Предаватели клас Е - прототип на стъпало

[ahedproductions]

Здравейте колеги!
Наскоро попаднах на една статийка за усилвателите, работещи в т.нар. клас Е. Този режим е открит от баща и син, Нейтън и Алан Сокал през 1975г. - http://people.physics.anu.edu.au/~dxt103/160m/class_E_amp_design.pdf
При тези усилватели се целят няколко неща едновременно:
1) Напрежението върху транзистора да е близко до 0, когато тече ток през него.
2) Токът да е 0, когато върху транзистора има високо напрежение.
3) Нарастването на напрежението върху транзистора да се случва след спадане на тока през него до 0.
4) Нарастването на тока през транзистора да се случва след като напрежението върху него е паднало до 0.
Ако напрежението върху транзистора е 0 при отпушване, през него не се разрежда С1 (товарен кондензатор+изходния капацитет на транзистора) и така се намаляват загубите от разреждането на съхранената в С1 енергия (C1*Uc1*Uc1)/2, f пъти в секунда. Когато напрежението върху транзистора е 0 при инжектиране на тока през него, токът нараства плавно и загубите от i*i*R са ниски.
Тези изисквания се постигат с добавянето на реактивни елементи в схемата - товарен кондензатор С1 и последователна резонансна верига С2L2.
Идеализирани форми на тока и напрежението на транзистора:

Схема на стъпалото:

Реални форми на тока и напрежението:

Въздействие на елементите върху формата на дрейновото напрежение и начин за настройка на схемата:


Прекарах известно време в четене и реших да пробвам! Тъй като уравненията са сложнички намерих онлайн калкулаотр, базиран на тях - http://people.physics.anu.edu.au/~dxt103/calculators/class-e.php .
Заложих следните данни - Q=5, Vcc=24V, Po=120W, L1=1mH, f=1200kHz и получих:
C1 = 12.2nF, C2 = 15.66nF, L2 = 1.51uH, R = 2.277ohms, Icc = 5.21A , отношение на навивките на изходния трансформатор за 50 ома товар: 4,6855.
Разколачих две компютърни захранвания и ги изолирах, сдвоих на високотехнологично парче ПДЧ и свързах последователно за 24 волта напрежение. Преправих си стария DDS генератор да вади правоъгълни импулси и му добавих буфер с логическа ИС на 5 волта. Закупих драйвер за MOSFET транзистори от Комет - ТС4420. Изгърмях 2-3 транзистора IRF630, опитвайки се да ги подкарам 2 в паралел. Осъзнах, че правя глупости и сложих един IRFP250N, който се чуства повече от комфортно в тази схема и тези стойности на токовете и напреженията. След донастройка на схемата С1 = 15,6nF, C2 = 10.6nF, като имам вероятна грешка в стойността на L1. Тъй като в момента нямам с какво да меря индуктивност, а не ми се занимава да го правя с генератора, погледнах от таблиците на Амидон и навих 12.5 навивки върху две ядра Т50-2. Според таблицата трябва да съм някъде на 1.5 микрохенри, но явно съм малко надолу. След компенсацията със стойностите на двата кондензатора ви представям резултатите!
Общ изглед:

Самото стъпало. Моля обърнете внимание на измервателната яка за сондата на осцилоскопа - ако не мерите така, а за заземяване използвате жичлето на сондата, то се превръща в антена и истината подминава осцилоскопа! Драйверът се захранва от отделно захранване засега, но може да се закачи към долното от двете захранвания, на 12 волта. Сигнала се подава на гейта през резистор от 2.2 ома а между гейта и земя има 10к резистор (2х20к) и защитен ценер 18 волта/1.3 вата (Комет). Ако не сложите нискоомния резистор ще се появят ВЧ паразитни осцилации и ще има пуканки, фойерверки, смрад - изпробвано лично! 

Напрежението на дрейна, имам леко звънене, но е повече от приемливо:

Напрежение върху товара (тази форма е без никакъв филтър!!!):


И математиката:
Ul = 123Vpk, Rl=52.2R, Pl = 145W
Ucc = 24V, Icc = 6.33A, Pcc = 151.92W
Загуби - Pcc - Pl = 6.9W
КПД = 95,44%

Освен тези 6.9 вата има и още една мощност, която грее транзистора неизбежно - мощността върху гейта, създадена от зареждането и разреждането на гейтовия капацитет от драйвера. Сумарно около 10 вата топло трябва да се охладят. Не е трудно, нито е много за 145 ватово стъпало, нали?

Бая съм доволен. Следващата стъпка е да направя един сериен модулатор по схемата от темата за макетите, но ще заменя тандема TIP42+2N3055 със TIP142, дарлингтонче. До колкото разбирам с изменение на захранващото напрежение настройката не трябва да се променя, а само изходната мощност. Така ще паркирам схемата на 12 волта и ще я клатя от 0 до 24 волта за 100% модулация.
 

[ahedproductions]

Не изтраях и налепих модулатора - резултати:



28W носеща, 112W пик, модулация до 100%. Пад върху модулатора - 3.4V, макс. напрежение върху стъпалото 20.6V, на носеща 10.3V волта.
Развивката се бие с фотоапарата, за това са лентите. Картинката е без никакъв филтър в изхода. Следва - филтър в изхода!