и надежности. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к коммутационным усилителям, а более точно касается коммутационного усилителя мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения.

Данное изобретение может быть использовано в устройствах усиления мощности для проведения дискотек, для озвучивания концертных, спортивных, кинозалов, для радиотрансляционной сети общего назначения.

Известен коммутационный усилитель (Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь. 1997, стр. 162, рис. 9.5), содержащий источник питания, состоящий из двух отдельных источников, клемму для подключения входного сигнала, элементы усиления, резистор для ограничения насыщения элемента усиления. Элементы усиления выполнены в виде биполярных транзисторов. Эмиттер первого транзистора соединен с нагрузкой, его база соединена через резистор для ограничения насыщения с клеммой для подключения входного сигнала, а коллектор соединен с катодом отключающего диода. Эмиттер второго транзистора соединен с коллектором первого транзистора, база его соединена с клеммой для подключения входного сигнала, а коллектор соединен со вторым источником питания. Причем анод отключающего диода соединен с первым источником питания.

Работа усилителя происходит следующим образом. При входном напряжении меньшем, чем напряжение от первого источника питания, второй выключен, а первый транзистор работает как усилительный элемент, причем питание на него подается через отключающий диод с первого источника питания. При повышении входного напряжения выше, чем питающее напряжение от первого источника питания начинает открываться второй транзистор, отключающий диод закрывается, а первый транзистор полностью открывается. Таким образом, роль элемента усиления берет на себя второй транзистор, а напряжение питания теперь равно напряжению от второго источника питания. В данном усилителе мощности для создания нескольких ступеней питающего напряжения с целью дальнейшего повышения коэффициента полезного действия устройства необходимо добавить столько же отдельных источников питания и столько же элементов усиления, сколько ступеней питающего напряжения. Причем на каждом элементе усиления в открытом его состоянии рассеивается дополнительная мощность. Таким образом уменьшается общий коэффициент полезного действия устройства, а из-за увеличения количества питающих источников снижается надежность всего устройства.

В основу изобретения положена задача создания коммутационного усилителя мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения, позволяющего за счет нового схематического решения достичь уменьшения потерь мощности на элементах усиления при заданном количестве ступеней питающего напряжения, уменьшить количество источников питания, что в свою очередь позволяет повысить коэффициент полезного действия и надежность всего усилителя.

Поставленная задача решается тем, что в коммутационном усилителе мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения, содержащем источник напряжения питания, элемент усиления, клемму для подключения входного сигнала, согласно изобретению источник напряжения питания имеет два источника переменного опорного напряжения, подключенных к n разрядным ячейкам с n ключевыми элементами, управляемый выпрямитель, подключенный к последовательно соединенным выходам n разрядных ячеек и соединенный своими выходами с фильтром, первый выход которого подключен к нагрузке, аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для управления n разрядными ячейками, первый выход которого подключен к управляющему входу управляемого выпрямителя, а остальные n выходов подключены к соответствующим n ключевым элементам, а вход его подключен к клемме для подключения входного сигнала, синхронизирующий вход управляемого выпрямителя соединен со вторым источником переменного напряжения, элемент усиления выполнен в виде аналогового усилителя мощности, выход которого соединен со вторым выходом фильтра, также коммутационный усилитель мощности содержит делитель напряжения, выполненный на двух последовательно соединенных резисторах, начало первого резистора подключено к нагрузке, выход делителя напряжения соединен с инвертирующим входом аналогового усилителя мощности, конец второго резистора соединен с шиной заземления, неинвертирующий вход аналогового усилителя мощности подключен к клемме для подключения входного сигнала, каждая из n разрядных ячеек содержит делитель опорного напряжения, выполненный в виде трансформатора напряжения с последовательно соединенными первой и второй первичными обмотками и вторичной обмоткой, при этом начало вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки соединено с первым входом управляемого выпрямителя, конец вторичной обмотки трансформатора n-ной разрядной ячейки соединен со вторым входом отправляемого выпрямителя, вторичные обмотки трансформаторов всех n разрядных ячеек соединены последовательно, каждая разрядная ячейка содержит первый диод, анод которого соединен с первым источником переменного опорного напряжения, катод которого соединен с началом первой первичной обмотки соответствующего трансформатора, второй диод, анод которого соединен со вторым источником переменного опорного напряжения, а катод его соединен с концом второй первичной обмотки соответствующего трансформатора, шунтирующий диод, анод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соответствующего трансформатора и через соответствующий ключевой элемент с шиной заземления, катод которого соединен с шиной питания.

Возможно, что управляемый выпрямитель содержит первый, второй, третий, четвертый ключи переменного тока и первый, второй, третий, четвертый блоки управления, при этом первый и второй входы первого ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами первого блока управления, а его первый и второй выходы являются соответственно первым входом и вторым выходами управляемого выпрямителя, первый и второй входы второго ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами второго блока управления, а его первый выход соединен со вторым выходом первого ключа переменного тока, второй его выход является вторым входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы третьего ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами третьего блока управления, его первый выход является первым выходом управляемого выпрямителя, а его второй выход соединен со вторым выходом второго ключа переменного тока, первый и второй входы четвертого ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами четвертого блока управления, его первый выход соединен с первым выходом первого ключа переменного тока, а его второй выход соединен с первым выходом третьего ключа переменного тока, первые входы первого и третьего блоков управления подключены к выходу операционного усилителя, вторые их входы подключены к шине заземления, первые входы второго и четвертого блоков управления подключены к шине заземления, а их вторые входы соединены с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к источнику напряжения смещения, а его неинвертирующий вход подключен к выходу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются соответственно синхронизирующим и управляющим входами управляемого выпрямителя.

Целесообразно, чтобы трансформатор напряжения делителя опорного напряжения каждой из n разрядных ячеек содержал дополнительную вторичную обмотку, дополнительные вторичные обмотки всех трансформаторов соединены между собой последовательно, начало дополнительной вторичной обмотки трансформатора n-ной разрядной ячейки соединено с концом вторичной обмотки трансформатора n-ной разрядной ячейки, управляемый выпрямитель дополнительно имеет третий вход, соединенный с концом дополнительной вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки.

Также целесообразно, чтобы управляемый выпрямитель содержал первый и второй ключи переменного тока, первый и второй блоки управления, первый и второй входы первого ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами первого блока управления, а первый выход первого ключа переменного тока является первым входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы второго ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами второго блока управления, второй вход управляемого выпрямителя соединен с первым его выходом, а первый выход второго ключа переменного тока является третьим входом управляемого выпрямителя, второй его выход соединен со вторым выходом первого ключа переменного тока, который является вторым выходом управляемого выпрямителя, первый вход первого блока управления соединен с выходом операционного усилителя, а его второй вход соединен с шиной заземления, первый вход второго блока управления соединен с шиной заземления, а его второй вход соединен с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к источнику напряжения смещения, а его неинвертирующий вход подключен к выходу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются соответственно синхронизирующим и управляющим входами управляемого выпрямителя.

Данный коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения обладает повышенным коэффициентом полезного действия и повышенной надежностью. Данное изобретение позволяет уменьшить потери мощности на усилительном элементе и создать 2ⁿ питающих напряжения при использовании всего n источников питания. Также, данное изобретение позволяет получить большую выходную мощность устройства при меньшем потреблении энергии из питающей сети за счет высокого коэффициента полезного действия. Данное изобретение увеличивает динамический диапазон выходного напряжения всего устройства при меньшем количестве источников питания. Также данное изобретение отличается простотой реализации, использует стандартные, широко используемые в промышленности элементы, широко взаимозаменяемые по типажу в зависимости от требуемой выходной мощности и других его характеристик.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения и чертежами, на которых
фиг. 1 изображает принципиальную схему коммутационного усилителя мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения согласно изобретению;
фиг. 2 изображает принципиальную схему управляемого выпрямителя согласно изобретению;
фиг. 3 изображает принципиальную схему второго варианта усилителя мощности с наличием у трансформаторов дополнительной вторичной обмотки согласно изобретению;
фиг. 4 изображает принципиальную схему управляемого выпрямителя, применяемого при втором варианте усилителя мощности согласно изобретению.

фиг. 5 изображает принципиальную схему сглаживающего фильтра согласно изобретению.

Коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения содержит источник 1 (фиг. 1) напряжения питания, элементы 2 усиления, клемму 3 для подключения входного сигнала. Источник 1 напряжения питания имеет два источника 4, 5 переменного напряжения, подключенные к n разрядным ячейкам 6₁,…6_n с n ключевыми элементами 7₁,…7_n, управляемый выпрямитель 8, подключенный к последовательно соединенным выходам n разрядных ячеек 6₁,…6_n и соединенный своими выходами с сглаживающим фильтром 9, первый выход 10 которого подключен к нагрузке 11. Усилитель содержит аналого-цифровой преобразователь 12, предназначенный для управления n разрядными ячейками 6₁, …6_n, первый выход 13 которого подключен к управляющему входу 14 управляемого выпрямителя 8, а остальные n выходов 15₁,…15_n подключены к соответствующим n ключевым элементам 7₁,…7_n, а вход его подключен к клемме 3 для подключения входного сигнала. Элемент 2 усиления выполнен в виде общеизвестного аналогового усилителя мощности (Прянишников В.Д., “Электроника: курс лекций” Спб: Корона принт, 1998 г., стр. 146, рис. 8.9). Коммутационный усилитель содержит также делитель напряжения, выполненный на двух последовательно соединенных резисторах 16, 17. Начало первого резистора подключено к нагрузке 11. Выход делителя напряжения соединен с инвертирующим входом 18 аналогового усилителя мощности. Конец второго резистора соединен с шиной 19 заземления. Неинвертирующий вход 20 подключен к клемме 3 для подключения входного сигнала, а его выход соединен со вторым выходом 21 фильтра 9. Каждая из n разрядных ячеек 6₁,…6_n содержит делитель опорного напряжения, выполненный в виде трансформатора 22 напряжения с последовательно соединенными первой и второй первичными обмотками 23, 24 и вторичной обмоткой 25, при этом вторичные обмотки 25 трансформаторов 22 всех n разрядных ячеек 6₁,…6_n соединены последовательно, каждая из n разрядных ячеек 6₁,…6_n содержит первый диод 26, анод которого соединен с первым источником 4 переменного опорного напряжения, катод которого соединен с началом первой первичной обмотки 23 соответствующего трансформатора 22, второй диод 27, анод которого соединен со вторым источником 5 переменного опорного напряжения, а катод его соединен с концом второй первичной обмотки 24 соответствующего трансформатора 22, шунтирующий диод 28, анод которого соединен с общей точкой 29 последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток 23, 24 соответствующего трансформатора 22 и через соответствующий ключевой элемент 7₁,…7_n с шиной 19 заземления, катод которого соединен с шиной 30 питания. Начало вторичной обмотки 25 первой разрядной ячейки 6₁ соединено с первым входом 31 управляемого выпрямителя 8. Конец вторичной обмотки 25 трансформатора ячейки 6_n соединен со вторым входом 32 управляемого выпрямителя 8, синхронизирующий вход 33 которого соединен со вторым источником 5 переменного напряжения. Источники 4, 5 переменного опорного напряжения, фильтр 9, аналого-цифровой преобразователь 12 выполнены по общеизвестным схемам, см. Прянишников В.Д. “Электроника. Курс лекций” Спб: Корона, 1998 г., соответственно стр. 373, рис. 33.9; стр. 377, рис. 33.13; стр. 282, рис. 26.6.

Управляемый выпрямитель содержит первый, второй, третий, четвертый ключи 34, 35, 36, 37 (фиг. 2) переменного тока и первый, второй, третий, четвертый блоки 38, 39, 40, 41 управления. При этом первый и второй входы первого ключа 34 переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами первого блока 38 управления, а его первый и второй выходы являются соответственно первым входом 31 и вторым выходом управляемого выпрямителя 8. Первый и второй входы второго ключа 35 переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами второго блока 39 управления, а его первый выход 42 соединен со вторым выходом первого ключа 34 переменного тока. Второй его выход является вторым входом 32 управляемого выпрямителя 8. Первый и второй входы третьего ключа 36 соединены соответственно с первым и вторым выходами третьего блока 40 управления. Его первый выход является первым выходом управляемого выпрямителя 8, а его второй выход 43 соединен со вторым выходом второго ключа 35. Первый и второй входы четвертого ключа 37 соединены соответственно с первым и вторым выходами четвертого блока 41 управления. Его первый выход 44 соединен с первым выходом первого ключа 34, а его второй выход соединен с первым выходом третьего ключа 36. Первые входы первою блока 38 и третьего блока 40 управления подключены к выходу операционного усилителя 45. Вторые их входы подключены к шине 19 заземления. Первые входы второго блока 39 и четвертого блока 41 управления подключены к шине 19 заземления. Их вторые входы соединены с выходом операционного усилителя 45, инвертирующий вход 46 которого подключен к источнику 47 напряжения смещения, а его неинвертирующий вход 48 подключен к выходу логического элемента 49 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Первый и второй входы логического элемента 49 являются соответственно синхронизирующим входом 33 и управляющим входом 14 управляемого выпрямителя 8. На фигуре 3 показан второй вариант выполнения коммутационного усилителя мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения, аналогичный коммутационному усилителю мощности, изображенному на фиг. 1 Отличие заключается лишь в том, что трансформатор 22 каждой из n ячеек 6₁,.. . 6_n содержит дополнительную вторичную обмотку 50. Все дополнительные вторичные обмотки 50 соединены последовательно между собой. Конец дополнительной вторичной обмотки 50 первой разрядной ячейки 6₁ соединен с дополнительным входом 51 управляемого выпрямителя 8, а начало дополнительной вторичной обмотки 50 n-ной разрядной ячейки 6_n соединено с концом вторичной обмотки 25 трансформатора 22 n-ной разрядной ячейки 6_n.

На фигуре 4 изображен управляемый выпрямитель, используемый в усилителе мощности, изображенном на фигуре 3. Управляемый выпрямитель содержит первый, второй ключи 52, 53 переменного тока и первый, второй блоки 54, 55 управления. Первый и второй входы первого ключа 52 переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами первого блока 54 управления, а его первый выход является первым входом 31 управляемого выпрямителя 8.

Первый выход управляемого выпрямителя 8 является вторым входом 32 управляемого выпрямителя 8. Первый и второй входы второго ключа 53 переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходами второго блока 55 управления. Его первый выход является третьим входом 51 управляемого выпрямителя 8, а его второй выход соединен со вторым выходом первого ключа 52 переменного тока и является вторым выходом управляемого выпрямителя 8. Первый вход первого блока 54 управления соединен с выходом операционного усилителя 56, а его второй вход соединен с шиной 19 заземления. Первый вход второго блока 55 управления соединен с шиной 19 заземления, а его второй вход соединен с выходом операционного усилителя 56, инвертирующий вход 57, неинвертирующий вход 58 которого подключены соответственно к источнику 59 напряжения смещения и к выходу логического элемента 60 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Первый и второй входы логического элемента 60 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются соответственно синхронизирующим входом 33 и управляющим входом 14 управляемого выпрямителя 8. При этом второй вход 32 выпрямителя соединен с первым его выходом. В качестве операционного усилителя 45 (фиг. 2), 56 (фиг. 4) используются общеизвестные операционные усилители (Прянишников В.Д., “Электроника: курс лекций” Спб: Корона принт, 1998 г., стр. 86, рис. 8.4б).

На фигуре 5 изображена принципиальная схема сглаживающего фильтра 9, содержащего конденсатор 61 и индуктивность 62. Первый вывод конденсатора 61 является первым входом сглаживающего фильтра 9. Второй вывод конденсатора 61 подсоединен к первому выводу индуктивности 62. Второй вывод индуктивности 62 является вторым входом сглаживающего фильтра 9. Первый вывод конденсатора 61 является первым выходом 10 сглаживающего фильтра 9. Второй вывод конденсатора 61 является вторым выходом 21 сглаживающего фильтра 9.

Точками на фигурах 1, 3 обозначено начало обмоток 24 (фиг. 1), 25, 50 (фиг. 3) трансформатора 22. По направлению стрелок А показано протекание токов в данной схеме. Ключи 34 (фиг. 2), 35, 36, 37, 52 (фиг. 4), 53 выполнены по стандартной схеме, а блоки 38 (фиг. 2), 39, 40, 41, 55 (фиг. 4), 54 также выполнены по стандартной общеизвестной схеме, см. “Силовые, полупроводниковые приборы” под ред. В.В.Токарева, Воронеж, 1995 г., изд-во ТОО МП “Элист”, соответственно стр. 65. рис. 3, и стр. 64, рис. 2.

Работает данный коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения следующим образом. Входное напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 12, где оно преобразуется в цифровой код, который управляет n разрядными ячейками 6₁,…6_n. Каждая разрядная ячейка 6₁, . ..6_n преобразует переменное опорное напряжение, подаваемое от источников питания 1 и 5, в переменное напряжение с амплитудой, равной весовому коэффициенту каждой разрядной ячейки 6₁,…6_n. Суммарное переменное напряжение поступает на вход управляемого выпрямителя 8, где выпрямляется в положительное или отрицательное напряжение, причем знак выпрямленного напряжения на выходе управляемого выпрямителя 8 совпадает со знаком входного напряжения на входе усилителя. Затем напряжение с выхода управляемого выпрямителя 8 фильтруется сглаживающим фильтром 9. В сглаживающем фильтре 9 индуктивность 62 сглаживает ток, который протекает через управляемый выпрямитель 8, а конденсатор 61 сглаживает напряжение, наводимое на нем током, протекающим через индуктивность 62. Таким образом, на выходе сглаживающего фильтра 9 создается сглаженное напряжение, которое вычисляется по формуле
U₁ = U₀k_i2ⁱ-U_2,
U₁ – напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8;
U₀ – опорное переменное напряжение источника 4;
U₂ – суммарное падение напряжения на элементах управляемого выпрямителя 8 и суммарная ошибка сглаживания фильтра 9;
k_i – коэффициент включения i-й разрядной ячейки 6_i,
если k_i = 1, то разрядная ячейка 6_i включена,
если k_i = 0, то разрядная ячейка 6_i выключена.

i = 1…n – номер разрядной ячейки 6,…6_n.

Коэффициент усиления блока питания (на фигуре показана шина 30 питания) при этом вычисляется по формуле

где U₃ – напряжение на входе усилителя. Далее коэффициент усиления всего усилителя принимаем равным коэффициенту усиления блока питания:
k₂ = k₁,
k₂ – коэффициент усиления усилителя мощности.

Полученное напряжение U₁ делится делителем напряжения на резисторах 16, 17 и подается на инвертирующий вход 18 элемента 2. На неинвертирующий вход 20 поступает напряжение со входа усилителя. Причем коэффициент деления делителя напряжения должен быть равен коэффициенту усиления источника питания:
k₃ = k₁,
где k₃ – коэффициент деления делителя напряжения
k₁ – коэффициент усиления блока питания.

Тогда напряжение U₄ на выходе элемента 2 будет вычисляться по формуле

где U₄ – напряжение на выходе элемента 2,
U₅ – напряжение на неинвертирующем входе 20,
U₆ – напряжение на инвертирующем входе 18,
k₄ – коэффициент усиления элемента 2 усиления.

Коэффициент усиления k₄ должен быть равен коэффициенту k₁, тогда

Таким образом, элемент 2 корректирует выходное напряжение всего усилителя.

Напряжение U₅ на выходе всего усилителя вычисляется по следующей формуле:
U₅ = U₁ + U₄ = U₁ +U₃k₁ – U₁ = U₃k₁ = U₃k₂.

Таким образом, напряжение U₅ на выходе всего усилителя повторяет напряжение U₃ на входе, усиленное на коэффициент k₂ усиления усилителя.

Далее рассмотрим работу разрядных ячеек 6₁,…6_n на примере ячейки 6₁. Если ключевой элемент 7₁ соответствующей разрядной ячейки 6₁ замкнут, шунтирующий диод 28 данной разрядной ячейки 6₁ заперт. Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 4 переменного опорного напряжения равно напряжению на шине 30 питания. Напряжение на выходе второго источника 5 переменного опорного напряжения меньше нуля. К аноду первого диода 26 подводится положительное напряжение, он открывается, и через него, первый источник 4 переменного опорного напряжения, первую первичную обмотку 23, ключевой элемент 7₁ протекает ток, который наводит во вторичной обмотке 25 электродвижущую силу. К аноду второго диода 27 подводится отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, второй источник 5 переменного опорного напряжения, вторую первичную обмотку 24 и ключевой элемент 7₁ не протекает ток.

Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 4 переменного опорного напряжения меньше нуля, напряжение на выходе второго источника 5 опорного переменного напряжения равно напряжению на шине 30 питания. К аноду второго диода 27 подводится положительное напряжение, он открывается, и через него, второй источник 5 переменного опорного напряжения, вторую первичную обмотку 24 и ключевой элемент ₁ протекает ток, который наводит во вторичной обмотке 25 электродвижущую силу. К аноду первого диода 26 подводится отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, первый источник 4 опорного переменного напряжения, первую первичную обмотку 23 и ключевой элемент 7₁ не протекает ток. Таким образом, разрядная ячейка 6₁ находится во включенном состоянии. Когда ключевой элемент 7₁ разомкнут, то шунтирующий диод 28 открыт.

Первый такт. Напряжение на выходе первого источника 4 переменного опорного напряжения равно напряжению на шине 30 питания. Напряжение на выходе второго источника 5 переменного опорного напряжения меньше нуля. К аноду второго диода 27 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, второй источник 5 и вторую первичную обмотку 24 не течет ток. К цепи – первый диод 26, первая первичная обмотка 23, шунтирующий диод 28 – приложена нулевая разница потенциалов и ток по ней не течет. Таким образом, во вторичной обмотке 25 не создается электродвижущая сила.

Второй такт. Напряжение на выходе первого источника 4 опорного переменного напряжения меньше нуля. Напряжение на выходе второго источника 5 опорного переменного напряжения равно напряжению на шине 30 питания. К аноду первого диода 26 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, первый источник 4 и первую первичную обмотку 23 не течет ток. К цепи – второй диод 27, вторая первичная обмотка 24, шунтирующий диод 28 – приложена нулевая разница потенциалов и ток по ней не течет. Таким образом, во вторичной обмотке 25 не создается электродвижущая сила. Таким образом, разрядная ячейка 6₁ находится в отключенном состоянии.

Теперь рассмотрим режим, когда какие-либо разрядные ячейки ₁,…6_n включены, то есть в их вторичных обмотках наводятся электродвижущие силы. Тогда, по отношению к данной разрядной ячейке 6₁,…6_n, к ее вторичной обмотке 25 будет приложено синфазное напряжение. Первый такт. Внешнее положительное напряжение создает положительный ток во вторичной обмотке 25, который наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 23 и 24. Напряжение на выходе первого источника 4 опорного переменного напряжения равно напряжению на шине 30 питания. Напряжение на выходе второго источника 5 меньше нуля. К аноду второго диода 27 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, второй источник 5 опорного переменного напряжения, вторую первичную обмотку 24 не течет ток. В первой первичной обмотке 23 наводится положительная электродвижущая сила, которая открывает диод 26 и шунтирующий диод 28. Сопротивление цепи – первый диод 26, шунтирующий диод 28, первый источник 4 опорного переменного напряжения, первая первичная обмотка 23 – стремится к нулю. Соответственно, сопротивление вторичной обмотки 25 тоже стремится к нулю, не препятствуя протеканию тока по ней.

Второй такт. Внешнее отрицательное напряжение создает отрицательный ток во вторичной обмотке 25, который наводит электродвижущую силу в первичных обмотках 23 и 24. Напряжение на выходе первого источника 4 переменного опорного напряжения меньше нуля. Напряжение на выходе второго источника 5 переменного напряжения равно напряжению на шине 30 питания. К аноду первого диода 26 приложено отрицательное напряжение, он закрывается, и через него, первый источник 4 переменного напряжения, первую первичную обмотку 23 не течет ток. Во второй первичной обмотке 24 наводится положительная электродвижущая сила, которая открывает второй диод 27 и шунтирующий диод 28. Сопротивление цепи – второй диод 27, шунтирующий диод 28, второй источник 5 переменного напряжения, первичная обмотка 23 – стремится к нулю. Соответственно, сопротивление вторичной обмотки 25 тоже стремится к нулю, не препятствуя протеканию тока по ней. Таким образом, разрядная ячейка 6₁ имеет малое выходное сопротивление в отключенном состоянии.

Следовательно, любая другая ячейка 6₁,…6_n в выключенном состоянии не препятствует протеканию токов по ней и, следовательно, не влияет на работу всего усилителя мощности.

Работа управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1), изображенного на фиг. 2, осуществляется следующим образом. Допустим, на управляющем входе 14 управляемого выпрямителя 8 логический “0”. Такт первый. Напряжение на входе управляемого выпрямителя 8 положительное, на его синхронизирующем входе 33 логическая “1”. Тогда на выходе логического элемента 49 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логическая “1”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 48 операционного усилителя 45 больше, чем напряжение на его инвертирующем входе 46, что приводит к выдаче положительного напряжения на выходе операционного усилителя 45. Тогда первый, третий блоки 38, 40 управления включают соответственно первый, третий ключи 34, 36 переменного тока.

Таким образом, первый выход управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1) подключается ко второму входу 32 (фиг. 2) управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1), а его второй выход подключается к первому его входу 31. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1) создается отрицательное. Такт второй. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 отрицательное, а на его синхронизирующем входе 33 логический “0”. Тогда на выходе логического элемента 49 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логический “0”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 48 операционного усилителя 45 меньше, чем напряжение на его инвертирующем входе 46, что приводит к выдаче отрицательного напряжения на выходе операционного усилителя 45. Тогда второй, четвертый блоки 39, 41 управления включают соответственно второй, четвертый ключи 35, 37 переменного тока. Таким образом, первый выход управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1) подключается к первому его входу 31, а его второй выход подключается ко второму входу 32 (фиг. 2) управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1). Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается отрицательное. Видно, что при подаче на управляющий вход 14 управляемого выпрямителя 8 логического “0” он выпрямляет входное переменное напряжение в отрицательное выходное напряжение.

Теперь подадим на управляющий вход 14 управляемого выпрямителя 8 логическую “1”. Такт первый. Напряжение на входе управляемого выпрямителя 8 положительное, а на его синхронизирующем входе 33 логическая “1”. Тогда на выходе логического элемента 49 (фиг. 2) ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логический “0”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 48 операционного усилителя 45 меньше, чем напряжение на входе 46, что приводит к выдаче отрицательного напряжения на выходе усилителя 45. Тогда второй, четвертый блоки 39, 41 управления включают соответственно второй, четвертый ключи 35, 37 переменного тока, таким образом, первый выход управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1) подключается к первому его входу 31, а его второй выход подключается ко второму входу 32 управляемого выпрямителя 8. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается положительное.

Такт второй. Напряжение на входе управляемого выпрямителя 8 отрицательное, а на его синхронизирующем входе 33 логический “0”. Тогда на выходе логического элемента 49 (фиг. 2) ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логическая “1”. Следовательно, напряжение на входе 48 усилителя 45 больше, чем напряжение на входе 46, что приводит к появлению положительного напряжения на выходе усилителя 45. Тогда первый, третий блоки 38, 40 управления включают соответственно первый, третий ключи 34, 36 переменного тока. Таким образом, первый выход управляемого выпрямителя 8 (фиг. 1) подключается ко второму его входу 32, а второй выход управляемого выпрямителя 8 подключается к первому его входу 31. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается положительное. Видно, что при подаче на управляющий вход 14 управляемого выпрямителя 8 логической “1” он выпрямляет входное переменное напряжение в положительное выходное напряжение.

Работа коммутационного усилителя мощности, изображенного на фиг. 3, аналогична работе коммутационного усилителя мощности, изображенного на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что в каждой разрядной ячейке 6₁,…6_n введена в трансформаторе 22 дополнительная вторичная обмотка 50, таким образом, в ней наводится электродвижущая сила, аналогичная электродвижущей силе во вторичной обмотке 25 соответствующего трансформатора 22. Суммарное переменное напряжение этих дополнительных обмоток 50 подается на третий вход 51 управляемого выпрямителя 8, изображенного на фиг. 4.

Работа управляемого выпрямителя 8, изображенного на фиг. 4, осуществляется следующим образом. Допустим, на управляющем входе 14 управляемого выпрямителя 8 логический “0”. Такт первый. Напряжение на первом входе 31 управляемого выпрямителя 8 положительное, на его третьем входе 51 отрицательное. На синхронизирующем входе 33 управляемого выпрямителя 8 логическая “1”. Тогда на выходе логического элемента 60 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логическая “1”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 58 операционного усилителя 56 больше, чем напряжение на его инвертирующем входе 57, что приводит к выдаче положительного напряжения на выходе операционного усилителя 56. Тогда первый блок 54 управления включает первый ключ 52 переменного тока. Таким образом, первый вход 31 управляемого выпрямителя 8 подключается ко второму его выходу. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается отрицательное.

Такт второй. Напряжение на первом входе 31 управляемого выпрямителя 8 отрицательное, а на его третьем входе положительное. На синхронизирующем входе 51 управляемого выпрямителя 8 логический “0”. Тогда на выходе логического элемента 60 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логический “0”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 58 операционного усилителя 56 меньше, чем напряжение на его инвертирующем входе 57, что приводит к выдаче отрицательного напряжения на выходе операционного усилителя 56. Тогда второй блок 55 управления включает второй ключ 53 переменного тока. Таким образом, третий вход 51 управляемого выпрямителя 8 подключается к его второму выходу. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается отрицательное. Видно, что при подаче на управляющий вход 14 управляемого выпрямителя 8 логического “0” он выпрямляет входное переменное напряжение в отрицательное выходное напряжение.

Теперь подадим на управляющий вход 14 управляемого выпрямителя 8 логическую “1”. Такт первый. Напряжение на первом входе 31 выпрямителя 8 положительное, а на его третьем входе 51 – отрицательное. На синхронизирующем входе 33 управляемого выпрямителя 8 логическая “1”. Тогда на выходе логического элемента 60 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логический “0”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 58 операционного усилителя меньше, чем напряжение на его инвертирующем входе 57, что приводит к выдаче отрицательного напряжения на выходе операционного усилителя 56. Тогда второй блок 55 управления включает второй ключ 53 переменного тока. Таким образом, третий вход 51 управляемого выпрямителя 8 подключается к его второму выходу. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается положительным.

Такт второй. Напряжение на первом входе 31 управляемого выпрямителя 8 отрицательное, а на его третьем входе 51 положительное. На синхронизирующем входе 33 управляемого выпрямителя 8 логический “0”. Тогда на выходе логического элемента 60 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет логическая “1”. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе 58 операционного усилителя 56 больше, чем напряжение на его инвертирующем входе 57, что приводит к выдаче положительного напряжения на выходе операционного усилителя 56. Тогда первый блок 54 управления включает первый ключ 52 переменного тока. Таким образом, первый вход 31 управляемого выпрямителя 8 подключается ко второму его выходу. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 создается положительное. Видно, что при подаче на управляющий вход 14 управляемого выпрямителя 8 логической “1” он выпрямляет входное переменное напряжение в положительное выходное напряжение.

Таким образом, данный коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения позволяет достичь уменьшения потерь мощности на элементах усиления, при заданном количестве ступеней питающего напряжения уменьшить количество источников питания, повысить коэффициент полезного действия и надежность всего усилителя.

Формула изобретения

1. Коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения, содержащий источник напряжения питания, элемент усиления, клемму для подключения входного сигнала, отличающийся тем, что источник напряжения питания имеет два источника переменного опорного напряжения, подключенных к n разрядным ячейкам с n ключевыми элементами, управляемый выпрямитель, подключенный к последовательно соединенным выходам n разрядных ячеек и соединенный своими выходами со сглаживающим фильтром, первый выход которого подключен к нагрузке, аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для управления n разрядными ячейками, первый выход которого подключен к управляющему входу управляемого выпрямителя, а остальные n выходов подключены к соответствующим n ключевым элементам, а вход его подключен к клемме для подключения входного сигнала, синхронизирующий вход управляемого выпрямителя соединен со вторым источником переменного опорного напряжения, элемент усиления выполнен в виде аналогового усилителя мощности, выход которого соединен со вторым выходом сглаживающего фильтра, также коммутационный усилитель мощности содержит делитель напряжения, выполненный на двух последовательно соединенных первом и втором резисторах, подключенных соответственно к нагрузке и шине заземления, выход делителя напряжения соединен с инвертирующим входом аналогового усилителя мощности, неинвертирующий вход аналогового усилителя мощности подключен к клемме для подключения входного сигнала, каждая из n разрядных ячеек содержит делитель опорного напряжения, выполненный в виде трансформатора напряжения с последовательно соединенными первой и второй первичными обмотками и вторичной обмоткой, при этом начало вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки соединено с первым входом управляемого выпрямителя, конец вторичной обмотки трансформатора n-ой разрядной ячейки соединен со вторым входом управляемого выпрямителя, вторичные обмотки трансформаторов всех n-разрядных ячеек соединены последовательно, каждая разрядная ячейка содержит первый диод, анод которого соединен с первым источником переменного опорного напряжения, катод которого соединен с началом первой первичной обмотки соответствующего трансформатора, второй диод, анод которого соединен со вторым источником переменного опорного напряжения, а катод его соединен с концом второй первичной обмотки соответствующего трансформатора, шунтирующий диод, анод которого соединен с общей точкой последовательно соединенных первой и второй первичных обмоток соответствующего трансформатора и через соответствующий ключевой элемент с шиной заземления, катод которого соединен с шиной питания.

2. Коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что управляемый выпрямитель содержит первый, второй, третий, четвертый ключи переменного тока и первый, второй, третий, четвертый блоки управления, при этом первый и второй вход первого ключа переменного тока соединен соответственно с первым и вторым выходом первого блока управления, а его первый и второй выход являются соответственно первым входом и вторым выходом управляемого выпрямителя, первый и второй вход второго ключа переменного тока соединен соответственно с первым и вторым выходом второго блока управления, а его первый выход соединен со вторым выходом первого ключа переменного тока, второй его выход является вторым входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы третьего ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходом третьего блока управления, а его первый выход является первым выходом управляемого выпрямителя, а его второй выход соединен со вторым выходом второго ключа переменного тока, первый и второй входы четвертого ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходом четвертого блока управления, а его первый выход соединен с первым выходом первого ключа переменного тока, а его второй выход соединен с первым выходом третьего ключа переменного тока, первые входы первого и третьего блоков управления подключены к выходу операционного усилителя, вторые их входы подключены к шине заземления, первые входы второго и четвертого блоков управления подключены к шине заземления, а их вторые входы соединены с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к источнику напряжения смещения, а его неинвертирующий вход подключен к выходу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ является соответственно синхронизирующим и управляющим входами управляемого выпрямителя.

3. Коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что трансформатор напряжения делителя опорного напряжения каждой из n разрядных ячеек содержит дополнительную вторичную обмотку, дополнительные вторичные обмотки всех трансформаторов соединены между собой последовательно, начало дополнительной вторичной обмотки трансформатора n-разрядной ячейки соединено с концом вторичной обмотки трансформатора n-разрядной ячейки, управляемый выпрямитель дополнительно имеет третий вход, соединенный с концом дополнительной вторичной обмотки трансформатора первой разрядной ячейки.

4. Коммутационный усилитель мощности с аналоговой коррекцией выходного напряжения по п. 3, отличающийся тем, что управляемый выпрямитель содержит первый и второй ключ переменного тока, первый и второй блок управления, первый и второй вход первого ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходом первого блока управления, а первый выход первого ключа переменного тока является первым входом управляемого выпрямителя, первый и второй вход второго ключа переменного тока соединены соответственно с первым и вторым выходом второго блока управления, второй вход управляемого выпрямителя соединен с первым его выходом, а первый выход второго ключа переменного тока является третьим входом управляемого выпрямителя, второй его выход соединен со вторым выходом первого ключа переменного тока, который является вторым выходом управляемого выпрямителя, первый вход первого блока управления соединен с выходом операционного усилителя, а его второй вход соединен с шиной заземления, первый вход второго блока управления соединен с шиной заземления, а его второй вход соединен с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к источнику напряжения смещения, а его неинвертирующий вход подключен к выходу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются соответственно синхронизирующим и управляющим входом управляемого выпрямителя.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.06.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 32-2003

Извещение опубликовано: 20.11.2003