Аннотация

В данном дипломном проекте разработан усилитель напряжения, работающий в режиме класса D и выдающий на выходе постоянное (0…350 В) и переменное (0…250 В) напряжения. Фаза переменного напряжения регулируется в пределах от 0 до .

Проведено исследование усилителя с помощью разностных уравнений в векторно-матричной форме. Результаты исследования подтверждены с помощью модели, собранной в среде Simulink математического пакета Matlab.

Разведены печатные платы с использованием специализированного пакета программ P-Cad 2001.

Задание

Разработать усилитель напряжения с регулируемой фазой со следующими параметрами:

питающее напряжение ;

частота питающей сети ;

выходное напряжение: переменное ;

постоянное ;

частота выходного напряжения с возможностью синхронизации от сети и внутренней синхронизацией;

максимальный выходной переменный ток ;

максимальный выходной постоянный ток ;

изменение фазы выходного напряжения от 0 до 180 эл. град.;

максимальная температура окружающей среды .

Содержание

• Аннотация
• Задание
• Содержание
• Введение
• 1. Основная часть
• 1.1 Выбор и обоснование структурной схемы устройства
• 2. Расчетная часть
• 2.1 Расчет генератора синусоидальных сигналов
• 2.2 Расчет и выбор элементов для ШИМ модулятора
• 2.3 Моделирование усилителя напряжения в среде Simulink математического пакета Matlab 6.5
• Введение
• Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов - сначала ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы.

Усилители можно классифицировать по следующим параметрам:

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование - усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относится к усилителям напряжения. Если основное требование - усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень сигнала.

В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических (непрерывных) сигналов (линейные), усилители импульсных сигналов (импульсные). К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных гармонических сигналов или квазигармонических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их форм. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы сигнала.

Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы.

Усилители постоянного тока предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от нижней частоты, равной нулю, до верхней рабочей частоты усилителя. Главным является то, что они усиливают постоянные и переменные составляющие входного сигнала.

Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты.

По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные и широкополосные усилители.

По роду применяемых активных элементов усилители делятся на транзисторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др.

В качестве активных элементов в настоящее время в усилителях чаще используются полевые или биполярные транзисторы, либо интегральные схемы. Значительно реже применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы полупроводниковых диодов.

1. Обзор схемотехники усилителей напряжения

1.1 Анализ технического задания. Обзор возможных способов реализации усилителя

Рассмотрим основные способы реализации усилителей и режимы их работы.

Режим А. В этом режиме точка покоя транзистора находится примерно в средней части используемой части характеристики усилительного элемента, работающего, как принято говорить, без отсечки тока. Временные диаграммы на рис. ** дают представление о сущности режима А.

Режим А характеризуется сравнительно низким уровнем высших гармоник, однако энергетические показатели оказываются неблагоприятными. В режиме А непрерывно, независимо от уровня сигнала потребляется приблизительно одна и та же мощность от источника питания, а вследствие сравнительно небольшого коэффициента использования тока, например, коллекторного

,

где - амплитуда первой гармоники, - среднее значение тока, близкое к постоянному значению в отсутствие сигнала, КПД получается меньше 50%. Действительно, КПД, представляющий собой отношение полезной (отдаваемой) мощности к мощности, потребляемой от источника питания , равный

не может быть больше 50%. Это объясняется тем, что и коэффициент использования напряжения (коллекторного)

,

где - амплитудное значение первой гармоники коллекторного напряжения,

- постоянное напряжение на коллекторе в отсутствие сигнала.

Недостатком класса А является то, что от источника питания при любых сигналах потребляется почти одинаковая мощность , и с уменьшением амплитуды сигнала все большая ее часть тратится бесполезно [бел. ЭЦ].

Режим А широко применяется в однотактных каскадах, для которых он является единственно возможным. В реальных усилителях с режимом работы класса А КПД не превышает 25% [Белов ЭЦ].

Режим В. Это такой режим работы усилительного элемента (транзистора), в котором при синусоидальном входном сигнале ток в выходной цепи протекает только в течение половины периода (рис. **). Среднее значение тока в выходной цепи в этом случае примерно [Бел. ЭЦ]

,(1)

где - амплитуда импульсов выходного тока. Это равенство является строгим, если на интервале времени ток , а на интервале .

Выходной ток усилителя (рис. **) в целом резко несинусоидален, т.е. содержит кроме основной гармоники большой процент высших гармоник. Поэтому класс В на практике применяется только в так называемых двухтактных каскадах, состоящих из двух усилительных элементов, каждый из которых работает в классе В, но со сдвигом в полпериода . В них выходной ток почти синусоидальный, среднее значение тока, потребляемого от источника питания, равно , а коэффициент использования тока источника

.

С учетом равенства (1) получаем, что , т.е. коэффициент использования тока источника не зависит от амплитуды входного сигнала и существенно больше, чем в классе А. КПД в классе В определяется как

, (2)

где . При получаем , т.е. 78,5%

Таким образом, в классе В КПД существенно больше, чем в классе А, и, согласно (2), не зависит от тока , потребляемого от источника питания. Поскольку согласно (1) среднее значение тока, потребляемого от источника питания, изменяется пропорционально амплитуде входного сигнала, то при малых сигналах, когда мощность на выходе мала, уменьшается и мощность, потребляемая от источника питания.

В режиме малого сигнала и при условии коэффициенты усиления по напряжению , по току и выходное сопротивление каскада составляют

, ,

где - крутизна, характеризующая усиление переменной составляющей тока коллектора при изменении напряжения сигнала в цепи база-эмиттер в рабочей точке при постоянном напряжении в цепи коллектор-эмиттер ;

- температурное напряжение;

B - коэффициент передачи тока базы;

- усиление тока в режиме малого сигнала.

Малосигнальные параметры и сильно зависят от уровня входного сигнала. При низких уровнях уменьшается крутизна , вследствие чего стремится к нулю коэффициент усиления и стремится к бесконечности выходное сопротивление . Возникающие при этом нелинейные искажения называются переходными нелинейными искажениями.

Режим АВ. В этом режиме ток в выходной цепи усилительного элемента при синусоидальном входном сигнале протекает в интервале времени, немного превышающем полпериода. По энергетическим показателям он близок к классу В и применяется в двухтактных каскадах для уменьшения нелинейных искажений сигнала.

Режим С. Это режим работы усилительного элемента, когда при синусоидальном входном сигнале ток выходной цепи протекает в интервале, меньшем половины периода . Для этого режима в пределе (при ) характерны и , где - длительность импульса тока . Однако вследствие значительной доли всех высших гармоник (2f, 3f, …), этот режим не пригоден для рассматриваемого нами типов усилителей. Он весьма широко используется в однотактных и двухтактных каскадах мощных усилителей радиочастоты, содержащих колебательные системы, эффективно фильтрующие высшие гармоники [Войшвилло].

Режим D. Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Скважность последовательности импульсов должна быть пропорциональной амплитуде полезных сигналов. На рис. **, а приведена структурная схема реализации однотактной односторонней ШИМ-2, содержащая генератор тактовых импульсов ГТ, генератор пилообразного напряжения ГПН, компаратор DA1 и RS-триггер.

Момента начала пилообразного напряжения синхронизированы с моментами генерации тактовых импульсов (рис. **, б), которые устанавливают RS-триггер в состояние 1. При этом формируется фронт выходного импульса . В момент времени, когда пилообразное напряжение становится больше , на выходе компаратора формируется положительный перепад напряжения. Этот перепад устанавливает RS-триггер в состояние 0, вследствие чего его выходное напряжение скачком снижается до нуля, т.е. формируется спад выходного импульса Усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (можно встретить и другое название этого способа импульсной модуляции, например, ДИМ - длительно-импульсная модуляция) позволяют получить более высокий , чем у усилителей класса В, КПД (рис. **) [Шкритек]. Это связано с тем, что усилительный элемент работает в ключевом режиме [Бел. ЭиМ], поэтому потери мощности в усилительном элементе существенно уменьшаются (в закрытом состоянии потери энергии в нем определяются только током утечки, в открытом состоянии - малым остаточным напряжением на нем). Это преимущество особенно проявляется в малосигнальном режиме (при усилении сигналов низкого уровня), т.к. КПД каскада без учета потерь энергии при переключениях усилительного элемента не зависит от амплитуды полезного сигнала, как это имеет место в классах А, АВ, В. Мощность на выходе усилителя ШИМ в зависимости от коэффициента модуляции

,

где - напряжение на нагрузке - сопротивление насыщения транзистора, Ом; - сопротивление катушек индуктивности фильтра, Ом; - сопротивление нагрузки, Ом.

Режим . В этом режиме усилитель - это усилитель мощности, работающий в режиме класса В, в котором напряжение питания управляется в зависимости от напряжения сигнала [Шкритек] (см. рис. **). На рис. ** - положительная полуволна напряжения питания, зависящая от уровня сигнала; - отрицательная полуволна напряжения питания, зависящая от уровня сигнала; - выходное напряжение. Питающее напряжение усилителя класса В формируется усилителем класса А. Оно может быть достаточно низким (порядка 5% от выходного), поскольку при одинаковых коэффициентах усиления каскадов А и В напряжение сигнала равно среднему напряжению питания (рис. *). Каскад А выполняет также функцию фильтра искажений, возникающих в каскаде В. Типичные коэффициенты искажений при частоте сигнала 20 кГц не превышают 0,003% [Шкритек].

Режим G. Сущность его состоит в то, что два каскада усилителя работают при разных напряжениях питания (рис. **). Входной сигнал подается на базы транзисторов. Коллектор транзистора VT1 соединен с источником меньшего напряжения U₁ через защитный диод VD1. Для сигналов напряжением переход база-эмиттер транзистора VT2 имеет обратную полярность, и транзистор заперт. Диод VD3 защищает от пробоя переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT1 открыт, и через него сигнал поступает на нагрузку R_н. При увеличении напряжения входного сигнала отпирается второй транзистор VT2. При этом диод VD1 защищает источник питания U₁ от броска тока в момент отпирания VT2. Диод VD2 предупреждает возникновение переходных искажений при переключении цепи с VT1 на VT2. Сущность этой защиты заключается в том, что диод VD2 запрещает транзистору VT1 перейти в состояние насыщения раньше, чем откроется транзистор VT2.

При малых уровнях входного сигнала активным является только транзистор VT1, поэтому установившиеся мощностные показатели (мощность потерь) соответствуют усилителю, работающему в режиме В или АВ при пониженном напряжении питания U₁. Типичное соотношение напряжений питания .

1.2 Выбор и обоснование структурной схемы устройства

В предыдущем пункте мы рассмотрели несколько вариантов возможной реализации усилителей. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Нам необходимо выбрать наиболее подходящий тип усилителя.

Согласно техническому заданию динамический диапазон изменения выходного напряжения как на переменном так и на постоянном токе равны и . Применение линейных усилителей в таком широком диапазоне не выгодно, так как при малых значениях сигнала выходное напряжение сильно искажается, а при больших значениях токов (до в нашем случае) увеличиваются потери на выходном каскаде. Как следствие имеем невысокий КПД. К тому же применение линейных усилителей при значительных токах увеличивает габариты самого усилителя за счет использования теплоотводящих элементов (радиаторов) больших размеров. В некоторых случаях радиаторы могут занимать больше половины объема всего устройства. Поэтому от использования усилителей классов А, В и АВ отказываемся.

Усилители классов A⁺ и G тоже можно отнести к линейным усилителям. Они по сравнению с усилителями, работающими в режимах А, В и АВ обладают большим КПД, однако это значение еще не предел. Наивысшими показателями этого параметра обладают усилители класса D или ШИМ усилители. Данный тип усилителей в последнее время широко стал применяться в звуковой схемотехнике, особенно в устройствах питающихся от аккумуляторных батарей (в CD-плейерах, MP3-проигрывателях) за счет своей высокой эффективности [].

В идеальных усилителях класса D сигнал за период не имеет никакого искажения и никакой генерации шума в слышимой полосе частот, наряду с обеспечением 100%-ой КПД.

Однако, как показано на рис. **, усилители класса D, применяемые на практике, имеют "неидеальности", которые производят искажение сигнала и генерацию шума. Эти "неидеальности" вызваны искаженной формой сигнала переключения, производимой усилителями класса D. Причины этих искажений следующие:

1. Нелинейность в ШИМ сигнале поступающего от модулятора к ключам, из-за ограниченной разрешающей способности и/или колебаний во времени;

2. Временные ошибки, которые вводятся драйверами, такие как время задержки t_з, время включения t_вкл и время выключения t_выкл;

3. Нежелательные параметры в ключевых устройствах, такие как конечное сопротивление канала транзистора во включенном состоянии, конечная скорость переключения или параметры внутреннего диода;

4. Паразитные связи, которые появляются на печатной плате при изготовлении прибора;

5. Колебания напряжения источника питания из-за его конечного импеданса и реактивной мощности, текущей через цепь постоянного тока;

6. Нелинейность в выходном ФНЧ.

Несмотря на это значение КПД на практике может достигать значений 85-95%. Поэтому при проектировании усилителя напряжения за основу возьмем структурную схему усилителя класса D.

Согласно техническому заданию усилитель должен выдавать на выходе постоянное и переменное напряжения. Поэтому необходимы два источника опорного напряжения: постоянный и переменный с частотой 50 Гц. Причем фаза переменного сигнала согласно ТЗ должна регулироваться в пределах от 0 до 360 эл. град. с возможностью синхронизации от сети. К тому же необходимо иметь внутренний источник синусоидального сигнала с частотой 50 Гц для работы в автономном режиме. На рис. ** представлена структурная схема усилителя.

Рис. **. Структурная схема

Выбор режима синхронизации осуществляется с помощью переключателя SA1. Кварц ZQ используется для синтеза частоты в 50 Гц в режиме "внутренней синхронизации". С помощью обычных "аналоговых" схем на мультивибраторах или других подобных генераторах трудно обеспечить генерацию синусоидального напряжения с частотой 50 Гц и точностью менее 1%. Это связан с сильной температурной зависимостью номиналов пассивных элементов (особенно конденсаторов). Поэтому нужно использовать иной подход к решению проблемы. В настоящее время западными производителями выпускаются специальные микросхемы для генерации сигналов синусоидальной формы. С помощью таких микросхем можно получить любую частоту от 0 до нескольких десятков килогерц []. Эти микросхемы генерируют частоту, используя в качестве эталонной частоты высокочастотный сигнал от кварца. С помощью счетчиков эта частота делится на более низкую и фильтруется. При этом температурный дрейф частоты на выходе получается много меньше, чем в схемах, собранных на дискретных элементах. Регулирование фазы задающего сигнала производится переменным резистором . Ключ SA2 переключает между собой задающие сигналы, поступающие на вход ШИМ-2. Их уровень от 0 до максимального значения регулируется другим переменным резистором . Со среднего вывода этого резистора сигнал поступает на вход ШИМ модулятора. На его выходе формируются импульсы, длительность которых пропорциональна уровню управляющего сигнала (см. рис. ** (из предыд главы)), поступающего на вход силовой части усилителя. Чтобы следить за напряжением на выходе усилителя, заведена отрицательная обратная связь по напряжению (рис. **), корректирующая сигнал управления. Блок токовой защиты ограничивает величину тока в нагрузке в пределах допустимого значения, т.е. не больше на переменном токе и не больше на постоянном. Если усилитель будет длительное время работать на низкоомную нагрузку, т.е. при больших токах, то может произойти перегрев элементов силовой части (транзисторов, работающих в ключевом режиме) и дальнейший выход их из строя. Чтобы предотвратить это в структурной схеме усилителя предусмотрен блок тепловой защиты. Заметим, что даже если правильно рассчитать необходимую площадь теплоотводов (радиаторов) при максимальной нагрузке, могут возникнуть ситуации, когда отвод тепла от транзисторов с их помощью может быть затруднен. Например, если максимальная температура окружающей среды выше расчетной или если в процессе длительной эксплуатации прибора ухудшился процесс отвода тепла от транзистора (оседание пыли на радиатор, увеличение теплового сопротивления между радиатором и корпусом транзистора и т.п.).

1.3 Выбор силовой части усилителя

Существует ряд способов выполнения выходных каскадов ШИМ усилителей. Рассмотрим некоторые из них. На рис. ** представлена схема, которая часто называется двухтактной. Действительно, за период энергия от входного источника дважды передается к LC-фильтру и нагрузке. Каждый из ключей замкнут в течение интервала (импульс) в своем полупериоде. Для данной и других двухтактных схем удобно определять коэффициент заполнения импульсов как отношение к . Следовательно, коэффициенту соответствует включенное состояние каждого ключа, продолжающееся половину периода. При оба ключа постоянно закрыты. В преобразователе может быть использована как однофазная двухполупериодная схема выпрямления, показанная на рис. **, так и другая симметричная схема - мостовая. Явное достоинство двухтактной схемы - общая точка управления ключами (истоки транзисторов VT1 и VT2 объединены), что позволяет значительно упростить выходной каскад устройства управления.

Характерным для двухтактной схемы является напряжение на закрытом ключе - его максимальное значение равно без учета влияния индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора.

Для схемы на рис. ** существенное значение имеет магнитная связь между обмотками и - чем она лучше, тем меньше индуктивность рассеяния каждой из обмоток и, следовательно, тем меньше выброс напряжения на ключе при его запирании. Для снижении выброса напряжения и возможности выбора транзистора с меньшим допустимымнапряжением стока (коллектора) помимо конструктивных решений по изготовлению трансформатора, приводящих к снижению , пригодны различные типы демпфирующих цепей: стабилитроны, RC- или RCD-цепи. Особенность применения такой цепи в двухтактной схеме заключается в том, что она выполняется общей для двух транзисторов, что позволяет выполнить все устройство более простым и дешевым.

Схема преобразователя, работающего по принципу двухтактного и обычно называемого полумостовым, показана на рис. **. В данной схеме, использующей два входных источника напряжения и в трансформаторе, в отличие от предыдущей схемы, применяется только одна первичная обмотка . Ключи VT1 и VT2 включаются поочередно на время в каждом полупериоде работы. К точкам а, б схемы поступает прямоугольное импульсное напряжение, получаемое от вторичных обмоток , и выпрямленное диодами VD1, VD2. Длительность импульсов регулируется управляющими сигналами на затворах ключей, коэффициент заполнения изменяется от 0 до 1. Частота первой гармоники напряжения, которую необходимо подавлять LC-фильтром, равна, так же как и в двухтактной схеме, удвоенной частоте работы ключей и трансформатора, что является преимуществом данной схемы по сравнению с однотактной.

Процессы в полумостовом преобразователе в основном сходны с процессами в преобразователе со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Максимальное напряжение на ключах не превышает , а индуктивность рассеяния, приведенная к первичной обмотке , в отличие от двухтактной схемы не увеличивает максимальное напряжение на запираемом ключе. Схема преобразователя, показанная на рис. **, требует двух источников постоянного напряжения на входе, что почти всегда не применимо на практике. При использовании емкостного делителя с конденсаторами равной емкости и подключенного к выводам одного источника напряжения достаточно просто получаются два источника напряжения, необходимые для работы полумостовой схемы (рис. **). Постоянное напряжение на каждом из конденсаторов С1, С2 равно . Емкость конденсатора делителя должна быть такой, чтобы пульсация напряжения на нем была достаточно малой. Естественным шагом в развитии полумостовой схемы с емкостным делителем является схема, в которой все плечи моста выполнены как ключи (рис. **). Работа схемы и ее возможности во многом определяются выбранной последовательностью переключения транзисторов VT1-VT4 в интервале паузы. Рассмотрим работу схемы более подробно. Для этого представим преобразователь в виде схемы замещения (рис. **).

Трансформатор на этой схеме представлен в виде идеального с обмотками , и и линейной индуктивностью намагничивания , подключенной к первичной обмотке . Индуктивности рассеяния обмоток пока не принимаем в рассмотение. Индуктивно-емкостной фильтр и нагрузку представим источником постоянного тока . В схеме возможны 4 последовательности переключения транзистора за период T.

1. Во время импульса в каждом полупериоде открыты два диагонально расположенных ключа VT1, VT4 (VT2, VT3). В паузе, т.е. в интервале (рис. **), все четыре ключа закрыты. В трех остальных случаях работа ключей отличается только их состоянием в интервале паузы.

2. В паузе в первом или во втором полупериоде открыты два верхних ключа VT1, VT3;

3. В паузе в первом или во втором полупериодах открыты два нижних ключа VT2, VT4;

2. В паузе в первом полупериоде открыты два верхних ключа VT1, VT3, а во втором - два нижних VT2, VT4.

Последовательности переключения 2…4 равноценны, за исключением того, что в последнем случае перегрев всех ключей является равномерным. Поэтому порядок переключения 4 является предпочтительным по сравнению со случаями 2 и 3.

Отличие в работе схемы с выключенными транзисторами во время паузы от варианта, когда в паузе открыты либо транзисторы VT1, VT3, либо транзисторы VT2, VT4 состоит в том, что: во-первых, различен контур прохождения тока намагничивания во время паузы. Если все ключи разомкнуты, ток намагничивания вынужден проходить во вторичной цепи через диоды VD1 и VD2 поочередно, а при замкнутых ключах в паузе ток намагничивания проходит через них. Во-вторых, имеется отличие в поведении тока, связанного с индуктивностью рассеяния трансформатора.

Будем считать, что индуктивность рассеяния обмоток приведены к первичной. Если в паузе все транзисторы выключены, единственная возможность прохождения тока в индуктивности рассеяния - использование контура, состоящего из внутренних диодов полевых транзисторов и входного источника . Таким образом, достаточно быстро ток становится равным нулю. В другом случае, когда в паузе первичная обмотка трансформатора замкнута ключами, ток проходит через них. Указанные различия (малосущественные на первый взгляд) приводят к разным возможностям схем и их характеристик при работе на высоких частотах переключения, которые более подробно рассмотрены в [мелеш]. В случае, когда транзисторы в паузе разомкнуты мостовой преобразователь является, по существу, трансформаторным аналогом понижающего регулятора напряжения. На рис. ** показаны диаграммы процессов в схеме замещения мостового преобразователя.

Мостовая схема преобразователя вобрала в себя лучшее от двухтактной и полумостовой схем преобразователей:

1. Только одна первичная обмотка трансформатора (как в полумостовой схеме);

2. Напряжение на закрытом ключе не превосходит и не требует подключения демпфирующих цепей для устранения выбросов напряжения на запираемом транзисторе (как в полумостовой схеме)

3. к первичной обмотке во время импульса приложено напряжение , поэтому ток, проходящий через ключи, вдвое меньше, чем в полумостовой схеме (этот ток такой же как в двухтактной схеме).

Пульсации напряжения на выходе могут быть определены из рассмотрения импульсного напряжения на входе LC-фильтра.

Мостовой преобразователь без гальванической развязки нагрузки и источника питания (рис. **) широко применяется в звуковой схемотехнике. Нагрузка в этой схеме подключается к диагонали моста через низкочастотные фильтры L1C1 и L2C2. При нулевом сигнале задания транзисторы VT1- VT4 переключаются с и потенциалы в точках а и b равны соответственно , а напряжение на нагрузке .

При изменении сигнала задания на величину (рис. **) изменяются и длительности открытого состояния транзисторов VT1-VT4 на величину . Причем длительности открытого состояния транзисторов VT1, VT4 станут равными , а транзисторов VT2, VT3 соответственно , где - длительность открытого состояния транзисторов при нулевом сигнале задания .

Штриховыми линиями отмечены установившиеся значения токов в дросселях L1, L2 и напряжений на конденсаторах С1, С2 при сигнале задания . Нарастание и спад токов и напряжений будет происходить по другим законам, чем в установившемся режиме при нулевом сигнале. К примеру, ток в дросселе L1 нарастает под действием разности напряжений , а спадает уже под действием напряжения . Причем всегда выполняется неравенство , т.к. . Параметры ФНЧ берутся одинаковыми: L1=L2, C1=C2.

Чтобы выровнять потенциалы точек а и b в схему включен конденсатор С3. Это необходимо, так как параметры транзисторов VT1-VT4, а также выходных НЧ фильтров имеют разброс. К тому же такая схема позволяет сгладить пульсации напряжения на нагрузке. Такая схема включения позволяет получать на нагрузке напряжения величиной в доли вольт при больших питающих напряжениях, что достаточно важно в нашем случае. К тому же КПД таких схем может достигать величин 85-95% (100% в идеале). Поэтому в качестве выходного каскада усилителя напряжения выбираем данную схему.

Структурная схема усилителя преобразуется к виду, представленному на рис. **.

2. Расчет усилителя

2.1 Расчет генератора синусоидальных сигналов

Как уже говорилось для получения управляющего сигнала синусоидальной формы необходим генератор синусоидального сигнала. В настоящее время есть специальные программируемые микросхемы, предназначенные для генерации синусоидального сигнала. Одним из таких типов микросхем является микросхема ML2035. Схема его подключения показана на рис. **. Для его работы необходим счетчик, реализованный на микросхеме MM74HC4060SJ и 8-и битный регистр со сдвигом MM74YC165SJ, с параллельным вводом и последовательным выводом двоичного числа.

Рис. **. Схема подключения микросхемы ML2035

Микросхема MM74HC4060SJ используется одновременно и как генератор и как таймер. На его входы CLK и CLK1 поступают тактовые импульсы от цепочки, состоящей из резистора R1, конденсаторов С1 и С2 и кварцевого резонатора ZQ1. Сигнал на выходе Q5 в течение 16 тактовых импульсов держится на уровне логической единицы. В первые 8 тактовых импульсов микросхема последовательно выводит 8-и битный код, со входов A - H на выход Q, начиная с младшего разряда. Код выбирается из таблицы **.

Таблица 1

При моделировании усилителя использовались стандартные блоки из пакетов SymPowerSystem и Simulink. Схема модели представлена на рис. **. Графики напряжений и токов при различного рода нагрузках и сигналах задания представлены на рис.** - рис. **.

Рис. **. Математическая модель схемы усилителя напряжения