Wzmacniacz. Przyklady 5

Wzmacniacz. Przyklady 5

Indywidualne napięcie Uceo występuje na tranzystorze przy podanym mu pomiarowym prądzie kolektora Ic i zerowym prądzie bazy. W tych warunkach wzmocnienie stałoprądowe tranzystora we wspólnym emiterze jest nieskończone a we wspólnej bazie równe 1. Napięcie Uceo zależy od prądu kolektora. Zatem Uceo nie jest skalarem ale funkcją Uceo(Ic). Część tranzystorów wykazuje przy Uceo ujemną oporność dynamiczna charakterystyki wyjściowej co utrudnia pomiar jako że tranzystor chce generować ze swoimi i rozproszonymi pojemnościami.

Wykresy SOA tranzystorów kończą się na napięciu katalogowym Uceo. Realne indywidualne napięcie Uceo zawsze powinno być większe niż katalogowe. W tranzystorach małosygnałowych drugie przebicie nie występuje ( ale I przebicie występuje jak najbardziej występuje ) i tranzystory te z pełną mocą mogą pracować do napięcia Uceo. A czy tranzystory mogą pracować powyżej tego napięcia ? Tranzystor sterowany od strony emitera powyżej napięcia Uceo pracuje stabilnie z ujemnym prądem bazy (!) ale jego wzmocnienie w zakresie napięć Uceo-Ucbo rośnie od jedności do nieskończoności i tranzystor ma bardziej charakterystykę triodową niż pentodową. Tranzystor można też sterować od strony bazy ujemnym prądem ale z szybkim sprzężeniem zwrotnym od wyjścia dla zachowania stabilności bowiem powielanie lawinowe jest zjawiskiem bardzo szybkim nawet w „powolnych” tranzystorach.

Największym światowym producentem radiowych tranzystorów mocy na wszystkie zakresy jest amerykańska Motorola. Jej tranzystory są kopiowane w świecie, także przez ZSRR.

Silny liniowy tranzystor mocy MRF428 dedykowany na zakres krótkofalowy 2-30 MHz ma napięcie Uceo=55V, moc strat Pc=320W, prąd Ic=20A a przez 10 sekund 30 A, Ucbo=110V. Z tranzystora można wydusić do 300 W mocy wyjściowej ale jest rekomendowana moc wyjściowa 150 W (PEP) dlatego że tranzystor jest jeszcze liniowy i ma typowe wzmocnienie 15 dB a w sytuacji awaryjnej z tą mocą ciągłą przy bardzo mocnym niedopasowaniu obciążenia 30:1 VSWR dopuszczalna jest praca ciągła bez pogorszenia parametrów tranzystora. Radiator musi być jednak zaprojektowany na bardzo dużą chwilową moc strat aż termistor pilnujący maksymalną temperaturę zmniejszy systemem wysterowanie wzmacniacza.

Struktura tranzystora MRF428 jest duża – ma wymiar 0.140” x 0.248” czyli 3.56 x 6.35 mm. Jest to wiele połączonych równoległe scalonych maleńkich tranzystorów z emiterowymi dyfuzyjnymi opornikami wyrównawczymi. Tranzystorków może być około 5 tysięcy. Jest to więc de facto układ scalony. Tranzystor MRF428 ma na wykresie SOA dla prądu stałego pełną moc aż do napięcia Uceo czyli II przebicie w nim nie występuje. Czasem podawane są wykresy SOA – RF gdzie określono obszar powyżej napięcia Uceo i jest on duży ! Oczywiście MRF428 pracuje z dużą mocą z napięciami powyżej Uceo !

Typowe napięcie zasilania wzmacniacza mocy z tym tranzystorem wynosi aż 50 Vdc. Celem powiększenia maksymalnej mocy strat zmniejszono grubość izolacyjnej podkładki z BeO na której zamocowany jest chip do 0.04” czyli 1.01 mm. Podkładka z drugiej strony umocowana jest do metalowej podstawy tranzystora przykręconej do radiatora. Tlenek Berylu BeO znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach wysokiej technologi. Wysoka cena radiowego tranzystora mocy wynika z tego że faktycznie jest to układ scalony i z użycia BeO. Ceramiczna obudowa też nie jest tania.

Fale krótkie mają umowną długość 100-10 metrów czyli kończą się na częstotliwości 30 MHz. Na falach krótkich działają rozgłośnie radiowe AM, radiostacje dywersyjne AM, radioamatorzy na wybranych dla nich zakresach, wojsko ( także marynarka i lotnictwo ), sporadycznie marynarka handlowa i lotnictwo cywilne, z efektywną modulacją jednowstęgową SSB.

Radzieckie radiostacje dla czołgów, wozów piechoty i piechoty stosują także wąskopasmową modulacje FM na tak zwanym dolnym zakresie UKF czyli od 30 MHz ale znacznie poniżej ( do 46 MHz) radiowego zakresu UKF 65-74 MHz.

W radiostacjach piechoty zmechanizowanej R105D i R105M ( M jak modernizacja inne numery oznaczają zakres częstotliwości ) zastosowano głównie miniaturowe lampy z bezpośrednim żarzeniem napięciem z akumulatora 1.2 V (użyto dwóch akumulatorów ) typu 1Z29B. Prąd żarzenia wynosi 60mA a napięcie anodowe jest niewielkie a więc lampy te są energooszczędne. Lampy nie maję cokołu ale cieńkie wyprowadzenia drutowe wprost do lutowania w układzie. Jest to możliwe bowiem lampy są długowieczne i ich rutynowa wymiana nie jest przewidziana. Mają one całkiem dobre parametry. W starej radiostacji R105D bez tranzystorów napięcie anodowe wytwarza z transformatorem zawodny wibrator a w zmodernizowanej radiostacji już jest przetwornica tranzystorowa i prostownik napięcia anodowego. Parę tranzystorów użyto w układach pomocniczych – kalibrator częstotliwości i wzmacniacz mikrofonowy. Prosty schemat jest względnie oczywisty aczkolwiek inwencji i pewnej pomysłowości konstruktorom nie można odmówić. Większość układów stanowią selektywne wzmacniacze. Zasięg tych radiostacji zależy od użytej anteny. Do roli jaką im przypisano jest on wystarczający. Na wozach dowódczych dodano osobny wzmacniacz mocy na lampie GU50 zasilanej z przetwornicy.

N.B Z badań amerykańskich wynika że dobrze wyposażona ( m.in. w granatniki i rakiety przeciwpancerne ) lekka piechota na samochodach terenowych potrafiąca użyć „zalet” ( dla wroga wad ) terenu jest bardzo niebezpiecznym przeciwnikiem dla wojsk pancernych.

Piloci samolotu przed startem i przed lądowaniem prowadzą standardowe, rutynowe rozmowy z wieżą kontrolną radiostacją niewielkiej mocy na lotniczym zakresie VHF z modulacją AM. Piloci muszą się stosować do wydanych im poleceń bowiem mogliby spowodować tragiczną katastrofę. Wymagana moc nadajnika jest niewielka z uwagi na znaczną wysokość samolotu w czasie lotu.

Tak samo wypływające z portu i wchodzące do portu statki oceaniczne prowadzą standardowa korespondencje radiotelefonem VHF z operatorem portu i wykonują podane im polecenia.

Gdy samolot znajdzie się nad odległymi terenami dziewiczymi oraz nad morzami i oceanami łączność może nawiązać tylko radiostacją średniej mocy na fale krótkie KF z wydajną modulacją SSB. Według konwencji międzynarodowych zarezerwowano częstotliwości na różnych zakresach KF do alarmowej komunikacji z samolotami. Tych częstotliwości pod groźbą kar wolno użyć tylko w razie poważnej potrzeby. Mimo aparatury nawigacyjnej zdarzają się zbłądzenia samolotów, które w takiej sytuacji są poza zasięgiem komunikacji na falach VHF. Personel naziemny po nawiązaniu komunikacji na falach krótkich może ustalić i wydedukować gdzie faktycznie jest samolot i w razie skierować go na najbliższe lotnisko aby się nie rozbił z braku paliwa. Gdy rozwija się awaria załoga samolotu winna powiadomić co się dzieje i gdzie są aby można było znaleźć szczątki rozbitego samolotu i ewentualnie ratować rozbitków. Piloci winni wybrać zakres fal KF najlepszy dla danej pory dnia.

Łączność na zakresach KF prowadzą też statki morskie. Radiostacje lotnicze i morskie, z uwagi na wagę spełnianych zadań, powinny mieć certyfikat wystawiony przez badającą radiostacje poważną instytucje techniczną uznawaną przez ubezpieczycieli samolotu i statku morskiego.

Pod koniec zakresu fal krótkich leży pasmo Citizen Band czyli Pasmo Obywatelskie. Radiotelefony bez żadnego zezwolenia na pasmo CB są popularne w USA ale we wzmacniaczu mocy RF używane są tranzystory japońskie - pewnie są tańsze. Zasilane są z instalacji samochodowej 12V lub w domu z zasilacza. Dozwolona moc wyjściowa ( norma podaje faktycznie moc prądu stałego podaną do stopnia końcowego wzmacniacza mocy ) jest niewielka bo wynosi 4 W. Tranzystor końcowy jest w taniej obudowie TO220. Radiotelefon musi jednak spełniać obowiązkowe wymogi norm technicznych.

Definiując globalną pojemność informacyjną jednego MHz zakresu fal radiowych jako ilość użytkowników na Ziemi mogących jednocześnie bezkolizyjnie korzystać z tej fali okazuje się że pojemność zakresów UHF, VHF, UKF jest ogromna ponieważ zasięg łączności jest tylko horyzontalny i niekolizyjnie może pracować mnóstwo użytkowników. Z racji globalnego rozchodzenia się fal krótkich ich pojemność jest znikoma a dodatkowo szerokość całego zakresu KF odpowiada jedynie trzem kanałom telewizyjnym 3 x 8 MHz.

Fale krótkie są nieperspektywiczne dla wszelkiej komunikacji.

Łączność ma ogromne znaczenie w wojnie. Polska w 1939 roku powinna zatrzymać atak Niemców i po kilku miesiącach przygotowań Francja i Anglia z pewnością ruszyłyby na osłabione Niemcy. Ale wysocy oficerowie zdezerterowali a wódz naczelny stracił łączność z armią już drugiego dnia wojny. W dacie napaści Niemiec na ZSRR Armia Czerwona miała przewagę w ludziach i sprzęcie ale miała tragiczną łączność a Stalin w wielkiej czystce wymordował najlepszych oficerów. Niemcy mieli za to dobrą łączność i doświadczonych oficerów.

Radiostacje, lampy elektronowe i miliony kilometrów przewodów telefonicznych od samego początku programu pomocy Lend Lease USA dostarczały do ZSRR. Amerykański koncern RCA zbudował fabryki lamp w latach trzydziestych w ZSRR i z lampami sprawa była prosta. Na chassis radzieckiej radiostacji były radzieckie nazwy lamp a obsadzono lampy amerykańskie. Gdy Armia Czerwona miała już dużo radiostacji i wyszkolony personel cały czas nasłuchiwała łączności niemieckiej i biła Niemców bez końca. Alianci potrafiąc odszyfrować część komunikatów kodowanym maszyną Enigma mogli znacznie zwiększyć skuteczność swoich akcji

przeciw Niemcom.

Armia USA względnie małe radiostacje ( całość trzymana w dłoni w czasie rozmowy ) dla piechoty stosowała już pod koniec II Wojny.

Po wojnie radiostacjom wojskowym dodano programatory mechaniczne umożliwiające szybki wybór kilku wcześniej przygotowanych fal do korespondencji. Gdy fala jest zakłócona wybiera się kolejną falę co zarazem bardzo wrogowi utrudnia podsłuch. Radiostacje z syntezą częstotliwości pętlą fazową PLL i elektroniką sterującą są bez porównania bardziej funkcjonalne. Uzupełnieniem jest szybkie automatyczne dostrojenie anteny. W czasie strojenia anteny warunki pracy tranzystorów końcowych wzmacniaczy RF są bardzo trudne.

W radzieckich radiostacjach ( produkowane w Polsce na licencji ) wojskowych średnią moc do anteny dostarcza archaiczna pentoda GU50. Wysokie napięcia dla niej trzeba z instalacji pojazdu wytworzyć mechaniczną lub tranzystorową przetwornicą. Lampy wymagają czasu na rozgrzanie katod i radiostacja lampowa nie jest od razu dyspozycyjna. W pogotowiu może być załączone zarżenie części lub wszystkich lamp.

Impedancje wyjściowe i wejściowe tranzystorów we wzmacniaczach RF tradycyjnie dopasowywano prostymi obwodami LC. Szerokość pasma dopasowania jest mała. Toteż w hybrydowych wzmacniaczach mocy RF stosowane są dopasowujące obwody LC szerokopasmowe zapewniające szerokość pasma do 20%. Ale to ma się nijak do szerokości zakresu 2-30 MHz.

Nowoczesne ceramiczne tetrody nadawcze są liniowe, mają duże wzmocnienie i moc wyjściową. W nadajnikach rozgłośni są niezastąpione.

Motorola skonstruowała tranzystorowy liniowy wzmacniacz mocy aż 1 – 1.2 kW na zakres 2 - 30MHz. Specjalnymi układami połączone są wejścia i wyjścia czterech wzmacniaczy mocy 300W pracujące w klasie AB z prądem spoczynkowym 150mA. W każdym takim wzmacniaczu końcowo pracują przeciwsobnie dwa tranzystory mocy MRF428. Specjalnym układem szerokopasmowym podzielono wejściowy sygnał na 4 wzmacniacze i drugim układem moce wyjściowe wzmacniaczy bezobiciowo zsumowano co nie jest proste. Moce niezrównoważeń wydzielają się w rezystorach mocy „dzielnika” oraz „sumatora” i cztery składowe wzmacniacze powinny być jak najbardziej identyczne. Nagrzewanie się rezystorów jest alarmującym sygnałem że coś jest nie tak w systemie.

Wzmacniacz ma dość płaską charakterystykę wzmocnienia mimo iż w tak szerokim zakresie częstotliwości pasma wzmocnienia tranzystorów bardzo się zmienia. Zwróćmy uwagę tylko na przeciwsobne stopnie wyjściowe z tranzystorami mocy MRF428.

Tranzystor Q1 ( przeciwsobny Q2 ma identyczną konfiguracje ale numery elementów są inne ) pracuje z równoległym kolektorowym sprzężeniem zwrotnym z dodatkową korekcją indukcyjną sprzężenia i korekcją pojemnościową opornika wejściowego. Z teorii wzmacniacza szerokopasmowego wynika ze iloczyn pasma i wzmocnienia GBW dla tej konfiguracji może być nawet odrobinę ( do 1.05-1.1) większy od Ft tranzystora co jest wyjątkiem. Sprzężenie równoległe wykonano opornikiem R2. Opornik ten z korekcyjną indukcyjnością szeregową normalnie byłby umieszczony dla składowej zmiennej AC między elektrodami C i B Q1 ale dla zmniejszenia strat mocy w nim podano do niego od strony wyjścia tylko część napięcia transformatorem T2-L5. Indukcyjność rozproszenia tego transformatora to szeregowa indukcyjność korekcyjna. Sprawia ona że sprzężenie pod koniec zakresu jest mało ujemne i pozytywnie zmniejsza pojemność przejściową Cbc tranzystora. Na wejściu stopnia ze sprzężeniem równoległym jest rezystor R1 z uwagi na wytworzoną sprzężeniem małą impedancje na bazie ale rezystor ten w miarę wzrostu częstotliwości znika zbocznikowany kondensatorem C1. Pod koniec zakresu nie ma już ujemnego sprzężenia zwrotnego a jest zmniejszające pojemność Cbc i tranzystor pracuje z pełnym wzmocnieniem.

Toroidalny transformator T2 głównie podający zasilanie i symetryzujący stopień przeciwsobny na niższych częstotliwościach nawinięty jest bifilarnie ( lub wręcz skrętką) dla zmniejszenia indukcyjności rozproszenia uzwojeń.

Wyjściowe toroidalne transformatory T3 nawinięte są cienkim przewodem współosiowym ( w ogólności to tak zwany Transformator Lini Długiej przy czym linia może być współosiowa lub symetryczna czyli skrętka ) o rezystancji falowej 25 Ohm czyli połowę typowej w USA rezystancji falowej przewodu współosiowego 50 Ohm. Mają one cieniutką izolacje między żyłą a ekranem.

Zwróćmy uwagę że do każdego przewodu współosiowego rezystancji falowej 25 Ohm doprowadzone jest pełne symetryczne - przeciwsobne napięcie wyjściowe z kolektorów a żyła środkowa jednego przewodu jest na wyjściu uziemiona i napięcie wyjściowe z drugiej żyły jest zsumowane - podwojone w stosunku do symetrycznego napięcia wyjściowego na kolektorach. Rdzenie ferrytowe mocno zwiększają indukcyjność wspólną ( tak samo ekranu jak i żyły środkowej ) każdego przewodu współosiowego. Ale pole elektromagnetyczne sygnału normalnie podanego do przewodu współosiowego w całości zamyka się w przewodzie i rdzeń ferrytowy nie ma na to żadnego wpływu ! Linie współosiowe 25 Ohm w układzie pracują bezodbiciowo.

Szerokopasmowa transformacja oporności „Transformatorem Lini Długiej” ma liczne zalety ale przekładnia jest skwantowana. Znane są konfiguracje TLD dla różnych przekładni. Sformułowanie „Linia Długa” jest tu umowne bo z reguły jest ona krótka. Ono słusznie sugeruje tu prace z rezystancją falową.

Aby zrozumieć istotę tych ciekawych zjawisk w TDL wystarczy przewodem współosiowym połączyć generator z oscyloskopem. Nałożenie pierścienia ferrytowego na przewód współosiowy w ogóle nie zmienia obserwowanego oscyloskopem sygnału prostokątnego. Natomiast nałożenie pierścienia ferrytowego na przewód od samej żyły czy ekranu zniekształca sygnał. Jeśli miedzy GND generatora i GND oscyloskopu jest jakieś napięcie zakłóceń to pierścień ferrytowy je zmniejsza na obrazie oscyloskopu !

Szerokopasmowe układy dopasowujące w zakresie RF zyskują coraz większą popularność i jest to już obecnie całą gałąź wiedzy w ramach elektroniki. Polska w tej mierze jest tabula raza. Tutaj tylko temat zasygnalizowano.

W książce radzieckiej o wzmacniaczach mocy RF temat jest mocno doceniony w całym spectrum częstotliwości na zakresach od KF... do mikrofalowych.

Szerokopasmowa radiostacja z dwoma syntezerami częstotliwości PLL może momentalnie zmieniać fale. Jeden syntezer daje częstotliwość obecnej pracy a drugi ma już przygotowaną, ustabilizowaną kolejną częstotliwość. Przełączane są wyjścia syntezerów kolejno zmieniając ich rolę. Ale można też skonstruować szybko ustalający się syntezer częstotliwości PLL.

Szerokopasmowe dopasowanie we wzmacniaczu m.in. z użyciem linii współosiowych może pokryć cały zakres VHF lub UHF.

Do projektowania takiego wzmacniacza potrzebne są szczegółowe dane o tranzystorze oraz opracowany program komputerowy a do jego wydajnego testowania skomputeryzowane przyrządy pomiarowe.

Moduły wzmacniaczy mocy RF do radiotelefonów VHF – UHF znakomicie ułatwiają budowę radiotelefonu. Nie każda firma musi od razu mieć wyrafinowane laboratorium RF z najnowszymi przyrządami wartymi setki tysięcy dolarów i oprogramowany minikomputer do nich. Per analogia znacznie lepszym produktem niż tranzystory mocy RF w rodzaju MRF428 byłaby upakowana, kompletna płyta drukowana wzmacniacza do przykręcenia do radiatora i połączenia, najlepiej od razu z zabezpieczeniami przed zniszczeniem. Te znakomite tranzystory mocy do niczego innego jak wzmacniacz mocy na całe pasmo KF się przecież nie nadają ! A zastosowanie w komunikacji fal krótkich są znane i nowych raczej nie będzie a raczej ubędą zastosowania dotychczasowe.

Radiokomunikacja na falach krótkich jest wąskopasmowa i system dopasowujący antenę zapewnia dopasowanie tylko w conajmniej wąskim paśmie zmodulowanego sygnału ale zakres pokrywanych częstotliwości dopasowania może być znaczny Przy bardzo mocnym niedopasowaniu anteny moc strat w indukcyjnościach układu dopasowującego może być podobna jak doprowadzona do anteny !