Anodové obvody elektronkových zesilovačů pro VKV a UKV

Transkript

1 Anodové obvody eletronových zesilovačů ro VKV a UKV Ing.Tomáš Kavalír, OK1GTH avalir.t@seznam.cz, htt://o1gth.nagano.cz Cílem tohoto rátého ovídání je sumarizovat záladní oznaty z dané oblasti a říadného čtenáře ta seznámit se zjednodušeným ostuem výočtu a návrhu anodových obvodů ro oblast VKV a UKV. Oblast je to oměrně obsáhlá, roto se jedná síše jen o úvod do dané roblematiy s množstvím zjednodušujících ředoladů. Pro odrobnější studium existuje celá řada odborných srit zabývajících se roblematiou teorie obvodů a vedení. Vzhledem již oměrně vysoému mitočtu je nutné na rvy ohlížet jao na obvody s rozrostřenými arametry a roto se ro realizaci otřebných indučností, aacit, rezonančních obvodů atd. většinou oužívají úsey vedení. áladní součástí aždého eletronového zesilovače je anodový obvod, jehož úolem je transformovat relativně nízou imedanci řiojené zátěže (antény) otimální zatěžovací dynamicé imedanci eletrony. Tento obvod je zravidla řešen jao rezonanční a vůli racovní třídě zesilovače, terá se volí většinou do bodu AB B, je nutno, aby v tomto obvodu navíc docházelo reonstruci ůvodního signálu. Eletrona zároveň do tohoto rezonančního obvodu dodává energii. Čistá racovní třída A se oužívá jen výjimečně ro vysoou energeticou náročnost a ro velmi nízou účinnost danou lidovým roudem, rovným olovině maximálního anodového roudu. Mimo vlastní transformaci imedance anodovým výstuním obvodem nám taé tento obvod zásadním zůsobem ovlivňuje eletricou účinnost vlastního zesilovače a filtrační schonosti ro vyšší harmonicé roduty. Podstatné je si uvědomit, že oud je oužit anodový obvod ve formě aralelního rezonančního obvodu s dostatečně veliým rovozním činitelem jaosti (Q = 5 a více), lze ovažovat časový růběh výstuního naětí za harmonicý ři libovolném růběhu anodového (oletorového) roudu. Imedance řiojeného aralelního rezonančního obvodu s daným rovozním Q je dána řibližně: an R d 1+ Q 1 ( n 1 ) n (1)

2 de R d je dynamicý anodový odor a n je stueň harmonicé. Po dosazení je atrné, že ro rvní harmonicou se obvod chová jao čistě reálný odor s imedancí R d. Pro druhou harmonicou a ři Q = imedance řiojeného aralelního obvodu má veliost cca 6 Ω a ro 3 harmonicou již od 1 Ω. Teoreticý rozbor úzoásmového VKV zesilovače Úvod z teorie vedení Při následujícím rozboru bylo čeráno ředevším z [1] a []. áladní délový element ve formě Gama článu, ze terého je možné odvodit tzv.telegrafní rovnice, si můžeme ředstavit tato: Vyjdeme tedy z dvojdrátového homogenního vedení. Na diferenciálním úseu dx ve vzdálenosti x lze sát ro úbyte naětí du: a roud na onci úseu dx je zmenšený o di: du = I ( R + jω L) dx () di = U ( G + jω C) dx (3) další úravou a derivací těchto tzv. telegrafních rovnic lze sát: d U di = ( R + jωl) dx dx (4) d I dx = du dx ( G + jωc) (5) a další úravou zísáme:

3 d U dx d I dx = (( R + jω L)( G + jωc)) U (6) = (( R + jωl)( G + jωc)) I (7) de latí: (( R + jω L)( G + jωc)) = γ (8) γ = ( R + jωl)( G + jωc) = α + jβ (9) onstanta šíření γ se sládá z onstanty útlumu α a fázové onstanty β, de β lze dále definovat jao: π π f ω β = = = = λ c c de je tzv.zracovací činitel a c je rychlost světla. π f c (1) Dále vlnovou imedanci lze vyjádřit jao: R + jωl R + jωl R + jωl = = = γ ( R + jωl)( G + jωc) G + jωc (11) ároveň v něterých říadech, dy latí že R<<jωL, G<<jωC a α=, lze uvažovat tzv. bezeztrátové vedení, ro teré lze ředchozí vztah dále zjednodušit: L = (1) C Další úravou ředchozích rovnic a zavedením hyerbolicých funcí lze o úravě sát omocí vstuního naětí U a roudu I : U = U coshγ x I sinh γ x (13) I = I U coshγ x sinhγ x (14) Stejně lze odvodit oba vztahy ro situaci od once vedení (y = x - l), dy lze vyjádřit U a I omocí U a I na onci vedení :

4 U = U coshγ y + I sinh γ y (15) I = I U coshγ y + sinh γ y (16) a odtud ro y = l (x = ), tj. ro U = U a I = I lze sát: U I = U coshγ l + I sinhγ l (17) = I U coshγ l + sinh γ l (18) U vedení onečné dély bezeztrát, tj. ro R =, G = a α =, latí γ = jβ ároveň ta latí, že: cosh( j β ) = cos β sinh( jβ ) = j sin β (19) lze sát ro x = l a obecnou zátěž na onci vedení : U = U cos βl + j I sin βl ( U I = I i cos βl + j sin βl (1) dy vstuní imedance (U = U a I = I ) U I ( cos βl + j sin βl) cos βl + j sin βl = = = I cos βl + j sin βl () I (cos βl + j sin βl Tento vztah je oměrně důležitý a vylívá z něj mimo jiné, že oud je bezeztrátové vedení na onci zratováno, tj. =, ta vstuní imedance je dána: = j tg β l (3) a v říadě bezeztrátového vedení narázdno, tj. ro =, je vstuní imedance dána: = j cot g β l (4)

5 Tohoto se využívá oměrně často v říadě vysoofrevenční a mirovlnné techniy, dy nám vedení slouží jao obvodový rve a je možné ta realizovat otřebně indučnosti, aacity, říadně i sériový nebo aralelní rezonanční obvod (rezonátory) atd. Obr.1 Vf.vedení naráto a narázdno. Nyní si uveďme dva zvláštní říady, dy budeme uvažovat bezeztrátové vedení dély λ/4 a λ/. V rvém říadě latí ro čtvrtvlnné vedení λ/4: π λ π j βl = j = j λ 4 (5) a o dosazení do rovnice a otřebné úravě nám vyjde: = (6) a ve druhém říadě, tj. ro říad bezeztrátového vedení dély λ/: = (7) V říadě vedení λ/4 výsledného vztahu využíváme v říadech, dy omocí vedení chceme transformovat imedanci (využití nařílad oulární slučovače antén atd.) a druhého říadu, tj. vedení λ/ využíváme v říadech tzv. ůlvlnného oaovače imedance. Tato

6 vlastnost je výhodná nařílad ři měření imedance řiojené měřícímu řístroji úseem vedení. Návrh anodového obvodu ro zesilovač racující v ásmu VKV a UKV Vzhledem oměrně vysoému mitočtu musíme na součásty nahlížet jao na obvody s rozrostřenými arametry. V říadě zesilovačů určených ro oblast KV jsou rozměry součáste výrazně menší, než je déla vlny (součásty se soustředěnými arametry) a roto zde oužíváme narosto jiné onstruční řešení anodových obvodů zravidla ve formě řiojeného transformační obvodu nařílad ve formě π článu složeného z lasicých součáste L a C. uvedeného je taé atrné, roč je nutné oužívat narosto jiná návrhová ravidla a ostuy ro oblast KV zesilovačů v orovnání se zesilovači určenými ro VKV říadně i ro UKV. Potřebné reatance a rezonanční obvody určené ro ásma VKV a UKV ta realizujeme nařílad úsey vedení vhodné dély rovozované v režimu narázdno říadně naráto nebo využíváme vlastní rezonance cívy (cívové rezonátory). Anodový obvod s rezonátorem dély λ/4 Výhodou tohoto onstručního řešení jsou oměrně malé rozměry a dobrá mechanicá stabilita. Nevýhodou je značná mechanicá náročnost, velmi vysoé nároy na izolační materiály a rozměry dány veliostí λ/4. Rezonátor λ/4 se oužívá v režimu naráto, rotože jen ta se chová jao aralelní rezonanční obvod. Jeho sutečná mechanicá déla bude záležet na oužitém dieletriu a na říslušném zracovacím činiteli. Aby bylo možné rezonanční obvod řelaďovat, oužívá se menší eletricá déla než λ/4. Tímto tento úse vedení vyazuje indutivní reatanci, terá se do rezonance řivádí vyomenzováním odovídající aacitní reatancí. Tímto nám vznine aralelní rezonanční obvod, terý je možné řelaďovat Tento ondenzátor musí být řešen s ohledem, že se nachází v roudovém maximu a tečou zde cirulační roudy, teré jsou úměrně zvolenému rovoznímu Q. Tento druh anodového obvodu se oužívá ředevším v ásmech VKV. Vazbu do antény a nastavení rovozního Q je možné realizovat ja vazbou aacitní ta indutivní. V říadě oužití externího filtračního členu ro otlačení vyšších harmonicých je výhodnější vazba aacitní, rotože se snáze nastavuje na otimální řenos a zároveň na otimální rovozní činitel jaosti Q. Přibližný a zjednodušený ostu návrhu je naznačen v následující aitole. Podrobná analýza u všech uvedených řešení anodových obvodů byla rovedena, ale jedná se o oměrně rozsáhlou část a je nad rozsah tohoto článu. V těchto zjednodušených říadech výočtu neuvažujeme vliv otimální hodnoty geometricých rozměrů rezonátorů ve všech osách, otimální volbu vlnové imedance ani zůsob výočtu součáste v aacitním děliči.

7 Veliost indutivní reatance ro danou délu vedení l=, m je možné vyočítat z ředchozích odvozených vztahů ro bezeztrátové vedení naráto: XL = ω L = tg βl = 8 tg (3,) =, 83 Ω (8) de je vlnová imedance vedení a β lze vyočítat (činitel zrácení =1): πf β = c = 3 (9) Abychom se s tímto úseem vedení dostali do rezonance, musí latit: XL= -XC (3) a ro výočet onrétní omenzační aacity lze oužít odvozený vzorec z aacitní reatance: C 1 = = 1, nf XL π f 31 (31) Konrétní hodnoty aacitního děliče jsou atrné ze simulace na obr. a nastavíme je až na hotovém zesilovači na otimální racovní činitel vality Q. Obr. áladní onfigurace anodového obvodu λ/4 naráto (schéma ze simulátoru).

8 Obr.3 Výslede simulace řenosu S1 a řizůsobení S11 anodového obvodu λ/4 naráto. Αnodový obvod s rezonátorem dély λ/ Toto řešení vyazuje nejleší vlastnosti z hledisa dlouhodobé mechanicé stability a maximálního výonu. Nevýhodou jsou velié rozměry, teré jsou dány délou vedení a ro 144 MHz vychází déla tohoto vedení oolo 7 cm! Toto řešení je ta velmi výhodné ro vyšší mitočty nebo ro oravdu výonné oncové stuně, de nezáleží říliš na vlastních rozměrech. Postu stanovení výočtu a stanovení rozměrů anodového obvodu λ/ s aacitním děličem je odobný, jao v ředchozím říadě. Stejně ta i zjednodušující ředolady jsou stejné a odrobný rozbor je nad rámec tohoto úvodu.

9 V tomto řešení je využito anodového obvodu λ/ narázdno. Vlastní eletricá déla je oět ratší, než by odovídalo rozměrům dély vedení λ/. Tímto má vstuní imedance oět indutivní charater, terý se následně omenzuje řiojeným ondenzátorem na onci rezonančního obvodu a tím se řivádí do rezonance. V ředchozím říadě byl ondenzátor umístěn v roudovém maximu a byl zatěžován ředevším roudově, v tomto říadě je naoa umístěn na onci rezonátoru v naěťovém maximu a je namáhán ředevším naěťově. Veliost naětí na onci rezonátoru je úměrná rovoznímu činiteli Q a může dosahovat veliostí něolia desíte V. Veliost indutivní reatance vedení ratšího než λ/ rovozovaného v režimu narázdno lze vyočítat ze vztahu, odvozeného v ředchozí aitole: XL = ω L = cot g ( βl) = 8 cot (3,7) = 516 Ω (3) g de je vlnová imedance vedení a β lze vyočítat (činitel zrácení =1): πf β = c = 3 (33) Abychom se s tímto úseem vedení dostali do rezonance, musí latit: XL= -XC (34) a ro výočet onrétní omenzační aacity lze oužít odvozený vzorec z aacitní reatance: C 1 = =, F XL π f 1 (35) Konrétní hodnoty aacitního děliče jsou atrné ze simulace na obr.4 a nastavíme je až na hotovém zesilovači na otimální racovní činitel vality Q.

10 Obr.4 áladní onfigurace anodového obvodu λ/ narázdno(schéma ze simulátoru). Obr.5 Výslede simulace řenosu S1 a řizůsobení S11 anodového obvodu λ/ narázdno.

11 Αnodový obvod s cívovým rezonátorem Princi funce anodového obvodu využívá tzv. cívového rezonátoru narázdno. Poud se odíváme na náhradní obvod, terý nám rerezentuje reálnou cívu, můžeme ozorovat, že aždá cíva vyazuje vlastní sériovou a aralelní rezonanci. Ta je zůsobena ředevším tzv. mezizávitovou aacitou. Tato aacita je oměrně malá, ale rávě v uvažovaných mitočtových ásmech ji nemůžeme zanedbat. Přibližný ois návrhu a řešení výonového zesilovače s tímto tyem anodového obvodu byl osán v mé dilomové ráci [3]. Podrobnější analýza a stanovení veliosti mezizávitové aacity je oměrně omliované a nejjistější cestou je vytvoření řesného modelu a následné řešení v simulátoru 3D EM ole. U této onstruce se rávě využívá vlastní aralelní rezonance cívy tvořené zravidla jedním závitem a je zde určitá analogie s ředchozím rovedením rezonátoru λ/ narázdno. Výsledy simulace i následné rovedení dává řibližně stejné výsledy. Tím, že se jedná z rinciu o aralelní rezonanční obvod, ta na jeho onci je oět naět ové maximum a naětí na onci rezonátoru je úměrné rovoznímu Q. Hodnota tohoto naětí dosahuje oět až něolia desíte V a této hodnotě musíme uzůsobit vešeré omonenty v anodové dutině, tj. ředevším rovozní naětí oužitých ondenzátorů v aacitním děliči. Tyto ondenzátory se realizují jao onstruční s roměnnou vzdáleností s vloženým izolačním dieletriem (zravidla teflon) a změnou této vzdálenosti je umožněna změna aacity a tím ladění tohoto anodového obvodu. Toto řešení anodového obvodu umožňuje velmi malé onstruční usořádání, relativně snadné naladění a oměrně dobrou účinnost. Veliost celého anodového boxu s eletronou vychází malá a celová veliost zesilovače může být srovnatelná s lně tranzistorovým zesilovačem obdobného výonu. Nevýhodou tohoto řešení anodového obvodu je nižší mechanicá stabilita, terá je dána menším rozměrem anodového obvodu a tím i horší telené setrvačnosti, teré následně zůsobují větší změny rozměrů a tím rozlaďování anodového obvodu. Je ta nutno za rovozu občas rovádět dolaďování anodového obvodu. Vlastní jednozávitový rezonátor, využitý nařílad v onstruci eletronového zesilovače s GS35b ro 144MHz, terý byl ubliován nařílad zde [4] a [5], je tvořený jedním závitem cívy o indučnosti 17 nh o vnitřním růměru 7 mm z 6 mm tlustého drátu, řičemž déla cívy je rovněž cca 5 mm. U této cívy je možno odhadnout mezizávitovou aacitu na cca 1,5 F. Přesné měření je ro velmi malou hodnotu této aacity omliované a je důležitější ve výsledném zesilovači výstuní anodový obvod ečlivě naladit na otimální funci a nejleší řenos. Ladící ondenzátor s roměnnou mezerou Czem má a hodnotu oolo 7,5 F a aacitní vazba do antény Cv odovídá řibližně 3 F.

12 Výočet vnitřního růměru jednozávitové cívy ro danou indučnost 17 nh byl roveden z následujícího uraveného vztahu: Ll D = (36) µ N π de D je růměr cívy, L je indučnost ze simulace, l je déla cívy, µ je ermeabilita rostředí, N je očet závitů. Po dosazení a výočtu vychází vnitřní růměr cívy cca 65 mm. Obr.6 áladní onfigurace anodového obvodu s cívovým rezonátorem (schéma ze simulátoru).

13 Obr.7 Výslede simulace řenosu S1 a řizůsobení S11 anodového obvodu s cívovým rezonátorem narázdno. Poud bychom si ze simulace odečetli dva rajní body ro 3 db, dostali bychom šířu ásma ro daný oles 5,7 MHz ři středním mitočtu 144 MHz. Poud bychom dosadili do vzorce ro výočet rovozního činitele vality Q : Q (37) = B f 3 došli bychom výsledu, že Q ři této onrétní hodnotě anténní vazby je řibližně 5.

14 Literatura: [1] SYROVÁTKA, B. Výonová radiotechnia. Sritum. Vysoé učení technicé v Brně ISBN [] ČERNOHORSKÝ, D. Eletromagneticé vlny a vedení. Sritum. Vysoé učení technicé v Brně [3] KAVALÍR, T. Návrh a realizace výonového vf. zesilovače. Dilomová ráce. Plzeň: FEL ČU v Plzni, stran, 5 říloh. [4] KAVALÍR, T. Výonový zesilovač 1W ro 144MHz (1). Radioamatér. 1. ISSN [5] KAVALÍR, T. Výonový zesilovač 1W ro 144MHz (). Radioamatér. 1. ISSN