CZ303920B6 - Zarízení pro samocinné rízení a nastavování výkonových aktivních prvku, zejména u výkonových polovodicových zesilovacu - Google Patents

Abstract

Zarízení je urceno pro samocinné rízení a nastavování výkonových aktivních prvku zejména u výkonových polovodicových zesilovacu, kde aktivní výkonový prvek má vstupní bránu a výstupní bránu. Aktivní výkonový prvek (3), umístený na chladici (4) je opatren snímacem (5) teploty. Snímac (5) teploty je pripojen na vstup prvního A/D prevodníku (7), jehoz výstup je pripojen jednak na vstup komparátoru (14) a jednak na adresový vstup pameti (8), jejíz datová brána je pripojena pres D/A prevodník (9) a oddelovací zesilovac (10) na vstupní bránu (1, 1´) aktivního výkonového prvku (3). Do napájecího prívodu v obvodu výstupní brány (2, 2´) aktivního výkonového prvku (3) je zapojen snímac (11) proudu, který je pres zpetnovazební regulátor (12), pres druhý A/D prevodník (13) a pres první kontakty spínace (6) pripojen na vstup D/A prevodníku (9) a zároven na datovou bránu pameti (8). Druhé kontakty spínace (6) jsou pripojeny na obvod (15) rízení zápisu, jehoz výstup je spojen se vstupem pro rízení zápisu pameti (8) a na jehoz jeden vstup je pripojen výstup komparátoru (14).

Description

Zařízení pro samočinné řízení a nastavování výkonových aktivních prvků, zejména u výkonových polovodičových zesilovačů

Oblast techniky

Řešení se týká zařízení, které umožňuje zjistit a zapsat teplotní závislost statických převodních charakteristik polovodičového prvku, který je využíván ve výkonovém polovodičovém zesilovači a při následujícím provozu zesilovače řídit pracovní bod polovodičového prvku tak, aby byla minimalizována jeho teplotní závislost.

Dosavadní stav techniky

Teplotní stabilizace pracovních podmínek všech polovodičových prvků, zejména všech tranzistorů je jedním ze základních problémů, které musí být řešeny při konstrukci všech tranzistorových zesilovačů. Závažnost tohoto problému je způsobena možností vzniku kladné zpětné vazby při ohřívání polovodičového prvku, kdy polovodičový prvek vykazuje takovou teplotní závislost převodní charakteristiky, která způsobuje při nárůstu teploty i vzrůst klidového proudu, vzrůst klidového proudu vede k vzrůstu ztrátového výkonu a větší ztrátový výkon vede dále k vyššímu vzrůstu teploty polovodičového prvku. Může tak dojít k lavinovitému nárůstu proudu, ztrátového výkonu i teploty, které v konečné fázi vedou až ke zničení polovodičového prvku.

Problém teplotní stabilizace pracovního boduje nejjednodušším způsobem řešitelný v obvodech, například zesilovačích, které pracují, alespoň v idealizovaných pracovních podmínkách, s konstantní velikostí střední hodnoty pracovního proudu, například u zesilovačů třídy A. V těchto případech lze teplotní stabilizaci pracovního bodu polovodičového prvku realizovat jako teplotní stabilizaci střední hodnoty pracovního proudu prvku smyčkou stejnosměrné záporné zpětné vazby, která při vzrůstu střední hodnoty pracovního proudu tranzistoru způsobuje změnu napětí resp. proudu řídicí elektrody tranzistoru způsobem, který vede k poklesu pracovního proudu tranzistoru. Zpracovávaný signál je smyčkou záporné zpětné vazby přenášen minimálně, aby smyčka nesnižovala zesílení zesilovače pro zpracovávaný signál.

Jiným způsobem bývá teplotní stabilizace pracovního bodu řešena u lineárních symetrických rozdílových zesilovačů, u kterých na zpracovávaném signálu nezávisí součet proudů obou prvků symetrického rozdílového zesilovače. Smyčka záporné zpětné vazby pro stabilizaci pracovního boduje řízena hodnotou součtu proudů obou aktivních prvků rozdílového zesilovače a řídí aktivní prvky rozdílového zesilovače soufázově čímž je i zde minimalizován vliv záporné zpětné vazby na zpracovávání užitečného signálu.

Mnohem komplikovanější je problematika teplotní stabilizace pracovního bodu u zesilovačů, které pracují i v nelineární oblasti převodních charakteristik používaných aktivních prvků, např. u zesilovačů třídy B, AB, C, u kterých střední hodnota proudu i součet proudů prvků v symetrickém zesilovači jsou funkcí úrovně zpracovávaného signálu a zatěžovací impedance zesilovače. Zde je možné stabilizovat pracovní bod u zesilovače podle skutečné hodnoty klidového proudu jen v některých případech, např. u klíčovaných pulzních vysokofrekvenčních zesilovačů, jak je uvedeno v US 5 451 907, nebo zesilovačů pracujících na relativně nízké frekvenci, kde při činnosti aktivního prvku je k dispozici doba s trváním alespoň několika mikrosekund, kdy aktivním prvkem protéká pouze klidový proud a lze jej odečíst a použít jako vstupní signál pro smyčku analogové nebo číslicové záporné zpětné vazby.

U běžných zesilovačů, pracujících ve spojitém režimu a na vysokých frekvencích tento postup možný není, protože klidový proud při provozu se signálem stanovit nelze a stabilizace pracovního bodu aktivních prvků zde není řízena zápornou zpětnou vazbou podle hodnoty proudu pro- 1 CZ 303920 B6 cházejícího aktivním prvkem ale pouze podle teplotní závislosti převodních charakteristik používaných aktivních prvků. Obvod teplotní stabilizace pracovního bodu aktivního prvku generuje, podle signálu teplotního snímače, kterým je snímána teplota aktivního prvku, signál řídicí pracovní bod aktivního prvku. Tento řídicí signál má, v ideálním případě, právě takovou závislost na teplotě, že je jím, i při změnách teploty, udržováno žádané nastavení pracovního bodu řízeného aktivního prvku. Řídicí signál většinou odpovídá poměrně složité nelineární funkci teploty, která je aproximována charakteristikou použitého teplotního snímače a převodní charakteristikou obvodu teplotní stabilizace.

Obvody teplotní stabilizace zajišťující maximální odchylku klidového proudu výkonového aktivního prvku kolem 10 % v rozsahu teplot 0 až 100 °C jsou poměrně složité, obsahují i několik operačních zesilovačů, často i výkonový zesilovač a mnoho nastavovacích prvků, které musí být nastavovány individuálně pro každý použitý teplotní snímač i každý použitý aktivní prvek. Seřízení obvodu teplotní stabilizace musí být prováděno při několika teplotách v celém rozsahu předpokládaných pracovních teplot aktivních prvků a obvykle i s rizikem, že každá další změna nastavení ovlivní i hodnoty, které byly nastavovány dříve, například při jiné teplotě.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro samočinné řízení a nastavování výkonových aktivních prvků, zejména u výkonových polovodičových zesilovačů, využívající pro generování signálu pro řízení pracovního bodu výkonového aktivního prvku metodiku číslicového zpracování signálu. Aktivní prvek má vstupní a výstupní bránu a je opatřen snímačem teploty a snímačem procházejícího proudu. Podstatou tohoto řešení je následující zapojení. Aktivní výkonový prvek, kterýje umístěn na chladiči. Snímač teploty je připojen na vstup prvního A/D převodníku, jehož výstup je připojen jednak na vstup komparátoru a jednak na adresový vstup paměti. Datová brána paměti je připojena přes D/A převodník a oddělovací zesilovač na vstupní bránu aktivního výkonového prvku. Do napájecího přívodu v obvodu výstupní brány aktivního výkonového prvku je zapojen snímač proudu. Tento snímač proudu je přes zpětnovazební regulátor, přes druhý A/D převodník a přes první kontakty spínače připojen na vstup D/A převodníku a zároveň na datovou bránu paměti. Druhé kontakty spínače jsou připojeny na obvod řízení zápisu. Výstup obvodu řízení zápisu je spojen se vstupem pro řízení zápisu paměti a na jeho jeden vstup je připojen výstup komparátoru.

V provozu zařízení je signál teplotního snímače, kterým je snímána teplota aktivního prvku je převeden do číslicové formy a slouží jako adresa pro vyhledání čísla reprezentujícího hodnotu signálu pro řízení pracovního bodu výkonového aktivního prvku v konverzní tabulce, do které je odpovídající závislost zapsána. Výstupní číslicový signál z tabulky je číslicově-analogovým převodníkem převeden do analogové formy a po případném zesílení výkonovým zesilovačem je jím řízeno nastavení pracovního bodu aktivního prvku.

Pro postup samočinného nastavení je využívána analogová řídící smyčka, která v režimu provozu zesilovače bez signálu a při spojitě měnící se teplotě aktivního prvku přes celý uvažovaný interval možných pracovních teplot, stabilizuje klidový proud aktivního prvku. V procesu samočinného generování konverzní tabulky je z analogové řídicí smyčky odebírán vzorek signálu nastavujícího pracovní bod řízeného aktivního prvku, signál je převáděn analogově-číslicovým převodníkem do číslicové formy a zapisován do číslicové paměti na adresu odpovídající teplotě, pro kterou hodnota řídicího signálu platí, čímž je postupně zapsána konverzní tabulka pro všechny vyvolené hodnoty teplot, které byly během procesu samočinného generování konverzní tabulky zaznamenány. Teplotní cyklus potřebný pro samočinné generování konverzní tabulky lze zajistit zvnějšku, například programovatelným termostatem, do kterého je řízený systém během procesu generování konverzní tabulky umístěn. V užších teplotních rozsazích a s chladicími systémy s velkou tepelnou kapacitou lze teplotní cyklus potřebný pro samočinné generování konverzní

-2CZ 303920 B6 tabulky zajistit i ohřevem aktivního prvku vlastním ztrátovým teplem. Před počátkem procesu generování konverzní tabulky je aktivní prvek s chladičem zvnějšku vychlazen na teplotu nižší, než je spodní hranice uvažovaného intervalu pracovních teplot a během procesu generování konverzní tabulky je jeho teplota průběžně zvyšována vlivem ztrátového tepla aktivního prvku.

Ve výhodném provedení je zařízení rozšířeno o obvody umožňující samočinné vygenerování konverzní tabulky zajišťující dosažení minimální teplotní odchylky aktivního prvku a snímače teploty.

V tomto případě zařízení zahrnuje modulátor, jehož výstup je spojen s druhým vstupem zpětnovazebního regulátoru a s druhým vstupem obvodu řízení zápisu. Provádění odečtu při současném klíčování nebo modulaci proudu aktivním prvkem umožňuje nastavit takový provozní režim při generování konverzní tabulky, aby rozdíl teplot systému aktivního prvku a snímače teploty byl obdobný jako při provozu zařízení a došlo tak ke kompenzaci chyby.

Zařízení pro samočinné řízení a nastavování výkonových polovodičových zesilovačů umožňuje po provedené montáži automaticky analyzovat systém, jehož je součástí a pro jeho provoz vytvořit algoritmus kompenzace jeho teplotní závislosti, který též během provozu vykonává.

Přehled obrázku na výkrese

Zařízení pro samočinné řízení a nastavování výkonových aktivních prvků, zejména u výkonových polovodičových zesilovačů, je schematicky naznačeno pomocí blokového schéma na přiloženém výkrese.

Příklady provedení vynálezu

Základní konfigurace zařízení dle předkládaného řešení je zobrazena na přiloženém výkrese.

Výkonový aktivní prvek 3, který je zároveň součástí například výkonového zesilovače, je umístěn na chladiči 4, který zajišťuje odvod ztrátového tepla aje opatřen snímačem 5 teploty, který dodává elektrický signál, udávající teplotu prvku. Snímač 5 teploty je připojen na vstup prvního A/D převodníku 7, jehož výstup je připojen jednak na vstup komparátoru 14 a jednak na adresový vstup paměti 8. Datová brána paměti 8 je připojena přes D/A převodník 9 a oddělovací zesilovač 10 na vstupní bránu 1,1' aktivního výkonového prvku 3. Do napájecího přívodu v obvodu výstupní brány 2, 2' aktivního výkonového prvku 3 je zapojen snímač JJ. proudu, který je přes zpětnovazební regulátor 12, přes druhý A/D převodník 13 a přes první kontakty spínače 6 připojen na vstup D/A převodníku 9 a zároveň na datovou bránu paměti 8. Druhé kontakty spínače 6 jsou připojeny na obvod 15 řízení zápisu, jehož výstup je spojen se vstupem pro řízení zápisu paměti 8 a na jehož jeden vstup je připojen výstup komparátoru 14. V uvedeném příkladu je ještě zahrnut modulátor 16, jehož výstup je spojen s druhým vstupem zpětnovazebního regulátoru 12 a s druhým vstupem obvodu 15 řízení zápisu.

Obvod vstupní brány I, i' aktivního výkonového prvku 3 umožňující statické nastavení pracovního bodu aktivního výkonového prvku 3 je připojen k oddělovacímu zesilovači 10, který je řízen výstupním analogovým signálem z výstupu D/A převodníku 9. Vstupní číslicový signál pro D/A převodník 9 je v provozním režimu, při rozepnutém spínači 6, přiváděn z datové brány paměti 8, nebo v režimu samočinného nastavování, při sepnutém spínači 6, přiváděn z výstupu druhého A/D převodníku J3.

V provozním režimu je na vstupní bránu J, J.' přiváděn teplotně závislý signál z výstupu oddělovacího zesilovače JO zajišťující konstantní pracovní bod aktivního výkonového prvku 3 při pro-3CZ 303920 B6 měnné teplotě. Generování tohoto signálu je zajišťováno snímačem 5 teploty, prvním A/D převodníkem 7, číslicovou pamětí 8 a D/A převodníkem 9. Výstupní signál snímače 5 teploty, který udává teplotu aktivního výkonového prvku 3, je prvním A/D převodníkem 7 převeden do číslicové formy a tento signál je přiváděn na adresový vstup paměti 8. Paměť 8 pracuje v režimu asynchronního čtení a na její datovou bránu je čteno v paměti zapsané číslo udávající hodnotu teplotně závislého signálu, který zajišťuje konstantní pracovní bod aktivního výkonového prvku 3 při teplotě, ke které přísluší právě na adresovací vstup přiváděná adresa.

V režimu samočinného nastavování, při provozu aktivního výkonového prvku 3 bez užitečného signálu, je konstantní statický pracovní bod aktivního výkonového prvku 3 i při změnách teploty zajišťován zpětnovazebním regulátorem 12. Na vstup zpětnovazebního regulátoru 12 je přiváděn elektrický signál ze snímače 11 proudu udávající proud výstupní branou 2, 2' aktivního výkonového prvku 3, do jejíhož obvodu je snímač 11 proudu zapojen. Výstupní signál zpětnovazebního regulátoru 12 je převeden druhým A/D převodníkem 13 do číslicové formy a přes sepnutý spínač 6 je dále veden na datovou bránu paměti 8 a číslicový vstup D/A převodníku 9. Po zpětném převedení do analogové formy D/A převodníkem 9 a zpracování oddělovacím zesilovačem 10, je na vstupní bránu 1,1' aktivního výkonového prvku 3 přiváděn signál shodný s výstupním signálem zpětnovazebního regulátoru 12 zajišťující konstantní statický pracovní bod aktivního výkonového prvku 3.

Zápis teplotní závislosti řídicího signálu z výstupu druhého A/D převodníku 13 do paměti 8 je prováděn při vyvolených teplotách aktivního výkonového prvku 3. K tomu účelu je digitální signál udávající teplotu výkonového aktivního prvku 3 z prvního A/D převodníku 7 veden též na vstup komparátoru 14, kde je okamžitá teplota porovnávána s řadou vyvolených hodnot. Výstupní signál, vznikající v případě shody je dále veden na obvod 15 řízení zápisu. Z výstupu obvodu J_5 řízení zápisu je potom při sepnutém spínači 6 a při shodě teploty aktivního výkonového prvku 3 s vyvolenou hodnotou na vstup pro řízení zápisu paměti 8 přiveden zapisovací signál a do paměti 8 je zapsáno číslo právě nastavené na její datové bráně. Tak jsou postupně při změně teploty a při jejím průchodu všemi vyvolenými hodnotami do paměti 8 zapsána čísla aproximující funkci udržující žádané nastavení provozního režimu řízeného aktivního výkonového prvku 3 v zvoleném rozsahu teplot.

Zmenšení chyby vlivem rozdílné teploty systému aktivního výkonového prvku 3 a snímače 5 teploty, zejména při generování konverzní tabulky vlastním ztrátovým teplem výkonového aktivního prvku 3, může být dosaženo doplněním systému o modulátor 16, který je propojen se zpětnovazebním regulátorem 12 a obvodem 15 řízení zápisu. Signál modulátoru 16 přepíná proud výstupní branou 2, 2' aktivního výkonového prvku 3 mezi dvěma úrovněmi - nižší odpovídající statickému nastavení pracovního bodu a vyšší odpovídající zpracování signálu se zvoleným výstupním výkonem. Při vhodné volbě časového průběhu klíčování bude rozdíl teploty systému aktivního výkonového prvku 3 a snímače 5 teploty při vyšší proudové úrovni při generování konverzní tabulky shodný jako při provozu aktivního výkonového prvku 3 se signálem a při nižší proudové úrovni zapisovaný řídicí signál, odpovídající žádanému nastavení provozního režimu řízeného výkonového aktivního prvku 3 bez signálu, bude méně ovlivněn rozdílem teploty systému aktivního výkonového prvku 3 a snímače 5 teploty.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle předkládaného řešení je využitelné všude, kde musí být nastavován pracovní bod aktivního dvojbranu, který je provozován i v nelineární oblasti převodních charakteristik, mění se provozní teplota aktivních prvků a musí být prováděna teplotní stabilizace pracovního bodu aktivních prvků. Zařízení dle vynálezu umožňuje dále zjednodušit proces uvádění do provozu systémů s teplotně závislými výkonovými aktivními prvky a lepší potlačení teplotní závislosti těchto prvků v porovnání s dříve používanými metodami.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro samočinné řízení a nastavování výkonových aktivních prvků zejména u výkonových polovodičových zesilovačů kde aktivní výkonový prvek (3) má vstupní bránu a výstupní bránu a je opatřen snímačem (5) teploty a snímačem (11) procházejícího proudu, vyznačující se tím, že aktivní výkonový prvek (3) je umístěný na chladiči (4) a snímač (5) teploty je připojen na vstup prvního A/D převodníku (7), jehož výstup je připojen jednak na vstup komparátoru (14) a jednak na adresový vstup paměti (8), jejíž datová brána je připojena přes D/A převodník (9) a oddělovací zesilovač (10) na vstupní bránu (1, Γ) aktivního výkonového prvku (3) a snímač (11) proudu je zapojen do napájecího přívodu v obvodu výstupní brány (2, 2') aktivního výkonového prvku (3), aje dále přes zpětnovazební regulátor (12), přes druhý A/D převodník (13) a přes první kontakty spínače (6) připojen na vstup D/A převodníku (9) a zároveň na datovou bránu paměti (8), přičemž druhé kontakty spínače (6) jsou připojeny na obvod (15) řízení zápisu, jehož výstup je spojen se vstupem pro řízení zápisu paměti (8) a na jehož jeden vstup je připojen výstup komparátoru (14).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje modulátor (16), jehož výstup je spojen s druhým vstupem zpětnovazebního regulátoru (12) a s druhým vstupem obvodu (15) řízení zápisu.