Последовательный резонансный инвертор

Упрощенная схема этого генератора и его эквивалентная схема представлены на рисунке 3.31.

Рисунок 3.31 – Последовательный резонансный инвертор

В эквивалентной схеме транзистор представлен идеальным ключом S , с сопротивлением насыщения транзистора - rнас.Емкость Со– выходная емкость транзистора и емкость диода.Волновая диаграмма коллекторного напряжения и тока «нижнего» по схеме транзистора представлена на рисунке 3.32.

Благодаря формированию на транзисторах напряжения в форме меандра и режиму насыщения, потери мощности в транзисторах минимальны. Импульс коллекторного тока представляет собой отрезок синусоиды и определяется переходным процессом в контуре. Для нормальной работы генератора каждый транзистор должен быть открыт ровно половину периода (угол отсечки θ=90˚).

Рисунок 3.32 – Волновая диаграмма последовательного

резонансного инвертора

Если транзисторы будут открыты одновременно (θ>90º), возникает «сквозной» ток, т.е. источник питания оказывается короткозамкнутым через два транзистора. Величина сквозного тока может быть очень большой, что приведет к перегрузке транзисторов и выходу их из строя. Если транзисторы будут открыты меньше половины периода (θ < 90º), то при запирании любого транзистора ток в индуктивности контура обрывается . Возникающая э.д.с. самоиндукции замкнет ток контура через второй транзистор, который переходит в опасный инверсный режим (ток протекает через прямо смещенный коллекторно-базовый переход). Для исключения инверсного режима параллельно каждому транзистору включаются «обратные» диоды, которые открываясь, замыкают контурный ток на себя. Аналогичная ситуация возникает и при расстройке контура, когда из-за фазового сдвига между током и напряжением запирание транзистора происходит при токе в контуре отличном от 0.

Ток в нагрузке генератора складывается из токов каждого транзистора и имеет чисто гармоническую форму.

Скачкообразная форма коллекторного напряжения в режиме класса «D» приводит к сильной зависимости энергетической эффективности ГВВ от частоты. Пока транзистор генератора находится в закрытом состоянии его паразитная емкость Со заряжается до напряжения источника питания Ек; после отпирания транзистора емкость разряжается на его внутреннее сопротивление (rнас). При этом в транзисторе выделяется мощность

Рк = 0,5(Со·Ек²·f) , которая приводит к дополнительным «коммутацион-

ным» потерям и снижению к.п.д.. Как следует из приведенной формулы коммутационные потери тем больше, чем больше паразитная емкость транзистора и рабочая частота f. Однако наиболее существенным фактором является напряжение источника питания. В связи с этим, ламповые схемы последовательного резонансного инвертора не находят практического применения. Из-за больших напряжений питания (до 10 – 15 кВ) высокий к.п.д. не удается получить уже на частотах 0,3 – 0,5 МГц.

У высокочастотных транзисторов напряжение питания обычно не превышает 20 – 40 В, поэтому они позволяют создавать эффективные ключевые генераторы на частотах до 100 МГц.

Замечательной особенностью последовательного резонансного инвертора являются не перекрывающиеся спектры высших гармоник меандра напряжения и «полусинусоиды» коллекторного тока ( рисунок 3.33).

В результате мощность высших гармоник в схеме генератора не выделяется, т.е. электронный к.п.д. совпадает с к.п.д. по первой гармонике.

Рисунок 3.33 – Спектры коллекторного напряжения и тока

Определим энергетические параметры последовательного резонансного инвертора.

Колебательная мощность в нагрузке

Поскольку в течение каждого полупериода ток коллектора последовательно обтекает rнаси R, электронный к.п.д. генератора определяется очевидным соотношением

Мощность потребляемая генератором

Соответственно мощность потерь на коллекторе одного транзистора

Полученные соотношения не учитывают коммутационные потери, обусловленные выходной емкостью Со, поэтому полная мощность потерь в транзисторе составит

(3.52)

Полная потребляемая генератором мощность

В результате для полного к.п.д. генератора получим

(3.53)

Поскольку в номинальном режиме транзистора rнас << R, на частотах ниже 100 МГц к.п.д. генератора может составлять до 90 – 95 %.

3.14.2 Генератор «с вилкой фильтров» на выходе

Генератор этого вида относится к классу ПНТ(рисунок 3.30в). Упрощенная схема генератора представлена на рисунке 3.34.

Рисунок 3.34 – Схема генератора с вилкой фильтров на выходе

Фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает в нагрузку ток первой гармоники. Высшие гармоники через фильтр верхних частот (ФВЧ) отводятся на балластную нагрузку, где в виде тепла рассеивается их мощность. Частоты среза фильтров и волновые сопротивления в полосах пропускания

подбираются так, чтобы входное сопротивление фильтров было одинаковым для всех гармоник тока. Только при этом условии обеспечивается прямоугольная форма тока и напряжения характерные для ПНТ.Волновая диаграмма напряжения и тока нижнего по схеме ключа представлена на рисунке 3.35. Здесь же приведены графики напряжений в точках 1,2,3 схемы (рисунок 3.34).

Для оценки энергетических показателей генератора необходимо определить постоянную составляющую и первую гармонику коллекторного тока. Для этого воспользуемся полученными ранее формулами гармонического анализа

Здесь θ=π/2; iк = iкмакс ............. –θ < ωt < θ

iк = 0..................... –θ > ωt > θ

Рисунок 3.35 – Волновая диаграмма генератора

В результате вычисления интегралов получим

Iко = 0,5·iкмакс

Аналогично для первой гармоники меандра напряжения получим

С другой стороны

Приравнивая правые части последних выражений, получим

Ек = 2iкмакс(Rн+rнас)

Мощность, потребляемая генератором

Ро = Ек·Iко =iк²макс(Rн+rнас)

Колебательная мощность генератора

К.П.Д. генератора

Как и в случае последовательного резонансного инвертора при расчете полного к.п.д. генератора следует учитывать коммутационные потери обусловленные паразитными емкостями схемы (см. 3.52 и 3.53)

Следует также отметить, что дополнительные коммутационные потери возникают и при переключении тока за счет паразитной индуктивностей выводов и соединительных проводов (LП). Действительно, пока через АЭ протекает ток iкмакс , паразитные индуктивности накапливают энергию

w = .

При запирании АЭцепь индуктивности обрывается и возникающая э.д.с. самоиндукции рассеивает накопленную энергию на сопротивлении утечки АЭ.

Мощность коммутационных потерь определится выражением

= f

Однако с этими потерями приходится считаться только при использовании сильноточных и низковольтных АЭ.

1.14.3. Генератор в режиме класса «Е»

Как было установлено выше, скачкообразный характер изменения формы тока и напряжения приводит к ограничению частотного диапазона эффективных режимов генератора. В определенной мере этого недостатка нет в другом ключевом режиме, получившем условное название режим класса «Е».

Упрощенная схема такого генератора и его эквивалентная схема представлены на рисунке 3.36.

Рисунок 3.36 – Схема генератора в режиме класса «Е»

Контур LкCк– настроен в резонанс на частоту возбуждения и имеет достаточно высокую добротность для фильтрации высших гармоник.

Контур L(C1+Co)– «формирующий»; его назначение – реализация оптимальной формы коллекторного напряжения, обеспечивающего минимальные коммутационные потери.

Генератор работает следующим образом. При отпирании транзистора в формирующем контуре L1,С2 возникает переходный процесс; частота и затухание контура подбираются так, чтобы к моменту следующего отпирания транзистора напряжение на коллекторе и его производная оказались равными 0. Это позволяет избавиться от коммутационных потерь за счет паразитных емкостей транзистора и схемы. Такой режим получил название оптимального. Длительность времени насыщения (τнас) транзистора может быть больше, меньше или равной половине периода рабочей частоты генератора. В зависимости от этого подбирается резонансная частота формирующего контура и его добротность, определяющая степень затухания переходного процесса. Поскольку затухание должно быть значительным, добротность формирующего контура не превышает 1,5-2. Волновая диаграмма коллекторного напряжения и тока для генератора в режиме класса «Е» представлена на рисунке 3.37. Резонансная частота формирующего контура при τнас< Т/2должна быть ниже рабочей частоты, а при τнас≥ Т/2-выше. Расчеты показывают, что наилучшие результаты с точки зрения эффективности генератора обеспечивает режим с τнас ≈ Т/2 [ 2 ].

В момент запирания АЭ ток коллектора становится равным 0. Однако ток в формирующем контуре не обрывается, а замыкается через емкость контура (ic)

Несмотря на лучшие частотные свойства режим класса «Е» не нашел широкого применения, т.к. при закрытом транзисторе пиковое напряжение на коллекторе может в несколько раз превышать напряжение источника питания. В оптимальном режиме при τнас ≈ Т/2 пиковое напряжение в 3,7 раза превышает Ек.

Рисунок 3.37 – Волновая диаграмма генератора класса «Е»

При использовании транзистора в таком генераторе резко возрастает опасность электрического пробоя, особенно в процессе настройки, когда режим отличается от оптимального и пиковое напряжение может быть значительно больше 3,7Ек. Более подходящим прибором для генератора класса «Е» является генераторная лампа, т.к. она способна выдержать многократные импульсные перегрузки по напряжению. Однако и в этом случае надежность генератора оказывается невысокой из-за большой вероятности электрического пробоя.

Вследствие низкой добротности формирующего контура, форма напряжения на нагрузке далека от гармонической, поэтому в схему ГВВ добавляется фильтрующий контур, имеющий высокую добротность и настроенный на рабочую частоту. Амплитудно–частотные характеристики формирующего (1) и фильтрующего (2) контуров показаны на рисунке 3.38.

С ростом рабочей частоты генератора емкость формирующего контура необходимо уменьшать. Как только необходимая емкость контура станет меньше паразитной емкости схемы, обеспечение оптимального режима становится невозможным и к.п.д. генератора начнет быстро падать.

Рисунок 3.38 – Амплитудно-частотные характеристики

В заключение следует заметить, что приведенные сведения не исчерпывают все схемы и методы повышения эффективности ГВВ. Более подробно этот материал излагается в [ 2 , 3] .

Умножители частоты

Умножители частоты, как и усилители мощности колебаний высокой частоты, относятся к подклассу генераторов с внешним возбуждением. От усилителей мощности они отличаются тем, что частота колебаний выходного сигнала в кратное число раз отличается от частоты возбуждения.

Основные области применения умножителей частоты (УЧ):

- Расширение диапазона частот возбудителя.

Предположим , что исходный диапазон частот возбудителя f … 2f. Применение удвоителя частоты позволит получить частоты 2f …4f. В результате общий диапазон частот возбудителя составит f … 4f.

- Углубление частотной модуляции (ЧМ)

При умножении частоты ЧМ колебаний пропорционально увеличивается и отклонение частоты (девиация).

- Перенос низкочастотных колебаний, стабилизированных кварцем, в более высокочастотный диапазон.

- В выходных каскадах транзисторных передатчиков диапазона сверхвысоких частот, где транзисторы утрачивают свои усилительные свойства.