Lineáris adóvégfokozatok

Egyoldalsávos jelek erősítése

Az egyoldalsávos jelek előállítása után azok szintjét néhány watt és néhányszor száz watt közötti teljesítményre kell emelni. A jelek torzításmentes erősítésére szolgálnak a lineáris erősítők. Az ilyen erősítők kimenőfeszültsége arányos a bemenetükre adott feszültséggel.

Az rádiófrekvenciás lineáris végfokozatok felépítése lehet elektroncsöves vagy félvezetős (esetleg vegyes). A következőkben főleg a csöves erősítőket hozzuk fel példaként, de a következtetések ugyanúgy érvényesek a félvezetős kapcsolásokra is.

A szükséges erősítés eléréséhez többnyire két-három fokozatot kell használni. Ezek mindegyikére teljesülni kell a linearitás feltételének. A jó linearitás és a jó hatásfok egymással ellentétes feltételek, így az erősítő tervezése során az ésszerű kompromisszumok megkeresése a feladat.

Az erősítőket üzemi beállításaik alapján osztályokba szokás sorolni (A, B, C, AB stb).

Hatásfok és adóteljesítmény A, AB, B, C osztályú erősítőknél

Az üzemi beállítások főként a vezérlőrács negatív előfeszültségével és az arra adott meghajtó feszültséggel jellemezhetők. Az alacsony szintű SSB jeleket A osztályú erősítővel szokás erősíteni. Az ilyen beállítású erősítők linearitása jó, de hatásfokuk alacsony. A hatásfok elméletileg 0,5, de a gyakorlatban 0,3-0,25 értékekre lehet számítani. Az anódáram formája ezekben az erősítőkben követi a vezérlőfeszültség formáját. Az anódkörbe iktatott árammérő konstans értéket mutat, a bemenőjel értékétől függetlenül. Ez azt jelenti, hogy a fokozatból kivehető teljesítmény nem haladhatja meg a csőre maximálisan megengedett anóddisszipációt. A vezérlőrácson a meghajtás során nem alakulhat ki a katódhoz képest pozitiv feszültség, igy rácsáram sem folyhat.

A hatásfok és a teljesítmény között az alábbi összefüggés áll fenn:

<szamolo sor=4 oszlop=27 jobb>Pa = 40;hatasfok = 0,25;;P=Pa*hatasfok/(1-hatasfok)</szamolo> [math] P={P_a}{\eta\over{1-\eta}}[/math]

Ahol P a leadott teljesítmény, Pa a csőre megengedhető anódteljesítmény, η a hatásfok. Például ha Pa = 40 W (GU50) és a hatásfok 0,25 (25 %), akkor az erősítő által leadott teljesítmény: P = 40*0,25/(1-0,25) = 13,3 W. Ha a hatásfok 0,75 (tipikus B osztályú erősítő), akkor a leadott teljesítmény P = 40*0,75/(1-0,75) = 120 W.

Az anódon fellépő teljesítmény mindkét esetben 40 W, vagyis ha a hatásfok háromszorosára növelhető, akkor a kivehető teljesitmény majdnem megtízszereződik. Ezért a lineáris teljesítményerősítők nem A osztályú beállításban dolgoznak. Az AB1 beállításban kevesebb a rács negatív előfeszítése, igy a hatásfok kb 55%-ra javul, de a linearitás kissé romlik. Rácsáram ebben a beállításban sem folyhat. Az AB2 beállítás az AB1 és B osztályú beállítás közé esik. Az ilyen erősítőkben a vezérlőjel pozitív csúcsai környékén rácsáram is megjelenhet. Az anódáram mérő műszer kivezérlés nélkül sokkal kevesebbet mutat mint vezérlés esetén. A B osztályú beállítás esetén a nyugalmi anódáram nulla. A kivezérlés során az anódáram megszakad a vezérlőjel negatív félperiódusaiban, és csak a pozitiv félperiódus alatt folyik. Az anódáram folyási szöge θ=90 %. Az ilyen erősítő elméleti hatásfoka η=π/4 vagyis 78.5 %. Gyakorlatban 60-70 % hatásfok érhető el.

A C osztályú beállítás a távíró és FM üzemmódra kedvező, megfelelő linearitás ilyen beállításban nem érhető el.

A lineáris erősítő torzításának hatása

A torzítások hatása egy példán keresztül érzékelhető. Ha az egyoldalsávos jelet egy 7000-7003 kHz áteresztőtartományú szűrővel állítottuk elő, és két jellel, 1 illetve 2 kHz-el moduláljuk, akkor a szűrő kimenetén megjelenik 7001 és 7002 kHz-es jel. Az erősítő anódáramának lefolyása egy szinuszjel pozitív félperiódusához hasonló, míg a vezérlés negatív félperiódusa alatt nincs anódáram. Az anódáram nem szinuszos, tehát harmonikusokat tartalmaz. A harmonikusok frekvenciája 14002, 14004, 21003, 21006 stb kHz. Ezeket a harmonikusokat az anodköri 7 MHz-re hangolt rezgőkör hatásosan csillapitja. A nem lineáris karakterisztika miatt, a harmonikusok keresztmodulációja során azonban más frekvenciájú jelek is keletkeznek, de vizsgáljunk csak a második és harmadik harmonikusok hatásából néhányat:

14002-7002=7000 kHz –ez az SSB szűrő és a modulátor által elnyomott frekvencia, amit nem állt szándékunkban kisugározni, de az anódköri rezgőkőr nem csillapítja.

21003-14004=6999kHz –ez az elnyomott oldalsávba eső frekvencia, és az anódköri rezgőkőr ezt sem csillapítja.

21006-14002=7004 kHz –ilyen összetevő nem szerepelt a kisugárzott jelben, és az anódköri rezgőkör ezt sem csillapitja.

A példa két szinuszos modulálójel esetét vizsgálja. Ilyen állapotot kéthang generátorral lehet szimulálni. A valóságos helyzet ennél sokkal rosszabb, mivel a beszédhang sokkal több harmonikusból áll. Igy az üzemi csatornában dúsul a spektrum az eredeti hangban nem szereplő spektrális összetevőkkel, de az üzemi csatornán kívüli összetevök is megjelennek, például az elnyomott oldalsávhoz tartozó tartományban. Az ilyen beállítású adóra mondják a hallgatói, hogy fröcsköl. Az adó üzemeltetője meg azt mondja, hogy rossz a vevő állomás szűrője. Könnyű eldönteni melyik állítás igaz.

A nonlinearitás főleg két esetben jelentkezik. A csőkarakterisztika nyitó szakaszán, amikor kicsi a kivezérlés, és a túl nagy kivezérlések esetén, amikor a tápfeszültség korlátozza a kimenőjel további növekedését. Az első esetben a munkapont precíz beállítása, a második esetben az ALC helyes beállítása hozhat megoldást. (Vagy a meghajtás más módon történő korlátozása.) Sok amatőr azt gondolja, hogy amikor a meghajtást csökkenti, javul a linearitás. Ennek természetesen az ellenkezője igaz. A linearitás az optimális teljesimény esetén a legjobb.

Lineáris erősítő torzításának vizsgálata

A lineáris erősítő linearitását úgy lehet vizsgálni, hogy a kivezérlést a nulla és maximális érték között ciklikusan kell változtatni, és ennek során az erősítés nem változhat. Az ilyen erősítő torzítatlanul közvetíti a hangot. Ezt a vezérlést kéthang generátorral lehet elvégezni.

A kéthang generátor két szinuszos lefutású jelet állít elő, melyek pontosan azonos amplitudójúak. Ilyet bárki készíthet, ez két egytranzisztoros oszcillátor, melyek kimeneti feszültsége trimmerpotméterrel azonos amplitudójúra állítható. A két azonos amplitúdójú jel közös ellenálláson összegződik. Ha ezzel a két jellel egyszerre vezéreljük a modulátort, akkor a két hang együttes hatása miatt a végfok kimeneti feszültsége a nulla és maximális teljesitmény között fog változni a két hang lebegése miatt. A kimenőjel burkolójának lefutása pontosan megfelel egy szinuszjelnek, (szemüvegábra) és oszcilloszkópon megfigyelhető. Az emberi szem 1% torzítást még észtevesz egy szinuszjelen, az általánosan használt oszcilloszkópok képernyőjének méretei mellett. A linearitás akkor jó, ha a burkoló nem tér el a szinusztól. Az eltérés két esetben feltűnő.

Ha a végfok nyugalmi árama kicsi, akkor ugynevezett keresztezési torzítás figyelhető meg a burkolón. Ekkor az időtengelyen vízszintes csík jelenik meg a nulla körüli feszültségeknél. A nyugalmi áram növelésével ez a vizszintes csík egy ponttá csökkenthető. Egy földelt katódú kapcsolás esetén ez a maximális áram harmadrésze- fele körül alakul ki. Ez meglehetősen rossz hatásfokot jelent. Földelt rácsú kapcsolásoknál a nyugalmi áram akár huszad része is lehet a maximális áramnak, miközben elfogadható a linearitás.

A túlzott meghajtás abból látszik, hogy a burkoló szinusz csúcsai ellaposodnak, legömbölyödnek. Ez csak jól beállított ALC-vel, vagy a meghajtóteljesítmény más módon történő korlátozásával védhető ki. De az anódfeszültség növelése is segít, legalábbis átmenetileg - HI.

Ha a burkoló pozitív és negatív oldalának lefutása nem egyezik, akkor a cső nem az optimális terhelésre dolgozik. Ez segédrácsfeszültség vagy anódfeszültség megváltoztatásával korrigálható.

Látható, hogy a vizsgálathoz oszcilloszkóp szükséges. A szemüvegábra gyors elemzésekhez alkalmasabb. De a vizszintes lemezpárra adva a meghajtójelet, a függőlegesre pedig az egyenirányított és szűrt burkolót, egy 45 fokos egyenes fog látszani a képernyőn, ha lineáris az erősítő. A görbe, kanyarodó végű ferde vonal azt jelzi, hogy a lineárunk még nincs kész.

Ha a szkópunk fűggőleges erősítője nem viszi át a vivőt, gondoljunk arra, hogy a vizsgált jel elég nagy ahhoz, hogy közvetlenül a függőleges eltérítő lemezekre is kapcsolhatjuk, esetleg csatolt rezgőkör segitségével. Igy akár 2m-es végfokokat is vizsgálhatunk linearitásra.

Ha a vizsgálatot egy moduláló frekvenciával végezzük, a nagyfrekvenciás jel lefutása mindig szinuszos, ezért ezzel lineáris torzítás nem kiértékelhető. A riportok alapján megállapított torzításmentes működés még tájékoztató információnak sem elfogadható.