Pierwszenstwo: Zgloszenie ogloszono: 05.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 25.08.1975 73198 KI. 21aS36/00 MKP H03k 5/05 BIBLIOTEKA Twórca wynalazku: Pawel Sobczak Uprawniony z patentu tymczasowego: PolitechnikaWarszawska, Warszawa (Polska) Przelacznikowy wzmacniacz mocy pradu stalego z modulacja szerokosci impulsu i Wynalazek dotyczy ukladu przelacznikowego wzmacniacza mocy pradu stalego z modulacja sze¬ rokosci impulsu.W znanych przelacznikowych wzmacniaczach mo¬ cy koncowy stopien jest skokowo przelaczany miedzy skrajnymi stanami przewodzenia i nieprzewodzenia, przy czym straty mocy w tym elemencie przelacza¬ jacym, w obu stanach sa male. W rezultacie uklady takie osiagaja bardzo duza sprawnosc. Element przelacznikowy jest sterowany modulatorem szero¬ kosci impulsu, który okresla czas trwania (perio¬ dycznie nastepujacych po sobie) kazdego z obu sta¬ nów tego przelacznika. W konsekwencji wartosc srednia napiecia wyjsciowego jest okreslona przez stosunek czasu trwania impulsu przewodzenia t do okresu przelaczania T (gdyz amplituda tego impulsu jest w przyblizeniu stala). Stosunek ten jest nazy- t wany wspólczynnikiem wypelnienia k = -^r. Przy zmianie tego stosunku nastepuje proporcjonalna zmiana napiecia wyjsciowego. Modulacja polega na tym, ze pod wplywem sygnalu sterujacego zmie¬ nia sie wartosc k, która jest wielkoscia charaktery¬ styczna prostokatnego przebiegu elektrycznego. Po odfiltrowaniu przebiegu zmiennego otrzymuje sie na wyjsciu sygnal bedacy odwzorowaniem sygnalu wejsciowego.W znanych dotychczas ukladach modulacje szero¬ kosci impulsu realizuje sie najprosciej w ten sposób, ze stale lub wolnozmienne napiecie sygnalu uzy- 10 15 25 30 tecznego doprowadzane do generatora drgan pro¬ stokatnych okresla szerokosc jego impulsów wyjs¬ ciowych, co stanowi (po wzmocnieniu i filtracji) o wartosci napiecia wyjsciowego. Wada tego rozwia¬ zania jest trudnosc uzyskania zmian wspólczynnika wypelnienia w granicach od 0 do 1, oraz to, ze szero¬ kosc impulsów wyjsciowych generatora jest okres¬ lona zazwyczaj logarytmicznymi funkcjami napie¬ cia sterujacego, przez co powstala zaleznosc szero¬ kosci impulsu od napiecia'sygnalu odbiega od linio¬ wej (zwlaszcza dla zakresów zmian k (H-0,1 i 0,9-1-1). Inny sposób modulacji polega na sumo¬ waniu dwóch przebiegów napieciowych: przemien¬ nego (z generatora) i sterujacego stalego, a wyni¬ kiem tego sumowania na odpowiednim elemencie ukladu jest przebieg prostokatny o modulowanej szerokosci impulsu. Wada tego sposobu jest to, ze realizacja tej metody wymaga znacznego rozbudo¬ wania ukladu. W przypadku stosowania ujemnego sprzezenia zwrotnego jest ono realizowane w ten sposób, ze czesc stalego napiecia wyjsciowego (po filtracji) jest doprowadzona razem z sygnalem uzy¬ tecznym na wejscie wzmacniacza.Celem wynalazku jest opracowanie uproszczone¬ go przelacznikowego wzmacniacza mocy pradu sta¬ lego, który by przy wyeliminowaniu generatora na¬ piecia zmiennego zapewnial dokladna proporcjonal¬ nosc miedzy sygnalem wejsciowym i wyjsciowym.Cel ten zostal osiagniety przez zbudowanie wzmacniacza wedlug wynalazku, który zawiera 73 19873198 3 czlon calkujacy napiecie wejsciowe elementu prze¬ laczajacego i przerzutnik o dwóch dokladnie okres¬ lonych poziomach dzialania. Czlon calkujacy jest wlaczony miedzy element przelaczajacy i, obciaze¬ nie. Jedna koncówka wejsciowa przerzutnika beda¬ ca wspólna dla jego wyjscia polaczona jest (w petli ujemnego sprzezenia zwrotnego) z wejsciem czlonu calkujacego, a druga ze zródlem napiecia steruja¬ cego wzmacniacz. Drugi biegun tego zródla jest podlaczony do wyjscia czlonu calkujacego. Wyjscie przerzutnika jest polaczone z wejsciem elementu przelaczajacgo.W ukladzie wedlug wynalazku wytwarzanie prze¬ biegu zmiennego (prostokatnego) i jego modulacja odbywa sie nierozlacznie w petli ujemnego sprze¬ zenia zwrotnego. Pozwala to na wyeliminowanie generatora napiecia zmiennego, co upraszcza uklad, przy czym jest zapewniona proporcjonalnosc mie¬ dzy sygnalem wejsciowym i wyjsciowym na skutek silnego ujemnego sprzezenia zwrotnego w calym zakresie zmian napiecia wyjsciowego. Poniewaz jako uklad calkujacy moze byc wykorzystany filtr napiecia wyjsciowego o odpowiednio duzej stalej czasowej, to w tym rozwiazaniu nie nastepuje zad¬ ne uboczne zwiekszenie liczby elementów. Uklad pozwala uzyskac szeroki zakres zmian napiecia wyjsciowego oraz dzieki duzej czulosci przerzutnika zapewnia znaczna niezaleznosc napiecia lub pradu wyjsciowego od zmian napiec zasilajacych i zmian obciazenia. Uklad przelacznikowy wedlug wynalaz¬ ku znajduje dodatkowo zastosowanie jako stabili¬ zator napiecia lub pradu wyjsciowego przy równo¬ czesnym dynamicznym ograniczeniu maksymalnych wartosci odpowiednio pradów i napiec.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na ry¬ sunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blo¬ kowy wzmacniacza, fig. 2 — schemat ideowy przy¬ kladowego rozwiazania fig. 3 — przebiegi czasowe pradów i 'napiec a fig. 4 — schemat ukladu, w któ¬ rym wzmacniacz mocy stanowi jeden z elementów ukladu o ujemnej petli sprzezenia zwrotnego.Na fig. 1 przedstawiony jest schemat blokowy wzmacniacza zasilanego ze zródla napiecia napie¬ ciem stalym lub pulsujacym Uz , w którym konco¬ wy stopien mocy stanowi, okresowo wlaczany i wy¬ laczany, przelacznik 1 ustalajacy wartosc srednia napiecia Uo na obciazeniu 2. Jako przelacznik 1 przykladowo stosuje sie tranzystory, tyrystory (wla¬ czane i wylaczane pradem bramki) lub przekazniki mechaniczne. Miedzy przelacznik 1 a obciazenie 2 jest wlaczony calkujacy napiecie wyjsciowe tego przelacznika czlon 3. Glównym parametrem czlonu calkujacego jest wartosc stalej czasowej — lub RC.R Przerzutnik 5 jest multiwibratorem bistabilnym o dwóch dokladnie okreslonych poziomach napiecia na jego wejsciu, przy których nastepuje przejscie z jednego stanu w drugi. Wyjscie przerzutnika 5 polaczone jest z wejsciem przelacznika 1, a kon¬ cówki jego wejscia z wejsciem czlonu calkujacego 3 i zródlem napiecia 4 sterujacego wzmacniacz. Drugi biegun zródla 4 jest polaczony z wyjsciem czlonu calkujacego 3.Na fig. 2 w przykladzie rozwiazania role prze¬ lacznika 1 spelnia tranzystor sterowany w obwodzie 4 bazy polaczonej z wyjsciem przerzutnika 5. Czlon calkujacy 3 tworza polaczone szeregowo z oporni¬ kiem obciazenia 2 dlawik 6 i opornik próbkujacy 7, których drugie zakonczenia stanowia wejscie czlo- 5 nu 3, oraz dioda 8 wlaczona do tego wejscia zapo¬ rowo w stosunku do wyjscia elementu przelacza¬ jacego 1. Elementy 1, 3, 5 polaczone w ten sposób tworza razem, w przypadku gdy napiecie ze zródla 4 jest niezmienne, stabilizator 12 pradu obciaze- nia l o- Na fig. 3 przedstawione sa przebiegi czasowe pra¬ dów i napiec wedlug fig. 2 przy dwóch wartosciach sygnalu egi i eg2, którym odpowiadaja fcrady i na¬ piecia wyjsciowe Iol i lQe or z UQ- i Uo2.Na fig. 4 przedstawiono odmiane przelacznikowego wzmacniacza o wzmocnieniu napieciowym nieza¬ leznym od wielkosci obciazenia. Zródlo jego napie¬ cia sterujacego 11 polaczone jest z jednej strony z koncówka wyjsciowa tego wzmacniacza, bedaca wspólna dla wejscia stabilizatora pradu obciazenia 12, a z drugiej z jednym z wejsc wzmacniacza ble¬ du 9, którego drugie wejscie polaczone jest z wyjs¬ ciem czlonu próbkujacego 10 napiecie wyjsciowe UQ. Czlon 10 polaczony jest równolegle do opor¬ nika obciazenia 2. Wyjscie wzmacniacza bledu 9 polaczone jest z wejsciem stabilizatora 12 pradu obciazenia IQ. Wejscie to stanowi zarazem wejscie przerzutnika 5 tworzacego razem z przelacznikiem 1 i czlonem na przyklad w postaci tranzystora i czlo¬ nem calkujacym 3 ten stabilizator.Przelacznikowy wzmacniacz mocy pradu stalego wedlug fig. 1 dziala w sposób nastepujacy: prze¬ lacznik 1 jest tak sterowany z przerzutnika 5, ze stanowi zwarcie lub rozwarcie, przy czym czas zwarcia lub rozwarcia moze byc zmieniany. Napie¬ cie Ui ma wiec ksztalt prostokatny o zmieniajacej sie szerokosci odpowiednich impulsów i amplitudzie Uz. Napiecie to jest podawane na czlon calkujacy 3.Wobec tego, ze napiecie Ui jest napieciem o przebiegu prostokatnym, to otrzymane w wyniku calkowania napiecie U2 jest napieciem zmiennym bedacym suma napiecia stalego i przemiennego.Napiecie stale jest proporcjonalne do amplitudy napiecia Ui i wspólczynnika k. Napiecie przemienne ma ksztalt zblizony do trójkatnego (tym lepiej im stala czasowa - lub RC jest wieksza w stosunku do okresu przebiegu) o odcinkach czasowych nara¬ stania i opadania równych odpowiednim odcinkom czasowym przebiegu prostokatnego Ui. Napiecie U2 wraz z napiecie sterujacym eg stanowi napiecie U?, które jest podawane na wejscie przerzutnika bistabilnego 5, reagujacego na dwa niezmienne i dokladnie okreslone poziomy Ei i E2 napiecia U3.Przejscie napiecia U3 przez te poziomy powoduje przeskok przerzutnika 5 z jednego stanu w drugi.Nastepstwem tego jest rozwarcie przelacznika 1 (gdy napiecie U3 = U2 4- eg przekroczy poziom Ei) lub zwarcie (gdy napiecie U3 spadnie ponizej pozio¬ mu (E2. Poniewaz zarówno napiecie wyjsciowe U jak i napiecie U3 jest proporcjonalne do tJ i k, to wynikiem tego jest ograniczenie napiecia wyjscio¬ wego od góry i od dolu. tizialanie ukladu przedstawionego na fig 2 jest nastepujace: wstepnie (przy odlaczonym obciazeniu 15 20 25 30 35 40 45 50 55 602) stan przerzutnika 5 jest taki, ze jego napiecie wyjsciowe U^ polaryzuje tranzystor 1 maksymal¬ nie w kierunku przewodzenia. Po zalaczeniu obcia¬ zenia 2 prad kolektora i c, na skutek szeregowego polaczenia dlawika 6 z obciazeniem 2 (iz = ic) na- 5 rasta poczatkowo w przyblizeniu liniowo, przez co analogicznie narasta napiecie U2 na opornosci 7.Gdy napiecie wejsciowe Us przerzutnika 5 (U3 = = U2 + eg) przekroczy poziom Ei to spowoduje na jego wyjsciu skok napiecia U5£ o takiej pola- 10 ryzacji, ze odcina on tranzystor 1. To skokowe wy¬ laczenie tranzystora 1 powoduje, ze dlawik 6, dzieki zmagazynowanej w nim uprzednio energii, zalacza w tym momencie diode 8 oraz rozladowuje sie w przyblizeniu liniowo pradem iD {lL = iD) poprzez 15 diode 8 i obciazenie 2. W efekcie maleje w ten sam sposób napiecie U2. Gdy z kolei Us spadnie ponizej poziomu E2, to na wyjsciu przerzutnika 5 pojawi sie taki skok napiecia VBE , ze tranzystor 1 znajdzie sie w nasyceniu, prad kolektora i c zacznie narastac 20 i cykle beda sie powtarzac. W rezultacie maksymalna i minimalna chwilowa wartosc pradu i L dlawika fl jest ograniczona poprzez dzialanie przerzutnika 5.Czlon calkujacy 3 (elementy 2, 6, 8) spelnia w tym rozwiazaniu równoczesnie role filtru dolnoprzepusto- 25 wego, przez co (przy odpowiednio dobranej wartosci dlawika 6 i opornosci próbkujacej 7) prad przez ob¬ ciazenie 2 plynie w sposób ciagly. Skladowa stala pradu obciazenia I0 (równa wartosci sredniej pradu iL dlawika 6) jest wyznaczona przez niezmienne 30 i dokladnie okreslone poziomy charakterystyczne Ei i E2 przerzutnika 5, wartosc R opornosci próbkuja¬ cej 7, oraz stale (w porównaniu z okrssem przela¬ czania) napiecie eg ,a wartosc tetnien i okres prze¬ laczania sa wyznaczone wartosciami L dlawika 6, 35 R, oraz róznica poziomów Ei i E2. Poniewaz wartosc srednia napiecia Us (przy zalozeniu liniowosci prze- E 4- E biegów pradu iL dlawika 6) U3ir = —^——- = IQ • , R +eg, to zaleznosc natezenia IQ = — j— — egj od napiecia sygnalu eg jest liniowe. Dzialanie przerzutnika 6 uniezaleznia proporcjonalna do eg zmiane I od wartosci obciazenia 2 i napiecia za¬ silajacego V zy natomiast uzaleznia od tych wartosci 45 czasy nasycenia i odciecia tranzystora 1, a wiec za¬ chodzi modulacja szerokosci impulsu. W szczegól¬ nym przypadku, gdy napiecie eg jest niezmienne, uklad pracuje jako stabilizator Io (napiecie eg spelnia wtedy role napiecia odniesienia tego stabili- 50 zatora.Uklad przedstawiony na fig 2 moze sluzyc jako czlon kaskadowego regulatora dowolnej wielkosci zaleznej od pradu I0 (np. napiecia Uo), W tym przypadku za pomoca dodatkowego ukladu ujem- 55 nego sprzezenia zwrotnego, napiecie eg bedzie uza¬ leznione od wielkosci regulowanej (np. odwrotnie proporcjonalne do napiecia U o). Zrealizowano to w ukladzie przedstawionym na fig. 4 dzialajacego nastepujaco: na wejscie wzmacniacza bledu 9 po- eo dawana jest róznica napiecia proporcjonalnego do U (z ukladu próbkujacego 10) i napiecia steruja¬ cego Ug ze zródla 11. Napiecie wyjsciowe wzmac¬ niacza 9 stanowi napiecie odniesienia Vod stabiliza¬ tora I0 —12 (spelnia identyczna role jak napiecie eg 65 1 :,¦* 6 na fig 2). Poniewaz dzialanie stabilizatora I0 unie¬ zaleznia napiecie U0 od zmian napiecia Uz, to za¬ daniem . wzmacniacza bledu 9 jest uniezaleznienie napiecia Uo tylko od zmian obciazenia 2. W ukla¬ dzie regulacji napiecia Uo , w którym dokonywany jest pomocniczy pomiar pradu Io (w stabilizatorze *0), Jest oczywiscie latwo ograniczyc maksymalna wartosc I0. Zastosowanie dodatkowej petli ujem¬ nego sprzezenia zwrotnego zwieksza o jeden ilosc jednoczesnie kontrolowanych wielkosci (w tym przypadku Io oraz dodatkowo UQ ) przy nie zmienio¬ nej ilosci elementów wzmacniacza mocy. W efekcie nastepuje uniezaleznienie proporcjonalnej do zmian fiapiecla wejsciowego Ug zmiany napiecia wyjscio¬ wego Uo ÓA w&rtóscj obciazenia i napiecia zasila¬ cza P'z ; W szczególnym przypadku, gdy napiecie XJ| jest niezmienne* uklad pracuje jako stabilizator napiecia fcJo ^ a napiecie U g jest wtedy napieciem odniesienia tego stabilizatora. Uklad znajduje do¬ datkowo zastosowanie do stabilizacji pradu Io lub napiecia Uo, przy jednoczesnym dynamicznym ograniczeniu maksymalnych wartosciI i U ° * omax oma xi które moglyby zostac przekroczone przy zmianach obciazenia wiekszych niz dopuszczalne lub przewi¬ dywane. PL PL