1. 2: SƠ ĐỒ KHỐI MÁY PHÁT
3.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến tầng khuếch đại công suất
Tầng khuếch đại công suất cao tần sẽ quyết định phần lớn hiệu quả của máy phát, do vậy để đảm bảo cho tầng công suất có thể hoạt động tốt, mọi yếu tố có thể gây ảnh hưởng tới tầng khuếch đại công suất phải được giám sát chặt chẽ để có thể xữ lý kịp thời.
3.1.2.1. Ảnh hưởng của tải cộng hưởng đến tầng khuếch đại công suất
Khi tầng khuếch đại công suất hoạt động ở tần số cao, tải cộng hưởng sẽ có sự thay đổi lớn về sự quan hệ năng lượng khi tải cộng hưởng thay đổi. Tải cộng hưởng thực chất là khung dao động LC được mắc ở đầu ra của tầng khuếch đại công suất cao tần. Ta gọi fk là tần số cộng hưởng riêng của khung cộng hưởng LC và fo là tần số của tín hiệu đưa vào tầng khuếch đại công suất cao tần. Khi f0 ≠ fk thì khung không cộng hưởng đúng với tần số khích thích f0. Trở kháng tương đương của khung lúc đó sẽ có thêm thành phần kháng và do đó xuất hiện sự lệch pha giữa
thành phần xoay chiều dòng ra và điện áp ra trên tải cộng hưởng. Thêm vào đó modul của trở kháng tải giảm và hiệu suất sẽ giảm. Để tiến hành điều chỉnh cộng hưởng người ta thực hiện việc điều chỉnh tụ biến thiên và cuộn cảm biến thiên có trong khung cộng hưởng. Dựa vào các mạch hiển thị ta sẽ điều chỉnh sao cho f0 =fk’.
3.1.2.2. Ảnh hưởng của phối hợp trở kháng đến tầng khuếch đại công suất.
Trong tầng khuếch đại công suất, sau khi tín hiệu được khuếch đại sẽ được đưa tới bộ phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại công suất với Anten để đưa ra anten. Vì một số lý do nào đó trở kháng của antenna và máy phát không phối hợp được với nhau thì một phần công suất phát xạ sẽ phản hồi và quay trở về mạch khuếch đại công suất. Tín hiệu phản hồi có thể gây ra hiện tượng suy giảm công suất. Để khắc phục hiện tượng này thông qua mạch cảm biến công suất, mạch cảm biến sóng đứng SWR trong mạch phối hợp trở kháng sẽ cảm biến các thông số Vf và Vr. Tín hiệu này sẽ được đưa tới bộ điều khiển khuếch đại công suất để đưa ra tín hiệu báo động, và ngắt nguồn 80V cấp cho tầng khuếch đại công suất.
3.1.3. Các tham số kỹ thuật của tầng tiền khuếch đại công suất và tầng khuếch đại công suất.
+ Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại là 80V DC + Điện áp thiên áp cho MOSFET là 13,8V
+ Hệ số khuếch đại điện áp của MOSFET sử dụng trong tầng khuếch đại điện áp Ku .
+ Hệ số khuếch đại dòng điện của MOSFET sữ dụng trong tầng khuếch đại điện áp Ki .
+ Công suất của nguồn kích thích đặt vào tầng tiền khuếch đại công suất .
+ Điện áp kích thích cho tầng tiền khuếch đại công suất Ug
+ Hệ số ghép biến áp của tầng khuếch đại công suất là m
3.1.4. Nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại công suất :
Tín hiệu từ đầu ra của tầng khuếch đại đệm sẽ được chia làm hai đường để đưa tới hai tầng khuếch đại công suất PA(A) , PA(B). Trong hai tầng này, mỗi tầng gồm có 10 TR và 2 tầng được mắc theo kiểu đẩy kéo song song .
Tín hiệu từ giắc J1 thông qua W1 đến biến áp T1( W1 là dây bọc kim chống nhiễu), và được chia thành hai tín hiệu ngược pha để đưa đên cuộn sơ cấp của biến áp T11, T21. Sau biến áp T11 tín hiệu sẽ được đưa qua C17 để lọc các thành phần tần số thấp, các thành phần tần số cao sẽ được đưa qua tụ C11, C12, C13 và đưa xuống đất. Sau đó tín hiệu sẽ được đưa tới R16 ÷ R119 các điện trở này có nhiệm
vụ hạn dòng, bảo vệ cho tầng khuếch đại công suất. Tín hiệu sẽ được đưa tới các bóng TR11 ÷ TR115 thông qua các cầu chì FB11 ÷ FB15, và các điện trở R11 ÷ R15 để đảm bảo dòng đưa vào các bóng là không quá lớn. Các MOSFET này được cung cấp thiên áp qua hai đường BIAS1 và BIAS2 từ J3.
Tưng tự với nữa tầng khuếch đại còn lại tín hiệu sẽ được đưa tới T21 ở nữa chu kỳ âm. Tín hiệu này sẽ được đưa tới tụ C24 để lọc thông thấp, các thành phần hài bậc cao còn lại sẽ đưa tới C21, C22, C23 để đưa xuống đất. Các điện trở R24 ÷ R29 có nhiệm vụ bảo vệ quá dòng và đưa tới các bóng TR21 ÷ TR25 thông qua cầu chì FB21 ÷ FB25 và điện trở R21 ÷ R25. Tại đây TR11 ÷ TR15 và TR21 ÷ TR25 sẽ thay nhau khuếch đại mỗi nữa chu kỳ của tín hiệu vào. Tín hiệu sau khi đưa ra từ tầng khuếch đại sẽ được kết hợp bởi tụ C14 ÷ C16 . Sau khi biến đổi trở kháng và kết hợp pha bởi T3 công suất ra sẽ được tới cảm biến dòng W2. Tại đây tín hiệu sẽ được cảm biến dòng bởi CD101 và C101, CD102 và C102. Sau đó đưa ra cảm biến Vf và Vr tới J3. Tín hiệu này sẽ được gửi đến tầng khuếch đại công suất để điều khiển hệ số khuếch đại nhằm ổn định công suất ra. Tín hiệu Vin từ chân số 1 của J3 là một điện áp chuẩn được đưa ra từ tầng điều khiển công suất. Khi tín hiệu vào từ J1 vượt qua so với điện áp chuẩn thì tín hiệu này sẽ thông qua R1 làm cho CD1 thông, điện áp thừa sẽ thông qua CD1 đi xuống đất.
Các Transistor của tầng khuếch đại công suất được cung cấp bởi nguồn 80V DC. Nguồn này sẽ cung cấp cho TR11 ÷ TR15 tại cực máng và các dòng điện từ nguồn để nối đất cho cuộn T3. Đối với TR21 ÷ TR25 được cung cấp nguồn để làm máng qua cuộn T3 và các dòng điện một cách trực tiếp từ nguồn tới đất.
Các Transistor từ TR11 ÷ TR15, TR21 ÷ TR25, các MOSFET có được các đặc tính nhiệt âm, an toàn cho tầng khuếch đại hoạt động.
TR30 là một bộ cảm biến chia nhiệt được gắn tản nhiệt. Điện trở của TR30 sẽ tăng nhanh đến nhiệt độ tỏa ra vượt quá 800C. tín hiệu từ tầng khuếch đại công suất sẽ được đưa tới J2.
Tín hiệu sau khi lấy ra từ hai tầng khuếch đại công suất sẽ được đưa tới mạch kết hợp công suất kép.
• Trong tầng khuếch đại công suất do yêu cầu công suất ra của tầng khuếch đại công suất lớn nên người ta đã dùng mạch khuếch đại đẩy kéo mắc song song. Các bóng trong một tầng được mắc song song với nhau để đảm bảo trường hợp khi một trong các bóng bị hỏng thì tầng khuếch đại vẫn hoạt động được.
- Các bóng khuếch đại dùng trong mạch là các MOSFET, chúng có các ưu điểm:
+ Dòng điện qua FET chỉ do một loại dẫn đa số tạo nên do vậy FET là linh kiện một loại hạt dẫn.
+ FET có trở kháng vào rất cao, tiếng ồn trong FET ít hơn trong BJT. + FET có độ ổn định về nhiệt cao và tần số làm việc cao.
3.1.5. Các công thức liên quan đến tính toán tầng khuếch đại công suất.
3.1.5.1. Tầng tiền khuếch đại công suất.
Tầng tiền khuếch đại công suất được cung cấp nguồn 80V DC tới cực nguồn TR31 và TR32. Ngoài ra TR31, TR32 còn được thiên áp bởi RV1 và RV2. Trong thực tế trong tầng tiền khuếch đại của máy phát JSS – 800, UDS = 80 V để đảm bảo TR có thể hoạt động tốt ở phạm vi cho phép mà không ảnh hưởng đến chất lượng của TR ( với hệ số ghép biến áp đầu vào n và hệ số ghép biến áp đầu ra m) khi tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu đẩy kéo, chế độ làm việc thường làm việc ở chế độ B hoặc chế độ C do vậy góc cắt được chọn trong khoảng θ = 600 ÷ 900. Với TR 409 ta có hệ số lợi dụng nguồn nằm trong khoảng ξ = 0,80 ÷ 0,95.
- Biên độ hài bậc nhất trên cực máng là:
VDm1 = ξ. VDD ⇒ VDm1 khoảng từ 0,08.80 ÷ 0,95.80 = 64 ÷ 76 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
công suất vào của nguồn kích thích sẽ được tính theo công thức
Pi = 1
2Vg1m.In (3.1)
Trong đó, Vg1m là biên độ thành phần hài bậc nhất của điện áp kích thích
Dòng điện ra trên cực máng sau khi được khuếch đại bởi TR 409, với hệ số khuếch đại Kisẽ là:
ID1m = Ki.In (3.2)
Điện áp ra trên cực máng cũng được khuếch đại với hệ số khuếch đại là Ku.
UD1m = Ku.Ug (3.3)
Theo (3.2) và (3.3) công suất hữu ích trên tải sẽ được tính theo công thưc sau :
PL = 1
2UD1m.ID1m . (3.4)
Công suất của nguồn cung cấp sẽ được tính theo công thưc:
PDD = IDo.VDD (3.5)
Theo (3.4) và (3.5) công suất tiêu tán trên cực máng sẽ là:
PD = PDD – PL (3.6)
Theo (3.4) và (3.5) hiệu suất của tầng tiền khuếch đại công suất :
η =
DD
L
P
Nguyên lý hoạt động của bộ chia công suất.
Để thực hiện nguyên lý phân chia công suất từ tầng kích thành hai nguông tín hiệu có cùng biên độ và pha thì bộ phân chia công suất sữ dụng biến áp tự ngẫu có chất lượng tốt để phân chia công suất.
Nguyên lý phân chia công suất sẽ được trình bày thông qua biến áp tự ngẫu gồm hai cuốn nối với nhau như hình vẽ.
Gọi W1 và W2 là số vòng dây của cuộn 1 và cuộn 2 thuộc T8 Giả sử đặt vào đầu vào biến áp T7 một điện áp biến thiên điều hòa:
Uv = UmSinωt
Khi đó trong biến áp sẽ sinh ra từ thông φ móc vòng qua hai cuộn dây φ = φmsin(ωt -
2
π
)
Từ thông này gọi là từ thông chính chạy trong lõi thép của biến áp. Do có từ thông φ biến thiên nên sẽ sinh ra trong hai cuộn dây suất điện động cảm ứng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với cuộn 1 : e1 = - ω1d T1 dt φ = - ω1. φm.ω.cos(ωt - 2 π ) = - ω1. φm.ω.sin ωt = - E1.sin ωt Với cuộn 2: e1 = - ω2 T2 d dt φ = - ω2. φm.ω.cos(ωt - 2 π ) = - ω2. φm.ω.sin ωt = - E2.sin ωt
Ngoài từ thông chính φ khép kín qua mạch từ biến áp còn có thành phần từ thông khép kín qua không khí( hoặc dầu ) người ta gọi là thành phần từ thông tản và các sụt áp trên cuộn dây nhưng chúng rất nhỏ nên có thể bỏ qua.
Vậy điện áp trên hai cuộn dây là:
Xét sơ đồ: Đây là sơ đồ dùng biến áp để chia đôi công suất của nguồn tín hiệu vào. Khi tín hiệu vào có dạng: Uv = Umsin ωt được đưa tới hai cuộn dây có số vòng bằng nhau W1 = W2. Khi mắc tải r1 và r2 ở đầu ra thì dòng qua tải i1 và i2. Do hai cuộn dây giống nhau nên trở kháng của chúng bằng nhau. Vì vậy i1 = i2 = 1/2 iv.
Ur1 = Uv + e1
Ur2 = Uv + e2
Với e1 và e2 là hai suất điện động cảm ứng trên hai cuộn dây ở phần trên ta đã tính được. e1 = - W1. φm. 2 F π .sin ωt e2 = - W2. φm. 2 F π .sin ωt
( Bỏ qua suất điện động tản và điện trở cuộn dây) Ngoài ra: W1 = W2 nên e1 = e2
Và biến áp ở đây dùng để chia công suất nên số vòng dây rất ít, dây to và làm việc ở tần số rất cao( 1,6 ÷ 29,9 MHz ) nên có thể bỏ qua các suất điện động cảm ứng trên các cuộn dây. Vậy điện áp đầu ra lấy trên hai cuộn dây là:
Ur1 = Ur2 = Uv
Công suất đưa ra trên tải là:
Pi = Ur1.i1 = Ur2.i2 = 1
2Pv
Hay P1 = P2 = 1
2Pv
Đây là công thức được áp dụng trong trường hợp hệ số ghép biến áp m = 1. Khi hệ số ghép biến áp m ≠ 1, ta sẽ co công thức sau.
Ura1 = Ura2 = m.Uv
Ira1 = Ira2 = 1
2. 1
m.Iv
Như vậy công suất ra để đưa tới tầng khuếch đại công suất sẽ là:
Pra1 = Pra2 = 1
2.Ura1.Ira1 (3.8)
3.1.5.2. Tầng khuếch đại công suất.
Tầng khuếch đại công suất cao tần bao gồm hai mạch. Một mạch bao gồm 10 MOSFET, trong đó nữa tầng khuếch đại công suất bao gồm 5 MOSFET mắc song song với nhau. Như vậy 10 MOSFET hình thành nên một tầng khuếch đại đẩy kéo đầu cuối đơn. Trong một tầng khuếch đại đẩy kéo với 5 MOSFET mắc song song thì bao gồm 3 MOSFET loại 2SK 408 và 2 MOSFET loại 2SK 409. Các loại MOSFET này có các thông số tương đương nhau nhưng khác nhau về cách thức sắp xấp chân linh kiện. Để tính toán ta có thể coi như 5 MOSFET của nửa tầng khuếch
đại tương đương với một MOSFET lớn. Ta sẽ tính công suất ra của MOSFET lớn trong một nữa chu kỳ để có thể suy ra công suất của cả tầng KĐCSCT.
Do 5 MOSFET mắc song song với nhau nên các tham số ký sinh mà chủ yếu là điện dung tăng lên gấp 5 lần so với sử dụng một MOSFET, đẫn đến xuất hiện nhiều thành phần hài bậc cao ảnh hưởng đến tầng khuếch đại công suất. Vì vậy cần phải sử dụng nhiều mạch lọc khác nhau để loại bỏ. Chính vì vậy trong tầng khuếch đại công suất của máy phát JSS – 800 sử dụng nhiều mạch lọc nhằm đảm bảo cho tầng KĐCSCT hoạt động có hiệu quả. Trên MOSFET thì dòng Ig = 0 và các bóng sẽ được điều khiển bằng áp.
Điện áp cung cấp cho TR là VDD = 80V, hệ số lợi dụng nguồn là ξ = 0,8 ÷ 0.95. Ta có thể tính biên độ hài bậc nhất của điện áp trên cực máng theo công thức:
VDm1 = ξ. VDD
Do vậy điện áp ra nằm trong khoảng 64 ÷ 76V. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tín hiệu từ tầng chia công suất sẽ được đưa vào mỗi mạch khuếch đại công suất là như nhau. Hai mạch này sẽ khuếch đại tín hiệu được đưa tới. Lúc này công suất kích thích cho mỗi một MOSFET là bằng nhau về biên độ và về pha. Do các MOSFET mắc song song với nhau nên điện áp kích thích đặt vào mỗi bóng sẽ bằng nhau và bằng với điện áp kích thích đầu vào.
Với điện áp đầu vào của mỗi MOSFET là Uv = Ug1.
Tín hiệu đưa qua MOSFET sẽ được khuếch đại theo các hệ số khuếch đại điện áp là Ku và hệ số khuếch đại dòng điện là Ki.
Khi đó bên độ của biến áp ra trên cực máng của MOSFET là :
UD11 = Ku.Ug(3.10) Và biên độ dòng điện của cực máng là:
ID11 = Ki(UGS -UT0) (3.11)
Trở kháng ra trên tải của một MOSFET được xác định theo công thức (3.10) và (3.11): ZL1 = Rtd = 11 11 D D U I (3.12)
Theo (10), (11) công suất hữu ích của một MOSFET trên tải được tính như sau:
PL = 1
2.UD11.ID11 (3.13) Theo (13) công suất ra của 5TR mắc song song sẽ là:
Ta có thể tính toán tương tự với nữa tầng còn lại của tầng khuếch đại công suất. Tín hiệu ở nữa chu kỳ sau sẽ được khuếch đại với hệ số khuếch đại như đối với nữa tầng trên. Công suất ra của nữa tầng dưới sẽ là:
PLT2 = PLT1 (3.15)
Nguyên lý của việc kết hợp công suất
Hinh 3.2. sơ đồ kết hợp công suất
Thông thường tín hiệu đầu ra của các bộ khuếch đại công suất có cùng biên độ và pha, các tín hiệu này được kết hợp với nhau nhờ bộ kết hợp công suất. Về nguyên tắc bộ kết hợp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Phải đưa ra các công suất cực đại ( không tổn hao) khi các tín hiệu đầu vào có cùng biên độ, cùng pha.
- Hạn chế ảnh hưởng giữa các nguồn tín hiệu với nhau. - Không gây méo tín hiệu.
Với các yêu cầu này trong thực tế người ta dùng các biến áp tự ngẫu để xây dựng các bộ kết hợp công suất.
Gọi W1, W2 là các cuộn dây trong biến áp T10 Các tín hiệu đầu vào là dao động đầu vào hình sin:
Uv1 = U1m.sinωt Uv2 = U2m.sinωt
Các tín hiệu này do cùng tần số, pha và cùng biên độ khi đó dòng chảy trên cuộn dây của biến áp do hai nguồn Uv1 và Uv2 sinh ra là i1 và i2 các dòng điện này đóng vai trò là dòng để từ hóa lõi sắt của biến áp để tạo nên từ thông móc vòng qua