wzmacniacz mocy klasy e(1), radio, radio1, radio swiat y
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->HOBBYAkcesoriaOpis układu wykonanego i przetestowanego przez autoraWzmacniacz mocy klasy EWzmacniacze klasy E pracują w zakresie od kilkuset kHz do kilku GHz,przy czym ich moc wyjściowa wynosi od setek miliwatów do kilkudziesię-ciu kilowatów. Z technicznego punktu widzenia, układy te nie są klasycz-nymi wzmacniaczami (gdyż napięcie wyjściowe nie odwzorowuje liniowonapięcia wejściowego), lecz przetwornicami DC/AC, w których kluczowa-nie napięcia wyjściowego przebiega w rytm przebiegu wejściowego. Bar-dzo wysoka sprawność, powtarzalność konstrukcji, niski koszt elementówi prostota układowa spowodowały, że w pewnych obszarach zastosowań,z powodzeniem wypierają klasyczne wzmacniacze mocy.bliską 0V. W stanie wyłączenia, nakluczu odkłada się duże napięcie,a prąd nie płynie. Zarówno w sta-nie włączenia, jak i wyłączenia, natranzystorze nie wydziela się moc,gdyż prąd lub napięcie na przemianprzyjmują wartości zerowe. Teore-tycznie wymaga to prostokątnegoprzebiegu sterującego bramką, czę-sto stosowaną praktyką jest stero-wanie przebiegiem sinusoidalnymo odpowiednio dużej amplitudzie.Napięcie stałe doprowadzone jestdo elementu aktywnego przez dła-wik L1. Ma on dużą reaktancję dlaczęstotliwości roboczej, w rozważa-niach teoretycznych przyjmuje się,że tranzystor zasilany jest ze źródłaprądowego. Rezystor R reprezentujeobciążenie o charakterze czynnym,do którego oddawana jest moc wyj-ściowa wzmacniacza. Sieć elemen-tów C1, L2 i C2 ( zwana w literaturze„load network”) ma za zadanie takieukształtowanie przebiegu prąduna wyjściu elementu aktywnego,aby zminimalizować straty mocyzachodzące w procesie przełącza-nia. Przebiegi napięcia sterującego,prądu drenu i napięcia pomiędzydrenem i źródłem przedstawiarysu-nek 2.Pomimo impulsowego prze-biegu napięcia/prądu na wyjściutranzystora, przebieg napięcia naobciążeniu R ma kształt sinusoidal-ny. Dzieje się tak, gdyż „brakującą”połówkę sinusoidy odtwarza obwódWzmacniacze klasy E zostaływynalezione w 1964 roku przezamerykańskiego naukowca GeraldaEwinga; prawdziwymi propaga-torami i badaczami tematu stali się– w drugiej połowie lat siedem-dziesiątych – dwaj amerykańscynaukowcy (ojciec i syn): NathanSokal WA1HQC i Alan Sokal WA-1HQB. Publikacja Nathana Sokala„Class-E RF Power Amplifiers” [1]stała się swoistą biblią dla miłośni-ków tematu.W praktyce krótkofalarskiejznalazły zastosowanie jako stop-nie końcowe amatorskich nadaj-ników AM pracujących w paśmie75 metrów [8], gdzie modulacjaodbywa się w obwodzie zasilania.Sporadycznie używane są też jakowzmacniacze mocy sygnałów CWi RTTY, głównie jednak w zastoso-waniach QRP Dzięki technice EER,.teoretycznie możliwa jest równieżpraca liniowa – przykładem takiejkonstrukcji jest wzmacniacz SSBo mocy 500W opracowany przezfirmę AGS [2].Wzmacniacze klasy E wykony-wane są najczęściej jako jednopa-smowe, sporadycznie spotyka sięwzmacniacze z przełączanymi lubwymiennymi modułami. Wspólnącechą wzmacniaczy jest możliwośćregulacji mocy wyjściowej przezzmianę napięcia zasilania.Parametry wzmacniacza:Emisja: CWMoc wejściowa: 10W (stała!)Moc wyjściowa: 50-400W (re-Teoretyczne podstawy działaniawzmacniacza klasy EKlasyczny układ wzmacniaczaklasy E przedstawiono narysunku1.Przewodzenie elementu aktyw-nego odbywa się w rytmie i fazieprzebiegu wejściowego. W staniezałączenia (dla dodatnich połóweknapięcia sterującego) tranzystorprzewodzi. W obwodzie źródło––dren płynie duży prąd, natomiastnapięcie osiąga wartość minimalną,gulowana napięciem zasilania30-80V)Sprawność: >90%Dopasowanie wejścia: 50Ω,SWR <1,5 w pełnym zakresiemocyDopasowanie wyjścia: 50Ω,SWR <1,2 w pełnym zakresiemocyWzmocnienie: 17 do 26dBTłumienie 2. harmonicznej>26dBC (konieczne jest zasto-sowanie dodatkowego filtradolnoprzepustowego)Tłumienie wyjście/wejście:ok. 10dB (przy odbiorze, powyłączeniu zasilania)Rys. 1. Podstawowy układ wzmacniacza klasy E48Świat RadioWrzesień 2006Rys. 2. Przebiegi napięć i prądów klucza wewzmacniaczu klasy Ewyjściowy L2-C1 (będący obwodemrezonansowym), podobnie jak tosię dzieje w każdym (z wyjątkiemwzmacniacza klasy A) wzmacniaczumocy z pojedynczym elementemaktywnym. Wartości elementów C1,L2, C2, R mają zasadniczy wpływ naparametry wzmacniacza, wstępnieokreślane są drogą matematycznąi korygowane w trakcie uruchamia-nia. Ich obliczanie jest dość skompli-kowane i zdecydowanie przekraczaramy tego artykułu. Prosty kalkula-tor opracowany przez autora arty-kułu można znaleźć na jego stronieinternetowej [3].wartość napięcia bramki, powodu-jące pełne przewodzenie tranzysto-ra (ok. 4V).Dzięki pasożytniczej pojemnościCrss pomiędzy drenem i bramkątranzystora MOSFET (240 pF dla IR-FP450) sygnał z wyjścia tranzystoraprzenoszony jest na jego wejście.Umożliwia to przełączanie nada-wanie-odbiór przez odłączanie na-pięcia zasilającego bez potrzeby sto-sowania kłopotliwego przekaźnikaantenowego.Rys. 3. Schemat wzmacniacza mocy CW 400W /7MHz.Wzmacniacz 400Wna pasmo 40 metrówUkład prototypu wzmacniaczamocy zbudowanego i wypróbo-wanego dla potrzeb tego artykułuprzedstawiarysunek 3.Punktemwyjścia były obliczenia zawartew publikacji Sokala [1] oraz opraco-wanie [2]. Sterowanie wzmacniaczaodbywa się z wyjścia transceiveraTS570S mocą 10W. Dopasowaniezapewnia transformator wejściowyTR1 o przekładni napięciowej 5:1oraz cewka L3. Napięcie bramkiwynosi ok. 30V pp.Zakładając: wartość napięciazasilającego (80V prądu stałego),częstotliwość pracy wzmacniacza(7015kHz) i jego moc (400W), doko-nano obliczeń elementów wzmac-niacza. Polegały one na takim do-braniu wartość współczynnikadobroci Q (w zakresie 2,5-5), abywykorzystać pasożytniczą pojem-ność Cds tranzystora w charakterzepojemności C1. Warunek ten speł-niony został dla Q=4, C2=1,2nF,L2=0,62uH, R=6,8Ω. Wartość R tonominalna rezystancja obciążenia,widziana w punkcie A. Ze względuna konieczność dopasowania wyj-ścia wzmacniacza do impedancjianteny, konieczne jest transformo-wanie impedancji R do impedancjianteny 50Ω. Zadanie to mógłbyspełnić transformator o przełoże-niu 1:3, korzystniejsze jednak jestużycie sieci dopasowującej. Przyokazji filtruje ona produkty paso-żytnicze, głównie 2. harmonicznączęstotliwości roboczej oraz pro-dukty leżące w zakresie VHF. Siećwzorowana jest na opracowaniu[2], składa się z szeregowego obwo-du rezonansowego L4-C5 (pułapka2. harmonicznej), cewki L5 i po-jemności C4 (filtracja składowychVHF). Ma ona impedancję wejścio-wą o charakterze pojemnościowym,której ekwiwalentem dla 7MHz jestszeregowo połączona rezystancjaR= 6,8Ω i pojemność C2”=1,2nF.Pojemność C2”, połączona szerego-wo z pojemnością sprzęgającą C2’stanowi pojemność C2 z klasyczne-go układu Sokala (rysunek 1). Efektdopasowania (sprawdzono) możnauzyskać bez elementów L4,C5,L5[6] zwiększając pojemność konden-satora C5 do 1250pF, układ taki niezapewnia jednak filtracji produk-tów niepożądanych.Wskazówki praktycznePomimo prostego układu, zbudo-wanie i uruchomienie wzmacniaczajest dość czaso- i pracochłonne. Wy-maga doświadczenia i dostępu dopodstawowych przyrządów pomia-rowych (miernik uniwersalny, oscy-loskop, sztuczne obciążenie, miernikmocy, miernik SWR). Należy miećświadomość, że – pomimo stosun-kowo niskich napięć zasilających– w układzie występują wysokie na-pięcia wielkiej częstotliwości, mogącewywołać porażenie elektryczne lubtrudno gojące się poparzenia. Z tegowzględu należy bezwzględnie odłą-czać napięcie zasilania wzmacniaczaprzy jakichkolwiek zmianach ukła-dowych lub sprawdzaniu tempera-tury elementów!Uruchomienie wzmacniacza po-lega na:Dobraniu wartości przełożeniatransformatora TR1 i wartości in-dukcyjności L3 pod kątem opty-malnego SWR (<1,3) na wejściuwzmacniacza i wymaganej warto-ści napięcia wysterowania bramki(min. 20Vpp). Czynności te wy-konuje się bez zasilania wzmac-niacza.Dobraniu wartości indukcyjnościL2, L4,L5 zgodnie z obliczeniami.Można posłużyć się metodą rezo-nansową (GDO), łącząc równole-gle z mierzoną cewką pojemnośćrzędu 1nF.Wstępnym uruchomieniu wzmac-niacza obciążonego sztucznym ob-ciążeniem 50Ω przy obniżonymnapięciu zasilania (20-30V). Korzy-stając z kalkulatora [3], należy okre-ślić spodziewaną w tym przypad-ku wartość mocy. Po wysterowaniuwejścia wzmacniacza (na tym eta-pie wystarcza 5W) dokonać korektywartości elementów (L2,C2’,L4,L5)tak, aby uzyskać zakładaną wartośćprądu zasilającego i mocy wyjścio-Praca tranzystora MOSFETW konstrukcjach amatorskichstosuje się najczęściej tanie tranzy-story MOSFET, przewidziane pier-wotnie do pracy w przetwornicach.Dla przebiegów w.cz. bramka tran-zystora MOSFET ma bardzo niskąimpedancję wejściową (kilka omów)o charakterze pojemnościowym.Spowodowane jest to dużą pojem-nością równoległą bramki Ciss (dlaIRFP450 Ciss=2,2nF) i niską rezy-stancją szeregową (2Ω dla IRFP450).Bramka musi być sterowana ze źró-dła o porównywalnie niskiej impe-dancji. Ważnym parametrem jestmaksymalna wartość napięcia Udstranzystora (IRFP:500V), napięcie za-silające wzmacniacz może stanowić,co najwyżej ok. 30% tej wartości.Rezystancja Rds tranzystora, po-mimo że jest to wartość mała (0,4Ωdla IRF450), powoduje powstawa-nie strat rzędu kilku W. Istotnymograniczeniem częstotliwości pracywzmacniacza jest duża pojemnośćwyjściowa tranzystora Cds (przy-kładowo: IRFP450 ma pojemność720pF). Obejściem tego problemu,jest uwzględnienie Cds jako skła-dowej pojemności C1 wyjściowegoobwodu rezonansowego.Inne parametry tranzystora mająmniejsze znaczenie, projektującwzmacniacz należy jednak wziąćpod uwagę średnią i maksymalnąwartość prądu drenu (14A i 56A dlaIRFP450), dopuszczalną moc strattranzystora (190W dla IRFP450) orazDane elementów:T1=IRFP450,TR1=1 zw. DNE 2,5mm/5zw. na 6 pierścionkachAL.=250,C1= 10pF/100V,C2’=5,5nF/3kV*,C3=10nF/1kV*,C4=110pF/1kV,C5=860pF/1kV*,L1=40uH/6A,L2=6,25 zw. DNE 2,5(cewka powietrzna∅37mm,l=55mm),L3=7zw. DNE0,4 (karkas„Libra”∅7mm),L4=3zw. DNE1,8mm(cewka powietrzna∅12mm,l=10mm),L5=5 zw. DNE 1,8mm(cewka powietrzna∅12mm, l=25mm)Pragnę podziękowaćPiotrowi SQ7MPJ zawydatną pomoc w reali-zacji tego projektu.Wszystkim naśladowcomżyczę powodzenia i dużocierpliwości.Marek BorszSP2MKTŚwiat RadioWrzesień 200649HOBBY[1] Nathan SokalWA1HQC Class-E RFPower Amplifier QEXJan/Feb 2001[2] Elieen Lau, Kai--Wai Chiu, Jeff Qin,John Davis, Ken Potter,David Rutledge „High–Efficiency Class-E PowerAmplifier” QST May/June 1997[3] M.Borsz „Wzmac-niacz mocy klasy E napasmo 7MHz” – publika-org.pl/~sp2mkt[4] Materiały reklamowefirmy SGC zamieszczonecom/500watt.html[5] Opracowaniawzmacniaczy mocy klasyE, dostępne na stronachWydziały ElektrycznegoCalifornia Institute ofTechnology (Pasadena)edu/%7Emmic/resh-pubindex/papers/p--index2.htm[6] Richard Frey „500WClass E 27,12 MHZAmplifier Using A SinglePlastic MOSFET”, publi-kacja firmy AdvancedPower Technology[7] James L. Tonne„Tonne Software”- pro-gramy umieszczone na:re.com/[8] Forum dyskusyjneWA1QIX “Class E-AM Fo-classe.monkeypuppet.com/ E-AM ForumAkcesoriaUwagi końcoweOpracowanie należy traktowaćraczej jako zbiór wskazówek przy-datnych we własnych konstruk-cjach wzmacniaczy klasy E, a niegotowe rozwiązanie techniczne.Wzmacniacz w powyższym ukła-dzie może być wykonany dla do-wolnego pasma, ograniczeniemjest pojemność Cds zastosowanegotranzystora.Opisywany wzmacniacz zo -stał z powodzeniem uruchomionyprzez autora artykułu. Został teżsprawdzony praktycznie podczaspracy w eterze. Sygnał CW charak-teryzuje się czystym widmem, leczstosunkowo „twardą” obwiednią.Pomimo iż nie stwierdzono „klik-sów” (sygnalizowanych przez auto-rów publikacji [2]), trwają prace nadukładem kształtowania przebieguwyjściowego, który umożliwi teżpracę telegraficzną QSK. Koniecznejest również skuteczniejsze odfiltro-wanie 2. harmonicznej – odpowied-nim filtrem wyjściowym wydaje siębyć filtr Cauera. Dobierając elemen-ty oznaczone na rys 3. gwiazdką(C2’, C5 i C3), należy brać pod uwa-gę ich zdolność do przenoszeniadużych prądów w.cz. W prototypiewykorzystano równolegle (2-5 szt.)połączone ceramiczne kondensa-tory wysokonapięciowe stosowanew odbiornikach TV, jednak lepszymrozwiązaniem wydaje się być za-stosowanie kondensatorów przewi-dzianych do przenoszenia dużychmocy biernych. Wartość indukcyj-ności dławika L1 nie jest krytyczna,ważne jest, aby miał odpowiedniąwytrzymałość prądową. W proto-typie użyto 3 dławików 120uH/2Apołączonych równolegle.Marek Borsz SP2MKTwej wzmacniacza. Jednocześnienależy kontrolować współczynnikfali stojącej na wyjściu wzmacnia-cza. Jest to najtrudniejsza i bardzoczasochłonna operacja. Niezbędnyjest tu dobry oscyloskop (pasmo50MHz) i...cierpliwość. Pomocnemogą okazać się wzorcowe wy-kresy przebiegów napięcia drenu,zamieszczone w literaturze [1]. Nienależy dążyć do uzyskania więk-szej niż obliczona mocy wyjścio-wej, lecz dużej (>90%) sprawnościwzmacniacza.Sprawdzeniu długoterminowejstabilności wzmacniacza w warun-kach obniżonego napięcia zasila-nia. W czasie kilkuminutowej pracywzmacniacza należy obserwowaćwartość prądu zasilającego i (poodłączeniu zasilania!) temperaturętranzystora. Jeśli prąd zasilający matendencje do narastania i tranzy-stor grzeje się, konieczna jest dalszaoptymalizacja elementów sieci.Podaniu pełnego napięcia zasila-nia, wysterowaniu wzmacniaczamocą 10W i powtórnym spraw-dzeniu sprawności wzmacnia-cza. Początkowo próby należywykonywać, podając pojedynczeelementy sygnału CW, późniejmożna podać sygnał o wypeł-nieniu 1/2 (kropki), jeśli średniawartość prądu nie ma tendencjiwzrostowych i tranzystor się niegrzeje (sprawdzić przy wyłączo-nym zasilaniu!) - można zwięk-szyć wypełnienie do 3/4 (kreski)i do pełnego wysterowania (sy-gnał RTTY). Nie należy obniżaćlub zwiększać mocy sygnału nawejściu wzmacniacza – skutkiembędzie obniżenie sprawnościi uszkodzenie tranzystora. Mie-rząc prąd zasilania i moc wyj-ściową, należy ponownie wy-znaczyć sprawność wzmacniacza– powinna być podobna jak przyobniżonym napięciu zasilania.Klub AVT-elektronikaCz³onek„Klubu AVT-elektronika“korzysta z wielu przywilejów, dziêki którymka¿d¹ z³otówkê w³o¿on¹ w prenumeratê mo¿e odzyskaæ z nawi¹zk¹. Wieleatrakcyjnych przywilejów udziela Cz³onkomKlubuWydawnictwo AVT, a poza tym„Klub AVT-e“rozwija wspó³pracê z firmami partnerskimi, które udzielaj¹ specjal-nych rabatów wy³¹cznie Cz³onkomKlubu.1.2.Co miesi¹c mo¿esz bezp³atnie otrzymaæ jedennumer archiwalnyprenumerowanego miesiêcznikaPrzeœlemy go razem z prenumerat¹.Wiêksz¹ liczbê egzemplarzy archiwalnychwszystkich czterech czasopism (EdW, EP, EL, ŒR) mo¿eszkupiæ w symbolicznej cenie 1 z³/egz.Mo¿esz korzystaæ z nastêpuj¹cychrabatów:•30%na p³ytki (kity A) w limicie do 40 z³ co miesi¹c. Powy¿ej tego limitu rabat wynosi 10%.•10%na kity AVT/TSM (zestawy B, C).•10%na kity Vellemana.•10%na zestawy TOK•10%na ksi¹¿ki oferowane w „KsiêgarniWysy³kowej AVT”•5%na wszelkie inne towary nabywanew sklepach firmowych AVT i w sklepie internetowymwww.sklep.avt.com.plCz³onek„Klubu AVT-e”mo¿e co miesi¹c otrzymywaæ wysy³kowop³ytki drukowane(o wartoœci do 40,00z³),nie ponosz¹c kosztów wysy³ki;oszczêdza zatem w ten sposób 14,80 z³ miesiêcznie. Zamawiane p³ytkis¹ dostarczane wraz z prenumerat¹. Do przesy³ki do³¹czany jest ju¿ wype³niony druk przekazu, który nale¿yop³aciæ do 7 dni od otrzymania prenumeraty.Uwaga!Ten sposób wysy³ki nie dotyczy firm i instytucji.Zg³oszenia firmprzyjmujemytelefonicznie lubfaksempod nume-rem telefonu:022 568 99 60,022 568 99 41lub e-mailem:klub@avt.com.plNajœwie¿szeinformacje o KlubieAVT-e na stroniewww.klub.avt.com.pl.Uprawnienia członka„Klubu AVT-e” nabywa każdyprenumerator jednego (lub kilku)z czterech pism AVT, poświęconychelektronice:Elektronika Praktyczna,Elektronika dla Wszystkich,Elektronik, Świat Radio3.4.RabatyRadioWrzesień 2006ŚwiatPartnerów50Klubu AVT-e na www.klub.avt.com.pl
[ Pobierz całość w formacie PDF ]