регистрация /  вход

ГЗЗ із транзисторами у ключовому режимі (стр. 1 из 2)

ГЗЗіз транзисторами у ключовому режимі


Генераторні транзистори в сучасних передавачах працюють, як правило, з повним використанням за потужністю, особливо у вихідних каскадах.

Вимога високої надійності роботи транзисторів у цих каскадах зводиться насамперед до вибору режимів, у яких струми і напруги свідомо нижче максимально допустимих, а потужності розсіювання мінімальні. Остання вимога – мінімізація потужності розсіювання на транзисторах головним чином відноситься до біополярних транзисторів (БТ), однак і для полярних транзисторі (ПТ) воно не може бути зайвим.

Проблема мінімізації потужності, що розсіюється, на ЕП у ГЗЗ зводиться, по–перше, до максимального наближення форми імпульсів колекторного (стокового) струму і напруги на колекторі (стоці) до меандру і, по–друге, до створення таких умов для транзистора, при яких він знаходиться або в стані відсічення, або в стані насичення.

а)

б)

Рисунок 1 – Схема транзисторного ГЗЗ у ключовому режимі

Реалізація цих умов можлива, наприклад, у ГЗЗ на БТ за схемою рис. 1,а. Якщо в ланцюг бази подати великий струм збудження ІБ, то при порівняно великому RH транзистор буде знаходитися практично тільки в одному з двох станів: відсічення або насичення. Такий режим роботи ЕП називається ключовим.

Еквівалентна схема ГЗЗ має вигляд, зображений на рис. 1,б. Тут транзистор замінений ключем Кл з послідовно уключеним rнас. У цій схемі в сталому режимі через дросель LK тече незмінний по величині струм ІК0. При замиканні ключа струм ІКm = ІК0 + ІК~ спрямовується крізь транзистор, на якому створюється спадання напруги еост = ІКmrнас.

На цьому інтервалі заряджений конденсатор Ср2 і навантаження RH включені паралельно джерелу постачання і дроселеві. При розмиканні ключа на колекторі транзистора виникає напруга еКmах = ЕК + UK = EK + RнІК~ (рис. 2,а). На цьому інтервалі заряджений дросель уключений послідовно з джерелом постачання колекторного ланцюга.

Думаючи, що імпульси колекторного струму мають прямокутну форму (рис. 2,а) з кутом відсічення

, можна послідовність цих імпульсів розкласти у ряд Фур'є:

Тут n — номер гармоніки;

— коефіцієнти розкладання для прямокутного імпульсу:

;
.

Амплітуда першої гармоніки колекторного струму

при
= 90° має максимум і дорівнює
. При цьому від ГЗЗ можна одержати найбільшу потужність на першій гармоніці. Максимум же ККД по першій гармоніці виходить при
65°, тобто при максимальному відношенні


.

Розглянемо випадок, коли кут відсічення колекторного струму

= 90°. Стан насичення має місце, якщо ІКm = SгреКгр. Складового колекторного струму ІК0=ІК~=ІКm/2. Амплітуда напруги на колекторі UК = ІК~Rн = ІКmRн/2 = Ек–ІКmrнас. Споживана колекторним ланцюгом 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)

де коефіцієнт 1/2 враховує, що

= 90°. Для колекторного ланцюга ККД

,(3)


а) б)

Рисунок 2 – Епюри струмів і напруг у ключовому ГЗЗ

Тут корисною потужністю на навантаженні є потужності всіх гармонік колекторного струму. На відміну від раніше уживаного ККД, де в якості корисної потужності враховується тільки потужність першої гармоніки

, ККД, введений у (3), будемо називати електронним і позначимо
.

Розрахунки показують, що для сучасних БТ еКост/ЕК

0,03.. .0,1 і
97...90%; для ПТ із довгим каналом еС ост/ЕС
0, 2. ..0,3 і
80.. .70%; для ПТ із коротким каналом eC ост/EС
0,05. ..0, 12 і
95.. .88%.

При використанні ГЗЗ із ЕП у ключовому режимі в передавачах необхідно, щоб коливання в навантаженні були гармонійними, а навантаження ЕП було б резестивним, тобто однакової для всіх гармонік колекторного струму. Таке навантаження можна здійснити за схемою, приведеної на рис. 3, де Rб = Rн.

транзистор потужність ключовий навантаження

Фільтр НЧ пропускає коливання першої гармоніки до навантаження Rн, фільтр ВЧ — усі частоти, починаючи з другої гармоніки і вище, до баластового опору Rб.

Рисунок 3 – ГЗЗ і навантаженням у вигляді “вилки фільтрів”

Визначимо потужність Р1, що віддається ГЗЗ у навантаження Rн. Знайшовши амплітуди перших гармонік колекторного струму

і напруги на колекторі
одержимо:

.(4)

По першій гармоніці ККД

. Підставивши в це вираження (4) і (1), знайдемо:

.(5)

Звідси випливає, що, хоча

, як правило, не вище, ніж ККД ГЗЗ з резонансним навантаженням (дійсно, при
= 0,9
= 0,72), потужність, що розсіюється на транзисторі у ключовому режимі, істотно нижче, оскільки тут сумарна потужність гармонік другої і вище розсіюється на баластовому опорі.

Режим збудження транзистора, що працює у ключовому режимі, вибирається звичайно з умов одержання

= 90° і прямокутної форми імпульсу ік.

Перша умова виконується, якщо вибрати

, друге — якщо обрати коефіцієнт насичення в ланцюзі транзистора
дорівнює 2...4. Іншими словами, струм збудження ІБmax встановлюється в 2...4 рази більше, ніж у граничному режимі.

Максимальна напруга на виході транзистора буде UEmax = Е'Б + ІБmахrб, а коефіцієнт підсилення по потужності

приблизно в Sн раз менше, ніж у граничному режимі. При виборі Ек звичайно виходять з умови еК mах = ЕК + UK < еК доп і UБ max < еБЕ доп .

Наведені вище співвідношення для потужності, ККД і Кр справедливі при роботі ГЗЗ на порівняно низьких частотах

, де практично непомітний вплив ряду причин, що ускладнюють роботуГЗЗ у ключовому режимі на високих робочих частотах. Розглянемо вплив трьох таких причин.

1 Утрати через інерційність транзистора обумовлені тим, що перехід транзистора зі стану відсічення в стан насичення і назад, строго говорячи, займає якийсь час:

— для переднього фронту і
— для заднього фронту (зрізу).

Протягом цих інтервалів транзистор знаходиться в активній області, де втрати, тобто потужність, що розсіюється на колекторному переході, більше, ніж у режимі насичення. Тут сплески втрат на транзисторі відзначені цифрами 1. Середнє значення втрат через інерційності пропорційно час, коли вони мають місце:

. Прийнявши передній і задній фронти імпульсів іК і UK у вигляді прямих, знайдемо відносну потужність 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):