CS217762B1 - Zapojení pro ochranu koncových stupňů polovodičových zesilovačů a servozesilovačů - Google Patents

Abstract

Zapojení pro ochranu koncových stupňů polovodičových zesilovačů a servozesilovačů řeší problém složitého uspořádání dosavadních zapojení tohoto· druhu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že řešení umožňuje realizovat můstkový koncový zesilovač s galvanicky navázanou zátěží s použitím tranzistorů, jejichž výkonová ztráta je při provozu zesilovače dána pouze požadovaným výkonem do zátěže. Zapojení je možno uplatnit u všech nízkofrekvenčních zesilovačů používaných především pro účely dálkového ovládání a regulace různých leteckých a pozemních dopravních zařízení, např. přijímačů, vysílačů, radiokompasů a jiných navigačních zařízení.

Description

Vynález se týká zapojení pro> ochranu koncových stupňů polovodičových zesilovačů a servozesilovačů komplementárních nebo kvazikomplementárních můstkových, zvláště s galvanicky připojenou zátěží při zapínání a vypínání napájecího zdroje.

U zapojení koncových výkonových stupňů nízkofrekvenčních zesilovačů, kterých se v současné době používá, se všeobecně upouští od zapojení pushpullových a pokud možno od použití jakýchkoliv vinutých dílů, jako budicích a výstupních transformátorů. Pokud je to možné, zesilovače se řeší s nízkoimpedančním výstupem. Většinou se používají zapojení komplementární a kvazikdmplementární s kapacitně vázanou zátěží. Poměrně méně často se používají zapojení využívající dvou napájecích zdrojů zapojených v sérii s uzemněným středem a s galvanicky navázanou zátěží a zapojení dvou protitaktně pracujících zesilovačů s galvanickým zapojením zátěže do diagonály můstku tvořeného koncovými tranzistory obou zesilovačů. Moderní zesilovače pracují ve třídě B s nulovým klidovým proudem koncových tranzistorů se silnou zápornou zpětnou vazbou a velkým ziskem budicího stupně. V koncových stupních výkonových zesilovačů se často používají elektronické pojistky, které chrání koncové stupně před přetížením při přebuzení nebo· při zkratu na výstupu. .........

Nevýhodou takových pojistek je skutečnost, že omezují proud stejně při přebuzení jako při zkratu na zátěži. Při přebuzení koncových tranzistorů mají koncové tranzistory v okamžiku průtoku velkého proudu malé napětí kolektor — emitor, ale při zkratu na zátěži je napětí kolektor — emitor dáno napájecím napětím zdroje, v důsledku čehož je pak i výkonová ztráta značná, takže je nutno· používat tranzistory s velkou výkonovou ztrátou. Při umístění zesilovače a zátěže uvnitř zařízení, kde ke zkratu na zátěži při jakékoliv manipulaci nemůže dojít, je použití elektronické pojistky zbytečné. Potíže však nastávají u můstkových zesilovačů s galvanicky vázanou zátěží při zapínání zesilovače na napájecí napětí, kdy vlivem nestejných časových konstant v jednotlivých částech zesilovače dochází ke krátkodobému rozvážení koncových stupňů, a; tím k průchodu nadměrného' stejnosměrného proudu zátěží, čímž může dojít ke zničení koncových tranzistorů. K průchodu nadměrného proudu koncovými tranzistory dochází obzvláště tehdy, má-li zatěžovací impedance induktivní charakter s malým ohmickým odporem. Mezi takové zátěže patří například různé motory, servomotory, transformátory, reproduktory apod. Rozdílné časoivé konstanty jsou způsobeny hlavně nestejnou kapacitou různých vazebních aí blokovacích kondenzátorů, zvláště elektrolytických.

Z důvodů výše uvedených je třeba, používat u takových zesilovačů koncové tranzistory s větší výkonovou ztrátou, s většími zaručovanými kolektorovými proudy, než je třeba pro normální provoz zesilovače po odeznění přechodových jevů, nebo je třeba zajišťovat shodnost RC členů v jednotlivých částech zesilovače, což je s ohledem na faktor stárnutí součástek velmi náročné. Zajistit požadovanou shodnost RC členů v plném rozsahu teplot je velmi obtížné a je především podmíněno přesným výběrem a udržením hodnot potřebných součástek.

Dále je pro daný účel známo řešení s použitím elektronické pojistky pro· omezení proudu napájecího· zdroje. I v tamto případě se však předpokládá nutnost použití výkonového regulačního· tranzistoru přímo· v napájecím zdroji.

Jiné řešení pro stejný účel se zařazováním ochranných cdporů do obvodů zátěže může sice chránit koncové tranzistory proti nadměrnému průchodu proudu, ale současně snižuje účinnost zesilovače.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje podle tohoto vynálezu nové zapojení pro· ochranu koncových stupňů polovodičových zesilovačů a servozesilovačů komplementárních nebo· kvazikomplementárních můstkových, zvláště s galvanicky připojenou zátěží, při zapínání a vypínání napájecího zdroje.

Podstata vynálezu spočívá v toto, že do báze spínacího tranzistoru je připojen odporový dělič napětí tvořený dvěma, odpory, kde první, odpor je v sérii s nabíjecím kondenzátorem a druhý odpor je spojen s kostrou. Přitom je mezi uzel tvořený prvním odporem děliče napětí s nabíjecím kondenzátorem a kostru zesilovače připojena vybíjecí dioda a kolektor spínacího· tranzistoru je připojen na bázi tranzistoru zdroje proudu prvního· koncového stupně a na bází tranzistoru zdroje proudu druhého· koncového stupně, jakož i na sériovou kombinaci předpěfových kompenzačních diod a dále na předpěťový odpor, který je druhým koncem spojen .s nabíjecím kondenzátorem a tento uzel; je spojen s ' napájecím zdrojem. Emitory tranzistoru zdroje proudu prvního koncového stupně a tranzistoru druhého koncového . stupně jsou spojeny s kostrou zesilovače před emitorové odpory, přičemž emitor spínacího tranzistoru je připojen na kostru zesilovače přímo.

Výhody zapojení podle vynálezu spočívají v tom, že s použitím předmětné ochrany klencových stupňů lze realizovat můstkový koncový zesilovač s galvanicky navázanou zátěží s použitím tranzistorů, jejíchž výkonová ztráta je při provozu zesilovače dána pouze požadovaným výkonem do zátěže. V důsledku toho· odpadá nutnost použití tranzistorů s neúměrně vysokou výkonovou ztrátou a hlavně výběr RC členů se shodnými parametry, případně použití ochranných odporů v obvodech zátěže, snižujících účinnost zesilovače.

Zapojení pro ochranu koncových stupňů polovodičových zesilovačů a servozesilova217762 čů podle vynálezu bude následovně blíže popsáno v příkladovém provedení ve spojení se dvěma shodnými komplementárními zesilovači pomocí výkresů, kde obr. 1 značí vlastní zapojení pro ochranu koncových stupňů obou zesilovačů v uspořádání NPN a obr. 2 značí konkrétní zapojení jednoho z obou shodných zesilovačů.

Zapojení pro ochranu koncových stupňů podle obr. 1 jo uspořádáno tak, že do báze spínacího tranzistoru TI je připojen, odporový dělič napětí, tvořený dvěma odpory Rl, R2, kde první odpor Rl je zapojen v sérii s nabíjecím kondenzátorem Cl a druhý odpor R2 je spojen s kostrou. Mezi uzel tvořený prvním odporem Rl děliče napětí s nabíjecím kondenzáterem Cí a kostru zesilovače je připojena vybíjecí dioda D3. Kolektor spínacího tranzistoru TI je připojen na bázi tranzistoru T2 zdroje proudu prvního koncového- stupně prvního- zesilovače Zl a na bázi tranzistoru T3 zdroje proudu druhého koncového stupně druhého- zesilovače Z2 a na sériovou kombinaci předpěťových a kompenzačních diod Dl, D2, -a dále na předpětový odpor R3. Emitory tranzistoru T2 zdroje proudu prvního koncového stupně prvního zesilovače Zl a tranzistoru T3 druhého koncového stupně druhého zesilovače Z2 jsou spojeny se společnou- kostrou obou zesilovačů Zl, Z2 přes emitorové odpory R4, R5, přičemž emit-or spínacího tranzistoru TI je připojen na kostru zesilovače přímo. Oba zesilovače Zl, Z2 a uzel tvořený předpěfovým odporem R3 a nabíjecím kondenzátore-m Cl jsou připojeny na společný zdroj napájecího napětí. Oba zesilovače Zl, Z2, připojené m zdroje střídavého napětí j,so-u připojeny na společný dělič napětí, tvořený odpory R6, Ř7 s filtračním kondenizátorem C2. Mezi výstupy obou zesilovačů Zl,. Z2 je zařazen zatěževací odpor Rz.

Podle obr. 2, znázorňujícího zapojení jednoho. ze shodných zesilovačů, v daném případě první zesilovač Zl, je první tranzistor T4 komplementární dvojice koncového stupně připojen -svým emit-or-em na emi-tor druhého tranzistoru T5 komplementární dvojice koncového stupně a na druhý odpor R9 střídavého děliče zpětné vazby, jakož i na. zatěžovaní -odpor Rz společný pro -dba zesilovače Zl, Z2. Kolektor prvního- tranzistoru T4 komplementární dvojice koncc-vébo- stupně je spojen s kostrou, jeho báze je připojena na kolektor tranzistoru T2 zdroje pr-oUdu prvního koncového stupně zesilovače a na bázi druhého tranzistoru T5 komplementární dvojice a kolektor budicího tranzistoru T6 koncového- stupně komplementární dvojice je připojen na zdroj napájecího- napětí Unap. Emit-or budicího tranzistoru T6 koncového stupně je připojen na zdroj napájecího napětí Unap a báze tohoto- tranzistoru je připojena na kolektor druhého tranzistoru T7 diferenciálního zesilovače a na kolektorový odpor Rll druhého tranzistoru diferenciálního- zesilovače. Kolektorový odpor Rll druhého tranzistoiru diferenciálního zesilovače je svým druhým koncem připojen na zdroj napájecího napětí Unap. Emitor druhého tranzistoru T8 diferenciálního zesilovače je spojen s emito-rem prvního tranzistoru T7 diferenciálního- zesilovače a emitorovým -odporem R1D diferenciálního- zesilovače. Emitorový odpor R10 diferenciálního zesilovače je druhým koncem uzemněn. Báze druhého tranzistoru T8 diferenciálního zesilovače je spojena s vazebním k-ondenzátor-em C4 a bázovým odporem R12 -druhého tranzistoru T8 diferenciálního zesilovače, přičemž druhý konec tohoto -odporní je připojen na zdroj Urát referenčního napětí, vazební kondenzátor T4 je připojen, na zdroj střídavého napětí. Kolektor prvního tranzistoru T7 diferenciálního zesilovače je připojen na zdroj napájecího napětí Unap. a báze tohoto- tranzistoru je připojena! na první -odpor R9 střídavého- děliče zpětné vazby a na blokovací kondenzátor C3 obvodu zpětné vazby připojený k prvnímu -odporu R8 střídavého děliče zpětné vazby, který j-e svým druhým vývodem připo-jen .na kostru. Druhý zesil-c-vač Z2 má -shodné zapojení s prvním zesilovačem Zl.

Zapojení pro ochranu- koncových stupňů polovodičových zesilovačů a 'servozesilo-vačů komplementárních nebo kvazikomplemenťárních můstkových, zvláště s galvanicky připojenou zátěží při zapínání a vypínání napájecího zdroje, pracuje tak, že v -okamžiku zapnutí zesilovače na napájecí napětí se nabíjecí kondenzátor Cl nabíjí přes první odpor Rl děliče napětí a přechod báze — emito-r spínacího- tranzistoru TI s časovou konstantou danou převážně -součinem hodnot prvního odporu Rl děliče napětí a nabíjecího kondenzátorů Cl. Spínací tranzistor TI je sepnut, předpěřo-vými a k-oím-p-enz-ačními diodami Dl a D2 neteče žádný pro-ud, napětí kolektor — emitpr spínacího tranzistoru TI je menší než napětí báze — emitor tranzistorů T2, T3 zdrojů proudu potřebné pro otevření tranzistorů T2, T3. Tranzistory zdrojů proudu- T2 a T3 jsou zavřené. Filtrační kondenzátor C2 druhého děliče napětí R6, R7, blokovací kondenzátor C3 obvodu zpětné vazby a vazební kondenzátor C4 se nabíjejí a pracovní body prvního tranzistoru T4 komplementární dvojice koncového stupně, druhého- tranzistoru T5 komplementární dv-ojice koncového- stupně, budicího tranzistoru T6 koncového- stupně, prvního tranzistoru T7 diferenciálního zesilovače a druhého tranzistoru T8 'diferenciálního' zesilovače nabývají stabilních hodnot napěťových úrovní. První tranzistor T4 komplementární dvojice koncového- -stupně je přitom stále zavřený, a tím je i proud galvanicky připojenou zátěží Rz nulový. Po době dané součinem hodnot pr-vního odporu Rl. -děliče napětí, nabíjecího komdenzát-oru Cl a parametry spínacího tranzistoru TI se spínací tranzistor TI uzavře a nastane otevření tranzistorů T2, T3 zdrojů pr-ou-du prvního a druhého koncového stupně zesilovačů. Velikost proudů těchto zdrojů proudu je určena velikostí prvního emitorového odporu R4 a druhého emitorového odporu R5. Takto určené velikosti proudů zdrojů proudu jsou schopné zajistit s ohledem na parametry prvého tranzistoru komplementární dvojice T4 při vybuzení zesilovače na maximum požadovaný proud zátěží Rz, což je však v době, kdy již došlo k podstatnému ukončení přechodových jevů po připojení zesilovače na zdroj napájecího: napětí. Galvanicky připojenou zátěží Rz potom může protékat stejnosměrný proud jen malé hodnoty, daný nevyvážeností celého systému, způsobené například teplotním driftem apod. PO vypnutí napájecího napětí se nabíjecí kondenzátor Tl na obr. 1 vybije přes vybíjecí diodu D3.

Přesto, že zapojení zesilovače pracuje s minimálním klidovým proudem koncového stupně, nedochází ke znatelnému zkreslení zesilovacího signálu, protože je v zesilovači zavedena silná záporná zpětná vazba děličem, který je tvořen prvním odporem R8 střídavého děliče zpětné vazby a druhým odporem R9 střídavého děliče zpětné vazby a také tím, že diferenciální zesilovač tvořený prvním tranzistorem T7 diferenciálního zesilovače a druhým tranzistorem, T8 diferenciálního zesilovače a budicí tranzistor T6 koncového stupně mají veliký zisk. Tento zisk diferenciálního zesilovače je dán použitými tranzistory, velikostí kolektorového' odporu Rll druhého tranzistoru diferenciálního zesilovače a pracovním bodelm diferenciálního zesilovače, jeho emitorovými proudy, které jsou určeny velikostí emitorového odporu R10 diferenciálního zesilovače a velikostí referenčního napětí Uref., které bývá nastaveno na poloviční napětí napájecího zdroje Unap. Všechny stejnosměrné pracovní body zesilovačů Zl, Z2 jsou určeny tímto napětím Uref. Napětí Uref. je přivedeno přes oddělovací bázový cdpor R12 -druhého tranzistoru diferenciálního zesilovače na bází druhého tranzistoru T8 diferenciálního zesilovače. Na tuto bázi je zároveň přivedeno budicí střídavé napětí ze zdroje střídavého napětí přes vazební kondenzátor C4. Zdroj střídavého napětí dodává pro zesilovače Zl, Z2 napětí amplitudově shodná, avšak fázově vůči sobě posunutá o 180^c.

Claims (1)

1. PŘEDMET

   Zapojení pro ochranu koncových stupňů polovodičových zesilovačů a servozesilovačů komplementárních nebo kvazikomplementárních můstkových, zvláště s galvanicky připojenou zátěží při zapínání a vypínání napájecího! zdroje, vyznačující se tím, že do báze spínacího! tranzistoru (Tl) je připojen odporový dělič napětí tvořený dvěma odpory (Rl, R2), kde první odpor (Rl) je v sérii s nabíjecím kondenzátorem (Cl) a druhý odpor (R2) je uzemněn, přičemž mezi uzel tvořený prvním odporem (Rl) děliče napětí s nabíjecím kondenzátorem (Cl) a kostru zesilovače je připojena vybíjecí dioda (D3), kolektor spínacího tranzistoru (Tl) je přiVYNÁLEZU pojen na bázi tranzistoru (T2) zdroje proudu prvního koncového stupně a- na bázi tranzistoru (T3) zdroje proudu druhého koncového stupně, jakož i na sériovou kombinaci předpětových a kompenzačních diod (Dl, D2) a dále na předpěťový cdpor (R3) spojený druhým koncem s nabíjecím kondenzátorem (Cl) a napájecím zdrojem (Unap) a emitoiry tranzistoru (T2) zdroje proudu prvního koncového stupně a tranzistoru (T3) druhého koncového stupně jsou spojeny s kostrou zesilovače přes emitorové odpory (R4, R5), přičemž emitor spínacího tranzistoru (Tl) je připojen na kostru zesilovače přímo.