Ключевой генератор класса е при пониженной нагруженной добротности фильтрующего контура Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ключевой генератор класса Е при пониженной нагруженной добротности фильтрующего контура

Васильев А.В., Козырев В.Б., МТУСИ

Введение

В радиопередающих устройствах остро стоит вопрос получения с электронных приборов, в частности, с транзисторов, максимальной радиочастотной мощности при наибольшем КПД и на как можно более высоких частотах. Этого можно добиваться разными способами, одним и наиболее перспективным является использование ключевого режима работы транзисторов класса Е. Только в генераторах данного класса выходная емкость транзистора Свьх не является паразитной, а входит в состав емкости формирующего контура Сфор. При этом на предельно высоких частотах она полностью выполняет ее роль.

Формирующий контур, на этапе, когда транзистор находится в закрытом состоянии, обеспечивает такой колебательный процесс, при котором удовлетворяются два требования оптимального режима. К моменту включения транзистора на его выходных электродах напряжение и его производная должны быть равны нулю [1]

Єкл О) = 0

О)

ж

= 0.

(1)

(2)

Известно [2], что среди полосовых фильтров (ПФ) наименьшие потери на центральной частоте Ю0 обеспечивает, так называемый, равноэлементный фильтр. Он представляет собой лестничное соединение последовательных в продольных ветвях и параллельных в поперечных ветвях контуров, настроенных на рабочую частоту Юо и имеющих одинаковые нагруженные добротности

о = о = о. ,

я-'Нпосп ¿-■нпар ¿-ні *

(3)

где I = 1. . . т, днпоа = р/Ян, 0Нпар = Ц /р , р — характеристическое сопротивление контуров.

Оптимальное число контуров определяется только заданной фильтрацией на частоте вне полосы пропускания

(4)

где Оф — уровень фильтрации в децибелах.

Это следует из того, что в первом приближении, степень фильтрации, которую обеспечивает многозвенная фильтрующая цепь, на частоте расположенной достаточно далеко от полосы пропускания, пропорциональна произведению их нагруженных добротностей

ф ~ П Оні = от

(5)

При выполнении (1) к моменту замыкания эквивалентного ключа, которым представляют транзистор, напряжение на Сфор равно нулю. Поэтому отсутствуют коммутативные потери, обусловленные разрядом напряжения на этой емкости на сопротивлении открытого транзистора. Условие (2) соответствует равенству нулю тока в емкости Сфор в момент замыкания ключа и значит, ток ключа начинается с нуля, а не с отрицательного или положительного скачка. При этом, как показывает анализ, относительные потери в транзисторе в открытом состоянии оказываются наименьшими.

Для обеспечения (1) и (2) формирующий контур должен быть настроен на частоту в ~1,5 раза выше рабочей и иметь нагруженную добротность порядка единицы. При этом в сопротивлении нагрузки 1^н выделяется не только мощность основной частоты, но и высших гармоник, доля которых достигает 10...20%. Добиться гармонического напряжения (тока) в 1^н , т.е. снизить уровень высших гармоник до нуля, можно установкой между формирующим контуром и дополнительного фильтрующего контура. В частности, этот контур может быть настроен на рабочую частоту Юо и иметь высокую нагруженную добротность <Зн . При <Зн > 10 контур будет обеспечивать близкое к гармоническому напряжение (ток) в 1^н . Но при этом, поскольку добротность катушки индуктивности практически не превышает 100...200, то диссипативные потери в таком контуре будут достигать 10...5%. Они могут быть не только соизмеримыми с потерями в транзисторе, но и заметно превышать их. Это в первую очередь касается генераторов, выполненных на полевых транзисторах, у которых сопротивление в открытом состоянии может составлять доли Ом.

а относительные диссипативные потери во всех контурах на центральной частоте Юо, определяются суммой их нагруженных добротностей:

уОні=тОі

(6)

Вторые записи в (5) и (6) представлены при условии равенства нагруженных <Зн и ненагруженных Охх всех контуров. При т = топт оказывается, что нагруженные добротности всех контуров много меньше 10. А это значит, что при использовании таких фильтров в генераторах класса Е в первом звене — последовательном С контуре — не будет обеспечиваться гармонический ток, а если это параллельный С контур, то на нем не будет гармонического напряжения. Поэтому в схемах генераторов класса Е не будет сохраняться расчетный оптимальный режим.

В работе был проведен анализ одной из схем ключевого генератора класса Е с параллельным формирующим и последовательным фильтрующим контурами. Были найдены значения С элементов формирующего контура и остальные параметры ключевого генератора, при котором в схеме при данном значении Он первого фильтрующего контура обеспечивается оптимальный ключевой режим работы транзистора.

Аналитический расчет схемы

На рис.2 приведена эквивалентная схема исследуемого генератора, в которой транзистор заменен ключом [3]. Ток когда ключ

і=1

Рис. 1. Схема ключевого генератора класса Е

РИс. 2. Эквивалентная схема исследуемого генератора

замкнут, и напряжение екл((), когда ключ разомкнут, можно предста- где ^ — время замыкания ключа, 2 — время размыкания ключа, а

вить в виде суммы четырех составляющих, каждое из которых обус- Т— период колебаний.

ловлено действием следующих факторов: — напряжением питания Епит

Для аналитического определения параметров элементов в схеме на рис.1, при которых устанавливался бы оптимальный режим

— током в индуктивности ¿пар, в момент замыкания и размыка- работы, необходимо составить систему транцендентных уравнений, ния ключа; содержащую выражения для і (А и е (А задавшись условиями (1),

- током в индуктивности 1^, в момент замыкания и размыкания (2). Полученную систему уравнений можно решить относительно

пе-

ключа; ременных С, I. и ^ численными методами, воспользовавшись специ— гармоническим напряжением ин(1) = 1/н$1п(ю() на нагрузочном альными средствами из пакета Mаthcаd 13. Листинг самой програм-

мы решения здесь не приведен ввиду его значительных размеров.

В табл.1 представлены нормированные величины элементов

сопротивлении Кн.

При дальнейшем анализе эквивалентная схема упрощается для каждого исследуемого воздействия, и, рассматривая упрощенную формирующего контура £пар, Спар в зависимости от нагруженной

эквивалентную схему на этапе открытого и закрытого состояний добротности фильтрующего контура 1^, Сф1 при которых в схеме

ключа, находим значения токов и напряжений. Приведем конечные на рис.1 устанавливается оптимальный режим работы транзистора.

выражения для е^) и ікл(() :

Ток ключа:

• (t) E с ■( Л i En Cnap °

К (0 = EnÑnap—s m (a t)+ р

a2t„

[cos(at2)-COS(a(T +11))] + ^ ! b-(a2-®22cos(bt))-

sin (b(T +11))-sin (bt2) af [sin (b(T +11))-sin (bt2 )]

btsaK Ь t3aK

x(cos(®11) - cos(® t) )

Напряжение на ключе:

. . E„ 0)¡

Є (t) = ^T^

+ han 2 COs (03 t2 ) + 4нач +

Uí a

L 1(a -a)

cos (at2)-cos (at)+ (t -12)

[cos(at2) - cos (a(T +11) )]

с

b (b(t -t2)

+ (sin(b t) - sin(b t2))

(t t2 )

sin (b (T +11))-sin (bt2) a12 [sin (b (T +11))-sin (bt2 )]

bit

b31

x

x* cos (a312 )(t -12))+

Cn

-(t - 12)

Uí aa2

(a2 - a2)

— (sin(a t) -sin(a t2) )+ — (sin(ft>t2) -sin(®t) ) a a

где

01 =

1 1 1 _ l

¡-------? 02 I-5 a3 I 5a Vі

^LmC01 Cap JhapCap ^

= \02+a32,

Ua

Lm(a2 -a2)

a

a

cos(a t2) sin(at2) -sin(a1t1)

2 a t

1 отк

a

a

cos(at2) + sin(at2) -sin(at1)

2 a t

1 отк

ua a2 ^ sin (a3 (T +11)) - sin(a3t2)N a32 ґ sin (a(T +11))-sin(at2) ^

2Lm(a2 -o1) a32 v 03 t¡ax ^ a2 4 °L J_

t = t2 -1., t = T +1. -12

отк 2 1? 3aK 1 2

кл 4ía4

Таблица 1

Результаты аналитического расчета

& г но/ги г,, град

10 0.681 0.730 15°25

8 0.691 0.765 14°32

5 0.693 0.791 15°4 Г

2 0.701 0,832 15°30

1 0.709 0.875 15°40

0.5 0.714 0.893 15°26

Необходимо отметить, что величины 1норми Снорм для совпали с результатами, полученными в работе [4].

Как показывают расчеты, полосовые фильтры с равноколебательной АЧХ в полосе пропускания (фильтры Чебышева) при неравномерности не более 0,1 дБ по диссипативным потерям на центральной частоте полосы пропускания крайне незначительно уступа-

ют равноколебательному [2]. Поэтому в качестве фильтрующих цепей данных генераторов целесообразно их применение. Они проектируются на неравномерность в полосе пропускания не более 0,1 дБ и на требуемое затухание Оф на частоте, расположенной достаточно далеко вне полосы пропускания при числе звеньев т ~ 0,11 Оф. После его расчета определяют нагруженную добротность контура первого звена, ее значение является критерием для расчета оптимальных величин С элементов формирующего контура и всех остальных характеристик ключевого генератора.

Литература

1. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме / Под ред. И.А. Попова. — М.: Радио и Связь. 1985. — 192 с.

2. Козырев В.Б. Полосовые фильтры с минимальными потерями на центральной частоте//Радиотехника. — 1970. — № 8. — Т.25. — С. 88-95.

3. Козырев В.Б. Однотактный ключевой генератор с фильтрующим контуром// Сб."Полупроводниковые приборы в технике электросвязи". — М.: Связь, 1971. — Вып. 8. — С.152-166.

4. Царьков А.Г. Исследование транзисторных ключевых генераторов с формирующим контуром (генераторов класса Е) в оптимальном режиме. Магистерская диссертация. — М.:, МТУСИ, 2004.