Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОЩНЫЙ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (POWER DAC, ОН ЖЕ ЦИФРОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ, ОН ЖЕ ЦИФРОВОЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ МОЩНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ)
© Ермолаев Дмитрий Сергеевич
Сейчас стал очень привлекательным вопрос прямого преобразования цифрового сигнала в мощный аналоговый сигнал, минуя аналоговые цепи усиления. Таким образом можно увеличить КПД преобразования и увеличить точность преобразования. Однако таких решений мне еще не приходилось видеть. Все цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC) выполняются слаботочными. В данной статье описывается способ и схема мощного цифро-аналогового преобразователя. Этот ЦАП может развивать выходную мощность в киловатты! КПД при этом остается около 80-95%. Скорость изменения выходного напряжения - мгновенно - от максимума минус до максимума плюс. Нагрузка может быть резистивной и даже емкостной. На базе такого ЦАП можно сделать усилитель мощности звукового сигнала с выходной мощностью 1..5кВт. Причем стоимость его будет порядка 50-100 долларов. В то время как цены на такие усилители колеблются от 0,5 до 2 доллара за ватт. Например, усилитель с выходной мощностью 1кВт может стоить 1000 долларов.
Классический ЦАП содержит в себе набор источников тока или напряжения, которые соединяются вместе, согласно цифровому коду на входе, для создания на выходе аналогового сигнала. Источники тока соединяются параллельно, а источники напряжения соединяются последовательно. Рассмотрим схему ЦАП с источниками напряжения.
Здесь К источников напряжения, каждый из которых коммутируется своим разрядом входного кода. Амплитуда напряжения каждого источника напряжения соответствует своему разряду. Например, если младший (нулевой) разряд коммутирует источник с амплитудой 2В, то первый разряд будет коммутировать источник с амплитудой 4В, а самый старший разряд управляет источником с амплитудой 2 в степени К (вольт). Тогда, 8-ми битный преобразователь с младшим источником напряжения в 2В может выдать напряжение на выходе от 2В до 256В с шагом 2В. Значит, для создания мощного ЦАП нужно создать такие источники напряжения, которые бы можно было коммутировать и соединять последовательно.
Мною разработан коммутируемый источник импульсного напряжения. Его схема изображена на рисунке. С помощью таких источников импульсного напряжения можно сделать ЦАП мощностью в киловатты! КПД при этом может быть около 80-95%. Скорость изменения выходного напряжения - мгновенно - от максимума минус до максимума плюс. Нагрузка может быть резистивной и даже емкостной.
Здесь вход "упр" есть вход разряда, который управляет состоянием ячейки - включено/выключено. Входы "имп.пит1" и "имп.пит2" подключаются к импульсному блоку питания. Вход "пит." подключается к источнику постоянного напряжения. Выходы "вых1" и "вых2" есть собственно выходы источника импульсного напряжения. Если ключ S1 замкнут, то ячейка работает как простой импульсный трансформатор. А если ключ S1 разомкнут, то ячейка превращается в короткозамкнутый виток со стороны первичных обмоток I и II, тем самым, пропуская через себя беспрепятственно внешние токи по вторичной обмотке III.
Блок импульсного питания должен создавать импульсное напряжение "имп.пит1" и "имп.пит2" так, что они должны быть сдвинуты на 180 градусов относительно друг друга. Желательно иметь небольшой временной интервал между фронтами и спадами этих напряжений. Это нужно для того, чтобы переключение ключей в ячейках происходило в момент нулевого напряжения на них. Тем самым, уменьшая тепловую мощность, выделяемую на ключах ячеек и увеличивая КПД всего устройства. Схема блока питания приведена ниже. На ней генераторы ВВ7 м ВВ6 создают импульсное напряжение со сдвигом 180 градусов и задержкой 1мкс между фронтом и спадом. Схема самих генераторов не показана, так как есть много литературы по импульсным источникам питания, где приведены разные схемы. Например, оба генератора и буферные транзисторы можно выполнить на одной микросхеме КР1156ЕУ или uc1825/2825/3825. Эта микросхема имеет встроенный генератор, два двунаправленных выхода и возможность регулировки времени задержки. Однако в техническом описании сказано, что нестабильность генератора этих микросхем может быть около 2%. В схеме блока импульсного питания силовые транзисторы должны быть рассчитаны на двойное напряжение питания +50В. Для увеличения выходной мощности можно включать параллельно несколько выходных транзисторов. Данный блок питания может прокачать через себя 1кВт мощности. Если необходима большая мощность, можно поставить параллельно дополнительные полевые транзисторы.
При подключении к выходам блока импульсного питания резисторов 1кОм, на них можно наблюдать следующие диаграммы.
Теперь рассмотрим схему всего устройства.
На этой схеме изображены N количество ячеек, выходы которых соединены последовательно. Таким образом, на выходе создается сумма напряжений всех включенных ячеек. Коэффициент преобразования трансформатора каждой ячейки соответствует разряду ячейки. Разряд s управляет инверсным выпрямителем, который выпрямляет импульсное напряжение или в постоянное отрицательное напряжение, или в постоянное положительное напряжение и подает его на нагрузку. Здесь все диоды должны быть рассчитаны на двойное напряжение питания +50В. Выходные обмотки трансформаторов нужно наматывать одинаковым проводом. В схеме использованы полевые транзисторы, которые согласуются с логическими уровнями ТТЛ микросхем. Поэтому дополнительного преобразования цифрового кода не нужно делать. Единственно что нужно - это синхронизировать блок импульсного питания и частоты дискретизации цифрового кода. Погрешность преобразования данного мощного импульсного ЦАП может быть около 5%. Поэтому, можно для коррекции добавить относительно слабомощный аналоговый усилитель мощностью примерно в 10% от выходной мощности ЦАП.
Ниже приведена схема с таким корректирующим аналоговым усилителем. Тут нужно учесть, что задержка мощного ЦАП зависит от скорости переключения полевых транзисторов. А она гораздо ниже скорости маломощных ЦАП, поэтому необходимо ввести задержку цифрового кода перед подачей его на маломощный ЦАП для аналоговой коррекции выходного сигнала.
Для схемы трансформатора ячейки, описанной выше, инверсный выпрямитель получается довольно сложный. Поэтому, я предлагаю делать вторичную обмотку импульсного трансформатора с отводом от середины. Схема такого ЦАП показана ниже.
Схема инверсного выпрямителя для ЦАП с трансформатором с отводом от средней точки вторичной обмотки может быть двух вариантов. Первый вариант имеет удобное управление, но в схеме используется полевые транзисторы обоих проводимостей. Второй вариант имеет более сложные цепи управления, зато использует один тип полевых транзисторов. В обоих схемах компаратор должен иметь выходной ток не мене 100 мА или необходимо добавить буферный каскад.
Второй вариант инверсного выпрямителя. Здесь микросхема U1A это логическое исключающее ИЛИ. Генератор V1 должен быть синхронизирован с генератором блока импульсного питания.
При питании мощного ЦАП от сетевого выпрямителя, и суммарном выходном напряжении 340 В, на нагрузке 100 м будет выделяться мощность примерно 1 кВт. На современной элементной базе можно запросто сделать 10 кВт-ный цифровой усилитель мощности.
График выходной мощности
Дата публикации: 19 июня 2002
Источник: SciTecLibrary.ru