Транзисторный усилитель мощности

Кпд повышается за счет 3-ей гармоники, что не реально в одном усилителе. Предложено использовать дополнительно утроитель частоты, подключенный параллельно усилителю, причем, вход его подключается ко входу усилителя через трансформатор, с помощью которого подбирается фаза третьей гармоники.

Кпд такого реального усилителя на 11% выше кпд усилителя, работающего в критическом режиме.

Данная полезная модель (ПМ) относится к области радиопередающих устройств.

Известны усилители мощности с повышенным кпд за счет третьей гармоники, которые описаны в ряде источников, например в:

1. Радиопередающие устройства. Под ред. Г.А.Зейтленка. - М.: Связь, 1969 - С.52-53.

2. И.Н.Фомичев. Новый способ повышения кпд и увеличения мощности передатчиков // Электросвязь 6, 1938.

По технической сущности наиболее близким к полезной модели (ПМ) является усилитель мощности, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за ее прототип. Во втором источнике описан аналог ПМ.

Прототип состоит из усилителя мощности, работающего в режиме колебаний 2-го рода. Нагрузкой усилителя являются два последовательно включенных контура, один из которых настроен на первую, а второй - на третью гармонику входного сигнала. При отношении напряжения на контуре третьей гармоники U_к3 к напряжению на контуре первой гармоники U_к1, равным , теоретически обеспечивается кпд коллекторной цепи _к=0,8-0,85 вместо обычного 0,7 в критическом режиме.

Однако для этого необходимо, чтобы ток 3-ей гармоники был отрицательным: I_к3=₃·I_км<0, где ₃ - функция Берга, а I_к3 - максимальный уровень импульса коллекторного тока. Этому условию соответствует ₃<0, что имеет место при угле отсечки >90° входного сигнала. Однако в этом случае выигрыш в кпд практически отсутствует в критическом режиме, обеспечивающем максимум выходной мощности.

Основным недостатком прототипа является нереализуемость в нем повышения кпд за счет введения третьей гармоники.

Техническим результатом ПМ является реальное повышение кпд усилителя мощности передатчика на 10-15% в критическом режиме за счет введения утроителя частоты, подключенного параллельно усилителю.

Сущность ПМ состоит в том, что в известный транзисторный усилитель мощности, содержащий в коллекторной цепи в качестве нагрузки два последовательно включенных колебательных контура, один из которых настроен на третью, а второй - на первую гармонику входного сигнала, дополнительно введен трансформатор, транзисторный утроитель частоты, вход которого соединен со входом усилителя через трансформатор, а выход - с выходом усилителя непосредственно.

Существенным отличием ПМ является введенные утроитель частоты и трансформатор, а также их связи.

ПМ иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема полезной модели (ПМ), а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие ее работу. ПМ состоит из усилителя мощности и введенных трансформатора и утроителя частоты, обведенных пунктиром.

Усилитель выполнен на транзисторе VT1 с общим эмиттером, а утроитель частоты на транзисторе VT3 тоже с общим эмиттером, общей нагрузкой которых является последовательно включенные колебательные контура L _к3C_к3 и L_к1C_к1. Верхний контур настроен на 3-ю гармонику, а нижний - на первую. Питание обоих каскадов - параллельное и базовое смещение - тоже параллельное. Вход утроителя соединен со входом усилителя мощности через трансформатор.

По сути оба каскада соединены между собой параллельно, когда их мощности складываются.

Работа схемы происходит следующим образом.

Входной сигнал U_вх (t)=U·cos t поступает на базу усилителя мощности непосредственно и на базу утроителя частоты через трансформатор Тр. В усилителе угол отсечки может быть различным. Для конкретизации возьмем ₁=90°, которому соответствуют функции Берга ₀=0,32; ₁=0,5; ₂=0,212; ₃=0.

В утроителе угол отсечки , когда cos40°=0,766; ₀=0,147; ₁=0,28; ₃=0,183=max, задается напряжением Е_б с помощью потенциометра R_n, к средней точке которого подключена база транзистора через вторичную обмотку трансформатора Тр. Эта обмотка позволяет получить отрицательное значение ₃. Под действием входного напряжения в коллекторных цепях усилителя и утроителя потекут коллекторные токи, первые гармоники которых создают на контуре, настроенном на первую гармонику, суммарное напряжение

U_k1=U_к11+U_к13=U_к11R _к1+I_к13R_к1,

где R _к1 - резонансное сопротивление контура, настроенного на первую гармонику.

Коллекторный ток третьей гармоники I_к33 утроителя на контуре, настроенном на данную гармонику, создаст напряжение U_к33=I_к33R_к3. .Отношение напряжений

Будем считать, что R_к1=R _к3, тогда

Но I_км1>I_км3, поскольку ₁>₃.

Поэтому выразим эти токи через амплитуду косинусоиды I:

I_км=S _кU_б(1-cos)=I(1-cos) (1)

где S_к - крутизна проходной характеристики транзистора, a U_б - амплитуда косинусоиды на базе транзистора. Тогда

Для получения оптимального значения надо увеличить коллекторный ток утроителя в , отчего увеличатся в это же число раз и функции Берга ₀, ₁, ₃. Максимальный импульс коллекторного тока (1) пропорционален напряжению на базе U_б и поэтому увеличить ток можно путем повышения напряжения U_б в заданное число раз по отношению к напряжению на базе усилителя. Введенный трансформатор осуществляет такое повышение напряжения U_б .

В этом случае не меняя напряженности режима усилителя мощности, т.е. его критического режима, можно увеличить в 1.15÷1,3 раза амплитуду первой гармоники напряжения U _к1 (фиг.2) и получить кпд 80÷85% вместо 70%.

В силу малого угла отсечки введенный утроитель потребляет значительно меньшую мощность от источника Е_к, чем усилитель. Кроме того, он и отдает соответствующую полезную мощность. Поэтому повлиять существенно на кпд всего устройства он не может.

Точные расчеты показывают, что при увеличении в 3 раза напряжения на базе утроителя и увеличении первой гармоники U_к1 в 1,3 раза кпд коллекторной цепи всего устройства _к=0,82, что превышает обычный кпд усилителя в критическом режиме 0,7 на 12%.

Это и есть технико-экономический эффект ПМ.

Транзисторный усилитель мощности, содержащий в коллекторной цепи в качестве нагрузки два последовательно включенных колебательных контура, один из которых настроен на третью, а другой - на первую гармонику входного сигнала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены трансформатор и транзисторный утроитель частоты, вход которого соединен со входом усилителя через трансформатор, а выход - с выходом усилителя непосредственно.