Усилитель напряжения с регулируемой фазой (стр. 3 из 9)
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 
.1.2 Выбор и обоснование структурной схемы устройства
В предыдущем пункте мы рассмотрели несколько вариантов возможной реализации усилителей. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Нам необходимо выбрать наиболее подходящий тип усилителя.
Согласно техническому заданию динамический диапазон изменения выходного напряжения как на переменном так и на постоянном токе равны
и 
. Применение линейных усилителей в таком широком диапазоне не выгодно, так как при малых значениях сигнала выходное напряжение сильно искажается, а при больших значениях токов (до 
в нашем случае) увеличиваются потери на выходном каскаде. Как следствие имеем невысокий КПД. К тому же применение линейных усилителей при значительных токах увеличивает габариты самого усилителя за счет использования теплоотводящих элементов (радиаторов) больших размеров. В некоторых случаях радиаторы могут занимать больше половины объема всего устройства. Поэтому от использования усилителей классов А, В и АВ отказываемся.Усилители классов A+ и G тоже можно отнести к линейным усилителям. Они по сравнению с усилителями, работающими в режимах А, В и АВ обладают большим КПД, однако это значение еще не предел. Наивысшими показателями этого параметра обладают усилители класса D или ШИМ усилители. Данный тип усилителей в последнее время широко стал применяться в звуковой схемотехнике, особенно в устройствах питающихся от аккумуляторных батарей (в CD-плейерах, MP3-проигрывателях) за счет своей высокой эффективности [].
В идеальных усилителях класса D сигнал за период не имеет никакого искажения и никакой генерации шума в слышимой полосе частот, наряду с обеспечением 100%-ой КПД.
Однако, как показано на рис. **, усилители класса D, применяемые на практике, имеют "неидеальности", которые производят искажение сигнала и генерацию шума. Эти "неидеальности" вызваны искаженной формой сигнала переключения, производимой усилителями класса D. Причины этих искажений следующие:
1. Нелинейность в ШИМ сигнале поступающего от модулятора к ключам, из-за ограниченной разрешающей способности и/или колебаний во времени;
2. Временные ошибки, которые вводятся драйверами, такие как время задержки tз, время включения tвкл и время выключения tвыкл;
3. Нежелательные параметры в ключевых устройствах, такие как конечное сопротивление канала транзистора во включенном состоянии, конечная скорость переключения или параметры внутреннего диода;
4. Паразитные связи, которые появляются на печатной плате при изготовлении прибора;
5. Колебания напряжения источника питания из-за его конечного импеданса и реактивной мощности, текущей через цепь постоянного тока;
6. Нелинейность в выходном ФНЧ.
Несмотря на это значение КПД на практике может достигать значений 85-95%. Поэтому при проектировании усилителя напряжения за основу возьмем структурную схему усилителя класса D.
Согласно техническому заданию усилитель должен выдавать на выходе постоянное и переменное напряжения. Поэтому необходимы два источника опорного напряжения: постоянный и переменный с частотой 50 Гц. Причем фаза переменного сигнала согласно ТЗ должна регулироваться в пределах от 0 до 360 эл. град. с возможностью синхронизации от сети. К тому же необходимо иметь внутренний источник синусоидального сигнала с частотой 50 Гц для работы в автономном режиме. На рис. ** представлена структурная схема усилителя.
Рис. **. Структурная схема
Выбор режима синхронизации осуществляется с помощью переключателя SA1. Кварц ZQ используется для синтеза частоты в 50 Гц в режиме "внутренней синхронизации". С помощью обычных "аналоговых" схем на мультивибраторах или других подобных генераторах трудно обеспечить генерацию синусоидального напряжения с частотой 50 Гц и точностью менее 1%. Это связан с сильной температурной зависимостью номиналов пассивных элементов (особенно конденсаторов). Поэтому нужно использовать иной подход к решению проблемы. В настоящее время западными производителями выпускаются специальные микросхемы для генерации сигналов синусоидальной формы. С помощью таких микросхем можно получить любую частоту от 0 до нескольких десятков килогерц []. Эти микросхемы генерируют частоту, используя в качестве эталонной частоты высокочастотный сигнал от кварца. С помощью счетчиков эта частота делится на более низкую и фильтруется. При этом температурный дрейф частоты на выходе получается много меньше, чем в схемах, собранных на дискретных элементах. Регулирование фазы задающего сигнала производится переменным резистором
. Ключ SA2 переключает между собой задающие сигналы, поступающие на вход ШИМ-2. Их уровень от 0 до максимального значения регулируется другим переменным резистором 
. Со среднего вывода этого резистора сигнал поступает на вход ШИМ модулятора. На его выходе формируются импульсы, длительность которых пропорциональна уровню управляющего сигнала (см. рис. ** (из предыд главы)), поступающего на вход силовой части усилителя. Чтобы следить за напряжением на выходе усилителя, заведена отрицательная обратная связь по напряжению (рис. **), корректирующая сигнал управления. Блок токовой защиты ограничивает величину тока в нагрузке в пределах допустимого значения, т.е. не больше 
на переменном токе и не больше 
на постоянном. Если усилитель будет длительное время работать на низкоомную нагрузку, т.е. при больших токах, то может произойти перегрев элементов силовой части (транзисторов, работающих в ключевом режиме) и дальнейший выход их из строя. Чтобы предотвратить это в структурной схеме усилителя предусмотрен блок тепловой защиты. Заметим, что даже если правильно рассчитать необходимую площадь теплоотводов (радиаторов) при максимальной нагрузке, могут возникнуть ситуации, когда отвод тепла от транзисторов с их помощью может быть затруднен. Например, если максимальная температура окружающей среды выше расчетной или если в процессе длительной эксплуатации прибора ухудшился процесс отвода тепла от транзистора (оседание пыли на радиатор, увеличение теплового сопротивления между радиатором и корпусом транзистора и т.п.).1.3 Выбор силовой части усилителя
Существует ряд способов выполнения выходных каскадов ШИМ усилителей. Рассмотрим некоторые из них. На рис. ** представлена схема, которая часто называется двухтактной. Действительно, за период энергия от входного источника дважды передается к LC-фильтру и нагрузке. Каждый из ключей замкнут в течение интервала
(импульс) в своем полупериоде. Для данной и других двухтактных схем удобно определять коэффициент заполнения импульсов 
как отношение к 
. Следовательно, коэффициенту 
соответствует включенное состояние каждого ключа, продолжающееся половину периода. При 
оба ключа постоянно закрыты. В преобразователе может быть использована как однофазная двухполупериодная схема выпрямления, показанная на рис. **, так и другая симметричная схема – мостовая. Явное достоинство двухтактной схемы – общая точка управления ключами (истоки транзисторов VT1 и VT2 объединены), что позволяет значительно упростить выходной каскад устройства управления. 
Характерным для двухтактной схемы является напряжение на закрытом ключе – его максимальное значение равно
без учета влияния индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора.Для схемы на рис. ** существенное значение имеет магнитная связь между обмотками
и 
– чем она лучше, тем меньше индуктивность рассеяния 
каждой из обмоток и, следовательно, тем меньше выброс напряжения на ключе при его запирании. Для снижении выброса напряжения и возможности выбора транзистора с меньшим допустимымнапряжением стока (коллектора) помимо конструктивных решений по изготовлению трансформатора, приводящих к снижению , пригодны различные типы демпфирующих цепей: стабилитроны, RC- или RCD-цепи. Особенность применения такой цепи в двухтактной схеме заключается в том, что она выполняется общей для двух транзисторов, что позволяет выполнить все устройство более простым и дешевым.