Усилитель следящей системы

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к усилительным устройствам, и может быть использована в усилителях переменного тока, в частности усилителях следящих систем, применяемых, например, в авиационных гироприборах, гировертикалях, авиагоризонтах и др. Технической задачей полезной модели является резкое уменьшение ГМХ, повышение эксплуатационных характеристик. Для решения указанной задачи предлагается усилитель следящей системы, содержащий операционный усилитель (ОУ) общего назначения, отличающийся тем, что введены второй ОУ и усилитель мощности на транзисторе со следующими соединениями: шина входного сигнала напряжения переменного тока через разделительный конденсатор и резистор соединена с инверсным входом первого ОУ, с прямым входом которого и с прямым входом второго ОУ соединена средняя точка резистивного делителя, вторые концы которого соединены с положительной шиной источника питания и нулевой шиной соответственно; выход первого ОУ через резистор обратной связи и конденсатор, включенных параллельно соединен с его инверсным входом, одновременно выход первого ОУ через резистор соединен с инверсным входом второго ОУ, с которым соединен и резистор отрицательной обратной связи; выход второго ОУ соединен с базой усилителя мощности, выполненном на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером; эмиттер транзистора через резистор соединен также с нулевой шиной и является выходом схемы; первый и второй ОУ включены по схеме с однополярным плюсовым питанием, для чего плюсовый выход каждого ОУ соединен с плюсовой шиной источника питания, а минусовой выход - с нулевой шиной. 1 илл.

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к усилительным устройствам, и может быть использована в усилителях переменного тока, в частности усилителях следящих систем, применяемых, например, в авиационных гироприборах, гировертикалях, авиагоризонтах и др.

Известны усилители переменного тока, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Радио и Связь, 1996, стр.140-160. Общим недостатком этих усилителей является их конструктивная сложность, а именно наличие двух трансформаторов (входного и выходного), выполнение электронных схем на дискретных элементах, что нетехнологично и увеличивает габаритно-массовые характеристики (ГМХ).

Известны усилители переменного тока на ИМС, например, 148 серии, см. «Справочник. Интегральные микросхемы», М, РадиоСофт, 2001, стр.151-153.

Недостатком этих усилителей является: малый размах входных и выходных напряжений (не более 4 В по выходу) и малые выходные токи, что не позволяет их использовать в следящих системах, кроме того требует специализированного (в настоящее время не стандартного) питания ±12 В, а это дополнительные затраты на ЭРЭ, а следовательно увеличение ГМХ, что крайне нежелательно для применения в авиационной и ракетной технике.

Прототипом является усилитель следящей системы переменного тока авиагоризонтов, например АГР-74, гировертикали МГВ-1С и др., почти удовлетворяющей по техническим характеристикам и ГМХ, но в условиях, дальнейшей микроминиатюризации бортового радиоэлектронного оборудования, это уже вчерашний день, см. «Малогабаритная гировертикаль МГВ-1С», Руководство по технической эксплуатации, М, Машиностроение, 1988 г.

Прилагаем схему электрическую усилителя и его блока питания из гировертикали МГВ-1C.

Технической задачей полезной модели является резкое уменьшение ГМХ, повышение эксплуатационных характеристик.

Для решения указанной задачи предлагается усилитель следящей системы, содержащий операционный усилитель (ОУ) общего назначения, отличающийся тем, что введены второй ОУ и усилитель мощности на транзисторе со следующими соединениями: шина входного сигнала напряжения переменного тока через разделительный конденсатор и резистор соединена с инверсным входом первого ОУ, с прямым входом которого и с прямым входом второго ОУ соединена средняя точка резистивного делителя, вторые концы которого соединены с положительной шиной источника питания и нулевой шиной соответственно; выход первого ОУ через резистор обратной связи и конденсатор, включенных параллельно соединен с его инверсным входом, одновременно выход первого ОУ через резистор соединен с инверсным входом второго ОУ, с которым соединен и резистор отрицательной обратной связи; выход второго ОУ соединен с базой усилителя мощности, выполненном на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером; эмиттер транзистора через резистор соединен также с нулевой шиной и является выходом схемы; первый и второй ОУ включены по схеме с однополярным плюсовым питанием, для чего плюсовый выход каждого ОУ соединен с плюсовой шиной источника питания, а минусовой выход - с нулевой шиной; нагрузка подключена между эмиттером и нулевой шиной через разделительный конденсатор; резистор и конденсатор в цепи ООС первого ОУ образуют фазосдвигающую цепочку и рассчитаны таким образом, что фазовый сдвиг равен 90°.

На фиг. изображено: DA1 и DA2 - операционные усилители (ОУ), VT - транзистор-усилитель мощности, L - нагрузка-обмотка управления электродвигателя переменного тока, Uвх - входной сигнал напряжения переменного

тока частоты 400 Гц (может быть и 1000 Гц), шина питания борта +27 В, нулевая шина, резисторы и конденсаторы россыпью.

Электрическая схема имеет следующие соединения. Шина входного сигнала напряжения переменного тока через разделительный конденсатор С1 и резистор R3 соединена с инверсным входом первого ОУ, с прямым входом которого и с прямым входом второго ОУ соединена средняя точка резистивного делителя R1-R2, вторые концы которого соединены с положительной шиной источника питания +27 В и нулевой шиной соответственно; выход первого ОУ через резистор обратной связи R4 и конденсатор С2, включенных параллельно, соединен с его инверсным входом, одновременно выход первого ОУ через резистор R5 соединен с инверсным входом второго ОУ, с которым соединен и резистор отрицательной обратной связи R6; выход второго ОУ соединен с базой усилителя мощности VT, выполненном на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ); эмиттер транзистора VT через резистор R7 соединен также с нулевой шиной и является выходом схемы; первый и второй ОУ включены по схеме с однополярным плюсовым питанием, для чего плюсовый выход каждого ОУ соединен с плюсовой шиной источника питания +27 В, а минусовой выход - с нулевой шиной; нагрузка подключена между эмиттером и нулевой шиной через разделительный конденсатор С3; резистор R4 и конденсатор С2 в цепи ООС первого ОУ образуют фазосдвигающую цепочку и рассчитаны таким образом, что фазовый сдвиг равен 90°.

Позиционные обозначения схемы могут быть выполнены на следующих электрорадиоэлементах.

DA1 и DA2 - операционные усилители серии 140, например 140 УД6, см. «Справочник. Интегральные микросхемы», М, РадиоСофт, 2001, стр.410-411; VT - кремниевый транзистор типа 2Т 825А, см. «Справочник. Транзисторы и их зарубежные аналоги», М, РадиоСофт, 2001, стр.412-418; резисторы типа С2-33, см. «Справочник. Резисторы», М, Радио и Связь, 1987,

стр.51; конденсаторы типа К73 с органическим диэлектриком, см «Справочник по электрическим конденсаторам», М, Радио и Связь, 1983, стр.140-240.

Усилитель работает следующим образом. Выбираем схему включения первого и второго ОУ от однополярного источника питания, в данном случае +27 В. Это выбрано из условий: не нужно делать отдельный источник пиnания ±15 В (это - трансформатор, выпрямители, стабилизаторы напряжений, схемы защиты от К3, от перенапряжений, ЭРЭ россыпью, это увеличение ГМХ), а источник питания +27 В это стандартная борт-сеть самолета. Выбираем рабочую точку обоих ОУ (+13,5 В на выходе при нулевом входном сигнале Uвx). Рабочая точка выбирается делителем R1-R2, номиналы которых, равны между собой, а их средняя точка +13,5 В соединена с неинвертирующим входом обоих ОУ, следовательно на выходе обоих ОУ имеем +13,5 В. Входной сигнал через разделительный конденсатор С1 и резистор R3 подается на прямой вход первого ОУ и без инверсии передается на его выход с коэффициентом передачи, определенным соотношением резисторов R4 и R3 между собой. Усиленный на первом ОУ входной сигнал через резистор R5 подается на инверсный вход второго ОУ с коэффициентом передачи, определяемом соотношением резисторов R и R6. Такая схема выбрана из условия: на первом ОУ получаем требуемый фазовой сдвиг, а на втором ОУ нужный коэффициент передачи УСС. Выходной сигнал второго ОУ через разделительный конденсатор поступает на базу р-n-р транзистора VT, включенного в режиме эмиттерного повторителя, поэтому сигнал с VT снимается с его эмиттера (резистор R7) и подается на нагрузку L (обмотка управления электродвигателя следящей системы гировертикали). Нагрузка L включена через разделительный конденсатор С3, чтобы отсечь возможную постоянную составляющую сигнала на выходе VT, которая может привести к перегреву электродвигателя. Готовых УСС на ИМС, или хотя бы на микросборках, в настоящее время не существует, т.к. каждая СС индивидуальна (скорость отработки, размах амплитуды, вых. ток, наличие/отсутствие ОС по скорости, напряжению

и т.д. Далее идет критерий устойчивости при вышеназванных данных, а также при температуре ±60°С.

Такое построение схемы позволяет на базе VT, а следовательно и на выходе VT убрать постоянную составляющую, что позволяет избежать лишних конденсаторов и обратных связей. Далее, схема строго выдерживает заданный Кп по всему тракту при всех дестабилизирующих факторах. Устойчивость (отсутствие самовозбуждения) определяется наличием ОС ОУ1 и ОУ2, а VT - как ЭП устойчив по определению. Коэффициент нелинейных искажений всего УСС при синусоидальном напряжении на входе не превышает 2-3%, при допустимых 8% на УСС авиационной техники.

Единственным недостатком (и то относительном) является довольно большой ток коллектора-эмиттера ЭП, т.к. для неискаженной работы требуется выполнение Z_L >R7, отсюда для реальных двигателей СС типа 0,5 ДГ, 1,0 ДГ, 2,0 ДГ R7 лежит в пределах 100 Ом, а следовательно J _kVT=27 В/100 Ом=270 мА, что требует применения транзистора средней мощности.

Т.о. применение прилагаемой схемы усилителя позволяет резко снизить ГМХ, уменьшить потребление тока, увеличить надежность (за счет уменьшения количества ЭРЭ).

Очевидно, что эта схема может найти применение и на частотах 1000 Гц, на которую сейчас переходит авиационная техника, и эта частота применяется в ракетах воздух-воздух, воздух-поверхность.

Применение операционных усилителей с однополярным питанием описано в ж. «Схемотехника», М, №4, 2002, стр.10-14, editor@dian.ru.

1. Усилитель следящей системы, содержащий операционный усилитель (ОУ) общего назначения, отличающийся тем, что введены второй ОУ и усилитель мощности на транзисторе со следующими соединениями: шина входного сигнала напряжения переменного тока через разделительный конденсатор и резистор соединена с инверсным входом первого ОУ, с прямым входом которого и с прямым входом второго ОУ соединена средняя точка резистивного делителя, вторые концы которого соединены с положительной шиной источника питания и нулевой шиной соответственно; выход первого ОУ через резистор обратной связи и конденсатор, включенных параллельно соединен с его инверсным входом, одновременно выход первого ОУ через резистор соединен с инверсным входом второго ОУ, с которым соединен и резистор отрицательной обратной связи; выход второго ОУ соединен с базой усилителя мощности, выполненном на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером; эмиттер транзистора через резистор соединен также с нулевой шиной и является выходом схемы.

2. Усилитель следящей системы по п.1, отличающийся тем, что первый и второй ОУ включены по схеме с однополярным плюсовым питанием, для чего плюсовый выход каждого ОУ соединен с плюсовой шиной источника питания, а минусовой выход - с нулевой шиной.

3. Усилитель следящей системы по п.1, отличающийся тем, что нагрузка подключена между эмиттером и нулевой шиной через разделительный конденсатор.

4. Усилитель следящей системы по п.1, отличающийся тем, что резистор и конденсатор в цепи ООС первого ОУ образуют фазосдвигающую цепочку и рассчитаны таким образом, что фазовый сдвиг равен 90°.