CS223982B2 - Low-frequency capacity amplifier - Google Patents

Description

Vynález se týká nízkofrekvenčního výkonového zesilovače, zejména jako modulátor pro vysokofrekvenční výkonový stupen rozhlasového vysílače, obsahující impulsový modulátor s jedním vstupem pro zesilovaný analogový nízkofrekvenční vstupní signál a nejméně dvě výstupní vedení pro dva o 180° fázově posunuté sledy impulsů stejné frekvence a s šířkově modulovanými impulsy, s nejméně dvěma spínacími stupni, jejichž signálový vstup je spojen s jedním, resp· s druhým výstupním vedením impulsového modulátoru a jejichž výstupní vedení jsou galvanicky oddělena od signálových vstupních vedení a vstupních vedení napájecího napětí a jsou spojeny se vstupem nejméně jedné dolní propusti, na jejímž výstupu je zesílený nízkofrekvenční signál.

Dosud používané nízkofrekvenční výkonové zesilovače pro velký výstupní výkon jsou prakticky všechny vytvořeny na základě stejného základního zapojení. Obsahují dvojčinný zesilo„ vač třídy В nejméně se dvěma zesilovacími elektronkami a s výstupním transformátorem. Zesilovaný nízkofrekvenční signál se přivádí na mřížky obou elektronek, jejichž anody jsou spo| jeny se svorkami primárního vinutí výstupního transformátoru. Jedna svorka sekundárního vinutí výstupního transformátoru, je zemněna přes kondenzátor a druhá svorka je spojena se zátěží. Napájecí napětí pro obě nízkofrekvenční zesilovací elektronky se odebírá ze střední odbočky primárního vinutí výstupního transformátoru.

Nízkofrekvenční výkonové zesilovače tohoto druhu lze přizpůsobit nejrůznějšímu použití a dimenzovat pro značně různé výstupní výkony, například pro buzení velkých reproduktorů, v zařízeních к induktivnímu ohřevu, v regulačních zesilovačích a jako modulační zesilovače pro rozhlasové vysílače. Všechna provedení mají pro velké výkony několik zásadních nedostatků. Dvojčinný zesilovač třídy В musí být osazen výkonovými elektronkami, které jsou drahé a mají poměrně krátkou životnost. Tyto elektronky se musejí v zesilovačích s vysofcým výstupním výkonem napájet vysokým napětím, což komplikuje celé zapojení. Výstupní transformátor je velký a těžký stavební prvek, jehož hmotnost může být například u modulačního zesilovače pro vysílač 300 kW asi 6 t. Konečně je účinnost dvojčinného zesilovače třídy В modulovaného sinusovými signály a následující zátěže závislá na modulaci a bývá v nejlepěím případě 70%.

Princip pulsní šířkové modulace, který je dávno známý, má sice výhody, pokud jde o účinnost, je však spojen z hlediska konstrukce se značnými obtížemi.*

Jedno známé řešení, popsané v německém pat. spise č. 1 218 557 se vyznačuje tím, že spínací elektronka, připojená к vysokému potenciálu mezi vysokonapělovým usměrňovačem a zátěží, se budí do řídicí mřížky pulsně šířkově modulovanými signály.

Rovněž je známé řešení pro rozhlasové vysílače, popsané v časopise Punktechnik, ročník 32, č. 13/1977, kde vysokofrekvenční elektronka koncového stupně je zapojena do série s impulsově šířkově modulovanou spínací elektronkou, přičemž katoda vysokofrekvenční koncové elektronky je z hlediska vysoké frekvence uzemněna, kmitá však v rytmu modulační frekvence. Obě dvě uvedená řešení vyžadují složité zapojení a mimoto mají omezenou provozní spolehlivost, poněvadž obsahují elektronky.

Úkolem vynálezu je vytvořit jednoduchý a levný nízkofrekvenční výkonový zesilovač, který by jednak odstraňoval uvedené nevýhody týkající se účinnosti a nákladů a současně eliminoval obtíže spojené s pulsní Šířkovou modulací a spočívající ve složitém zapojení. Nízkofrekvenční výkonový zesilovač má být napájen středním napětím, má mít celkovou vysokou účinnost, nezávislou na stupni modulace, a má být realizován s výkonovými polovodiči místo s elektronkami.

Tento úkol se podle vynálezu řeší tím, že vstupy napájecího napětí spínacích stupňů jsou zapojeny paralelně a jsou spojeny se stejným zdrojem stejnosměrného napětí a výstupní vedení spínacích stupňů jsou zapojena v sérii prostřednictvím spojovacího vedení, přičemž pro sečítání amplitud výstupních signálů podél tohoto spojovacího vedení jsou zapojeny v jednom výstupním vedení každého spínacího stupně a mezi přípoji výstupních vedení sousedních spínacích stupňů, usměrňovače.

Přeměna nízkofrekvenčního signálu v impulsy umožňuje použít místo zesilovacích elektronek vhodných elektronických spínačů s velmi krátkou dobou spínání, které při stejném výstupním výkonu zlepšují účinnost zesilovače. Kaskádové zapojení výstupů spínacích prvků umožňuje napájet výkonový zesilovač nízkým napájecím napětím, což podstatně zjednodušuje a zlevňuje celou konstrukci. Mimoto lze použitím většího počtu spínacích stupňů, zapojených po skupinách paralelně nebo do série, dosáhnout užitečné redundance celého nízkofrekvenčního výkonového zesilovače, takže jeho funkční schopnost není při poruše jednoho ze stupňů nijak znatelně ovlivněna.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s příkladem provedení, znázorněným na výkresu, kde ukazuje obr. 1 principiální zapojení výhodného provedení nízkofrekvenčního výkonového zesilovače podle vynálezu, obr. 2 blokové schéma impulsového modulátoru vhodného pro zesilovač z obr. 1, obr. 3 blokové schéma spínacího stupně pro výkonový zesilovač z obr. 1, obr. 4 schematické znázornění integrované dolní propusti, obr. 5 schematicky znázorněnou modulaci sledu výstupních impulsů superpozicí dvou vzájemně posunutých sledů vstupních impulsů a obr. 6 je schematické znázornění zvýšení frekvence sledu výstupních impulsů superpozicí několika vzájemně fázově posunutých dvojic vstupních impulsů.

Na výkresech jsou vzájemně si odpovídající prvky opatřeny stejnými vztahovými značkami.

Provedení nízkofrekvenčního výkonového zesilovače podle obr. 1 slouží к napájení amplitudově modulovaného rozhlasového vysílače. Na takové výkonové zesilovače se kladou obzvláště vysoké nároky, pokud jde o kmitočtový průběh a zesílení, takže tento zesilovač je obzvláště vhodný k vysvětlení konstrukce a funkce nového zesilovače.

Nízkofrekvenční ' výkonový zesilovač obsahuje impulsový moodlátor £0, někooik skupin paralelně zapojených spínacích stupňů Ц. 12, 13, 14 a spojovací vedení 15, které spojuje výstupy v^šec^h spínacích s'tu^pňů 11 a^ž Ц. se vs.tu^pem dolní propuusi 12* Spínací stu^pně Ц až H jsou napájeny napájecím napětím U. Výstup dolní 17 je spojen se zátěží 13.

Ve znázorněném příkladu se předpokládá, že zátěž 18 je vysokofrekvenční koncový stupeň amplitudově modulovaného vysílače.

Obr. 2 ukazuje blokové schéma vhodného impulsového mooduátoru 10. Impulsový mooduálor 10 obsahuje impulsový geneeátor 20, jehož výstup je spojen s jedním vstupem mooduátoru 21 a se vstupem nejméně jednoho posunovače fáze £2. Výstup posunovače fáze 22 je připojen na vstup dalšího m^duui^1to:ru 23. Druhý vstup tohoto moduuátoru je spojen se vstupní svorkou 24. pro nízkofrekvenční signál. K výstupům obou m^duui^lt^^ů 21 . 23 je připojeno signálové vedení 26. Žl*

Jak bude ještě popsáno podroObeti_> může být výhodné pouuít impulsového . ^^ouui^tt^^u £0, který vysílá více než dva výstupní signály. V tomto případě jsou k impulsovému generátoru 20 připojeny další posunovače fáze 22 s násled^ícími mcJd^^Ty 23. jak je naznačeno na obr. 2 přerušovanými čarami.

Obr. 3 ukazuje blokové schéma spínacího stupně, např. spínacího stupně 11 vhodného ^pro níztoí^e^enční vý^konový zesilova^{č p}odle vynálezu. Tento spínací s^t^u^pe^{ň 11} obsahuje signálový vstup ДО, 21. k němuž je připojeno jedno ze signálových vedení .26. 27 od impulsového ^^^uui^tt^^ 10 a který je spojen s primárním vinutím 32 řídicí jednotky, například řídicího transformátoru 21* Selainddrní vinutí 11, 35 řídicího transformátoru 33 jsou spojena s řídicí elektrodou nejméně jednoho spínacího prvku 36. 37. Elektrody spínacích prvků 33, jsou spojeny jednak s kladnou přípojnicí 38 a zápornou přípojnicí 39 napájecího napěťového zdroje a jednak s primárním vinutím 41 výkonového transformátoru 42. SelkДlledгn:í vinutí 43 výkonového transformátoru 42 je spojeno s výstupními vedeními 44. 45.

^Spínací stupe^ň Ц a^ž 14 dále obsahuje dvě diody 46. .47. ^které jsou za^pojen^y mezi záporným přívodem primárního vinutí výkonového transformátoru 42 a mezi kladnou . přípojnicí pro kladné napájecí nappěí a zápornou přípojnicí 39 pro záporné napájecí nappěí, a chrání spínací prvky 36. 37 při přerušení proudu proti přeppěí.

Podle výhodného ezzeázoreěeého provedení obsahuje s^ínrn^ií stupen 11 až 14 dvě řídicí jednotky, z nichž jedna přenáší spínací impulsy pro spínací prvky 36, 37 a druhá přenáší vypínací impuls. Dále mohou být místo dvou znázorněných spínacích prvků 33. 37 pou^ty dvě skupiny paralelně zapojeným spínacích . prvků co^ž umožňuje zvy^šování prou^du protéz jícího primárním vinutím 41 výkonového transformátoru 42. Jako spínací prvky se s výhodou používají vhodné výkonové polovodiče, elekronky nebo jejich kombinace.

Jedno výstupní vedení 44 každého spínacího stupně 11 až li, obr. 1 je spojeno přímo a druhá výstupní vedení 45 přes usměrňovač 50 se spojovacím vedením 12· Kromě toho obsahuje spojovací vedení 15 mezi přípojkami každé dvojice výstupního vedení 44. 45 další usměrňovač 51. Přes usměrňovače 22» 21 se výkonové impulsy jednotlivých. výstupních vedení 44. 45 na spojovacím vedení 15 sčítají a vedou se na vstup 53 dolní propuusi £7.

Zappjení dolní propuusi 17 nemusí být nezbytně vytvořeno podle obr. 1 . Jiné možné řešení spočívá v tom, že dolní propust 17 je úplně nebo částečně integrovaná do výstupních vedení 44. 45 s^pínacích stup^{ňů 11} a^ž £4, ^případně do s^pojovacích ve^dení Ц. Možné ^ře^šení ' ukazuje obr. 4.

Při provozu popsaného nízkofrekvenčního výkonového zesilovače se přiváděný nízkofrek223982 venční signál převádí nejméně ve ' dva sledy impulsů, které sestávájí 2 Šířkově modulovaných impulsů stejného opakovacího kmitočtu a které jsou vzájemně fázově posunuty o poloviční vzdálenostmezi dvěma následujícími impulsy, což bude ještě podrobnnji popsáno. Tyto sledy impulsů se zéěilují odděleně ' v přísUufiných spínacích stupních 11až 14 a potom se vedou na společné spojovací vedení 12, které je galvanicky oddělené od napájecího napěěí. Výstupní sled impulsů, vytvořený z obou superponovaných sledů vstupních impulsů, se pak převádí ' v dolní propuusi 17 ve výkonově zesílený nízkofrekvenční signál, který odpovídá původnímu nízkofeekvenčnímu signálu.

Při konntrukci nového nízkofrekvenčního výkonového zesilovače je třeba vycházet z toho, Že spínací frekvence běžných spínacích prvků je omezená a že střídasledu impulsů je v důsledku přem^agintování výkonového transformátoru om^s^i^na asi na 1:1 nebo na 50procentní moovusac.

Na zlepSení střídy sledu impulsů, příp. modulace výstupního sledu impulsů se používá dvou sleďů vstupníc^h impulsů posunutých fázov^ě o ¹⁸0^o, ja^k utozuje schemaaicky obr. 5. Oba sledy vstupních impulsů E, a Eg ®ají stejný opalovací kmitočet a jsou fázově posunuty o ¹⁸0^o. ^Sířka impulsů znázortoná plnými ^čarami o^dpoví^dá mmáduaci ^12,5 procent, toika označená přerušovanou čarou mod^aci 50 procent sledu vstupních impulsů. Jak ukazuje obr. 5, vznikne supeepozzcí těchto obou sledů vstupních sled výstupních impulsů A, g, které jsou prakticty promodulovány na ¹⁰⁰ procent, jsou-li o^ba sle^dy vstupntoh impp^i modulovány na 50 procent. ,

Ke generování popsaných sledů vstupních impulsů slouží impulsový m^odue^1,or 10 nakreslený na obr. 2. Impulsový genneátor 20 vyrábí sled trojúhelníkových impulsů, jejichž kmitočet je nitoí, ne^ž nejv^yšší spínací toito^t spínacím stu^pn^{ů 11} a^ž Ь4. ^Tyto ⁱmpuls^y se v mooduátoru 21 superponuuí s nízkofeekvenčním signálem na vstupní svorce 24. čd^mž vzniknou šířkově modulované impulsy, které se vedou na signálové vedení ,26. Trojúhelníkové impulsy vyráběné impulsovým generátorem 20 se přiváděl rovněž do eoinuvače fáze 22, který ^sune impuls^y o ¹⁸°⁰ ne^oH o ^loviční časovou vzdlenost mezi dvěma impulsy. Fézov^ě posunutý , sled impulsů se pak v následujícím m^o^dut^troru 23 rovněž , mo01užujz nízкnfeeкvenčuía signálem, čímž vzniknou šířkově modulované impulsy přiváděné na signálové vedení 27.

Je seňoře jmé, že lze použít i jnrý^ch druhů impulsové moddlace a že impulsový moohulátor ' 10 nemusí být vytvořen v provedení po<dLe obr. 2. Naapíklad je možné pouužt impulsového generátoru, který vyrábí pilové impulsy nebo jednoduše sled tektovacích impulsů, při jejcehž vzniku se snímá nízkofrekvenční signál. V následujícím log^kém obvodu se pak v^ytvářeZí šířkově modulované impulsy . nddeoVddjíií anaeitudě nízkofrekvenčního signálu. Takové postupy a zařízení jsou odborníkovi známé, takže není třeba je blíže popisovat.

Jak již bylo uvedeno, je kmitočet sledu vstupních impulsů na každém signálová vední 26. ²⁷ omezen maaim^ní spínací frekvencí spínací^ stu^pnů 11 a^ž Ц. ^{V d}ůsle^dku toto vznitoe při toožKí dvou sle^dů vstupních impulsi, ^fázov^ě ^sunutých o 180°, sk^ výstupních impulsů s dvojnásobnou opakovaaí frekvencí. Aby bylo možno vytvářet sledy výstupních impulsů s vyšSi, například dvojnásobnou frekvencí, lze eoužít dvou dvooic shora popsaných sledů vstupních impulsů, které jsou fázově posunuté inuaarně, jak ukazuje obr. 6.

V horní čássi obr. 6 jsou znázorněny popsané sledy vstupních impulsů E, a Eg fázově posunuté o ¹⁸0^o, ve stiředí čássi dalto dojtoe sled íípu1s^ů E^ a Ед. °ba slety impulsů E^, E^ jsou vzéijemto ^posunuty rovn^ěž o ¹⁸0^o a ^itom jsou ^sunuty ojpooí sledům impulsů ^vní úvojice o ⁹0^o, toty s1z^u E^j vůči sle^du E^j. a sl.e^d E^ vůči sled Eg. Superpozice tochto čty^í sledů vstupních impulsů dává sled výstupních impulsů A; ₂ 3 4 se čtyřnáoobtym kmitočtem jednoduchého vstupního sledu pří^padně při 50procentní aondUaci sled výstupních impulsů, který sestává ze dvou vzá^^mně superponovaných sledů impulsů, moddlovainých. prakticky na 100 procent.

K vytváření takových sledů vstupních impulsů obsahuje impulsový aaOdžátor 10 z obr. 2 dva přídavné posouvače fáze 22 s následujícím modulátorem 23, jak je naznačeno přerušovanou čarou.

Je pochopitelné, že opakovači kmitočet sledu výstupních impulsů lze dále zvyšovat, vyrábějí-li se nappíklad čtyři př:^<3e^^r^é sledy vstupních impulsů, ' které jsou oprooi popsaným sledům vstu^íc⁰ im^puls^{ů fá}zové ^posunut^y o 45° a^d·

Z ’ .

Každému sledu im^pulsů je přiřazen nejméně jeden spínací stupeň 11 až 14. Přicházející impulsy uváději v činnost spínací prvky 36, 37 a'případně další,, takže primární vinutí 41 výkonového transformátoru 42 se budí podle šířky impulsů a na·výstupních vedeních 44, £2 a případně dalších se objevují výkonově zesílené impulsy, které jsou galvanicky odděleny od napájecího ^ρ^ί. Jak již bylo uvedeno, lze ke zvýšení výkonového zesílení v každém spínacím stupni 11 až 14 zappojt paralelně větší počet spínacích prvků 36, 37 a rovněž lze paralelně zappojt větší počet spínacích stupňů 11 až 14· Převodový poměr vinutí výkonového transformátoru 42 se volí podle nappěí, jaké mmpí mít výkonově zesílené impulsy,

Nízkofrekvenční výkonový zesilovač podle vynálezu umožňuje pomocí · popsané modulace sledu vstupních impulsů, které jsou vzájemně přiřazeny po UvopicícO a fázově posunuty o ^O⁰, mo^lovat sle^d výsW^íc⁰ impuls^ů ^akticty na ¹00 ^ocent, a ^užiHm vešito ^počtu takových Uvooíc sledu vstupních impulsů zvyšovat opalovací kmitočet sledu výstupních impulsů na několika násobek opakovacího kmitočtu každého sledu vstupních impulsů,

V prakticky vyzkoušeném provedení slouží nízkofrekvenční výkonový zesilovač podle vynálezu k napájení anppitudově modulovaného rozhlasového vysílače s nízkou frekvencí v běžném oboru zvukových kmitočtů se špičkovým výkonem více než 1 MW. Pro dostatečnou kvaPitu přenosu se v tomto případě nízkofrekvenční signál po0uluje, jak ukazuje obr, 6 na dvě dvojice vzájemně posunutých sledů vstupních impulsů,

Claims (6)

1, Nízkofrekvenční výkonový zesilovač, zejména jako po0ulátor pro vysokofrekvenční výkonový stupeň rozhlasového vysílače, obs^hujcí impulsový po0dlátpг s jedním vstupem pro zesilpvpný analogový nízkofrekvenční vstupní signál a nejméně dvě výstupní vedení pro dva o 180° fázově posunuté sledy impulsů stejné frekvence a s šířkově modulovanými impulsy, s nejméně dvěma spínacími stupni, jejichž signálový vstup je spojen s jedním, resp, s druhým výstupním vedením impulsového moPdlátoru a jejíchž výstupní vedení jsou galvanicky oddělena od signálových vstupních vedení a vstupních vedení napájecího napětí a jsou spojeny se vstupem nejméně Jedné dolní irpppjíi, na j^ejj^mž výstupu je zesílený nízkofrekvenční ^gnál, vyzna^uící se típ^, že vstu^py (38, 39) napájecím napě^ spínacíc^h stu^ů (Π až 14) jsou zapojeny paralelně a jsou spojeny se steným zdrojem stejnosměrného napěěí (U) a výstupní vedení ⁽44, 45), spínací^ stu^ů ⁽¹¹ a^{ž 14)} jsou zapojena v sérii irρst^ře^unictvíp spojovacího vedení (15), přičemž pro seůčtání α^ί·^ výstupních signálů podél tohoto spojovacího vedení (15) jsou zapojeny v jednom výstupním vedení (44 až 45) každého spínacího stupně (11 až 14) mezi připni výstupních vedení sousedních spínacích stupňů, · usměrňovače (50, resp, 51),

2, Nízkofrekvenční výkonový zesilovač podle bodu 1, vyznaa^^! se tím, že každý spínací stupeň (11 až 14) obsahuje transformátor (42), jehož primární vinutí (41) je spojeno nejméně pres jeden spínací prvek (36) s napájecím napětovým vedením (38, 39) a sekundární vinutí (43) s výstupními vedeními (44, 45) a řídicí jednotku, tvořenou řídicím trpnsfp]nlírtorem (33), jehož primární část je pro · přenos spínacího a vypínacího signálu sppjena s příslušným výstupem (26) impulsového poPdlátoru (10) a jejíž nejméně jeden výstup·(34) je spojen s řídicí elektrpctou nejméně jednoho spínacího prvku (36, 37),

3. Nízkofrekvenční výkonový zesilovač podle bodu 2, vyznačující se tím, že primární vinutí (41) výkonového transformátoru (42) je spojeno z obou stran přes spínací prvek (36, 37) se vstupy (38, 39) napájecího napětí a řídicí jednotka tvořená řídicím trernsformátorem (33) má dvt seloindární vinutí (34, 35), z nichž každé je spojeno se řídicí elektrodou jednoho z obou spínacích prvků (36, 37).

4. Nízkofrekvenční výkonový zesilovač podle bodu 3, vyznaauuící se tím, že spínací prvky (36, 37) jsou tvořeny výkonovými polovoodči, elektoonkam. nebo jejich kfrminacemi.

5. Nízkofrekvenční výkonový zesilovač podle bodu 1, vyz^a^ící se tím, že · spojovací vedení · (15) je připojeno na vstup dolní propussi (17).

6. Nízkofrekvenční výkonový zesilovač podLe bodu 1, · vyznaa^í^ se tím, že každý spínací stupen (11 a^{ž 1}4⁾ je svým výstupem spojen s dolní propustí a výstu^py dol^^ ·propust!

jsou spolu spojeny pro vytvoření součtu výstupních napětí.