В. Днищенко - 500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями

η= P 1/ P 0= P 1/( P 1+ P к) (3.1)

где Р 1— номинальная выходная мощность передатчика;

Р 0— мощность, потребляемая от источника питания;

Р к— мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора.

Упрощенная схема выходного каскада в общем случае имеет вид, изображенный на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Принципиальная схема выходного (буферного) каскада

Принцип действия

Выходные каскады в передатчиках могут работать в одном из трех режимов усиления: режиме класса А; режиме класса В; режиме класса С. Рассмотрим их последовательно.

Режим класса А характеризуется тем, что коллекторный ток транзистора выходного каскада протекает в течение всего периода колебаний усиливаемого сигнала (рис. 3.13). Для этой цели на базу транзистора с помощью делителя R1R2 подается такое напряжение смещения, при котором, в отсутствие входного сигнала, ток коллектора ( I 0) был бы равен максимальной амплитуде коллекторного тока при наличии входного сигнала ( I 1). Исходное положение транзистора при отсутствии входного сигнала называется рабочей точкой (РТ).

На рис. 3.13, а изображено семейство идеализированных выходных характеристик транзистора, представляющих собой зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе, для различных токов базы. Наклонная линия на графике представляет собой динамическую нагрузочную прямую, отражающую зависимость тока через нагрузку усилителя (колебательный контур) от напряжения на контуре.

Рис. 3.13. Режим класса А

Очевидно, что напряжение на коллекторе в любой момент времени равно алгебраической (с учетом знаков) сумме напряжения источника питания ( U п) и текущего напряжения на контуре Наклон динамической характеристики определяется величиной сопротивления нагрузки ( R н) по переменному току. Положение рабочей точки соответствует начальному току I 0. Очевидно мощность, отбираемая от источника, определится выражением:

P 0= U п∙ I 0 (3.2)

При подаче на вход синусоидального напряжения (рис. 3.13, б ), коллекторный ток также будет меняться по синусоидальном) закону с амплитудой I 1(рис. 3.13, в ). Поскольку нагрузочный контур настраивается в резонанс с входным сигналом, сопротивление его носит чисто активный характер и амплитуда напряжения на контуре определится выражением U= I∙ R н. Очевидно, можно подобрать такую амплитуду входного сигнала, чтобы амплитуда коллекторного тока имела максимально возможное значение, при котором еще не наступают искажения формы тока.

В рассматриваемом случае эта амплитуда должна быть равна I 1= I 0. Соответствующая амплитуда напряжения на контуре будет равна U m(рис. 3.13, б ). Отметим, что мощность, отбираемая от источника питания за один период колебания, по-прежнему определится выражением (3.2), так как значение постоянной составляющей коллекторного тока в течение периода остается неизменным.

Мощность усиленного сигнала синусоидальной формы определяется произведением действующих значений тока и напряжения на нагрузке:

В формуле (3.3) учтено, что максимальное напряжение на контуре U mделается обычно практически равным напряжению источника питания U п.

Подставляя правые части (3.3) и (3.2) в формулу (3.1), получим η = 0,5. Таким образом, максимально достижимый КПД в режиме класса А не может превышать 50 % даже в идеальном случае.

Режим класса В иллюстрируется графиками на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Режим класса В

В исходном состоянии напряжение смещения на базу транзистора не подается, для чего из схемы исключается резистор R1 (рис. 3.12). Коллекторный ток при этом равен нулю, и рабочая точка находится на оси коллекторных напряжений (рис. 3.14, а ). Сопротивление нагрузки, по сравнению с предыдущим случаем, должно быть в два раза меньше, из-за чего динамическая характеристика на графиках имеет больший угол наклона. Теперь коллекторный ток будет протекать только во время положительных полуволн входного напряжения и представляет собой синусоидальные импульсы с углом отсечки 90° (сплошная кривая на рис. 3.14, в ). Напомним, что углом отсечки ( θ ) называется половина части периода, в течение которой протекает ток. Период синусоиды, как известно, равен 360°.

Синусоидальные импульсы тока, воздействуя на резонансный контур, вызывают в нем, по-прежнему, синусоидальные колебания (см. напряжение на контуре на рис. 3.14, б ). Здесь уместно сравнить колебательный контур с его механическим аналогом — маятником. Для того чтобы маятник совершал синусоидальные колебания, достаточно его подталкивать один раз за период в такт с совершаемыми колебаниями. Роль таких «толчков» в колебательном контуре играют синусоидальные импульсы.

Из курса радиотехники известно, что синусоидальные импульсы можно разложить в ряд Фурье, т. е. представить в виде суммы постоянной составляющей I 0, гармонического колебания с амплитудой I 1на частоте воздействующего сигнала, гармонического колебания с амплитудой I 2на удвоенной частоте и т. д. до бесконечности. Эти колебания называются спектральными составляющими (гармониками) импульсов, и их амплитуды уменьшаются с увеличением частоты гармоник. Поскольку колебательный контур настроен на частоту входного сигнала, то падение напряжения на нем будет создавать только первая гармоника с амплитудой I 1.

Для остальных гармоник контур имеет сопротивление, практически равное нулю. Амплитуды всех гармоник тока зависят от амплитуды синусоидального импульса I m, его угла отсечки и легко вычисляются. Более того, для постоянной составляющей и нескольких первых гармоник существуют графики зависимостей коэффициентов этих гармоник ( α n) от угла отсечки. Называются они графиками Берга и для первых трех составляющих приведены на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Графики Берга

Определим максимально достижимый КПД для режима В. Постоянная составляющая коллекторного тока теперь будет протекать только при наличии входного сигнала, и ее значение определится по формуле I 0= I m∙ α 0. Коэффициент α 0, как это видно из графиков, равен 0,319. Амплитуда первой гармоники тока, создающая на контуре синусоидальное напряжение амплитудой U m, вычисляется по формуле I 1= I m∙ α 1. По графикам определяем α 1=0,5. Очевидно, что амплитуда первой гармоники такая же, как в режиме класса А. Мощность полезного сигнала можно теперь записать в виде Р 1 ~= U n∙ I 1/2 = U n∙0,5∙ I m/2.