ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА

Данная полезная модель (ПМ) относится к радиопередающим устройствам коротковолнового (KB) диапазона, оконечным каскадом которого является усилитель мощности.
Известны усилители мощности с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД) за счет третьей гармоники входного сигнала, описанные в источниках:
1. Патент РФ на ПМ №84649. Транзисторный усилитель мощности / А.А.Волков, Г.В.Горелов, А.С.Геннинг, Приоритет от 19.12.2008.
2. Радиопередающие устройства / Под ред. Г.Л.Зейтленка - М. Связь, 1969. - С52.
Пор технической сущности наиболее близким к ПМ является усилитель, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за ее прототип. Во втором источнике описан аналог ПМ.
к1
к
к
к
1
0
Прототип - транзисторный усилитель мощности состоит из оконечного резонансного каскада передатчика и резонансного утроителя частоты, подключенного параллельно к оконечному каскаду, общей нагрузкой которых являются их коллекторные контуры, включенные последовательно. Так как 3-я гармоника утроителя противофазна первой гармонике усилителя, то суммарное напряжение в нагрузке имеет седловидный провал и меньший уровень по сравнению с уровнем первой гармоники, отчего режим усилителя смещается из критического или слабо перенапряженного в недонапряженный режим, где мощность и кпд меньше, чем в исходном режиме. Для возврата в исходный режим надо увеличить амплитуду первой гармоники, отчего вырастет коэффициент использования коллекторного напряжения ξ=U/E, где Е - напряжение источника коллекторного питания, и возрастет кпд усилителя ŋ=0,5ξ(α/α), где α - функция Берга.
Так как оконечный каскад передатчика является самым мощным усилительным каскадом передатчика, то и параллельно подключенный к нему утроитель частоты является тоже относительно мощным, увеличивающим общую потребляемую мощность примерно на 30%, что уменьшает кпд передатчика
Основным недостатком прототипа является пониженный кпд передатчика из-за относительно высокого потребления мощности утроителем.
Техническим результатом ПМ является повышение кпд усилителя передатчика за счет дополнительно введенного колебательного контура и новой связи утроителя частоты путем подключения его параллельно не к оконечному, а к предоконечному каскаду передатчика, мощность которого раз в 10 меньше мощности оконечного каскада. Поэтому и утроитель частоты потребляет мощность в 10 раз меньшую, чем в прототипе.
Сущность ПМ состоит в том, что в транзисторный резонансный усилитель мощности передатчика, состоящий из последовательно соединенных резонансных предоконечного и оконечного усилительных каскадов, а так же и из резонансного утроителя частоты, дополнительно введен параллельный колебательный контур, настроенный в резонанс на 3-ю гармонику входного сигнала, и изменена связь утроителя частоты в результате его подключения параллельно не оконечному, а предоконечному каскаду передатчика, при которой вторичные обмотки и их коллекторных контуров включены последовательно относительно перехода база - эмиттер транзистора оконечного каскада, коллекторный контур которого соединен последовательно с введенным контуром 3-й гармоники относительно перехода коллектор - эмиттер его транзистора.
Существенным отличием ПМ является дополнительно введенный колебательный контур и новая связь утроителя частоты в результате его подключения параллельно не к оконечному, а к предоконечному каскаду, что и определило повышение КПД передатчика.
ПМ иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предложенного усилителя, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
На фиг.1 предоконечный каскад выполнен на транзисторе VT1, утроитель частоты - на VT2, а оконечный каскад - на VT3.
вx
Работа схемы на фиг.1 происходит следующим образом. Входной сигнал u(t)=Ucosωt поступает на базу транзистора VT1 предоконечного усилителя и параллельно на базу транзистора VT2 утроителя частоты.
Предоконечный каскад работает в режиме колебаний 2-го рода с углом отсечки θ=90° и его коллекторный контур настроен в резонанс на первую гармонику частоты ω входного сигнала.
n
Утроитель частоты на транзисторе VT2 работает тоже в режиме колебаний второго рода при угле отсечки θ=120/3=40°, что задается с помощью потенциометра R, а его коллекторный контур настроен в резонанс на третью гармонику частоты 3ω входного сигнала.
Вторичные обмотки коллекторных контуров транзисторов VT1 и VT2 включены последовательно относительно перехода база - эмиттер транзистора VT3 оконечного каскада, работающего тоже в режиме колебаний 2-го рода при угле отсечки θ=90°.
кз
к1
б3
к∑
б3
кэ
к
к∑
кэкр
к3
к1
кэ
k1
k1
к
к
к
1
0
С помощью этих вторичных обмоток снимается шунтирующее действие низкого входного сопротивления транзистора VT3 на данные контура (за счет понижающего коэффициента трансформации). Так как напряжение третьей гармоники U противофазно первой U, что задается соответствующим включением вторичной обмотки контура утроителя, то суммарное напряжение на базе транзистора VT3 имеет седловидный провал при ωt=90°, как показано на фиг.2. Нагрузкой коллекторной цепи транзистора VT3 является последовательно включенные контур, настроенный в резонанс на первую гармонику частоты входного сигнала, и введенный контур, настроенный в резонанс на третью гармонику этого сигнала, на выходе которых имеет место усиленное суммарное напряжение обмоток U, т.е. U=γU, где γ - коэффициент усиления по напряжению усилителя на транзисторе VT3. По закону Кирхгофа на переходе коллектор - эмиттер транзистора VT3 напряжение е=Е-U>е. На фиг.2 видно, что наличие третьей гармоники U, противофазной первой U, увеличивает напряжение е, переводя режим работы транзистора VT3 из критического или слабоперенапряженного в недонапряженный режим, где меньше его КПД и полезная мощность. Для возвращения в исходный режим надо увеличить амплитуду первой гармоники U, отчего увеличится коэффициент использования коллекторного напряжения ξ=U/Е, где Е - напряжение коллекторного питания, а так же увеличится КПД оконечного каскада передатчика ŋ=0,5ξ(α/α), где α - функции Берга, и его выходная мощность.
Технико-экономическим эффектом ПМ является повышение КПД усилителя мощности передатчика за счет включения утроителя частоты параллельно предоконечному каскаду передатчика и включения введенного колебательного контура третьей гармоники последовательного с колебательным контуром оконечного каскада передатчика.