б.З. Усилитель с совмещенной системой автоматической регулировки потребляемого тока и защиты от перегрузки по входу

В [68] описана функциональная схема широкополосного усилителя мощности, с совмещенной системой автоматической регулиров-

Функциональная схема усилителя с совмещенной системой регулирования и защиты

Рис. 6.11. Функциональная схема усилителя с совмещенной системой регулирования и защиты

ки потребляемого тока и защиты от перегрузки по входу, которая приведена на рис. 6.11.

Широкополосный усилитель мощности (см. рис. 6.11) содержит входной каскад, выходной каскад, датчик высокочастотного тока, регулятор тока питания, ослабитель сигналов, первый детектор, второй детектор, формирователь сигналов управления. Усилитель работает следующим образом. В режиме молчания ток, потребляемый выходным каскадом, устанавливается минимальным. При подаче на вход сверхширокополосного усилителя мощности сигнала он усиливается входным каскадом, выходным каскадом и через датчик высокочастотного тока поступает на выход устройства. Часть усиленного сигнала через ослабитель сигналов поступает на вход первого детектора, на выходе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде выходного напряжения. На вход второго детектора поступает сигнал с датчика высокочастотного тока, и на его выходе формируется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде выходного тока. При работе на согласованную нагрузку, например на нагрузку 50 Ом, напряжения на выходах первого и второго детекторов оказываются равными и пропорциональными уровню выходного сигнала.

Напряжения с выходов детекторов поступают на вход формирователя сигналов управления. С его первого выхода снимается сигнал, пропорциональный напряжению, подаваемому на его вход, который далее подается на второй вход регулятора тока питания выходного каскада. На первый вход регулятора тока питания подается сигнал с выхода цепи обратной связи выходного каскада. Сигнал обратной связи, снимаемый с выхода цепи обратной связи выходного каскада, пропорционален току, потребляемому выходным каскадом. При несовпадении уровней сигналов, поступающих на входы регулятора тока питания, ток, потребляемый выходным каскадом, изменяется и устанавливается пропорциональным уровню выходного сигнала. При таком способе управления исключается влияние эффекта детектирования на уровень выходной мощности и одновременно осуществляется термостабилизация рабочей точки активного элемента выходного каскада в режиме постоянной выходной мощности [56].

При работе на нагрузку более 50 Ом напряжение на выходе первого детектора оказывается больше напряжения на выходе второго детектора. Поэтому ток, потребляемый выходным каскадом, в этом случае пропорционален выходному напряжению. При работе на нагрузку менее 50 Ом ток, потребляемый выходным каскадом, пропорционален выходному току.

При работе усилителя с совмещенной системой регулирования и защиты на нагрузку 50 Ом и при выходном напряжении, не превышающем номинального значения, сигнал управления на втором выходе формирователя сигналов управления отсутствует. При дальнейшем увеличении выходного напряжения на втором выходе формирователя сигналов управления появляется сигнал управления, и коэффициент усиления входного каскада начинает уменьшаться, препятствуя дальнейшему росту амплитуды выходного напряжения, связанному с возрастанием уровня входного воздействия.

Датчик высокочастотного тока, использованный в схеме, приведенной на рис. 6.9, остается работоспособным при выходной мощности широкополосного усилителя, не превышающей 5...10 Вт. Рис. 6.12. Широкополосный При большей ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ датчик высокочастотного тока происходит перегрев сердечника и дальнейшее возрастание потерь мощности в нем. Этого можно избежать, если воспользоваться широкополосным датчиком высокочастотного тока, схема которого приведена на рис. 6.12 [69].

Широкополосный датчик высокочастотного тока работает следующим образом. При протекании через двухпроводную линию передачи противофазных высокочастотных токов в сердечнике Ml образуется высокочастотное магнитное поле, в результате чего на концах однослойной обмотки, намотанной на сердечнике Ml, наводится высокочастотная ЭДС, пропорциональная протекающему по линии передачи высокочастотному току. Напряжение, снимаемое с обмотки, детектируется детектором и поступает на выход датчика. Резистор R1 и его выводы образуют замкнутый вокруг сердечника Ml

Принципиальная схема

Рис. 6.13. Принципиальная схема

контур с сопротивлением, равным сопротивлению резистора R1. Использование резистора позволяет улучшить амплитудно-частотную характеристику датчика и уменьшить нагревание магнитопроводящего сердечника. Изменяя сопротивление резистора R1, можно изменять уровень магнитного поля в сердечнике Ml и потери мощности в нем.

На рис. 6.13 приведена принципиальная схема широкополосного усилителя мощности, предназначенного для работы на несогласованную нагрузку. Схема реализована с использованием функциональной схемы (рис. 6.11) и схемы датчика высокочастотного тока (рис. 6.12). Усилитель содержит четыре каскада усиления на транзисторах VT2, VT4, VT7, VT10, трансформатор импедансов Тр1, датчик выходного напряжения, представляющий собой делитель на резисторах R28, R30 и детектор на диоде VD5, широкополосный датчик высокочастотного тока на сердечнике Ml и диоде VD7, схему управления током потребления на транзисторах VT6, VT9, VT11

и резисторах R24, R25, схему автоматической регулировки усиления с задержкой на транзисторах VT5, VT8, VT11 и стабилитроне VD2, схему защиты от превышения напряжением питания своего номинального значения на стабилитроне VD4.

Первые два каскада усилителя работают в режиме с фиксированной рабочей точкой, с токами покоя транзисторов VT2, VT4, равными 0,2 А и 0,6 А соответственно. Стабилизация токов покоя каскадов достигается за счет применения активной коллекторной термостабилизации (см. раздел 1.1), а сами токи покоя устанавливаются подбором номиналов резисторов R6 и R11.

Выходные каскады усилителя работают в режиме с автоматической регулировкой потребляемого тока. Токи покоя транзисторов VT7, VT10, равные 0,4 А и 0,6 А, устанавливаются подбором номиналов резисторов R17 и R22, а максимальные значения токов потребления каждого из каскадов устанавливается подбором номиналов резисторов R24 и R25.

Линейность амплитудной характеристики широкополосного усилителя мощности зависит от выбора области регулирования потребляемого тока, и поэтому в процессе настройки начальные токи потребления транзисторов VT7, VT10 могут быть изменены.

Во всех каскадах усилителя использованы реактивные межкаскадные корректирующие цепи третьего порядка [70], где в качестве одного из элементов корректирующей цепи используется реактивная составляющая входного импеданса транзистора.

Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы ом. Поэтому между выходным каскадом и нагрузкой усилителя включен трансформатор импедансов Тр1 с коэффициентом трансформации 1:4, выполненный на длинных линиях с волновым сопротивлением 37 Ом и длиной 12 см.

Работа системы регулирования потребляемого тока заключается в следующем. При работе на нагрузку 75 Ом датчики выходного напряжения и выходного тока выдают одинаковые управляющие напряжения, пропорциональные уровню выходного сигнала. В исходном состоянии, при отсутствии входного воздействия, напряжения на базах транзисторов VT6, VT9 и эмиттере транзистора VT11 равны. С появлением выходного сигнала появляется управляющее напряжение, уменьшающее напряжение на эмиттере транзистора VT11. Это напряжение через резисторы R24 и R25 подается на базы транзисторов VT6, VT9, приводя к открыванию транзисторов VT7 и VT10. Достоинством такого способа управления токами потребления является исключение влияния детекторного эффекта на уровень выходной мощности усилителя при одновременной термостабилизации рабочих точек транзисторов VT7, VT10 в случае постоянной выходной мощности усилителя.

При работе на нагрузку более 75 Ом сигнал управления формируется датчиком выходного напряжения и ток, потребляемый транзисторами VT7, VT10, пропорционален выходному напряжению. При работе на нагрузку менее 75 Ом сигнал управления формируется датчиком выходного тока и ток, потребляемый транзисторами VT7, VT10, оказывается пропорциональным выходному току. В результате рассматриваемый усилитель отдает в несогласованную нагрузку мощность, равную мощности, отдаваемой усилителем с фиксированной рабочей точкой.

Экспериментальные исследования показывают, что при неизменном уровне входного воздействия сигнал управления, формируемый датчиками выходного напряжения и выходного тока, минимален при сопротивлении нагрузки 75 Ом и возрастает как при уменьшении, так и при увеличении сопротивления нагрузки. Поэтому для ограничения области регулирования потребляемого тока заданным верхним пределом в схему введен стабилитрон VD3, ограничивающий неконтролируемое уменьшение напряжения на эмиттере транзистора VT11.

Для защиты усилителя от холостого хода и короткого замыкания нагрузки, а также от перегрузки по входу сигнал управления с коллектора транзистора VT11 через стабилитрон VD2, подается на базу транзистора VT8. В исходном состоянии транзистор VT8 закрыт. При работе усилителя на 75-омную нагрузку и при выходном напряжении, не превышающем определенного значения, ограниченного областью линейной работы транзистора VT10, напряжение на коллекторе транзистора VT11 оказывается меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD2. При дальнейшем увеличении выходного напряжения напряжение на коллекторе транзистора VT11 оказывается больше напряжения стабилизации стабилитрона VD2, транзистор VT8 открывается, шунтируя стабилитрон VD1 и уменьшая напряжение на базе транзистора VT5. Это приводит к уменьшению напряжения питания входных каскадов и уменьшению, вследствие этого, их коэффициентов усиления. Таким образом, рассматриваемая схема управления является стандартной схемой автоматической регулировки усиления с задержкой. При работе на высокоомную нагрузку максимальное напряжение, развиваемое усилителем на этой нагрузке, равно максимальному напряжению, развиваемому усилителем на стандартной 75-омной нагрузке. При работе на низкоомную нагрузку максимальный ток, развиваемый усилителем в этой нагрузке, равен максимальному току, развиваемому усилителем в стандартной 75-омной нагрузке.

Защита от превышения напряжением питания своего номинального значения, выполненная на стабилитроне VD4, срабатывает при напряжении питания 25,5 В. Диод VD6 установлен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе полярности питающего напряжения.

Печатная плата (рис. 6.14) размером 180x80 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 2...3 мм.

На рис. 6.15 приведено расположение элементов на печатной плате усилителя.

Пунктирной линией на рис. 6.15 обозначены места металлизации торцов, что может быть сделано с помощью металлической фо-

Печатная плата широкополосного усилителя мощности

Рис. 6.14. Печатная плата широкополосного усилителя мощности

Расположение элементов на печатной плате усилителя

Рис. 6.15. Расположение элементов на печатной плате усилителя

льги, которая припаивается к нижней и верхней части платы. Металлизация необходима для устранения паразитных резонансов и заземления нужных участков печатной платы.

Настройка усилителя состоит из следующих этапов. Вначале производится покаскадная настройка амплитудно-частотной характеристики усилителя. Для этого с помощью резисторов R6, R11, R17, R22 устанавливаются токи покоя транзисторов VT2, VT4, VT7, VT10. Затем выход каскада на транзисторе VT2 через разделительный конденсатор подключается к нагрузке. Подбором ёмкости конденсатора С1 достигается равномерная АЧХ каскада в области нижних и средних частот полосы пропускания. Подбором ёмкости конденсатора СЗ достигается выравнивание АЧХ в области верхних частот полосы пропускания. Если этого не удается достичь, следует уменьшить емкость конденсатора С1 и заново подобрать конденсатор СЗ. Далее к первому каскаду подключается второй, и процесс настройки повторяется.

После формирования АЧХ усилителя в режиме малого сигнала, резисторы R17 и R22 заменяются на подстроечные и при постепенном увеличении входного воздействия с помощью этих подстроечных резисторов определяются токи потребления транзисторов VT7 и VT10, при которых усилитель отдает в нагрузку максимальную мощность в заданной полосе частот. Для транзисторов VT7 и VT10 эти токи равны около 2,5 и 3,5 А. В этом же режиме определяется номинальное значение выходной мощности усилителя, т. е. такой уровень выходной мощности, при котором ещё отсутствуют искажения, обусловленные насыщением либо отсечкой коллекторных токов транзисторов.

При номинальном значении выходной мощности осуществляется настройка датчиков выходного напряжения и выходного тока, заключающаяся в выравнивании значений выдаваемых ими управляющих напряжений, что достигается с помощью резисторов R28, R33. Настройка производится при поочередном включении и выключении датчиков и измерении управляющих напряжений на эмиттере транзистора VT11. При необходимости производится коррекция частотных характеристик коэффициентов передачи датчиков с помощью цепочки элементов R35, L7.

После настройки датчиков напряжения и тока, потенциометры в базовых цепях транзисторов VT6 и VT9 заменяются резисторами R17 и R22 и с помощью резистора R31 на эмиттере транзистора VT11 устанавливается напряжение, равное напряжению на базах транзисторов VT6 и VT9. На места резисторов R24 и R25 включаются потенциометры, с помощью которых регулируется коэффициент передачи канала управления токами потребления транзисторов VT7 и VT10. При номинальном значении выходной мощности токи потребления транзисторов VT7 и VT10 с помощью потенциометров устанавливаются равными 2,5 А и 3,5 А и потенциометры заменяются резисторами R24 и R25 соответствующих номиналов. В этом же режиме работы измеряется напряжение между шиной питания и эмиттером транзистора VT11 и между ними устанавливается стабилитрон VD3 с напряжением стабилизации равным измеренному значению.

При выходной мощности, превышающей номинальное значение на 5...10 %, измеряется напряжение на коллекторе транзистора VT11. После чего в схеме устанавливается стабилитрон VD2 с напряжением стабилизации, равным измеренному значению. Затем осуществ-

Фотография широкополосного усилителя мощности

Рис. 6.16. Фотография широкополосного усилителя мощности

ляется проверка работоспособности схемы защиты от перегрузки по входу и от холостого хода и короткого замыкания нагрузки.

На рис. 6.16 приведена фотография внешнего вида широкополосного усилителя мощности, предназначенного для работы на несогласованную нагрузку.

При длительной работе усилителя его необходимо устанавливать на радиатор с использованием принудительной вентиляции.

Технические характеристики усилителя:

полоса рабочих частот, МГц..................................10...250

коэффициент усиления, дБ...................................35±1,5

выходная мощность, Вт, не менее.............................20

сопротивление генератора и нагрузки, Ом ...................75

напряжение питания, В ......................................24

потребляемый ток в режиме молчания, А ...................2,2

потребляемый ток в режиме максимальной выходной мощности, А ...........................................................7

габаритные размеры корпуса усилителя, мм ................. 190x130x30

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >