ГЗЗіз транзисторами у ключовому режимі
Генераторнітранзистори в сучасних передавачах працюють, як правило, з повним використаннямза потужністю, особливо у вихідних каскадах.
Вимогависокої надійності роботи транзисторів у цих каскадах зводиться насамперед довибору режимів, у яких струми і напруги свідомо нижче максимально допустимих, апотужності розсіювання мінімальні. Остання вимога – мінімізація потужностірозсіювання на транзисторах головним чином відноситься до біополярнихтранзисторів (БТ), однак і для полярних транзисторі (ПТ) воно не може бутизайвим.
Проблемамінімізації потужності, що розсіюється, на ЕП у ГЗЗ зводиться, по–перше, домаксимального наближення форми імпульсів колекторного (стокового) струму інапруги на колекторі (стоці) до меандру і, по–друге, до створення таких умовдля транзистора, при яких він знаходиться або в стані відсічення, або в станінасичення.
/> а)
/>б)Рисунок 1 – Схематранзисторного ГЗЗ у ключовому режимі
Реалізаціяцих умов можлива, наприклад, у ГЗЗ на БТ за схемою рис. 1, а. Якщо в ланцюг базиподати великий струм збудження ІБ, то при порівняно великому RH транзистор будезнаходитися практично тільки в одному з двох станів: відсічення або насичення.Такий режим роботи ЕП називається ключовим.
Еквівалентнасхема ГЗЗ має вигляд, зображений на рис. 1, б. Тут транзистор замінений ключемКл з послідовно уключеним rнас. Уцій схемі в сталому режимі через дросель LK тече незмінний по величині струмІК0. При замиканні ключа струм ІКm =ІК0 + ІК~ спрямовується крізь транзистор, на якому створюється спадання напругиеост = ІКmrнас.
Нацьому інтервалі заряджений конденсатор Ср2 і навантаження RH включеніпаралельно джерелу постачання і дроселеві. При розмиканні ключа на колекторітранзистора виникає напруга еКmах = ЕК+ UK = EK + RнІК~(рис. 2, а). На цьому інтервалі заряджений дросель уключений послідовно зджерелом постачання колекторного ланцюга.
Думаючи,що імпульси колекторного струму мають прямокутну форму (рис. 2, а) з кутомвідсічення />,можна послідовність цих імпульсів розкласти у ряд Фур’є:
/>
Тут n — номер гармоніки; /> — коефіцієнтирозкладання для прямокутного імпульсу:
/>; />.
Амплітудапершої гармоніки колекторного струму /> при /> = 90° має максимум і дорівнює />. При цьомувід ГЗЗ можна одержати найбільшу потужність на першій гармоніці. Максимум жеККД по першій гармоніці виходить при />65°, тобто при максимальномувідношенні
/>.
Розглянемовипадок, коли кут відсічення колекторного струму /> = 90°. Стан насичення має місце,якщо ІКm = SгреКгр. Складового колекторного струму ІК0=ІК~=ІКm/2. Амплітуда напруги на колекторіUК = ІК~Rн = ІКmRн/2 =Ек–ІКmrнас. Споживана колекторнимланцюгом потужність від джерела постачання:
Р0 =ІК0ЕК = ЕКmІКm/2(1)
Потужність,що розсіюється на транзисторі, дорівнює потужності втрат на опорі
Рпот= І2Кmrнас/2= Р0еКост/ЕК; (2)
декоефіцієнт 1/2 враховує, що /> = 90°. Для колекторного ланцюгаККД
/>,(3)
/>
а) б)Рисунок 2 – Епюри струмів інапруг у ключовому ГЗЗ
Туткорисною потужністю на навантаженні є потужності всіх гармонік колекторногоструму. На відміну від раніше уживаного ККД, де в якості корисної потужностівраховується тільки потужність першої гармоніки />, ККД, введений у (3), будемоназивати електронним і позначимо />.
Розрахункипоказують, що для сучасних БТ еКост/ЕК /> 0,03… .0,1 і /> /> 97…90%; для ПТ іздовгим каналом еС ост/ЕС /> 0, 2. ..0,3 і /> /> 80… .70%; для ПТ ізкоротким каналом eC ост/EС /> 0,05. ..0, 12 і /> /> 95… .88%.
Привикористанні ГЗЗ із ЕП у ключовому режимі в передавачах необхідно, щобколивання в навантаженні були гармонійними, а навантаження ЕП було брезестивним, тобто однакової для всіх гармонік колекторного струму. Такенавантаження можна здійснити за схемою, приведеної на рис. 3, де Rб = Rн.
транзисторпотужність ключовий навантаження
ФільтрНЧ пропускає коливання першої гармоніки до навантаження Rн, фільтр ВЧ — усічастоти, починаючи з другої гармоніки і вище, до баластового опору Rб.
/>
Рисунок 3 – ГЗЗ і навантаженням у вигляді “вилки фільтрів”
Визначимопотужність Р1, що віддається ГЗЗ у навантаження Rн. Знайшовши амплітуди першихгармонік колекторного струму /> і напруги на колекторі /> одержимо:
/>.(4)
Попершій гармоніці ККД />. Підставивши в це вираження (4) і(1), знайдемо:
/>.(5)
Звідсивипливає, що, хоча />, як правило, не вище, ніж ККД ГЗЗз резонансним навантаженням (дійсно, при />/> = 0,9 /> = 0,72), потужність, щорозсіюється на транзисторі у ключовому режимі, істотно нижче, оскільки тутсумарна потужність гармонік другої і вище розсіюється на баластовому опорі.
Режимзбудження транзистора, що працює у ключовому режимі, вибирається звичайно зумов одержання /> = 90° і прямокутної формиімпульсу ік.
Першаумова виконується, якщо вибрати /> , друге — якщо обрати коефіцієнтнасичення в ланцюзі транзистора />дорівнює 2…4. Іншими словами,струм збудження ІБmax встановлюється в 2…4 разибільше, ніж у граничному режимі.
Максимальнанапруга на виході транзистора буде UEmax = Е’Б + ІБmахrб, а коефіцієнт підсилення по потужності /> приблизно в Sн разменше, ніж у граничному режимі. При виборі Ек звичайно виходять з умови еК mах = ЕК + UK
Наведенівище співвідношення для потужності, ККД і Кр справедливі при роботі ГЗЗ напорівняно низьких частотах />, де практично непомітний вплив рядупричин, що ускладнюють роботу ГЗЗ уключовому режимі на високих робочих частотах. Розглянемо вплив трьох такихпричин.
1Утрати через інерційність транзистора обумовлені тим, що перехід транзистора зістану відсічення в стан насичення і назад, строго говорячи, займає якийсь час: /> — дляпереднього фронту і /> — для заднього фронту (зрізу).
Протягомцих інтервалів транзистор знаходиться в активній області, де втрати, тобтопотужність, що розсіюється на колекторному переході, більше, ніж у режимінасичення. Тут сплески втрат на транзисторі відзначені цифрами 1. Середнєзначення втрат через інерційності пропорційно час, коли вони мають місце: />. Прийнявшипередній і задній фронти імпульсів іК і UK у вигляді прямих, знайдемо відноснупотужність втрат у транзисторі:
/>.(6)
Тут Т— період робочої частоти ГЗЗ: Т = 1/fр.Максимальна робоча частота, при роботі на якій ці втрати будуть не більше 3%,виходить з (6):
/>.
Комутативнівтрати в ГЗЗ на транзисторах у ключовому режимі виникають через наявність усхемі ГЗЗ (див. рис. 1, я) паразитних елементів Сп і Lп.
Приведенадо виходу транзистора ємність Сп майже дорівнює ємності колектор–база Ск,оскільки Ск /> Сді Ск /> Се.
Наінтервалі відсічення ємність Сп заряджається до напруги 2ЕК – еК ост, а потімвідразу після переходу транзистора в режим насичення розряджається на опір rнас.
Унаслідокцього на початку кожного імпульсу колекторного струму виникає вузький розряднийімпульс U1, (див. рис. 2,6), а на епюріпотужності втрат з’являється додатковий сплеск 2 (див. рис. 2,6 унизу).
Потужністьутрат через ємність Сп пропорційна цієї ємності, квадратові напруги Ек ічастоті появи сплесків, тобто робочій частоті fp :
/>.(7)
Розподіленаіндуктивність монтажу колекторного ланцюга LП виявляється в момент переходутранзистора зі стану насичення в стан відсічення у виді сплеску напруги U2 націй індуктивності. Запасена в LП енергія розсіюється при дозарядкціконденсатора Сп, а також на опорі транзистора під час проходження їм активногостану (на епюрі потужності втрат — сплеск 3).
Утратипотужності через Lп пропорційні величині індуктивності Lп, робочій частоті fp і квадратові прохідного струму ІKm:
/>.(8)
ПотужністьР«п ком стає помітної на дуже високих частотах. Максимальні робочічастоти, при яких відносні втрати /> і /> виявляються близько 3%, можуть бути знайдені з виражень />.
Збудженнятранзисторів, що працюють у ключовому режимі, звичайно виробляється гармонійнимструмом з великою амплітудою, при якій імпульси іК мають майже прямокутнуформу. Тому потужність, споживана базовим ланцюгом від попереднього каскаду,виявляється порівняно великий, а коефіцієнт підсилення по потужності Кр ГЗЗ уключовому режимі помітно нижче чим КР ГЗЗ у ННР. Недоліки ГЗЗ у ключовомурежимі з активним навантаженням — швидкий ріст утрат зі збільшенням робочоїчастоти і низьке значення КР — обмежують область їхнього застосування.
Істотнонижче втрати при роботі на високих частотах мають ГЗЗ у ключовому режимі зформуючим контуром. Ідея такого ГЗЗ полягає в тому, що паразитні елементи Сп іLп у цьому ГЗЗ входять до складу коливального контуру CкLк (рис. 4), транзисторзнаходиться в одному з двох станів: відсічення або насичення і відкривається ізакривається в ті моменти часу, коли напруга на колекторі (на ємності Ск)дорівнює нулеві.
СхемиГЗЗ у ключовому режимі з активним навантаженням (див. рис. 1) і формуючимконтуром (рис. 4) однакові; розходження полягає лише в тім, що в другій схеміелементи Ск, Lк, Cб2 утворюють коливальний контур, набудований на частоту,близьку до робочої.
/>
Рисунок 4 – Схема ГЗЗ з формованим контуром
/>
Рисунок5 – Епюри струмів і напруг у ГЗЗ з формуючим контуром
Розглянемокоротко роботу такого ГЗЗ у сталому режимі. Нехай транзистор закритий, а наємності Ск максимальна напруга. З часом конденсатор Ск розряджається наіндуктивність Lк. У залежності від внесеного опору втрат у контур /> розряд можейти по одній із трьох траєкторій (рис. 5,6): 1 — загасання занадто велике; 2 —загасання мале; 3 — оптимальне загасання. При цьому загасанні в момент t1, коли UK = UCK виявляється рівним нулеві, також дорівнюють нулеві похіднаdUК/dt = 0 і струм у котушці контуру Lк.
Струмзбудження і його частота підібрані так, що в момент t1, відкривається транзистор, конденсатор Ск шунтуєьтся малимопором rнас і коливальний процесприпиняється. З’являється струм через індуктивність і наростає пропорційно часу(рис. 5, в).
Умомент t2 під впливом струму збудженнятранзистор зачиняється при напрузі на ньому еск = ік (t2) rнас.Починаючи з моменту Lк, що тече крізь Lк струм заряджає ємність Ск. У момент t3 ємність Ск знову зарядиться домаксимальної напруги, струм через котушку Lк упаде до нуля і почнетьсянаступний цикл (рис. 5, г). Розглянутий ключовий режим ГЗЗ називаютьоптимальним. При цьому режимі втрати в транзисторі виявляються мінімальними.
Зепюр на рис. 5 видно, що напруга ек на колекторі і, отже, на навантаженні Rндосить сильно відрізняється від гармонійного. Для того щоб зробити напругу нанавантаженні Rн гармонійним, перед нею включають фільтр (у найпростішомувипадку – послідовний коливальний контур, набудований на частоту fp).
Змінарежиму ГЗЗ при цьому виявляється незначним, оскільки внесений опір у контурLкCкCб2 на частоті першої гармоніки зберігається первісним, а рівні другої івищої гармонік порівняно малі.
Експериментальнідослідження показують, що ККД по першій гармоніці ГЗЗ із формуючим контуром воптимальному режимі практично дорівнює електронному ККД: />, а максимальна робочачастота такого ГЗЗ /> тобто в 2…15 разів вище, ніждля ГЗЗ з активним навантаженням. Показники ГЗЗ майже не змінюються в діапазоніробочих частот /> де /> — резонансна частота формуючого контуру.
Істотнимнедоліком ГЗЗ із формуючим контуром є досить високий пік–фактор напруги натранзисторі UK max /> (3,3…4) ЕК, у зв’язку з чимприходиться вибирати знижені значення ЕК, що трохи знижує Р1, і ККД.