Розвиток методів розрахунку і побудови активних пристроїв класу Е на польових транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хмельницький національний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розвиток методів розрахунку і побудови активних пристроїв класу Е на польових транзисторах

Чернов Д.В.

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Хмельницький - 2011

Вступ

Актуальність теми. Постійно зростаючі вимоги до основних характеристик радіотехнічних пристроїв, особливо в частині енергетичної ефективності, спонукають до пошуку нових рішень при їх розробці. Одним із таких рішень стала розробка автоколивальних та підсилювальних пристроїв класу Е, основною перевагою яких є високе значення коефіцієнту корисної дії (ККД), в порівнянні з традиційними класами. Високе значення ККД в даних пристроях, досягається за рахунок створення особливих умов переключення активного елементу - у нулі напруги на ньому (умова ПНН) та у нулі похідної цієї напруги (умова ПНПН). Проте, використання підсилювачів та автогенераторів класу Е у радіотехнічних системах, у якості передавачів сигналу та збуджувачів навантаження, є неможливим без застосування відповідної теоретичної бази, а отже потребує створення та удосконалення моделей і методів розрахунку цих пристроїв у відповідних режимах роботи.

Розробці теоретичної бази пристроїв класу Е присвячено багато наукових робіт. Серед них слід відмітити роботи А. Сокала, Н. Сокала, А.Т. Артима, І.А. Попова, В.Б. Козирєва. Значний внесок у розвиток класу Е внесли Ф. Рааб та М. Казімерчук. Інтенсивні дослідження підсилювачів класу Е зараз проводяться у США, Японії, Південній Кореї та у Європейському співтоваристві. Проте, як показав аналіз, незважаючи на широке застосування пристроїв класу Е, залишаються невирішеними ряд задач, серед яких - використання підсилювачів та автогенераторів класу Е у режимі управління вихідним сигналом при їх застосуванні в передавальних пристроях, та роботи в умовах резонансного або навантаження, що змінюється. У випадку автогенераторів класу Е задача ускладнюється необхідністю забезпечення специфічних умов генерації, що спонукає до розвитку та удосконалення методів їх розрахунку.

А отже, для використання підсилювачів і автогенераторів класу Е в радіотехнічних системах, необхідно розвинути та удосконалити методи їх розрахунку, особливо в частині розширення функціональних можливостей, таких як синхронізація автогенераторів класу Е, модуляція вихідного сигналу підсилювачів класу Е та їх робота на резонансне навантаження, або навантаження, що змінюється, це визначає актуальність даної тематики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно з поточними та перспективними планами наукової роботи Донецького національного університету за тематикою подальшого розвитку засобів радіоелектроніки, інформаційних технологій та телекомунікаційних систем в інтересах забезпечення Національної безпеки України. Дослідження тісно пов'язано з розробкою науково-дослідних робіт, в яких автор безпосередньо приймав участь, а саме: "Моделювання та розробка нових конструкцій перетворювачів енергії й високоефективних підсилювачів надвисоких частот", номер державної реєстрації ДР 0107U001453. В даній роботі автором розроблено програму розрахунку автогенератора класу Е у середовищі Mathcad, у якої застосовано запропонований здобувачем аналітичний розв'язок рівняння, яке описує умови генерації у навантажувальному колі автогенератора класу Е. "Розробка вузлів комунікаційної апаратури на базі високоефективних підсилювачів потужності", номер державної реєстрації ДР 0109U001657. В даній роботі автором запропоновано схему ефективного підсилювача-модулятора класу Е, у якій використовується розвинутий метод маніпуляції вихідного сигналу підсилювача класу Е.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методів розрахунку, розширення функціональних можливостей у режимах управління вихідним сигналом підсилювачів і автогенераторів класу Е на МОН польових транзисторах.

Об'єкт дослідження - процеси перетворення енергії та сигналів у підсилювачах та автогенераторах класу Е.

Предмет дослідження - методи та засоби управління вихідним сигналом підсилювачів і автогенераторів класу Е на МОН польових транзисторах зі складним вихідним колом.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено наступні взаємопов'язані часткові завдання:

проведено аналіз автогенератора класу Е у режимі синхронізації для різних способів введення синхросигналу - резистивним способом та способом трансформаторного зв'язку;

проведено аналіз дворежимного автогенератора класу Е з навантаженням, що змінюється;

удосконалено метод розрахунку автогенератора класу Е;

розвинуто метод ефективної маніпуляції вихідного сигналу підсилювача класу Е;

розвинуто теорію підсилювача класу Е, що навантажений на резонансне навантаження.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі застосовані теоретичні та експериментальні методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на застосуванні апарату теорії лінійних електричних кіл, математичного аналізу та моделювання на ПЕОМ, теоретичних основ вимірювань. Реалізація методів моделювання проведена із використанням систем автоматизованого проектування (програмних продуктів "MathCAD", "PSpice" та "ADS") та середовища програмування "Delphi". Методи експериментальних досліджень: натурний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

вперше розроблена математична модель синхронізованого автогенератора класу Е. Відмінність цієї моделі від існуючих, що визначає її новизну, полягає в тому, що складна передавальна функція була апроксимована в околі робочої частоти функцією послідовного RLC-кола, що дає змогу аналітично та шляхом моделювання отримати залежності смуги синхронізації від напруги синхросигналу автогенератора для різних способів введення синхросигналу;

дістала подальшого розвитку математична модель дворежимного автогенератора класу Е. Відмінність цієї моделі від існуючих, що визначає її новизну і сутність удосконалення, полягає в урахуванні режиму високого підсилення активного елементу автогенератора. Це дає змогу досліджувати роботу автогенераторів класу Е в субоптимальному режимі при їх роботі з навантаженням, що змінюється;

удосконалено метод розрахунку автогенератора класу Е. Сутність удосконалення методу полягає в тому, що вперше запропоновано аналітичний розв'язок тригонометричного рівняння, яке описує умови балансу фаз та узгодження опорів у колі автогенератора класу Е;

удосконалено метод ефективної маніпуляції вихідного сигналу підсилювача класу Е. Сутність удосконалення методу полягає во введенні додаткового кола узгодження імпедансів підсилювача та навантаження, що вперше дало змогу виконувати умови підсилювача класу Е при обох рівнях вхідного сигналу;

удосконалено метод визначення параметрів еквівалентного кола ре-зонансного навантаження на основі характерних залежностей підсилювача класу Е для однозначного визначення параметрів еквівалентного кола.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає у наступному:

виведені залежності смуги захоплення синхронізованого автогенератора класу Е дозволяють проектувати ефективні передавальні пристрої, що працюють у заданій смузі частот, наприклад для здійснення модуляції вихідного сигналу способом синхронізації;

проведений аналіз дворежимного автогенератора класу Е на МОН ПТ з великим коефіцієнтом підсилення дозволяє визначити частоту генерації, форми напруг і струмів у автогенераторі при роботі на навантаження, що значно відрізняється від розрахункового. Виведені залежності для пікових значень напруги та струму транзистора дозволяють провести вибір відповідного транзистора, який здатний працювати на навантаження, що змінюється;

удосконалений метод розрахунку автогенератора класу Е дозволяє аналітично розраховувати автогенератор класу Е із заданими параметрами, наприклад, за допомогою пакета Mathcad;

розвинутий метод ефективної маніпуляції вихідного сигналу підсилювача класу Е дозволяє ефективну передачу ВЧ сигналу стандарту RFID ISO 14443B. При цьому навантажувальний імпеданс задовольняє умові класу Е у режимі маніпуляції, завдяки чому ККД трансивера у режимі передачі підтримується на високому рівні (79%). За наведеним докладним розрахунком підсилювача-модулятора можливе проектування ефективних RFID систем;

розвинутий метод визначення параметрів еквівалентного кола резонансного навантаження дозволяє нескладно виміряти параметри резонансного навантаження, наприклад, значення елементів еквівалентного кола п'єзоелемента у режимі збудження при заданій електричній потужності.

Запропоновані конструкції та удосконалені методи експериментально перевірені, запатентовані й повністю готові до використання.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес Донецького національного університету, у виробничий процес СКТБ "Турбулентність", ТОВ "Бета ТВ ком". Дані про впровадження результатів підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові й прикладні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. Зі спільних публікацій особисто здобувачу належить таке: у [1] - розраховано, побудовано та експериментально досліджено підсилювач класу Е; у [2] - розраховано, промодельовано, побудовано та експериментально досліджено автогенератор класу Е; у [3] - розраховано, промодельовано, побудовано та експериментально досліджено автогенератор класу Е у режимі FSK синхронізації; у [4] - розраховано, побудовано та експериментально досліджено підсилювач класу Е у режимі дискретного управління вихідною потужністю; у [5] - розраховано та побудовано автогенератор класу Е; у [6] - розраховано, промодельовано, побудовано та експериментально досліджено автогенератор класу Е; запропоновано аналітичний розв'язок рівняння, яке описує умови генерації у колі автогенератора класу Е; розраховано вплив допусків елементів на частоту генерації; у [7] - розраховано та побудовано автогенератор класу Е, теоретично та експериментально отримано характеристики такого автогенератора у режимі синхронізації; у [8-10], [14] - на прикладі електронного баласту для люмінесцентної лампи запропоновано схему, розраховано, промодельовано, побудовано та експериментально досліджено дворежимний автогенератор класу Е з великим коефіцієнтом підсилення, вирішена задача забезпечення необхідного фазового зсуву у колі такого автогенератора; розраховано параметр його стабільності; модель дворежимного автогенератора з навантаженням, що змінюється; у [10] - запропоновано, розраховано, побудовано та експериментально досліджено схему обмеження вихідної потужності дворежимного автогенератора класу Е при зміні напруги живлення на прикладі електронного баласту для люмінесцентної лампи; у [11] - розраховано, побудовано та експериментально досліджено схему збуджувача п'езоелемента, ідея використання цієї схеми для вимірювання параметрів резонансного навантаження при заданій електричній потужності; у [12] - побудовано та експериментально досліджено широкосмуговий підсилювач класу Е; у [13] розраховано, промодельовано, побудовано та експериментально досліджено автогенератор класу Е; у [15] - досліджено характер зміни рішення рівняння, яке описує умови генерації у колі автогенератора класу Е; у [16] - запропоновано, розраховано, побудовано та експериментально досліджено схему корекції паразитної амплітудної модуляції вихідного сигналу підсилювача класу Е; у [17] - запропоновано, розраховано, промодельовано та експериментально досліджено схему підсилювача-модулятора класу Е; ідея застосування модуляції реактивністю з задовольнянням вхідного імпедансу навантажувального кола підсилювача умові класу Е на обох режимах передавання логічних рівнів.

Ідеї співавторів у роботі не використовувались.

Достовірність результатів дисертаційної роботи обумовлена збігом результатів експериментальних досліджень макетів пристроїв з результатами моделювання процесів на ЕОМ і результатами аналітичного розрахунку, а також узгодженістю основних результатів дисертаційної роботи з результатами робіт інших авторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на чотирьох науково-практичних конференціях: "International Symposium on Circuits and Systems", Phoenix, AZ, May 2002; "Каразінські природознавчі студії", 14-16 червня 2004 р., Харків, ХНУ, Україна; на симпозіумі "International Symposium on Circuits and Systems", Греція, 2006 р., на конференції "Всесвітній рік фізики в Московському університеті", Москва 2005 р.; на наукових конференціях ДонНУ за підсумками науково-дослідної роботи 2001, 2004 та 2011 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 робіт, з них п'ять у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК, три у закордонних виданнях (IEEE Transactions), п'ять патентів України, та чотири надрукованих тез доповідей у збірниках наукових праць конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний об'єм дисертації - 190 сторінок, з них основного тексту - 149 сторінок. Список використаних джерел на 13 сторінках нараховує 122 найменування. Усього в дисертації 5 таблиць та 63 рисунків.

1. Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі і методи досліджень, визначено наукову новизну, особистий внесок автора, наведено основні наукові результати, відзначено їх практичне значення, а також наведено інформацію про зв'язок роботи з науковими темами і її апробацію.

У першому розділі проведено огляд науково-технічної літератури за темою досліджень, наведено існуючі пристрої на їх основі та досягнуті результати. На основі цього аналізу встановлено, що на поточний час існує низка невирішених актуальних задач, таких як уточнення теорії автогенератора класу Е, аналіз дворежимного автогенератора класу Е з великим коефіцієнтом підсилення, аналіз автогенератора класу Е у режимі синхронізації та при роботі на резонансне навантаження. Зроблено висновки щодо необхідності проведення подальших досліджень в області високоефективних підсилювачів та автогенераторів, зокрема спрямованих на вивчення питання керування вихідним сигналом у ВЧ підсилювачах класу Е на МОН ПТ, у тому числі в умовах резонансного навантаження або навантаження, що змінюється.

У другому розділі розглянуті підсилювачі та автогенераторі класу Е у різних режимах роботи, отримані характеристики автогенератора класу Е у режимі синхронізації, розглянуто дворежимний автогенератор класу Е з великим коефіцієнтом підсилення при роботі на навантаження, що змінюється.

У цьому розділі проведено аналіз у часовій області ВЧ підсилювача класу Е на МОН ПТ за припущенням нескінченної навантаженої добротності контуру, ідеального ключового елемента з нульовим часом спаду струму та лінійної шунтівної ємності. У аналізі напруга на ключі розкладається у ряд Фур'є без введення додаткових параметрів (які використовувалися у монографії Альбулета), що значно спрощує аналіз.

Аналіз синхронізованого автогенератора класу Е базується на рівнянні, що було наведене Адлером:

,

де

- миттєва фаза між комплексними напругами зворотного зв'язку та синхронізації на затворі на частоті ; - повний фазовий зсув у ланцюзі автогенератора на робочій частоті; - фазовий зсув на ключі між напругами затвор-виток та сток-істок ; фазовий зсув у ланцюзі від стоку до затвору; - амплітуда напруги синхронізації на затворі; та - амплітуда напруги на затворі, що створюється ланцюгом зворотного зв'язку у режимі вільних коливань.

Залежність фазового зсуву від частоти розкладена у ряд Тейлора в околі частоти вільних коливань .

.

Вважаємо зміну фази в навантажувальному ланцюзі (від стоку до затвора) лінійною в околі частоти вільних коливань. При цьому не враховується зміна фази в транзисторі , яка є набагато меншою за зміну фази в навантажувальному контурі. Величину похідної у точці робочої частоти замінили похідною фази послідовного резонансного контуру з резонансною частотою за відомою формулою, що спрощує обчислення. Для наближеного розрахунку напруги зворотного зв'язку на затворі транзистору передавальна функція складного навантажувального кола від перерізу А до G теж розкладається у ряд Тейлора і враховується тільки лінійна складова. Похідна передавальної функції заміняється передавальною функцією послідовного резонансного контуру з резонансною частотою , що не співпадає з робочою частотою:

Після підстановки фазового зсуву у колі автогенератора та напруги зворотного зв'язку у вираз отримуємо рівняння, що описує умови захоплення частоти. Умова існування рішення цього рівняння зводиться до системи двох нерівностей.

Рішення цієї системи визначає смугу захоплення. Для синхросигналу В, (на затворі В), частоти кГц та добротності отримана смуга кГц ().

Для порівняння було чисельно розв'язано систему диференціальних рівнянь, що описує роботу автогенератора в часовій області. Розв'язання системи диференціальних рівнянь для розрахованого автогенератора на робочу частоту 800 кГц забеспечує смугу синхронізації від 796,0 до 805,5 кГц або смугу захоплення кГц, або для . Розрахований автогенератор було побудовано та експериментально досліджено, дані експерименту добре узгоджуються із даними чисельного розрахунку в межах похибки вимірювальних приладів. На рис. 1 наведено теоретичну та експериментальну смуги захоплення для резистивного зв'язку у залежності від напруги синхронізації .



Рис. 1. Теоретична та експериментальна смуги захоплення

Синхронізуючий сигнал також було введено трансформаторним зв'язком. У цьому випадку індуктивність первинної обмотки утворюється витком із малою індуктивністю (у роботі була взята величина мкГн), що пов'язана з індуктивністю зворотного зв'язка через коефіцієнт взаємної індукції

.

Для автогенератора із заданими вище параметрами для , мВ, і мкГн, розрахована смуга захоплення склала кГц або .

За допомогою сигналу синхронізації було здійснено модуляцію вихідного сигналу ВЧ автогенератора класу Е. Модулюючим було обрано частотно-маніпульований сигнал (FSK модуляція) з частотами і та частотою комутації . У роботі було досліджено автогенератор класу Е, що синхронізований частотно-маніпульованим сигналом із частотами кГц та кГц, що комутуються із частотою модуляції кГц.

Оскільки залежність вихідної потужності ВЧ підсилювача класу Е, а отже і автогенератора класу Е, є асиметричною стосовно робочої точки, то рівень основних частот на виході відрізняється. Для вирівнювання основних складових спектру було запропоновано схему, принцип дії якої заснований на додаткової стоковій модуляції, що вирівнює основні складові спектра на виході. Поведінку автогенератора у режимі частотної маніпуляції було чисельно промодельовано шляхом розв'язання системи диференційних рівнянь, що описують схему у часовій області. В отриманому в експерименті спектрі вихідної напруги без корекції рівень верхньої несучої частоти 810 кГц менше рівня нижньої на 2 дБ. Введення амплітудної модуляції, що є синхронною зі зміною вхідної частоти, дозволяє вирівняти спектральні складові несучих частот. Було отримано експериментальні характеристики автогенератора: напруга живлення - 4,5 В; вихідна потужність - 1,18 Вт; стоковий ККД - 74%. У порівнянні із синхронізуючим сигналом, на навантаженні з'явилися складові

і .

Виникнення цих складових пояснюється перехідними процесами в автогенераторі, а також несинхронністю модульованої та модулюючої частот. Максимальний рівень цих складових становить -24 дБ без корекції та -24,6 дБ із корекцією відносно несучої частоти в смузі синхронізації 800±10 кГц. Максимально можлива смуга синхронізації лежить в межах 816789 кГц за амплітуди прямокутних імпульсів на вході 9 В (при виключеному автогенераторі). Вихідна потужність та ККД, що отримані в експерименті без синхронізації, склали 1,59 Вт та 74 % відповідно; із синхронізацією ККД склав 73%.

Також, у розділі на прикладі електронного баласту для люмінесцентної лампи розглянуто дворежимний автогенератор класу Е з великим коефіцієнтом підсилення (вихідна потужність набагато більше потужності керування транзистором). В робочому режимі автогенератор працює на розрахункове навантаження (лампа запалена), у режимі запуску автогенератор працює на навантаження, яке значно відрізняється від розрахункового (запалювання лампи). Якщо безпосередньо застосувати для розрахунку цієї схеми наведений у третьому розділі метод розрахунку, то рівняння не має рішення, а тому для розв'язання цієї задачі було запропоновано використати додаткову ємність. Це дозволяє зменшити значення до такої величини, коли рівняння матиме коректне розв'язання (було обрано ). Для знаходження частоти запуску було складено та чисельно у програмі Mathcad розв'язано нелінійну систему з 5 рівнянь. Вважається, що паралельно ключу зворотно включено діод, а також, що ключ працюватиме в режимі перемикання в нулі напруги (ПНН). Це буде виконуватися, якщо навантажувальний опір r буде менший за оптимальний.

Дворежимний ВЧ автогенератор класу Е було розраховано на робочу частоту 440 кГц, напругу живлення 12 В, навантажену добротність , коефіцієнт заповнення вхідного сигналу . Теоретичне значення ККД склало 85 %, експериментальне - 83% при потужності постійного струму 22,3 Вт і вихідної потужності 18,5 Вт. Частота запуску склала 439,1 кГц.

У третьому розділі розвивається теорія підсилювачів та автогенераторів класу Е. Розглянуто автогенератор класу Е, підсилювач-модулятор класу Е у складі RFID трансивера, підсилювач класу Е, який навантажений на резонансне навантаження та підсилювач класу Е у режимі дискретного керування вихідною потужністю. Також досліджено базову схему підсилювача класу Е та автогенератор класу Е.

а) б)

Рис. 2. Автогенератор класу Е з навантажувальним контуром (а) та розділеним на перерізи (б)

При розрахунку цієї схеми розв'язано тригонометричне рівняння, що описує умови генерації в колі автогенератора класу Е:

,

де

,

а , , , , , - добротності відповідних перерізів; - фазовий зсув від стоку до затвору в контурі автогенератора; - відношення резистивних складових послідовних еквівалентів імпедансу відповідних перерізів. Рішення рівняння (4) має вигляд

,

де

.

З (5) видно, що існує два рішення, що відповідають знакам "+" та "?". На рис. 3 наведено залежність фазового зсуву у ланцюзі автогенератора

від добротності навантаження контуру зворотного зв'язку (справа від перерізу А). Рішення зі знаком "?" має фізичний сенс при для обраних параметрів автогенератора. При збільшенні модуля добротності вище 8 спостерігається розрив, що відповідає зміні рішення, і фізичним стає рішення зі знаком "+". Зміна знака обумовлена періодичністю функції тангенса.

Рис. 3. Поведінка рішення рівняння в залежності від добротності навантаження контуру зворотного зв'язку

Було розраховано ВЧ автогенератор класу Е на МОН ПТ на частоту 800 кГц, вихідну потужність 1 Вт, напругу живлення 4,5 В, навантажену добротність . Теоретичний ККД склав 89%. Отриманий у експерименті ККД склав 82% при вихідній потужності 0,95 Вт. На рис. 4 показано експериментальні залежності для автогенератора класу Е. У смузі зміни частоти генерації ККД низьковольтного ВЧ автогенератора класу Е складає не нижче 70%. При зміні напруги живлення на 22% відхід частоти складає 0,3% (рис. 5). У спектрі вихідної напруги відносний рівень другої гармоніки складає -35дБн та третьої -53дБн.



Рис. 4. Експериментальні залежності ККД і вихідної потужності від частоти, отримані варіюванням L3

Рис. 5. Нормована частота коливань в залежності від напруги живлення VDD

Далі, розглянуто підсилювач-модулятор класу Е, який дозволяє ефективно модулювати та підсилювати сигнал у складі RFID трансивера 13,56 МГц, розвинуто метод ефективного маніпулювання вихідним струмом підсилювача класу Е. Для здійснення ефективної маніпуляції застосовується навантажувальний ланцюг з ємністю, що комутується, завдяки чому здійснюється амплітудна маніпуляція струму у котушці зв'язку. Схема розробленого підсилювача-модулятора зображена на рис. 6. Модельовані форми стокової напруги та стокового струму наведені на рис. 7. Модельований стоковий ККД склав 86 % при вихідної потужності 2,97 Вт для логічної 1 та 92 % при вихідній потужності 2,04 Вт для логічного 0. Під стоковим ККД розуміється відношення потужності, що розсіюється на опорі , до потужності постійного струму джерела живлення. Експериментальний стоковий ККД склав 68 % при вихідної потужності 2,1 Вт для логічної 1 та 79 % при вихідної потужності 1,4 Вт для логічного 0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Схема підсилювача-модулятора класу Е

а) б)

Рис. 7. Модельовані форми стокової напруги та стокового струму підсилювача-модулятора: а) передача логічної 1, б) передача логічного 0

У роботі також надано розрахунок запропонованої схеми та її експериментальні характеристики для стандарту ISO14443B.

Також розглянуто підсилювач класу Е, який навантажений на резонансне навантаження. У якості приклада був застосований п'єзоелемент (ПЕ). Схему збуджувача ПЕ поблизу робочої частоти ПЕ 288 кГц показано на рис. 8.

Рис. 8. Схема підсилювача класу Е, що навантажений на п'єзоелемент

Вхідний імпеданс ПЕ знайдено для двох частот - і , на яких забезпечується характерна для класу Е форма стокової напруги. Для цих частот розв'язується система рівнянь, що дає значення параметрів еквівалентної схеми ПЕ Процес виміру параметрів полягав в настроюванні схеми на рис. 8 у номінальний режим роботи класу Е. Номінальному режиму відповідає характерна форма напруги з нульовим нахилом у момент відкривання транзистора. Для контролю форми використовується осцилограф, підключений до стоку транзистора. Настроювання схеми проводилось за допомогою змінних конденсаторів . Оскільки заздалегідь невідомі параметри п'єзоелемента, підсилювач був розрахований для параметрів еквівалентного ланцюжка в режимі малого сигналу за методикою, що наведена у довідковій літературі. Після того, як підсилювач був настроєний у номінальний режим класу Е, послідовно визначались значення проміжних величин, за їх допомогою знаходився вхідний імпеданс п'єзоелемента вправо від січення А. Для отримання значень параметрів еквівалентної схеми п'єзоелемента було розв'язано систему рівнянь для на двох частотах - і , на яких спостерігаються характерні для класу Е форми стокової напруги:

.

В експерименті був реалізований варіант пристрою для вимірювання параметрів п'езокерамічного п'єзоелемента з матеріалу ЦТС-19 діаметром 40 мм і товщиною 5 мм. Вимірювання проводилось біля одного з резонансів на частоті 288 кГц. Отримано ККД пристрою збудження 88% за потужності на п'єзоелементі 1,4 Вт та напрузі живлення 4 В.

Далі розглянуто ВЧ підсилювач класу Е у режимі дискретного управління вихідною потужністю. Підсилювач управляється спеціальною схемою, що виключає із вхідної послідовності прямокутних імпульсів задане двійковим кодом число імпульсів, що відповідають замкнутому стану ключа (відкритому транзистору). Кількість вирізаних імпульсів M із числа контрольованих N задає управляючий параметр . З метою визначення характеру впливу процесу перезаряду прохідної ємності транзистора на вихідну потужність і ККД були використані два види управляючого вхідного сигналу: однополярний і двополярний.

При моделюванні схеми підсилювача чисельно розв'язувалась система диференціальних рівнянь, що описує поведінку схеми у часовій області зі значеннями елементів, отриманих з теоретичного розрахунку схеми. Результати наведені на рис. 9.

а) б)

Рис. 9. Модельовані та експериментальні залежності ККД (а) та потужності (б) від кількості вилучених імпульсів M із 64:

1 - модельовані при однополярному сигналі управлінняВ;

2 - модельовані при двополярному сигналі управління В;

3 - експериментальні для однополярного сигналу управління

Різниця в отриманих характеристиках пояснюється відмінністю у процесах перезаряду прохідної ємності транзистора для однополярного та двополярного управління.

Також, у цьому розділі змодельовано у середовищі PSpice та експериментально досліджено підсилювач класу Е на МОН ПТ. Аналітичний розрахунок, чисельне моделювання добре співпадають з експериментальними характеристиками.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці моделей та удосконаленні методів управління вихідним сигналом підсилювачів та автогенераторів класу Е з резонансним навантаженням та навантаженням, що змінюється. Ця задача вирішена на основі чисельного моделювання, теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень. На основі проведених досліджень представлено математичний апарат для розрахунку підсилювачів та автогенераторів класу Е. Цей апарат є корисним у інженерному проектуванні підсилювачів та автогенераторів класу Е.

Головними науковими та практичними результатами роботи є:

теоретично обчислено та експериментально отримано смугу захоплення синхронізованого автогенератора класу Е на МОН ПТ при різних напругах вихідного сигналу синхрогенератора для різних способів подачі синхросигналу - через опір і через трансформаторний зв'язок. Теоретична смуга синхронізації склала

для напруги синхросигнала

,

частоти вільних коливань і резистивного зв'язку з опіром . Отримано залежності ККД та вихідної потужності від частоти у цьому режимі. Запропонована теорія дозволяє провести розрахунки синхронізованого автогенератора класу Е із заданими параметрами на необхідну смугу захоплення частоти, наприклад, для передачі частотно-маніпульованого ВЧ сигналу (FSK);

теоретично та експериментально проведено аналіз дворежимного автогенератора класу Е на МОН ПТ з великим коефіцієнтом підсилення з інвертором імпедансів при роботі на навантаження, що значно відрізняється від номінального. Вирішено задачу забезпечення необхідного фазового зсуву у колі дворежимного ВЧ автогенератора класу Е з великим коефіцієнтом підсилення. Отримано формули, що описують форми напруг і струмів у схемі при роботі автогенератора класу Е у цьому режимі. Дані аналізу дозволяють оцінити теоретично частоту генерації, форми напруг і струму при роботі на навантаження, що значно відрізняється від номінального. Визначені пікові значення напруги та струму транзистора дозволяють вибрати відповідний транзистор, здатний працювати в режимі навантаження, що змінюється;

удосконалено метод розрахунку автогенератора класу Е, запропоновано аналітичний розв'язок рівняння, що описує умови балансу фаз і узгодження опорів у колі автогенератора класу Е. Встановлено неоднозначність цього рівняння, надано рекомендації щодо вибору його коректного розв'язку;

розвинуто метод ефективної маніпуляції вихідного сигналу підсилювача класу Е, який дозволяє підтримувати ККД трансивера у режимі передавання на високому рівні (79%). Показано, що сигнал на виході запропонованого підсилювача-модулятора задовольняє вимогам стандарту ISO14443B;

на основі аналізу підсилювача класу Е, що навантажений на резонансне навантаження, розвинуто метод визначення параметрів еквівалентної схеми резонансного навантаження. Це дозволяє нескладно вимірювати параметри, наприклад, п'єзоелемента у режимі збудження або іншого резонансного навантаження за допомогою осцилографу;

отримано залежності вихідної потужності та ККД ВЧ підсилювача класу Е на МОН ПТ у режимі дискретного керування вихідною потужністю від керуючого параметру



за допомогою цифрової послідовності з урахуванням впливу прохідної ємності транзистора. Виявлено залежність поведінки вихідної потужності та ККД від типу сигналу керування, що пояснюється впливом процесу перезарядки прохідної ємності транзистора. Було виявлено, що при зміні вихідної потужності від 30 до 5 Вт ККД змінюється від 84% до 50% при однополярному керуванні. Отримані залежності підсилювача класу Е у режимі керування вихідною потужністю цифровою послідовністю можуть бути застосовані при розрахунку підсилювача класу Е зі змінною вихідною потужністю, наприклад у перетворювачах напруги або пристроях освітлення.

дворежимний автогенератор підсилювач транзистор

Список опублікованих робіт

1. Крыжановский В.Г. Методика расчета и исследование усилителя класса Е / Крыжановский В.Г., Рудякова А.Н., Чернов Д.В. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2001. - №4-5. - С.11-15.

2. Крыжановский В.Г. Методика разработки и характеристики автогенератора класса Е / Крыжановский В.Г., Рудякова А.Н., Чернов Д.В. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2002. - №2. - С. 9 - 12.

3. Крыжановский В.Г. Автогенератор класса Е в режиме синхронизации fsk сигналом / Крыжановский В.Г., Чернов Д.В., Рассохина Ю.В. // Радиотехника. - 2006 - №. 147.- С.92-98.

4. Крыжановский В.Г. Исследование характеристик инвертора класса Е с регулированием выходной мощности изменением управляющей последовательности / Крыжановский В.Г., Чернов Д.В., Рассохина Ю.В. // Техническая электродинамика. Тем. выпуск: Силовая электроника и энергоэффективность. - 2006, Часть 5. - С. 70-74.

5. Крыжановский В. В. Экспериментальное исследование фазового шума ВЧ автогенератора класса Е/ Крыжановский В. В., Чернов Д. В. // Вісник Донецького національного університету, Сер. А: Природничі науки, 2010, Вип. 2.-С. 123-126.

6. M. K. Kazimierczuk. Class-E MOSFET tuned power oscillator design procedure. / M. K. Kazimierczuk, V. G. Krizhanovski, J. V. Rassokhina, and D. V. Chernov // IEEE Trans. Circuits Syst., Part I, Regular Papers, vol. 52, no.6, pp. 1138-1147, June 2005.

7. M. K. Kazimierczuk. Injection-Locked Class-E Oscillator / M. K. Kazimierczuk, V. G. Krizhanovski, Ju. V. Rassokhina, D. V. Chernov // IEEE Trans. On Circuits and Systems I. Regular Papers.- V. 53, No. 6.- June 2006.- P.1214 -1222

8. Krizhanovski V.G. Low-Voltage Electronic Ballast Based on Class E Oscillator / Krizhanovski V.G., Chernov D.V., Kazimierczuk M.K. // IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 22, No. 3, May 2007.- P. 863-870

9. Декл. пат. 65418 А Н05У 37/02, Україна, МПК H05B 41/26, Н05У 37/02 Электронний баласт / Крижановський В. Г., Рассохіна Ю. В., Чернов Д.В.; заявник та патентовласник Дон. нац. ун-т -№ 2003087430; заявл. 6.08.2003; опубл. 15.03.2004; Бюл. №3.

10. Патент на кор. модель 31002, Україна. Електронний баласт зі стабілізацією потужності / Крижановський В.Г., Чернов Д.В., Лошак В.Г.; заявник та патентовласник Дон. нац. ун-т - № 200711441; заявл. 15.10.2007; опубл. 25.03.08; Бюл. №6.

11. Декл. пат. 15633 Україна, МПК G01R 29/00. Пристрій для вимірювання параметрів п'єзоелектричних перетворювачів / Крижановський В.Г. Чернов Д.В., Принцовський В.А.Омельченко О.О.; заявник та патентовласник Дон. нац. ун-т - № 200512564; заявл. 26.12.2005; опубл. 17.07.2006; Бюл. №7.

12. Пат. на кор. модель 20289 Україна, МПК Н 03 F 3/217, Підсилювач класу Е / Крижановський В. Г., Принцовський В. А., Чернов Д. В.; заявник та патентовласник Дон. нац. ун-т - № 200608234; заявл. 21.07.06; опубл. 15.01.2007; Бюл. №1.

13. D. V. Chernov. Class-E MOSFET low-voltage power oscillator / D. V. Chernov, M. K. Kazimierczuk, and V. G. Krizhanovski // Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, vol. 5, Phoenix, AZ, May 2002, pp. 509-512.

14. Kazimierczuk M.K. Low-Voltage Self-Oscillating Class E Electronic Ballast for Fluorescent Lamps. / M.K. Kazimierczuk, V.G. Krizhanovski, D.V. Chernov // Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 2273-2276, Kos, Greece, May 2006.

15. Чернов Д.В. Явление неоднозначности при работе автогенератора класса Е / Чернов Д.В, Крыжановский В.Г. // Труды научной конференции молодых учёных "Всемирный год физики в Московском университете", Москва: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. - 2005. - С.23-25.

16. Крижановський В.Г. Корекція амплітудно-частотної характеристики при зміні частоти в синхронізованих автогенераторах класу Е / Крижановський В.Г., Чернов Д.В. // Матеріали міжнародної наукової конференції "Каразінські природознавчі студії". Харків: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна - 2004 р - С. 136 - 138.

17. Крижановський В. Г., Чернов Д. В. "Заявка на корисну модель "Підсилювач-модулятор класу Е" №201104104 від 5.04.2011"

Размещено на Allbest.ru

...