ГЗЗ із транзисторами у ключовому режимі (стр. 1 из 2)
ГЗЗіз транзисторами у ключовому режимі
Генераторні транзистори в сучасних передавачах працюють, як правило, з повним використанням за потужністю, особливо у вихідних каскадах.
Вимога високої надійності роботи транзисторів у цих каскадах зводиться насамперед до вибору режимів, у яких струми і напруги свідомо нижче максимально допустимих, а потужності розсіювання мінімальні. Остання вимога – мінімізація потужності розсіювання на транзисторах головним чином відноситься до біополярних транзисторів (БТ), однак і для полярних транзисторі (ПТ) воно не може бути зайвим.
Проблема мінімізації потужності, що розсіюється, на ЕП у ГЗЗ зводиться, по–перше, до максимального наближення форми імпульсів колекторного (стокового) струму і напруги на колекторі (стоці) до меандру і, по–друге, до створення таких умов для транзистора, при яких він знаходиться або в стані відсічення, або в стані насичення.
а) 
б)Рисунок 1 – Схема транзисторного ГЗЗ у ключовому режимі
Реалізація цих умов можлива, наприклад, у ГЗЗ на БТ за схемою рис. 1,а. Якщо в ланцюг бази подати великий струм збудження ІБ, то при порівняно великому RH транзистор буде знаходитися практично тільки в одному з двох станів: відсічення або насичення. Такий режим роботи ЕП називається ключовим.
Еквівалентна схема ГЗЗ має вигляд, зображений на рис. 1,б. Тут транзистор замінений ключем Кл з послідовно уключеним rнас. У цій схемі в сталому режимі через дросель LK тече незмінний по величині струм ІК0. При замиканні ключа струм ІКm = ІК0 + ІК~ спрямовується крізь транзистор, на якому створюється спадання напруги еост = ІКmrнас.
На цьому інтервалі заряджений конденсатор Ср2 і навантаження RH включені паралельно джерелу постачання і дроселеві. При розмиканні ключа на колекторі транзистора виникає напруга еКmах = ЕК + UK = EK + RнІК~ (рис. 2,а). На цьому інтервалі заряджений дросель уключений послідовно з джерелом постачання колекторного ланцюга.
Думаючи, що імпульси колекторного струму мають прямокутну форму (рис. 2,а) з кутом відсічення
, можна послідовність цих імпульсів розкласти у ряд Фур'є: 
Тут n — номер гармоніки;
— коефіцієнти розкладання для прямокутного імпульсу: 
; 
.Амплітуда першої гармоніки колекторного струму
при = 90° має максимум і дорівнює 
. При цьому від ГЗЗ можна одержати найбільшу потужність на першій гармоніці. Максимум же ККД по першій гармоніці виходить при 
65°, тобто при максимальному відношенні
.Розглянемо випадок, коли кут відсічення колекторного струму
= 90°. Стан насичення має місце, якщо ІКm = SгреКгр. Складового колекторного струму ІК0=ІК~=ІКm/2. Амплітуда напруги на колекторі UК = ІК~Rн = ІКmRн/2 = Ек–ІКmrнас. Споживана колекторним ланцюгом потужність від джерела постачання:Р0 = ІК0ЕК = ЕКmІКm/2(1)
Потужність, що розсіюється на транзисторі, дорівнює потужності втрат на опорі
Рпот = І2Кmrнас/2 = Р0еКост/ЕК; (2)
де коефіцієнт 1/2 враховує, що
= 90°. Для колекторного ланцюга ККД 
,(3)
а) б)
Рисунок 2 – Епюри струмів і напруг у ключовому ГЗЗ
Тут корисною потужністю на навантаженні є потужності всіх гармонік колекторного струму. На відміну від раніше уживаного ККД, де в якості корисної потужності враховується тільки потужність першої гармоніки
, ККД, введений у (3), будемо називати електронним і позначимо 
.Розрахунки показують, що для сучасних БТ еКост/ЕК
0,03.. .0,1 і 97...90%; для ПТ із довгим каналом еС ост/ЕС 0, 2. ..0,3 і 80.. .70%; для ПТ із коротким каналом eC ост/EС 0,05. ..0, 12 і 95.. .88%.При використанні ГЗЗ із ЕП у ключовому режимі в передавачах необхідно, щоб коливання в навантаженні були гармонійними, а навантаження ЕП було б резестивним, тобто однакової для всіх гармонік колекторного струму. Таке навантаження можна здійснити за схемою, приведеної на рис. 3, де Rб = Rн.
транзистор потужність ключовий навантаження
Фільтр НЧ пропускає коливання першої гармоніки до навантаження Rн, фільтр ВЧ — усі частоти, починаючи з другої гармоніки і вище, до баластового опору Rб.
Рисунок 3 – ГЗЗ і навантаженням у вигляді “вилки фільтрів”
Визначимо потужність Р1, що віддається ГЗЗ у навантаження Rн. Знайшовши амплітуди перших гармонік колекторного струму
і напруги на колекторі 
одержимо: 
.(4)По першій гармоніці ККД
. Підставивши в це вираження (4) і (1), знайдемо: 
.(5)Звідси випливає, що, хоча
, як правило, не вище, ніж ККД ГЗЗ з резонансним навантаженням (дійсно, при 
= 0,9 = 0,72), потужність, що розсіюється на транзисторі у ключовому режимі, істотно нижче, оскільки тут сумарна потужність гармонік другої і вище розсіюється на баластовому опорі.Режим збудження транзистора, що працює у ключовому режимі, вибирається звичайно з умов одержання
= 90° і прямокутної форми імпульсу ік.Перша умова виконується, якщо вибрати
, друге — якщо обрати коефіцієнт насичення в ланцюзі транзистора 
дорівнює 2...4. Іншими словами, струм збудження ІБmax встановлюється в 2...4 рази більше, ніж у граничному режимі.Максимальна напруга на виході транзистора буде UEmax = Е'Б + ІБmахrб, а коефіцієнт підсилення по потужності
приблизно в Sн раз менше, ніж у граничному режимі. При виборі Ек звичайно виходять з умови еК mах = ЕК + UK < еК доп і UБ max < еБЕ доп .Наведені вище співвідношення для потужності, ККД і Кр справедливі при роботі ГЗЗ на порівняно низьких частотах
, де практично непомітний вплив ряду причин, що ускладнюють роботуГЗЗ у ключовому режимі на високих робочих частотах. Розглянемо вплив трьох таких причин.1 Утрати через інерційність транзистора обумовлені тим, що перехід транзистора зі стану відсічення в стан насичення і назад, строго говорячи, займає якийсь час:
— для переднього фронту і 
— для заднього фронту (зрізу).Протягом цих інтервалів транзистор знаходиться в активній області, де втрати, тобто потужність, що розсіюється на колекторному переході, більше, ніж у режимі насичення. Тут сплески втрат на транзисторі відзначені цифрами 1. Середнє значення втрат через інерційності пропорційно час, коли вони мають місце:
. Прийнявши передній і задній фронти імпульсів іК і UK у вигляді прямих, знайдемо відносну потужність втрат у транзисторі: 
.(6)Тут Т — період робочої частоти ГЗЗ: Т = 1/fр. Максимальна робоча частота, при роботі на якій ці втрати будуть не більше 3%, виходить з (6):