Введение 3
1 Схемотехника мощных КВ усилителей и её компоненты 4
1.1 Усилительные элементы 5
1.1.1 MOSFET 5
1.1.2 IGBT 10
1.1.3 SiC MOSFET 12
1.2 Согласующие устройства 13
1.2.1 Трансформаторы на линии 13
2 Исследование работы транзисторных усилителей 17
3 Разработка усилителя 24
4 Моделирование усилителя 35
Заключение 41
Используемая литература
В первой половине прошлого века появились первые ионозонды - приборы для исследования ионосферы по определению действующих высот отражения радиоволн при вертикальном зондировании. Основным элементом ионозонда до 80-х годов XX века были электровакуумные приборы, позднее на смену им пришли транзисторы. Зондирование ионосферы короткими импульсами длительностью порядка 50 мкс требует от ионозонда выходной мощности не менее киловатта, для обеспечения такой выходной мощности целесообразнее использовать ламповый каскад, т.к. его функциональная схема будет проще, нежели транзисторного усилителя такой мощности.
Целью данной работы является разработка мощного транзисторного широкополосного усилительного каскада для управления выходным ламповым каскадом ионозонда.
К решаемым задачам относятся изучение схемных решений, применявшиеся ранее (каскады с биполярными транзисторами и лампами), поиск замены лампе как основному усилительному элементу в выходных каскадах на основе современной элементной базы, а именно полевых транзисторов, получение практических навыков использования выбранных транзисторов в широкополосном усилителе.
Требованиями к данному усилителю является доступность элементной базы, простота в изготовлении и устранении неполадок, хорошее согласование выхода раскачивающего транзисторного каскада с входом лампы без использования дополнительных согласующих цепей. Этим требованиям удовлетворяет усилительный каскад на полевых транзисторах с изолированным затвором, а драйвером к нему было решено использовать усилитель на биполярных транзисторах, используемый в текущей версии передатчика ионозонда с двумя выходными ламповыми каскадами. В качестве основного усилительного элемента для предоконечного каскада, раскачивающего ламповый, было решено опробовать карбидокремниевые МДП-транзисторы.
1 Схемотехника мощных КВ усилителей и её компоненты
Хороший современный КВ усилитель мощности для работы в эфире - довольно сложное и трудоёмкое устройство, о чём свидетельствуют цены импортных фирменных усилителей. Это объясняется, во-первых, стоимостью усилительных элементов, будь то лампы или транзисторы, а во-вторых, высоким процентом ручного труда при изготовлении усилителей.
При изготовлении мощного КВ усилителя сразу встаёт вопрос: чему отдать предпочтение, лампе или транзистору? Многолетняя практика эксплуатации как первых, так и вторых, показала, что ламповые усилители гораздо проще в изготовлении и менее критичны к условиям эксплуатации. При этом же транзисторы более капризны в эксплуатации, особенно к перегрузкам, поэтому эксперименты с ними, учитывая стоимость мощных транзисторов, иногда обходятся очень дорого. Однако, учитывая, что лампы повсеместно выходят из употребления и заменяются транзисторами, необходимо всё же разрабатывать новые надёжные усилительные схемы, используя современную элементную базу. К тому же на рынке электронных компонент появились мощные высоковольтные полевые транзисторы с изолированным затвором на основе карбида кремния, и цена на них непрерывно снижается. По заявлениям производителей новые мощные SiC-транзисторы должны стать достойной заменой своим предшественникам в силовой технике.
Помимо прочего, немаловажную роль в изготовлении мощного усилителя играет согласование импедансов различных каскадов, что необходимо для энергоэффективности устройства в целом.
В ходе выполнения работы была изучена литература по схемотехнике коротковолновых усилителей, смакетированы основные схемы усилителей на биполярных и полевых транзисторах, сняты соответствующие им амплитудно-частотные характеристики.
Изготовлен мощный широкополосный коротковолновый усилитель, его схема и АЧХ приведены выше. В качестве основных усилительных элементов были выбраны карбидокремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором C3M0280090D компании Wolfspeed. Это обусловлено тем, что данные транзисторы обладают низким сопротивлением канала в открытом состоянии (280 мОм), напряжением пробоя сток-исток, равным 900 В, и предельному току стока 11.5 А при T = 25 ° C. Однако при использовании этих транзисторов необходимо принудительно ограничивать ток, протекающий через транзистор, включением дополнительного резистора в цепь истока.
Компьютерное моделирование получившегося усилителя в среде LTSpice IV показало, что заявленная модель не повторяет технические характеристики реального усилителя, имеется различие в численных значениях полученных амплитудно-частотных характеристик. Причём возможности упомянутой программы не позволяют моделировать работу трансформаторов на линии, поэтому смоделировать работу всего усилителя оказалось невозможно, смоделированы лишь отдельные каскады данного усилителя.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
