ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

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.
к3
к1
к
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 к напряжению на контуре первой гармоники U, равным , теоретически обеспечивается кпд коллекторной цепи η=0,8-0,85 вместо обычного 0,7 в критическом режиме.
к3
3
км
3
к3
3
Однако для этого необходимо, чтобы ток 3-ей гармоники был отрицательным: I=α·I<0, где α - функция Берга, а I - максимальный уровень импульса коллекторного тока. Этому условию соответствует α<0, что имеет место при угле отсечки θ>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.
к3
к3
к1
к1
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 LC и LC. 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.
вх
1
0
1
2
3
Входной сигнал U(t)=U·cos ωt поступает на базу усилителя мощности непосредственно и на базу утроителя частоты через трансформатор Тр. В усилителе угол отсечки θ может быть различным. Для конкретизации возьмем θ=90°, которому соответствуют функции Берга α=0,32; α=0,5; α=0,212; α=0.
0
1
3
б
n
3
В утроителе угол отсечки , когда cos40°=0,766; α=0,147; α=0,28; α=0,183=max, задается напряжением Е с помощью потенциометра R, к средней точке которого подключена база транзистора через вторичную обмотку трансформатора Тр. Эта обмотка позволяет получить отрицательное значение α. 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
k1∑
к11
к13
к11
к1
к13
к1
U=U+U=UR+IR,
к1
где R - резонансное сопротивление контура, настроенного на первую гармонику.
к33
к33
к33
к3.
Коллекторный ток третьей гармоники I утроителя на контуре, настроенном на данную гармонику, создаст напряжение U=IR .Отношение напряжений
к1
к3
Будем считать, что R=R, тогда
км1
км3
1
3
Но I>I, поскольку θ>θ.
Поэтому выразим эти токи через амплитуду косинусоиды I:
км
к
б
I=SU(1-cosθ)=I(1-cosθ) (1)
к
б
где S - крутизна проходной характеристики транзистора, a U - амплитуда косинусоиды на базе транзистора. Тогда
0
1
3
б
б
б
Для получения оптимального значения  надо увеличить коллекторный ток утроителя в , отчего увеличатся в это же число раз и функции Берга α, α, α. Максимальный импульс коллекторного тока (1) пропорционален напряжению на базе U и поэтому увеличить ток можно путем повышения напряжения U в заданное число раз по отношению к напряжению на базе усилителя. Введенный трансформатор осуществляет такое повышение напряжения U.
к1
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 (фиг.2) и получить кпд 80÷85% вместо 70%.
к
В силу малого угла отсечки введенный утроитель потребляет значительно меньшую мощность от источника Е, чем усилитель. Кроме того, он и отдает соответствующую полезную мощность. Поэтому повлиять существенно на кпд всего устройства он не может.
к1
к
Точные расчеты показывают, что при увеличении в 3 раза напряжения на базе утроителя и увеличении первой гармоники U в 1,3 раза кпд коллекторной цепи всего устройства η=0,82, что превышает обычный кпд усилителя в критическом режиме 0,7 на 12%.
Это и есть технико-экономический эффект ПМ.