Усилители непрерывных следящих приводов
8.5. УСИЛИТЕЛИ НЕПРЕРЫВНЫХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ
Наиболее перспективными являются усилители, выполненные на базе интегральных микросхем. При этом не только существенно сокращаются размеры усилителя, упрощается схемотехника, но и существенно повышается надежность, а также упрощается технология сборки и наладки схемы. Поэтому рассматриваемые ниже примеры усилителей рассчитаны на использование современных интегральных микросхем.
Усилители переменного тока. В простейшем случае усилитель переменного тока состоит из предварительного усилителя напряжения, выполненного на ОУ, и транзисторного двухтактного усилителя мощности. Источниками входного сигнала являются сигнальные обмотки сельсинов и BT, имеющие достаточно низкое внутреннее сопротивление. Если источником этого сигнала служит потенциометрический датчик со сравнительно большим внутренним сопротивлением, то для согласования нагрузки применяют каскады с большим входным сопротивлением, например в виде повторителя напряжения.
Рис. 93. Схемы защиты входного каскада усилителя
При выборе схемы входного устройства особое внимание уделяют уменьшению влияния помех и защите усилителя от входных электрических перегрузок при больших рассогласованиях. Помехи возникают вследствие нестабильности источников питания, наличия гармоник в выходных сигналах преобразовательных каскадов и квадратурных составляющих в управляющих сигналах, поступающих с ИР. Помехи уменьшают коэффициент передачи усилителя. Для снижения уровня помех на входе усилителя или после предварительного каскада включают фазовый дискриминатор, который с помощью ДМ выпрямляет напряжение и отфильтровывает квадратурную составляющую с последующим преобразованием этого сигнала в переменный сигнал модуляторным каскадом. Если фазовый дискриминатор расположен в промежуточном каскаде, то тракт усиления от ДМ к M используется для включения КУ постоянного тока.
Большой диапазон изменения входных сигналов СП и малые допустимые входные напряжения ОУ обусловливают необходимость применения элементов защиты входных каскадов.
Наиболее распространенной является схема защиты на диодном ограничителе (рис. 93, а). При небольших сигналах рассогласования (доли вольта) сопротивление диодов VD1, VD2 достаточно велико, и все напряжение поступает на вход ОУ. При больших сигналах (десятки вольт) входной сигнал вследствие резкого уменьшения сопротивлений диодов будет ограничен падением напряжения на диодах в прямом направлении (0,3 ... 0,7 B), а остальное напряжение будет падать на резисторе R и внутреннем сопротивлении источника.
Рис. 94. Выходные каскады усилителя переменного тока
Двустороннего ограничения можно добиться также с помощью двух стабилитронов, включенных встречно друг другу и параллельно нагрузке (рис. 93, б). При воздействии положительного входного сигнала, превышающего падение напряжения на стабилитроне в прямом направлении, стабилитрон VD1 резко открывается, шунтируя вход усилителя. При воздействии отрицательного входного сигнала ограничение достигается за счет отпирания стабилитрона VD2.
К выбору и расчету выходного каскада усилителя предъявляются требования по обеспечению заданной мощности в нагрузке и наибольшего КПД как основного показателя экономичности, с точки зрения соотношения между отдаваемой каскадом мощностью и потребляемой от источника энергией. Нагрузкой выходного каскада служат обмотки управления асинхронных двигателей (АДП, ДИД и др.) с потребляемой мощностью до 100 Вт, сопротивлением 100 ... 300 Ом и напряжением 24; 110 B. Нагрузка в виде обмоток управления двигателей имеет низкое сопротивление, поэтому выходные каскады усилителей мощности строят по схеме эмиттерного повторителя (рис. 94, а), позволяющего согласовывать высокоомные каскады с низкоомной нагрузкой RН. Если в рассмотренной схеме резистор RЭ заменить дополнительным эмиттерным повторителем, собранным на транзисторе VT2 с проводимостью, обратной проводимости VT1 (рис. 94, б), то получим двухтактный каскад с существенно большей мощностью в нагрузке и более высоким КПД. Такая схема носит название комплементарного1 (1Комплементарными называют схемы, построенные на транзисторах разной проводимости) эмиттерного повторителя.
Другой особенностью усилительных каскадов на транзисторах, которую необходимо учитывать при построении выходных каскадов, является наличие паразитных внутренних емкостей транзистора и монтажа, образующих с внешними резисторами фильтры низких частот. Эти емкости можно уменьшить путем включения транзистора по схеме с общей базой, но при этом уменьшается входное сопротивление каскадов. Устранить оба недостатка, т. e. уменьшить паразитные емкости и увеличить входное сопротивление, позволяет включение транзисторов по каскадной схеме (рис. 94, в). В этой схеме сигнал управления поступает на входной транзистор VT2, включенный по схеме с общим эмиттером, с большим входным сопротивлением, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора VT1, включенного по схеме с общей базой.
Рис. 95. Усилитель переменного тока
Усилитель переменного тока (рис. 95) состоит из предварительного усилителя, собранного на интегральной микросхеме DA, и двухкаскадного двухтактного усилителя мощности, работающего в режиме класса B. Входной сигнал U?? подается между общей точкой входа, которая образована делителем напряжения источника питания, делящим его пополам, и внешним добавочным резистором R1. Для ограничения больших уровней входных сигналов применен диодный ограничитель входа на VD1 и VD2. Усилитель питается стабилизированным напряжением UП, снимаемым со стабилитронов VD3, VD4. Для питания микросхемы DA использованы ограничительные цепочки, состоящие из параллельно соединенных резисторов R3, R4 и R6, R7. Для фильтрации переменной составляющей к общей точке входа относительно источника питания подключены конденсаторы C2, C3. Нагрузка (обмотка управления двигателя) подключается между выходом усилителя и средней точкой.
В качестве усилителя мощности применен двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1—VT4 с симметричным входом и выходом. Выходной каскад построен по схеме двухтактного комплементарного эмиттерного повторителя на транзисторах VT3 и VT4, работающих в режиме AB и позволяющих получить токи порядка 10 мА.
При условии симметрии схемы (R10 = R11) ток покоя транзистора VT3, протекающий через нагрузку от +?/? к средней точке, будет компенсироваться током покоя транзистора VT4, протекающего через нагрузку в обратном направлении от средней точки к — UП, т. e. при нулевом входном сигнале UВЫХ также равно нулю. Стабилизация тока покоя транзисторов осуществляется G помощью отрицательной OC, реализуемой на резисторах R10, R11.
Для обеспечения режима работы транзисторов выходного каскада применен комплементарный каскад на транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме однотактного эмиттерного повторителя для лучшего согласования сопротивлений. Сопротивления резисторов R8 и R9, задающих силу эмиттерных токов входных транзисторов и базовых токов выходных, выбираются небольшими для ограничения базовых токов транзисторов VT3, VT4.
При поступлении входного сигнала, отличного от нуля, в положительные полупериоды ток транзистора VT1 уменьшается, а ток VT3 возрастает; в нижнем плече, наоборот, возрастает ток транзистора VT2, а ток VT4 уменьшается. В результате через нагрузку будет протекать разностный ток, определяемый большим током транзистора VT3. Нижнее плечо усилителя определяет соответственно направление тока в нагрузке в отрицательные полупериоды. Таким образом, фаза и сила тока в нагрузке зависят от фазы и значения входного сигнала. Конденсатор C1 служит для увеличения крутизны фронтов выходного сигнала.
Чтобы повысить коэффициент усиления по переменному току, использован ОУ DA, не охваченный OC. Однако для обеспечения устойчивости весь усилитель с помощью резистора R12 охвачен отрицательной OC по напряжению. B результате усилитель ведет себя как инвертирующий ОУ с отрицательной OC и имеет коэффициент kп = —R12/R1. Резистор R2 служит для симметрирования ОУ, резистор R5 определяет коэффициент передачи усилителя напряжения.
При работе выходных транзисторов на индуктивную нагрузку (обмотку управления) появляется отрицательный импульс напряжения, который в момент открывания выходных транзисторов создает на переходе база—эмиттер напряжение, превышающее допустимое.
Для ограничения обратного напряжения в цепь коллектор— эмиттер каждого выходного транзистора включен ограничитель на диодах VD5, VD6.
Более сложный по своему функциональному назначению усилитель, построенный по схеме УН—ДМ—КУ—M—УМ, показан на рис. 96. Особенностью данного усилителя является то, что вместо источника двуполярного питающего напряжения применен один источник, имеющий суммарное напряжение. Это допустимо, так как при усилении сигнала переменного тока нет необходимости в нулевом потенциале на выходе интегрального ОУ относительно общей шины [7]. Для обеспечения режима питания микросхем служат ограничительные резисторы R21, R22. Для фильтрации переменной составляющей включен конденсатор C10. Входной сигнал через разделительный конденсатор C1 и резистор R1 поступает на инвертирующий вход ОУ DA1. Коэффициент усиления этого каскада определяется отношением R3/R1. Усиленный сигнал подается на двухполупериодный ДМ, выполненный на базе ОУ DA2 с управляемым ключом в цепи прямого входа. В качестве ключа служит полевой n-канальный транзистор VT1 с элементами, формирующими опорное напряжение Uоп, трансформатором T1, диодом VD1 и резистором R6.
В полупериод UОП, когда диод VD1 открыт, напряжение U3. и (затвор-исток) транзистора равно нулю, транзистор VT1 открыт, т. e. ключ замкнут. Так как неинвертирующий (прямой) вход ОУ соединен с землей, управляющий сигнал через инвертирующий вход ОУ поступает на выход с коэффициентом передачи kП = —1 (при условии R4 = R1).
Рис. 96. Усилитель с преобразованием
В другой полупериод UОП диод VD1 закрыт, транзистор также, а ключ разомкнут, и управляющий сигнал через прямой вход ОУ поступает на выход с коэффициентом передачи kП = 1 (при условии R5 = R7).
Выпрямленный сигнал фильтруется цепочкой R8, C2 и поступает на КУ, которое выполнено на ОУ DA3, резисторах R9, R10 и конденсаторах C3, C4.
Модуляция скорректированного сигнала осуществляется поочередным замыканием и размыканием ключа, собранного на полевом транзисторе VT2 в цепи прямого входа усилителя DA4.
Назначение резисторов R12—R15, диода VD2, трансформатора T аналогично назначению элементов рассмотренного выше ДМ.
Входной сигнал через резистор R12 попадает на инвертирующий вход, а через резистор R13 — на прямой вход ОУ DA4. В замкнутом состоянии ключ шунтирует прямой вход DA4, и сигнал, проходя через ОУ, инвертируется, при разомкнутом ключе — не инвертируется, что соответствует двухполупериодной модуляции. Сигнал с выхода модулятора фильтруется конденсатором C5 и через разделительный конденсатор C6 поступает на каскад промежуточного усиления напряжения, собранный на ОУ DA5, резисторах R17—R20. Ha резисторах R17, R18 сигнал прямой цепи суммируется с сигналом внутренней OC. Резисторы R2, R11, R19 обеспечивают режим работы ОУ по току.
Далее сигнал по мощности усиливается транзисторами VT3 — VT6. Выходной каскад усилителя выполнен на транзисторах VT5, VT6 по двухтактной схеме в режиме B с последовательным управлением транзисторов. Здесь входным является составной транзистор VT4, VT5, включенный по схеме с общим эмиттером, а выходным — транзистор VT6. Для исключения паразитных OC применен развязывающий фильтр C9, C11, ограничивающий помехи по питанию.
Нагрузка (обмотка управления M) подключается к выходу усилителя и общей шине. Транзистор VT3 служит для управления токами транзисторов VT4, VT5. При отсутствии сигнала рассогласования транзистор VT6 открыт за счет смещения, создаваемого на резисторе R27. Конденсатор CIl заряжается до напряжения источника питания, и ток через обмотку управления не течет.
При появлении сигнала рассогласования в положительный полупериод открываются транзисторы VT3, VT4 (за счет смещения на резисторе R26) и VT5. Конденсатор C11 начинает разряжаться по цепи VD3, VT5, «—UП», обмотка управления M. За счет падения напряжения на диоде VD3 транзистор VT6 подзапирается. Во второй полупериод управляющего сигнала транзисторы нижней половины схемы VT3—VT5 закрыты, открыт транзистор VT6.
Начинается подзаряд конденсатора C11 по пути «+UП», VT6, C11, обмотка управления M, «—UП».
Ток через обмотку управления протекает сверху вниз. Фаза и амплитуда тока управления будут зависеть от фазы и амплитуды входного сигнала.
Для уменьшения нелинейных искажений и коррекции частотной характеристики введена отрицательная ОС — цепочка R16, C7.
Резистор R26 предназначен для выбора начальной рабочей точки составного транзистора, резисторы R23—R25 определяют режим работы транзистора VT3. Конденсатор C8 пропускает только переменную составляющую сигнала.
Усилители постоянного тока. В СП, в которых ИР и ИУ работают на постоянном токе, необходим усилитель медленно меняющихся сигналов. В таких системах УПТ прямого усиления не применяют вследствие большого дрейфа нуля, обусловленного нестабильностью работы транзисторов и отсутствием реактивных элементов в межкаскадных связях. Снижение дрейфа нуля достигается применением в качестве предварительных усилителей напряжения интегральных ОУ, обладающих высокой термостабильностью, и УПТ с двойным преобразованием сигнала, собранных по схеме M—ДМ.
Структурная схема УПТ с двойным преобразованием сигнала изображена на рис. 78, б (см. штриховую линию). Усиление на постоянном токе в этом случае заменяется усилением на переменном токе с предварительной модуляцией и последующей демодуляцией усиленного сигнала. Схема усилителя удовлетворяет высоким требованиям к дрейфу нуля, который в основном будет определяться дрейфом M и ДМ. Стабильность работы преобразующих каскадов становится главной проблемой и разрешается путем применения интегральных прерывателей.
Примером может служить схема УПТ с двойным преобразованием сигнала, собранная на базе интегральных ОУ (рис. 97). Входной сигнал постоянного тока поступает на вход микросхемы DA1, которая используется для суммирования сигнала рассогласования с сигналом тахометрической OC, а также служит в качестве повторителя напряжения (R1 = R2) для согласования сопротивлений цепи источника сигнала и модулятора. Модуляция суммарного сигнала осуществляется поочередным замыканием двух интегральных прерывателей DA2 и DA3.
В первый полупериод опорного напряжения, создаваемого трансформатором T1, конденсатор C2 заряжается через замкнутый ключ DA2, во второй — разряжается через замкнутый ключ DA3. С выхода модулятора сигнал поступает на вход усилителя переменного тока, построенного на ОУ DA4, DA5.
Сигнал переменного тока усиливается с помощью интегральных ОУ с емкостной связью между каскадами. Конденсаторы C1, C3, C4 позволяют осуществлять ОС по постоянному току без передачи дрейфа рабочей точки от каскада к каскаду, благодаря чему достигается высокая стабильность режима работы усилителя. Каскады собраны на одинаковых элементах. Коэффициент усиления определяется соотношением сопротивлений резисторов R4 и R3, R6 и R5. Для настройки коэффициента усиления служит резистор R4. Усиленный сигнал через согласующий трансформатор T2 поступает на двухполупериодный ДМ из двух интегральных прерывателей DA6, DA7 и фильтра R7, R8, C5.
Рис. 97. УПТ с мостовым выходным каскадом
Для получения разнополярного сигнала выходной сигнал с ДМ подается на парафазный каскад, состоящий из ОУ DA8, DA9 с резисторами R11, R12 в цепях OG. Управляющий сигнал подается на инвертирующий вход усилителя DA8 и на прямой вход усилителя DA9. Два других входа ОУ с помощью резисторов R9, R10 подключены к общей точке.
Для лучшего согласования предварительного усилителя с выходным каскадом в УПТ введены комплементарные эмиттерные повторители на транзисторах VT1, VT2 и VT3, VT4. Они работают в режиме класса B без дополнительного смещения.
Усилитель мощности собран по мостовой схеме на транзисторах VT5—VT8 и предназначен для непосредственного управления якорем двигателя M постоянного тока. Через резисторы R13 и R14 осуществляется подача разнополярных сигналов на базы транзисторов VT5, VT7. При отсутствии входного сигнала транзисторы VT5, VT7 закрыты вследствие равенства потенциалов
базы и эмиттера. При этом через резисторы R15, R16 токи не протекают, и транзисторы VT6, VT8 моста закрыты, так как между базой и эмиттером нет отпирающего потенциала.
Цепь якоря M оказывается обесточенной.
С появлением входного сигнала отпирается один из транзисторов, на базу которого поступает отрицательный сигнал, например VT5. Другой транзистор (VT7) остается закрытым. При этом диод VD1 открывается, и на эмиттере транзистора VT8 появляется положительное по отношению к базе напряжение, что приводит к отпиранию транзистора VT8. Ток от источника питания через открытые транзисторы VT5, VT8 протекает по якорю двигателя, создавая момент вращения. При этом входной сигнал и коэффициент усиления каскада должны быть достаточными для обеспечения необходимого тока нагрузки. Смена полярности входного сигнала приводит к отпиранию транзисторов VT7, VT6 и изменению направления тока через нагрузку.
Включение диодов VD1, VD2 препятствует возникновению в УПТ сквозных токов через смежные транзисторы благодаря запирающему напряжению, создаваемому на диодах при протекании по ним тока нагрузки. Например, диод VD1 запирает транзистор VT6 при наличии тока в транзисторе VT5 и, наоборот, открывает транзистор VT6 при отсутствии тока в VT5. Для обеспечения режима работы силовых транзисторов выходного каскада часто применяют параллельное включение двух-трех транзисторов.
Другой тип УПТ прямого усиления представлен на рис. 98. Предварительный усилитель напряжения выполнен на DA1 и DA2, усилитель мощности — на транзисторах VT1 - VT4.
Ha входе усилителя включены стабилитроны VD1 и VD2 для защиты первого каскада от больших входных сигналов. Этот каскад выполнен на ОУ DA1 по схеме повторителя напряжения: выходной сигнал с резистора R5 через делитель R6, R7 поступает на инверсный вход усилителя. Этот каскад служит для согласования входного и выходного сопротивлений элементов усилителя, а также для суммирования по Н-входу на резисторах R1—R4 сигналов с потенциометра-датчика RC, приемника RE и корректирующих сигналов Uд.с и Uд.у с датчика скорости и датчика ускорения. Второй каскад на ОУ DA2 служит для усиления сигнала по напряжению с коэффициентом передачи kП = R11/R8.
