YÜKSELTEÇLER - 5:
RF GÜÇ YÜKSELTEÇLERİ
Linear (Doğrusal) RF güç yükselteçleri AM ve SSB vericilerin
çıkış
katı olarak yaygın olarak kullanılır. Aslında genel olarak
giriş ve
çıkış arasında ki bağlantı bir linear yükselteç
tarafından
sağlanır.
Linear yükselteç yada doğrusal yükselteç, adından da
anlaşılacağı gibi girişine uygulanan sinyalin şeklini, frekansını
bozmadan fakat genliğini arttırarak çıkışa aktaran
yükselteçlerdir. Bu yüzden, bilgiyi genliğinde taşıyan RF
sistemlerinin (AM, SSB gibi) çıkış katı olarak kullanılır.
Linear yükselteçlerler; A sınıfı tek transistörlü, paralel bağlı
transistörlü veya AB sınıfı yada B sınıfı push-pull bağlı
transistörlerden yapılabilir.
Bildiğiniz gibi A sınıfı yükselteçlerde bir takım bozulmalar
(distorsiyonlar) olmuyor. Şüphesiz B sını yada AB sınıfı
yükselteçlerin de çalışma bölgelerinin doğrusal kısımlarında
da aynı özellik var. Peki, linear yükselteç kullanmazsak ne
olur. Şimdi burada kısa bir bilgilendirme yapacağım.
Bir yükselteç
doğrusal çalışmıyorsa, girişine uygulanan
sinyali çıkışta şekli
bozuk olarak bize verecektir. Bu dalga
şeklinin trigonometrik
ifadesini yazmaya kalkarsak (yani
dalga şeklini genliği,
frekansı gibi şeyleri)
f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t
+....... anCosnw0t
Şimdi bu yazıyı okuyan pek çok arkadaş buda ne diyebilir.
Hemen açıklayacağım. Aslında basit. Burada bir anımı
anlatayım.
Yıllar önce telsiz üreten bir firmada teknisyen
olarak
çalışıyordum. Yaptığımız telsizler lambalı idi. Gelen
bir talep
doğrultusunda ilk defa transistörlü VHF telsiz imal
edecektik.
Şirketimizin sahibi, patronumuz ve tasarım
mühendisi, devreleri
tasarladı. Bende baskı devre
tasarımlarını yapıyordum. Devreyi
inceledim. Tamam, sanat
enstitüsünde öğrettikleri gibi osilatör
frekansı düşük, sonra
katlanarak yükseltiliyor... Her şey tamam
fakat kafama
takılmıştı. Bir diyot ve LC den oluşan devrenin
giriş ve çıkış
frekanları arasında üç kat fark vardı. Nasıl
oluyor da diyot
frekansı üçe katlıyordu? Anlamadım. Doğruca
patronun
yanına gittim ve sordum, nasıl oluyor? Şöyle
pürosundan
derin bir nefes çekti. Biraz düşündü. Yahu, oluyor
işte.
Senin matematik bilgin bunu anlamaya yetmez, daha
sonra
anlatırım dedi. Tabi, o sıralar laplace transformu,
fourier
serileri gibi şeyleri bilmiyordum. Bilsem de fark etmez
di,
çünkü bunların anlamlarını da bilmiyordum.
Şimdi
yukarda ki ifadeyi anlamak için bunları bilmeye gerek
var mı?
Bilinse iyi olurdu. Bilinmediğini düşünerek size çok
basit
olarak anlatmaya çalışacağım.
İşin özü şu; Kare, üçgen, kesik
sinüs, kesik kosinüs gibi
(tam sinüs ve kosinüs olmayan
dalgaların dışında) dalgalın
içinde sonuz sayıda sinüs dalgası
vardır. Buradaki sinüs
dalgalarının frekansları ana frekans ve
tam karlarından
oluşur. Şimdi yukarda ki ifadeye bakalım ve
açıklayalım.
f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t
+....... anCosnw0t
f(t)= Sinüs olamayan, periyodik bir dalga sekli, örneğin üsten
kesik bir sinüs, kare dalga yada üçgen dalga gibi.
a0= Dalga şeklinin DC bileşeni
w = 2 . pi . f (f ana frekans)
a1Cosw0t= a1, ana frekansın genliği, Cosw0t ise ana
frekans.
a2Cos2w0t= a2, ana frekansın ikinci harmoniğinin (ana
frekansın iki katı) genliği, Cos2w0t ise ana frekansın ikinci
harmoniği (ana frekansın iki katı).
a3Cos3w0t= a3, ana frekansın üçüncü harmoniğinin (ana
frekansın üç katı) genliği,
Cos3w0t ise ana frekansın üçüncü
harmoniği (ana frekansın üç katı).
a4Cos4w0t= a4, ana frekansın
dördüncü harmoniğinin
genliği,
Cos4w0t ise ana
frekansın dördüncü harmoniği.
anCosnw0t= an, ana frekansın n inci harmoniğinin genliği,
Cosnw0t ise ana frekansın n inci harmoniği.
Yani, sinüs dalgası dışındaki periyodik dalgalar, frekansları
ana
frekansın kendisi ve katları olan sinüs dalgalarından oluşur.
Bu
ne işe yarayacak derseniz, frekans katlama devreleri bu
işi
yapıyor, önce dalga şekli bozularak harmonikler üretiliyor
(bir diyot
yada A sınıfı çalışmayan transistörlü bir devre ile).
Sonra
katlayıcının çıkışına bu harmoniklerden hangisini
kullanacaksak
sadece onu alan bir LC devresi konuyor. Her
halde bu açıklama
işe yaramıştır.
Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa, girişine uygulanan
sinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir demiştik.
Yukarıdaki açıklamam iyi analiz edilmişse işinde işe
yaramayan pek çok bileşkeler olduğunu ve yükseltecin
veriminin azalacağı, çıkış sinyalinin seviyesinin düşeceği
açıktır.
Genel olarak bu bölümü özetlersek;
Bir RF dalgasındaki bilgi
dalganın genliğinde (AM, SSB)
taşınıyorsa Linear yükselteç
kullanılır.
Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın frekansında
(FM)
taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılmayabilir.
Dar
bantlı bir vericimiz varsa (Mors gibi) ve modülasyon
kollektör
besleme voltajını değiştirerek yapıyorsak AM için
çıkış katı
olarak kullanabiliriz. Fakat bu tür bir yükselteci S
SB olarak
kullanmak mümkün olmaz.
A-Sınıf RF Yükselteci:
Bir RF yükselteç içinde olmazsa olmaz devre parçalarından oluşur.
Buradaki Bayas devresi yükseltecin çalışma sınıfını belirler.
Matching (eşleme) devreleri transistörün giriş empedansını
girişe bağlanan bir önceki devrenin çıkış empedansına
eşlemeye, çıkıştaki matching devresi işe "transistörün çıkış
empedansını anten empedansına uydurmaya yarar.
Profesyonel
devrelerde genellikle giriş ve çıkış empedansları
özel bir durum yoksa
50 ohm olarak yapılır.
RFC (RF şok) RF e çok yüksek empedans
göstererek RF
sinyalin besleme ve bayas devrelerinden geçmesine
engel
olurlar.
A sınıfı bir yükselteç en iyi lineariteye ve
en düşük distorsiyon
oranına sahiptir. Fakat verimi düşüktür.
Bunun sebebi ise
çalışma sınıfının özelliğinden dolayı girişine
bir sinyal
uygulanmasa bile bir kollektör akımının akmasıdır.
Yukarıdaki devreye besleme voltajı ve giriş sinyali
uygulandığında, AC sinyal transistörün kollektöründe
besleme voltajının iki katı olarak salınır. Kollektördeki RFC
AC
sinyalin besleme kaynağı tarafından kısa devre edilmesine
engel olur.
AC sinyal kollektöre bağlı matching devresi
üzerinden antene
beslenir.
Transistöreden geçen akım;
Ic= Icq + IoCoswt dir.
Ic= Transistörden geçen herhangi bir andaki kollektör akımı.
Icq= Transistörden geçen kollektör sessizlik (giriş sinyali
olmadığında) akımı.
IoCoswt = RF sinyal bileşkesi olan kollektör akımı.
Herhangi bir andaki kollektör gerilimi;
Vc= Vcc - Io RL' Coswt Buradaki RL'
kollektör empedansıdır.
Kollektörde harcanan güç bir miktar hesap sonunda
Pd= IcQ Vcc - (Io2 RL') / 2 olarak bulunur.
Bu yükselteçlerde giriş sinyali yokken kollektör üzerinde çok
fazla güç harcanır. Yukarıdaki formülün (Io2 RL') / 2
parçası
sinüs sinyali uygulandığında oluşan güç
harcamasıdır.
Formülden de anlaşılacağı gibi giriş sinyali
yokken transistör
üzerinde harcanan güç artıyor.
Devrenin verimi
n = Io2 /( 2 Io2max) 100%
Buradan en büyük verinin %50 nin altında olduğu anlaşılıyor.
Maksimum çıkış gücü;
Po= (Vcc IcQ) / 2
Girişe birden çok sinyal sinyal uygulandığında (örneğin çift
ton uygulandığında) çıkış gücü tek tona göre düşer.
Bu nedenle
farklı güç formülleri de kullanılır.
Portalama= P.E.P / N
Burada;
Portalama = ortalama çıkış gücü
P.E.P. = Tek ton uygulandığında tepe güç.
N = ton sayısı
BU şekilde transistör üzerinde harcanan güç
Pd = IcQ Vcc - Portalama olarak ifade edilir.
Linear yükselteçlerde kullanılan bayas devreleri çıkış
transistörünün gücüne göre tasarlanır. Eğer düşük güç
transistörleri kullanılıyorsa aşağıdaki devre yeterli olabilir.
Eğer kullandığımız çıkış transistörü fazla güç verecek ise
aşağıdaki devreyi kullanmak daha uygun olacaktır.
Güç transistörlerinin beta değerleri genellikle azdır. Bu
nedenle Ib akımları yüksek olabilir. Yukarıdaki devrede
bulunan transistör fazla Ib akımlarını karşılamak için
kullanılmaktadır.
Her iki devredeki diyot yada diyotlar VB gerilimini sınırlamak
için
kullanılmaktadır. P1 ayarlı diranci Ib akımını yada IcQ
akımını
ayarlamak için kullanılmaktadır. RFC ise daha
önce de söylediğim
gibi girişe uygulanan RF sinyalin bayas
devresi üzerinden kısa
devre olmasını engellemek için kullanılmaktadır.
A sınıfı RF Yükseltecine Örnek;
Yukarıdaki devreyi açıklarken ses frekans yükselteçlerinden
gerek
devrede kullanılan malzemeler ve özellikleri bakımından
ne kadar
farklı olduğunu göreceksiniz.
Devrenin girişinde kullanılan C1, C2 ve L1 elemanları girişe
bağlanacak olan RF kaynağının çıkış empedansının
transistörün giriş empedansına çalışma frekansında
uydurmaya
yarar. Bu devre kullanılmazsa RF kaynağının
empedansı ile
transistörün giriş empedansı birbirine uygun
olmadığı için devre
iyi çalışmayacaktır. Bildiğiniz gibi elektrikte
maksimum güç transferi
için empedanslar eşit olmalı.
Çıkış da yer alan L2, C5 ve C6
kapasiteleri ise transistörün
çıkış empedansını anten devresine
(anten kablosu ve anten
dahil) uydurmaya yarar. RFC ler RF
sinyalin besleme gerilimi
ve bayas voltajı üzerinden kısa devre
olmasını engeller. C3
ve C4 kondansatörleri ise besleme
kaynaklarından
gelebilecek olan bozucu AC sinyallerin devreye
girmesine
engel olmak için kullanılmaktadır.
Şimdi devre ile ilgili formülleri ve elemanların nasıl
hesaplandığını bir örnekle açıklayalım;
Bu devremiz örneğin
30MHz de 13W güç verecek bir linear
yükselteç olarak tasarlanmış
olsun. Kullanılan transistörün
giriş empedansı (1,7 - j1)
olsun.
L1 için ;
Bobinin Q faktörü biraz geniş olması için 7 seçilsin. L1 bobinin
reaktansı ;
XL1= (Q . Rin) + XCin
Burada Rin transistörün giriş direnci olup 1,7 ohm Xcin
transistörün giriş empedansının sanal tarafı olup 1 ohm dur.
XL1 = ( 7 . 1,7 ) + 1
XL1 = 12.9 ohm
L1= XL1 / ( 2 . pi . f ) = 12,9 / ( 2 . pi . 3 . 107 )
L1 = 68,4 nH bulunur.
C1 için;
XC1= RL . \/¯ ( Rin . (1 + Q2 ) / RL ) - 1
Değerleri yerine koyarsak
XC1= 41,8 ohm
C1 = 1 / ( w . XC1 )
C1 = 127pF
C2 için;
XC2 = Rin . (1 + Q2) / ( Q - \/¯ (Rin . ( 1 + Q2 ) /
RL) -1
XC2 = 13,8 ohm
C2 = 1 / ( w . XC2 )
C2 = 385pF
bulunur.
Bulunan C1, C2 ve L1 değerindeki malzemeleri tam olarak
bulmak mümkün değildir. Bu nedenle trimmer kondansatör
ve
ayarlı bobin kullanmak gereklidir.
Yükseltecin 13W gücünde olacağını söylemiştim. A sınıfı
linear yükselteçte en çok %50 verim alınacağına göre
transistör üzerinde normal ısıl şartlarda Pdmax 30W
harcanacağını düşünelim.
Besleme voltajı 12,5V olduğuna göre sessizlik akımı IcQ;
IcQ = Pdmax / Vcc
IcQ = 30 / 12,5
IcQ = 2,4A
Kollektör yük direnci RL' ;
RL' = ( Vcc -Vsat ) / IcQ
Vsat, transistörün saturasyon voltajı
1,5V kabul edilsin.
RL' = ( 12,5 -1,5 ) / 2,4
RL' = 4,58 ohm
bulunur.
Çıkış gücü ise;
Po = ( IcQ2 . RL' ) / 2
Po
= ( 5,76 . 4,58 ) / 2
Po = 13,2 W olduğu görülür.
Çıkışa bağlanacak anten empedansımız 50 ohm olduğuna
göre
aradaki empedans uydurma devresinin 4,58 ohm luk
kollektör
empedansını 50 ohm luk anten empedansına
uydurması gereklidir.
Devremiz eğer fazla harmonik üretse idi ve biz bu harmoniklerin
antene gitmesini engellemek istersek o zaman devrenin Q
sunun yüksek olmasını isterdik. Yüksek Q harmonikleri
ortadan kaldırdığı gibi dar bantlı çıkış almamızı sağlar. Q
düşük seçilirse bu kez de geniş bantlı çıkış elde ederiz. Bizim
devremiz zaten A sınıfı olduğu için harmonik bileşenleri doğal
olarak az. Bu nedenle harmonik endişesi olmadan Q değerini
düşük
seçebiliriz.
Çıkış devresinin Q su 3 olsun.
Qtoplam= Qgiriş + Qçıkış
Qtoplam = 7 + 3
Qtoplam = 10
XC5 = Qçıkış . Ro
XC5 = 3 . 4,58
XC5 = 13,75
bulunur.
C5 = 1 / ( w . XC5 )
C5 = 386pF
Bulunan C5 değerinden bazı parazitik kapasite değerlerini
çıkarmak gereklidir. Daha iyisi C5 i trimmer kondansatör
olarak kullanırız.
C6 değeri;
XC6 = RL . \/¯Ro / (RL - Ro)
XC6 = 50 . \/¯4,85 /
(50 - 4,85)
XC6 = 15,9 ohm
C6 = 1 / ( w . XC6 )
C6 = 334pF bulunur.
C6 yı da trimmer olarak kullanmak gereklidir.
L2 değeri;
Transistörün çıkış empedansı Xcçıkış, 3.54 ohm olsun.
XL2 = XC5 + Xcçıkış + ( ( Ro . RL ) / XC6 )
XL2 = 13,74 + 3,54 + (
(4,58 . 50 ) / 15,9 )
XL2 = 31,64 ohm
L2 = XL2 / ( 2 . pi . f ) = 31,64 / ( 2 . pi . 3 .
107)
L2 = 149 nH
Şimdide gerilim ve güç kazançlarını hesaplayalım;
AV = ß . RL' / Rin
Yada
AV = ( ft / fwork ) . ( RL' / Rin )
Burada ft transistörün kesim frekansı olup örnek olarak
100MHz alalım.
fwork transistörün çalışma frekansı olup
örneğimizde 30MHz
idi.
AV = ( 100 / 30 ) . ( 4,58 / 1,7 )
AV = 8,98 gerilim
kazancıdır.
Gp = 20 log AV
Gp = 19 dB güç kazancı bulunur.
Burada eksi kalan taraf sadece transistörün soğutucu
hesaplamalarıdır.
Önümüzdeki ay NON-LINEAR RF yükselteçleri (B sınıfı
ve C
sınıfı) açıklamaya çalışacağım. ..