1. 2: SƠ ĐỒ KHỐI MÁY PHÁT
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
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.
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.
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 hai cuộn dây:
1
φ =φ1m.sin(ωt - π/2) 2
φ =φ2m.sin(ωt - π/2)
Trên hai cuộn dây của biến áp sẽ cảm ứng các suất điện động tương ứng là e1 và
e2. Ngoài ra còn có các từ thông tản móc vòng qua các cuộn dây tương ứng làm cho các cuộn dây cảm ứng các suất điện động tản e và e .
PA(A) PA(B) R41 C55 T9 LHKD138 RF out T10
Ta coi biến áp tự ngẫu này là lý tưởng ( bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và bỏ qua từ thông tải ) thì công suất đầu ra cũng bằng tổng các công suất đầu vào.
Pt = P1 + P2
Như vậy công suất ra của tầng khuếch đại công suất sẽ là:
PT1 = PLT1 + PLT2
Với tầng khuếch đại công suất thứ hai, tín hiệu cũng được đưa vào với biên độ và pha tương tự như tầng thứ nhất, sơ đồ linh kiện giống như tầng thứ nhất, do vậy công suất ra của tầng khuếch đại công suất luôn luôn bằng nhau. Công suất ra của hai tầng được kết hợp tại tầng ghép công suất kép để tạo ra công suất ra của máy phát.
PT1 = PT2
Công suất ra của cả tầng khuếch đại công suất sẽ là:
PT = PT1 + PT2
Trong thực tế, công suất danh định của máy phát JSS – 800 là 250W. Mạch kết hợp công suất là biến áp, do vậy mà trong các cuộn dây cũng có điện trở không thể bỏ qua, vì vậy công suất sẽ bị tổn hao trên mạch kết hợp công suất.