6.2. Двухтактный кум с переключением напряжения на биполярных транзисторах

Пояснить принцип работы КУМ проще всего на примере двухтак-ой схемы с переключением напряжения (рис. 6.1, а). При малой мощности (до единиц ватт), пока не требуются радиаторы, в этой "еме могут быть применены практически любые транзисторы.

Недостаток схемы в том, что при значительных уровнях мощности, когда необходимо применение радиаторов, в ней могут быть исполь­зованы только транзисторы в универсальных корпусах со всеми изо­лированными от корпуса выводами. Между тем номенклатура таких транзисторов весьма немногочисленна. Многие мощные транзисторы СВЧ, пригодные по частотным свойствам для двухтактной схемы КУМ диапазона до

2 МГц, имеют соединенный с корпусом эмиттер. Большинство мощных ВЧ-транзисторов, пригодных по своим Частотным свойствам для двухтактных КУМ диапазона до 0,1 МГц, имеют соединенный с корпусом коллектор.

Эквивалентная схема выходной цепи двухтактного КУМ приведена на рис. 6.1, б. Транзисторы VT1 и VT2 на эквивалентной схеме рис. 6.1, б заменены ключами К1 и К2 и сопротивлением насыщения r_нас.

Временные диаграммы напряжений и токов в КУМ показаны на рис. 6.2, а-л. Источник возбуждения на рис. 6.1, а представлен генератором гармонического тока i_в. Ключевой режим усилителя возможен и при других формах этого тока. Однако форма должна быть симметричной (синус, меандр и др.), чтобы длительность открытого состояния каждого транзистора равнялась длительности паузы, т. е. угол отсечки входного тока каждого транзистора должен быть равен 90°. Значение этого тока должно быть достаточным для введения открытого транзистора в состояние насыщения в течение практи­чески всего полупериода колебания.

В любой момент под действием противофазных напряжений на рторичных обмотках трансформатора один транзистор открыт, а дру­гой закрыт. Соответственно один из ключей на схеме рис. 6.1, б замкнут, а другой разомкнут. Действие ключей и источника питания е_к для выходной цепи КУМ, состоящей из последовательного кон­тура L, С с сопротивлением потерь r = r_нас + r_L, настроенного в резо­нанс на частоту входного сигнала f и полезной нагрузки R_H, равно-

ильно воздействию ЭДС e'_K(t) прямоугольной формы с частотой

Рис. 6.2 Временные характиристики токов и напряжений КУМ

поврения f При этом e'_K(t) = Е_к, когда открыт транзистор VT1 (закнут ключ К1), и е_к = 0, когда открыт транзистор VT2 (замкнут ключ К2).

С учетом временных диаграмм (рис. 6.2) отметим следующие особенности двухтактного КУМ. При разомкнутой цепи нагрузки напряжение, которое можно наблюдать на коллекторе VT2 относи­тельно земли, равно e'_K(t) и представляет собой меандр с размахом от нуля до Е_к (рис. 6.2, а). Его можно представить в виде ряда Фурье I амплитудами гармоник:

(6.1)

где п — номер гармоники.

Величину U_k1 = 2Е_к/π будем называть амплитудой первой гармо­ники ЭДС e'_K(t) на коллекторах VT1 и VT2. Ей соответствует колебательная мощность

Р₁ = где R₁, — полное активное резо­нансное сопротивление коллекторной цепи L, С, r, R_H, r_нас. При подключенной нагрузке форма напряжения e_K(t) несколько отличается от меандра e'_K(t) «вмятинами» из-за падения напряжения на r_нас, создаваемого контурным током (рис. 6.2, б). Этот ток одновре­менно есть и коллекторный ток, и ток нагрузки. Если добротность контура с учетом нагрузки достигает хотя бы нескольких единиц, формы контурного тока и напряжения на нагрузке (рис. 6.2, д) близки к гармоническим. Полупериоды тока являются почти косинусоидальными импульсами коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2 с углами отсечки 90° (рис. 6.2, в, г). Заметим, что в отличие от гармо­нических УМ, также часто работающих с косинусоидальными импульсами коллекторного тока, в КУМ форма импульса определя­ется не формой входного воздействия и видом проходной характе­ристики АЭ, а фильтрующим действием последовательного контура, сопротивление которого для высших гармоник тока велико по срав­нению с сопротивлением для тока первой гармоники.

Однако коллекторный ток имеет такую форму, если транзисторы открываются поочередно, причем без паузы. Если же они оказыва­ются открытыми в течение части периода одновременно, появляются «сквозные» токи, протекающие через оба транзистора и источник питания, минуя выходной контур. На осциллограмме они наблюда­ются в виде всплесков на краях рабочих импульсов коллекторных токов (рис. 6.2, е, ж). Это вредные токи, ибо они не создают полез­ной мощности, а лишь увеличивают потребляемую усилителем мощ-

ность и перегружают транзисторы. Обычно причиной появления сквозных токов в двухтактных КУМ на БТ является запоздалое выключение транзисторов из-за конечного времени рассасывания носителей заряда в базе, которое тем больше, чем глубже насыщение транзистора к моменту запирания, т.е. чем больше мощность возбуж­дения и выше сопротивление нагрузки, а также чем ниже граничная частота транзистора. Один из транзисторов не успевает закрыться, когда уже открывается другой. Отсюда следует, что для достижения максимума КПД и надежности КУМ следует правильно выбирать уровень возбуждения транзисторов. Недовозбуждение вызывает, как следует из статических характеристик БТ, повышение напряжения насыщения коллектор—эмиттер, т.е. сопротивления г_нас, и снижение КПД из-за роста потерь в БТ на этапах насыщения. Перевозбуждение увеличивает сквозные токи и снижает КПД из-за роста потерь на эта­пах переключения. Влияет на значение сквозных токов и форма тока возбуждения. Например, при прямоугольной форме возбуждающего тока БТ быстрее отпирается и медленнее запирается, что приводит к росту сквозного тока.

Если усилитель (см. рис. 6.1, а) возбуждается гармоническим током

(рис. 6.2, з), то импульсы базовых токов имеют форму, близ­кую к косинусоидальной (рис. 6.2, и, к), а входное напряжение в моменты переключения плеч претерпевает скачки, преодолевающие начальный сдвиг статических характеристик транзисторов Е' (рис. 6.2, л).

Расчет оптимального уровня и формы тока возбуждения даже с помощью ЭВМ весьма труден, ибо требует учета многих факторов. Однако можно привести некоторые соображения по выбору формы тока возбуждения. Поскольку коллекторный ток имеет косинусои-дальную форму, то для поддержания примерно одинакового уровня насыщения в течение рабочего полупериода базовый ток также дол­жен быть косинусоидальным. Слишком глубокое насыщение при выходе из открытого состояния, которое получится, если возбуждать БТ, например, током в форме меандра, увеличит сквозные токи из-за ускоренного включения одного транзистора и замедленного выклю­чения другого, что весьма нежелательно.

Таким образом, для возбуждения двухтактного КУМ целесооб­разно использовать генератор гармонического тока, который доста­точно легко сформировать. Например, предыдущий каскад (возбуди­тель) можно выполнить также по двухтактной схеме, а его выходную цепь построить в виде Т-образного инвертора на двух катушках, подавляющего высшие гармоники тока (рис. 6.3, б). Рекомендуется весь мощный тракт усиления выполнять двухтактным для более сим­метричного возбуждения выходного каскада.

Рис. 6.3. Ключевой усилитель мощности с трансформирующими цепями связи: выходной (а) и межкаскадной (б)

Если заданы напряжение питания Е_п, сопротивление нагрузки R_н и мощность Р_н, то в общем случае невозможно обойтись простейшей выходной цепью в виде последовательного контура (см. рис. 6.1, а), так как требуется трансформация сопротивления в выходной цепи. При относительно низких напряжениях питания и больших мощно­стях требуется понижение сопротивления от нагрузки к коллекторам. Тогда можно использовать схему выходной цепи, показанную на рис. 6.3, а. Она кроме трансформации сопротивления позволяет улучшить фильтрацию высших гармоник.

При любом соотношении R_K и R_H в двухтактном КУМ — переклю­чателе напряжения — может использоваться Т-образная трансфор­мирующая и фильтрующая цепь связи

(рис. 6.3, б). В простейшем для расчета частном случае (инвертор комплексного сопротивления) все три элемента цепи имеют одинаковые по модулю реактивные сопротивления ωL_l = ωL₂ = l/(ωC = X, а значение X определяется из формулы

(6.2)

с использованием которой при расчете находятся L_l, =L₂ и С.