Szerkesztő:HA5KJ

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. A szükséges erősítés eléréséhez többnyire két-három fokozat szükséges. 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) 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:

P= Pa η over(1-η)

Ahol P a leadott teljesítmény, Pa a csőre megengedhető anódteljesítmény, η a hatásfok. Például ha Pa= 40 W ( GU50 ) és a hatásfok 0.25, akkor az erősítő által leadott teljesítmény :

P=40 0.25/(1-0.25)= 13.3W

Ha a hatásfok 0.75 ( B osztályú erősítő ) akkor a leadott teljesítmény

P=400.75/(1-0.75)=120W

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 =90 %. Az ilyen erősítő elméleti hatásfoka π/4 vagyis 78.5 %. Gyakorlatban 60-70 % hatásfok érhető el.

A C osztályú beállítás a táviró 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 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 végfokozatok kimenő körének méretezése.

A linearitás szempontjából rendkívül fontos az anódköri impedancia. A csöves lineáris végfokozatok anódkörében rezgőkör helyezkedik el, amely csatolásban van az antennával, illetve az antennához vezető tápvonallal. Ha a csatolás laza, akkor a rezgőkör nagy impedanciát képvisel, igy nem tud kialakulni az üzemi frekvenciának megfelelő, nagy anódáram. A nemlinearis torzítás igy egészen kis meghajtás esetén is jelentkezik. A túl szoros csatolás esetén kicsi lesz az anódköri impedancia, ezért a bevezetett teljesítmény jelentősebb része fog a csövön disszipálódni. Az optimális csatolás beállítása az amatőr gyakorlatban a Collins körrel történik. A kör elemeinek értékét kísérletezéssel, vagy ilyen módon kapott értékek alapján készült publikációkból állapítja meg sok rádióamatőr konstruktőr.

A következő példán bemutatott módszerrel pillanatok alatt meghatározhatók az adó kimeneti szűrőihez tartozó elemek értékei, 50 Ohmos terhelés esetére.

Végcső: 2 db GU50, párhuzamos kapcsolásban. Tápfeszültség 1000V. A maximális anódáram 240 mA. Keressük C1, az anódoldali kapacitás, C2 az antenna oldali kapacitás és L a Collins tekercs induktivitás értékét az amatőrsávokon.

A járulékos kapacitások és induktivitások, mint például a cső kimeneti kapacitása, szerelési kapacitások , vezetékek induktivitása és a tekercs saját kapacitása, az anódoldali forgókondenzátorral kiegyenlíthető. A megoldás a következő lépésekből áll:

  1.

     Döntsük el, milyen jósági tényezőjű szűrőt választunk. A nagyobb jósági tényezőjű szürő hatékonyabban nyomja el az üzemi frekvenciától eltérő frekvenciájú jeleket, de nagyobb lesz a vesztesége is. A szokásos értékek  10-15 körül vannak. Célszerű 12-es jósági tényezőt választani, ha nem indokolt az ettől való eltérés.
  2.

     Határozzuk meg számítással a tápfeszültség és  a maximális teljesítményhez tartozó anódáram hányadosát.

Ea/Ia=1000/240=4.16

  1.

     Az 1 ábrán látható diagram vizszintes tengelyén keressük meg a 2 pontban kiszámított viszonyt. (4.16). Az Ea/Ia viszonyra adódott értéken keresztül húzzunk egy függőleges vonalat. 4.16-nál. A vonal metszi a Q=12 egyenest. A metszési pontot vetitsük a függőleges tengelyre, és olvassuk le az X ellenállást.  210 Ohm körüli érték adódik. Ez lesz az anódköri rezgőkör kapacitásának vagy induktivitásának reaktanciája.  A rezgőkör kapacitív és induktív reaktanciája  megegyezik a rezonanciafrekvencián.  

     A Collins körben a kapacitás C1 anódoldali és C2 antenna oldali soros kapcsolásának eredője.  Xc tehát Xc1 és Xc2 összege. Xc1 és Xc2 minden sávon ugyanakkora. A kettő aránya is megegyezik. A 2-ik és 3-ik ábrán látható nomogramból hasonló módon leolvasható Xc1 és Xc2 értéke.  Xc1 értéke a 2.ábrából esetünkben kb 175 Ohm. Xc2 ellenállására 38 Ohm körüli érték olvasható le. Az első ábrából leolvasott reaktancia – a tekercs reaktanciája megyegyezik a két kondenzátorra kapott reaktanciák összegével. Valóban, 175+38 közelítőleg 210 Ohm.  A megállapított reaktancia értékekhez a 4. ábra alapján olvashatók le a sávonkénti induktivitás és kapacitás értékek. Az eljárás itt is hasonló.  Most a kívánt reaktanciát kell megkeresni a viszszintes tengelyen. Erre a pontra állítsunk függőleges vonalat. A sávonként adódó kapacitás a nomogram bal oldalán, az induktivitás a jobb oldalán olvasható le. Példánkban Xl=210 Ohm. A nomogramból leolvasva rendre 11, 5, 2.4, 1.7 és 1  H adódik a 80, 40, 20, 15 illetve 10 méteres sávra. Mivel Xc1=175 Ohm, a kapacitások 220,  110,  56, 38 és 33 pF értékűek. Az antenna oldali Xc2  38 Ohm körüli. A kondenzátorok ennek megfelelően 1200, 560, 270,  180 és 130 pF kapacitásúak. Mivel az antenna, kábel vagy műterhelés egyaránt 50 Ohm, a kimeneten nem szükséges forgó kondenzátor. A számítási, leolvasási hibák, szerelési és egyéb kapacitások az anódoldali forgókondenzátorral korrigálhatók. A rádióamatőr gyakorlatban a Collins kör tekercse gyakran két részből áll.  A két tekercs közötti csatolás elkerüléséhez  a tengelyeket egymásra merőlegesen kell megválasztani. Néhány esetben rendelkezésre áll katalógusadat egy-egy végcső optimális terhelőellenállására vonatkozóan. Az itt leírt módszer ez esetben is használható, mivel a cső optimális terhelőellenállása az anódköri rezgőkör jósági tényezőjének és a rezgőkör kapacitív vagy induktív reaktanciájának szorzata. A reaktancia tehát meghatározható a jósági tényező felvétele és az optimális terhelőellenállás értékéből. Ezután a nomogramokról leolvashatóak az értékek.

2006 febr 4 HA5KJ

Rezonáns teljesítményerősítők

A terhelés jellegének hatása a működésre.

Az erősítő bemenetére Eg előfeszültség és Ugcosωt nagyfrekvenciás meghajtófeszültség kapcsolódik. A kivezérlés pillanatnyi értéke :

u=Eg+Ug cos ωt

Ha a cső beállítása A osztályú és a csö kivezérlése a rácsfeszültség anódáram karakterisztika lineáris szakaszára korlátozódik, akkor a csövön folyó áram:

i=Idc+Icos ωt

-itt i az anódváltakozó áram pillanatnyi értéke, Idc az egyenáramu komponens, I pedig az alapharmonikus csúcsértéke.

Az anódáram két összetevőből áll. Az Idc egyenáramú komponensből és egy váltóáramú komponensből. Ha az anód körben elhelyezett Za ellenállás tiszta aktiv ellenállás, (Za=Ra) akkor a cső anódján keletkező feszültség:

u=Ea-iRa=(Ea-IdcRa)-Ua

-itt u az anódváltakozó feszültség pillanatnyi, Ua pedig csúcsértéke.

Ez a feszültség is két összetevőből áll, Ea-IdcRa egyenfeszültségből, továbbá az

Ua=Ra Icos ωt váltófeszültségű komponensből.

A tápegységből kivett teljesítmény:

P=Idc Ea

Ez a teljesítmény három összetevőből áll. Válóáramú teljesítményből, mely megfelel a felerősített jelnek, ezért hasznos teljesítmény:

P sub 1=(I Ua) over 2 = I sup 2 Ra over 2

A P sub 2 = Idc sup 2 Ra teljesítmény szintén az anódellenálláson lép fel, de nem hordoz információt a felerősített jelre vonatkozóan, csak melegíti, ezért veszteség. Végül a Pa teljesítmény:

[Warning: formula ignored]

Amely az anódon lép fel, és melegíti a csövet. Ez is veszteség. Az erősítők hatásfokának a hasznos teljesítmény és a bevezetett teljesítmény viszonyát szokás nevezni. Eszerint:

η = P sub 1 over Pbe = (I Ua) over 2IdcEa = 0.5 I over Idc Ua over Ea

Ha az anódáramnak a vezérlőfeszültség lefutását kell követni torzítás nélkül, akkor I nem lehet nagyobb mint Idc. Ugyanígy Ua sem lehet nagyobb Ea felénél. Ekkor a hatásfok:

η = 0.5 I over Idc Ua over Ea = 0.5 cdot 1 cdot 0.5 = 0.25

Mint látható az A osztályú beállítás hatásfok szempontjából nem kedvező. Az is látszik, miként lehet a hatásfokot növelni. Ha az Idc kisebb lenne I-hoz képest, valamint az Ua nagyobb lehetne az Ea-hoz képest, akkor a hatásfok nőne. A teljesitmények eloszlásából kiindulva az is belátható, hogy az anódon fellépő teljesitményt kellene csökkenteni. Az anódáram egyenáramú komponense úgy csökkenthető, hogy a munkapontot balra toljuk a negativ előfeszités növelésével. Ez az anódáram lefolyását eltorzitja a vezérlő jelhez képest. A vezérlés pozitiv félperiódusaiban követi az anódáram változása a vezérlőjel alakját, de a negativ félperiódusok alatt a cső lezár, és az anódáram nulla lesz. Az anódáram impulzus jellegűvé válik. Az is mondható, hogy az anódáram periódikus marad, de nem szinuszos lefolyású. Pillanatnyi értékét a következő képlet irja le:

ia = I sub 0 + Ia sub 1 cos ωt+Ia sub 2 cos 2ωt +Ia sub 3 cos 3ωt+ ...Ia sub 1 sin ωt+ Ia sub 2 sin 2ωt+Ia sub 3 sin 3ωt+...

Mivel az anódáram formája szimmetrikus, vagyis ia(+ωt)=ia(-ωt) , a szinuszt tartalmazó tagok értéke nulla. Az anódáram gyakorlatilag a

ia=I sub 0+Ia sub 1 cos ωt + Ia sub 2 cos 2ωt+...=I sub 0+ sum from 1 to infty Ik cos kωt..

képlettel irható le. A kifejezés két részből áll. Egyenáramú összetevőből mely az anódáram közepes értéke a teljes periódusidőre, és harmonikusok összegéből, melyek frekvenciája az alapharmonikus egésszámú többszöröse. A cső anódján fellépő feszültség az anódellenállástól és a rajta átfolyó áramtól függ. Ha Za=Ra akkor:

e sub a=Ea-I sub 0 Ra - Ra sum from 1 to infty I sub ak cos kωt

Ha az anódkörben nagy induktivitásó tekercs és vele párhuzamos ellenállás van, továbbá Xa>>Ra , akkor az egyenáramú összetevőre Za nulla lesz. Ezért az anódon keletkező feszültség:

e sub a= Ea -Ra sum from 1 to infty I sub ak cos kωt

ez ugyanaz mint a korábban kapott kifejezés, csak hiányzik belőle a -IaRa tag. Ez azt jelenti, hogy a váltakozó feszültség ugyanakkora, de a tengelye most az Ea egyenes lesz. A feszültség pillanatnyi értéke tehát meghaladhatja a tápfeszültséget. Ennek az az oka, hogy amikor a cső le van zárva, az áram nem szakad meg a tekercsen, hanem az ellenálláson fog tovább folyni a tápegység felé, amig ezt a tekercsben tárolt energia lehetővé teszi.

Az olyan terhelés, melyben nincs aktiv ellenállás az egyenáramú összetevőre, kevesebb veszteséget okoz I sub 0 sup 2 Ra értékkel, igy a hatásfok javul.

Ha az anódkörben párhuzamos rezgőkör van, akkor annak ellenállása általában:

Za=((r sub 1+iX sub L)(r sub 2 -iX sub C)) over ( r sub 1+ r sub 2 +i(X sub L-X sub C))

ha r sub 1 << X sub L és r sub 2 << X sub C továbbá r sub 1+ r sub 2= r akkor

Za= (X sub L X sub C) over (r + i( X sub L - X sub C))

ha rezonancia van, akkor X sub L= X sub C=ρ

ekkor Z sub a= R sub oe = X sup 2 over r= ρ sup 2 over r = X sub L Q= X sub C Q

Vizsgáljuk meg Za értékét ha ω= 2ω,3ω,..kω

Behelyettesitve az induktiv illetve kapacitiv reaktanciába ω=kω-t, megkapjuk a reaktanciákat a harmonikusokon:

X sub L= kωL=kρ, X sub C= 1 over (kωC)=1 over k ρ

most az anódköri impedanciára alkalmazva:

Z sub a simeq (X sub L X sub C) over (i(X sub L -X sub C)) = -iρ k over ( k sup 2 -1)

k lehet nagyobb egynél. Ekkor Z sub a simeq X sub a kisebb mint nulla. Ez kapacitiv jelleget jelent. Ha k kisebb egynél, vagyis a reconancia alatti tartományban vagyunk, akkor Xa pozitiv. Vagyis az induktivitás dominál.

Felhasználva a kapott összefüggéseket könnyen meghatározhatók az anódon keletkező feszültségek az egyes harmonikusokra.

U sub a1 = I sub a1 Z sub a1 = I sub a1 ρ Q ; U sub a2 = I sub a2 ( -i 2 over 3 ρ)

Igy megállapitható az egyes harmonikusok aránya is:

lline U sub a2 over U sub a1 rline = I sub a2 over I sub a1 (2 over 3 ρ) over ρQ = I sub a2 over I sub a1 2 over 3 1 over Q

Feltételezve hogy I sub a2 simeq 0.5 I sub a1; Q=10 a második harmonikus aránya az alapharmonikushoz képest:

0.5 cdot 2 over 3 1 over 10 = 0.03 ami azt jelenti, hogy az anódon fellépő feszültség második harmonikusa csak 3 %-a az alapharmonikusnak. Ez rendkivül fontos eredmény:

A csöves végfokozat anódkörében elhelyezett elég nagy jósági tényezőjü rezgőkörön a feszültség nagyon jó közelitéssel szinuszos, függetlenül az anódáram formájától!

Ez fontos következtetésekhez vezet: -lehet 180 foknál kisebb folyási szög mellett vezérelni a végfokot, ami jó hatásfokhoz vezet. Az anódáram karakterisztikának olyan tartományát is lehet használni, ahol beindul a rácsáram, illetve ahol nagyon lecsökken az anódfeszültség. Ennek alapján az adócsövek azzal jellemezhetők, hogy lehet nemlineáris a karakterisztikájuk, továbbá lehet csökkenteni a meghajtófeszültséget mert nagy meredekségű jobbra tolódott karakterisztikájú csöveket lehet készíteni melyeknél a rácsáram is megengedett. A megnövekedett hatásfok miatt viszonylag alacsony anódveszteségű csővel is lehet nagy teljesítményt előállítani.

A teljesítményerősítők üzemmódjai és dinamikus karakterisztikája.

A cső anódköre rezgőkört tartalmaz. A cső által leadott teljesítmény az alapharmonikus teljesítményével egyenlő:

P sub ki approx P sub 1= U sub a1*I sub a1 over 2= U sub a*I sub a1 over 2

A tápegységből felvett teljesítmény:

P sub 0=E sub a*I sub a0

A két kifejezésből meghatározható a hatásfok:

η=P sub 1 over P sub 0 = (U sub a I sub a1) over (2E sub a I sub a0)= 0.5 U sub a over E sub a I sub a1 over I sub a0 = 0.5 ξ I sub a1 over I sub a0

A kapott képletben ξ az anódváltakozó feszültség csúcsértékének és a tápfeszültségnek a hányadosa, -anódfeszültség kihasználási tényező.

Az anódon fellépő teljesítmény:

P sub a= P sub 0-P sub 1

Ahhoz, hogy nagy kimenőteljesitmény legyen, az szükséges, hogy I sub a1 valamint U sub a nagy legyen. Ennek érdekében nagy -Eg-vel kell dolgozni. Ekkor az anódáram impulzus jellegűvé válik. Ennek az áramnak az alapharmonikusa annál nagyobb, minél nagyobb a maximális anódáram, de az áramimpulzus formájától is függ. Az áram alapharmonikusának, és az anódáram impulzus csúcsértékének hányadosát

I sub a1 over I sub am = α sub 1 -el jelölik, és az első harmonikus tényezőjének nevezik. A nagy teljesítményhez tehát az szükséges, hogy α sub 1 valamint I sub am nagy legyen, továbbá, hogy ξ is minél nagyobb legyen. A cső anódáram anódfeszültség karakterisztikáiból ismeretes, hogy a rácsfeszültség pozitiv csúcsai környékén, a cső nyitása miatt csökken az anódfeszültség. A lecsökkenő anódfeszültség és a meginduló rácsáram miatt az anódáram maximuma belapul, esetleg akár nullára is visszaeshet. A meghajtást csak addig érdemes fokozni, amig a maximálisan kialakuló anódáram nem kezd csökkenni. A meghajtásnak ilyen kiválasztását nevezik kritikus üzemnek. Ekkor ugyan az anódfeszültség kihasználásának nincs maximuma, de a kivehető teljesítmény ekkor maximális, miközben a csövön disszipálódó teljesítmény sem haladja meg a megengedett értéket. Az is bizonyítható, hogy a folyási szög változtatásával optimalizálható az erősítő működése. Az első harmonikus tényező 120 fok körüli, a második harmonikus tényezője 60 fok, a harmadik harmonikus tényezője 45 fok körüli folyási szög esetén ad maximumot az anódáram alap, második illetve harmadik harmonikusára az anódáram maximumhoz képest. Ez azt jelenti, hogy sokszorozó esetén csökkenteni kell a folyási szöget, és kritikus üzemmódig kell kivezérelni. Ekkor keletkezik legjobb hatásfokkal a második vagy harmadik harmonikus. Ilyenkor az anódkör természetesen a harmonikusra van hangolva. Hibás elképzelés, hogy a sokszorozót jól túl kell vezérelni, mert egy nyitásba vezérelt cső vagy tranzisztor váltóáramú szempontból rövidrezárja a rezgőkőrt. Igy abban semmilyen rezgés nem tud keletkezni ezalatt az idő alatt.