Struktura

Výkonové vf zesilovače

Výkonové vf zesilovače

Vf zesilovače velkých výkonů

Jejich hlavním úkolem je dodat vf signál o dostatečném výkonu pro antény vysílačů.

Aby byla účinost přenosu energie mezi zesilovacím stupňem a zátěží (anténou) co nejvyšší, musí být výstup zesilovače a anténa impedančně přizpůsobeny (mít stejnou charakteristickou impedanci).

Pro dosažení co největší účinnosti pracují koncové zesilovací stupně nejčastěji ve třídě C.

U úzkopásmových výkonových zesilovačů bývá zátěží anténa laděná do rezonance s rezonančním kmitočtem uprostřed vyzařovaného pásma. Přenos energie na anténu pak zprostředkovávají kmity tohoto rezonačního obvodu. 

Pro větší výkony koncových vf zesilovačů používáme dvojčinných, nebo vícečinných koncových stupňů pracujících do společné zátěže. Jako příklad můžeme uvést dvojčinný tranzistorový stupeň ve třídě C, kde jsou jednotlivé tranzistory buzeny v protifázi budicím signálem z transformátoru a každý tranzistor z dvojice tak zesiluje jenom jednu půlvnu, takže celkový výkon je dvojnásobný (vf obdoba dvojčinného nf zesilovače s transformátory).  

Dalším příkladem může být koncový stupeň vf zesilovače 200kW středovlnného rozhlasového vysílače Dobrochov, který tvoří trojice elektronek RD70VL, každá s výkonem 70kW (obr. č. 5)

Vzhledem k tomu, že v kmitočtové oblasti vf mají jednotlivé zesilovací stupně malý zisk, musíme počítat s výkonovými vf zesilovači nejen v koncovém stupni vysílačů, ale i v obvodech jim těsně předcházejících. Jsou to např. směšovače a budiče koncových stupňů vysílačů velkých výkonů (obr. č. 4)

 

Dělení koncových vf zesilovačů podle použití

Jejich konstrukce je značně různorodá podle použitého kmitočtu a potřebného výkonu.

Požadovaný výkon je:

  • od 100mW až 1W (bezdrátové myši a klávesnice, bytové WiFi stanice, mobilní telefony, malé ruční vysílačky a pod.)
  • desítky W (vysílačky vojenské, policejní, hasiči, sanitky, taxi…)
  • 100 W až 1KW (VKV/FM rozhlas, lokální TV stanice…)

Obr. 1: Ukázka moderního polovodičového koncového vf zesilovače

  • desítky KW (televizní vysílače v UHF pásmu)
  • stovky KW až jednotky MW (vysílače dlouhých a středních vln - rozhlas DV a SV, globální komunikace v pásmu DV – při dostatečném výkonu jsou schopny DV z jednoho místa pokrýt komunikaci po celé Zeměkouli; např. spojení s loděmi na moři)

Obr. 2: Středovlnný vysílač Dobrochov u Prostějova  - Vysílací stožár je viditelný už z dálky

 

Obr. 3: Středovlnný vysílač Dobrochov u Prostějova - na detailu stožáru vidíme uprostřed drátové koaxiální vedení signálu

 

Obr. 4: Dvojice elektronek budiče modulátoru napájí signálem koncový stupeň

 

                           

Obr. 5: Koncový stupeň vf koncového zesilovače 200 kW tvoří tři elektronky RD70VL každá s výkonem 70 kW při anodovém napětí 12 kV.

Konstrukční řešení komplikuje nejen velký rozsah výkonů, ale také velký rozsah potřebných kmitočtů.

Pro pásma do 1MHz vystačíme s běžnými tranzistory a elektronkami.

  • Pro pásma nad 1MHz do 1 GHz potřebujeme speciální tranzistory konstruované pro vf kmitočty a specializované vysílací elektronky.

  • Pro výkonové vf zesilovače nad 1GHz potřebujeme specializované součástky, které tvoří vlny na jiném než zesilovacím principu, např. magnetrony jako zdroj vf energie radarů. (desítky GHz při výkonu desítek kW).

 
 
 Frekvenční pásmo 2,9 - 3,1 GHz
 
Výstupní výkon
Anodový proud
Anodové napětí
Impulzní režim
Žhavící napětí
Žhavící proud
Chlazení
Výstup                         
750 kW min
80 A
26,5 kV
1 - 3 µs
20 V
8 A
kapalina, vzduch
       IEC UAR 32   

                                                                                Obr. 6: Ukázka moderního magnetronu pro radary.

 

Magnetron

Magnetron je zařízení zkonstruované poprvé ve čtyřicátých letech dvacátého století pro vojenské účely v radiotechnice. Jedná se o elektronku, která je schopna generovat elektromagnetické vlnění v oblasti mikrovln. 

Dnes se používají magnetrony i v jiných oblastech než je vysílací technika (např. v případě mikrovlnné trouby má signál vlnovou délku přibližně 12 cm).

Konstrukce magnetronu je poměrně jednoduchá (pokud seženete vyřazenou mikrovlnnou troubu, můžete si ho rozmontovat a prohlédnout). Uvnitř vakuované trubice se nachází kovový váleček, sloužící jako katoda, obklopený kovovým blokem (anodou) s členitou strukturou, která vytváří sudý počet komor (štěrbin). Od anody vede k vršku trubice kovový pásek, sloužící jako anténa. K trubici jsou potom zvenku připevněna hliníková chladicí žebra a celá trubice je vložena mezi dva silné feritové magnety.Přesný princip funkce magnetronu je naopak značně složitý a pokusíme se pouze velmi zjednodušeně znázornit základní myšlenku jeho funkce.

 

      

 Obr. 7: Vnitřní konstrukce magnetronu.

 

magnetron cavity evolved from L and C

Obr. 8: Princip, jakým každá dutina magnetronu tvoří rezonanční obvod LC.

Váleček tvořící katodu je zahříván elektrickým proudem a díky tomu se z něj uvolňují elektrony, které jsou urychlovány připojeným elektrickým polem směrem k anodě. Feritové magnety vytvářejí v trubici magnetické pole, jehož indukční čáry jsou kolmé k dráze elektronů a ovlivňují tak jejich pohyb. Elektrony se v magnetickém poli nepohybují přímočaře od středu k obvodu, ale stáčejí se směrem doleva, viz obr. To znamená, že nedopadnou doprostřed nejbližšího kovového segmentu, ale na jeho levou část.

        Jednotlivé komory anodového bloku se začnou chovat jako miniaturní oscilační (LC) obvody. Štěrbina mezi okraji komory hraje roli kondenzátoru, vodivý zbytek komory, který spojuje okraje štěrbiny, hraje roli miniaturní cívky. Elektrony nabijí jeden okraj komory (jednu desku kondenzátoru), takže začne okamžitě procházet proud kolem komory (cívkou) na druhý okraj komory. 

        Průchod tohoto proudu vytvoří malé magnetické pole, které potom ve druhé polovině cyklu indukuje opačný proud komorou. V komorách tak vzniká stejně jako v oscilačním obvodu střídavý proud vysoké frekvence (2,45 GHz), který vyvolává elektromagnetické vlnění vysílané anténou do prostoru trouby. Energie odnášená vyzařováním mikrovln způsobuje vybíjení oscilačních obvodů, které proto musí být neustále nabíjeny elektrony z katody.

Zdroje

  • Z archivu autora

  • Magnetron - co to je a jak to funguje? [online].[cit. 2015-05-21]. Dostupné na WWW: http://fyzweb.cuni.cz/dilna/krouzky/mikrov/podr1.htm

Obrázky

  • Obr. 1: ELECTRONIC di0747. Ukázka moderního polovodičového koncového vf zesilovače. zaim elektro [online]. [cit. 2015-01-27]. Dostupné na  WWW:   https://www.google.cz/searchhl=en&site=imghp&tbm=isch&source=hp&biw=1517&bih=741&q=4.bp.blogspot.com%2F&oq=4.bp.blogs&gs_l=img.1.2.0l3.3217.24638.0.30217.21.9.5.7.7.0.128.741.8j1.9.0.msedr...0...1ac.1.61.img..0.21.794.HwdUWbrVXfw#hl=en&tbm=isch&q=4.bp.blogspot.com%2F-rz947g5vjro%2Ftcunzol-&imgdii=_&imgrc=D1lFs7MsI-fbIM%253A%3BaYUmbjkNOnlNnM%3Bhttp%253A%252F%252F4.bp.blogspot.com%252F-RZ947G5VJro%252FTcUnzoL-0vI%252FAAAAAAAAAUY%252FzYN_btjId0Q%252Fs1600%252Fblf177-1.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fzaimelektro.blogspot.com%252F2011_06_01_archive.html%3B512%3B384
  • Obr. 2: Milan,OK2IMH. Středovlnný vysílač Dobrochov u Prostějova - vysílací stožár je viditelný už z dálky.Vysílač Dobrochov [online]. [cit.2015-01-27] Dostupný na WWW: http://www.ok2imh.com/view.php?cisloclanku=2007080006
  • Obr. 3: Milan, OK2MH. Středovlnný vysílač Dobrochov u Prostějova - na detailu stožáru vidíme uprostřed drátové  koaxiální vedení signálu. Vysílač Dobrochov [online]. [cit. 2015-01-27] Dostupné na WWW: http://www.ok2imh.com/view.php?cisloclanku=2007080006
  • Obr. 4: Milan, OK2MH. Dvojice elektronek budiče modulátoru napájí signálem koncový stupeň. Vysílač Dobrochov [online]. [cit. 2015-01-28]. Dostupné na WWW: http://www.ok2imh.com/storage/200708251209_IMG_4186.jpg
  • Obr. 5: Milan, OK2MH. Koncový stupeň vf koncového zesilovače 200 kW. Vysílač Dobrochov /online/ [cit. 2015-01-28]. Dostupné na WWW: http://www.ok2imh.com/storage/200708251209_IMG_4198.jpg
  • Obr. 6: Autor neznámý. Ukázka moderního magnetronu pro radary. [online]. [cit. 2015-01-27]. Dostupné na WWW: http://www.tesla-mikroel.cz/41-magnetrony-651-653sp52.html
  • Obr. 7: DANSTER, Ian. Vnitřní konstrukce magnetronu.[online]. [cit. 2015-01-27] Dostupé na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Magnetron#mediaviewer/File:Resonant_Cavity_Magnetron_Diagram_CS.PNG
  • Obr. 8: HEARFIELD, John. Princip, jakým každá dutina magnetronu tvoří rezonanční obvod LC. [online].[cit. 2015-01-28]. Dostupné na WWW: http://www.johnhearfield.com/Radar/Magnetron.htm
  • Obr. 9: Milan, OK2MH. Budič modulátoru. Vysílač Dobrochov [online]. [cit 2015-01-28]. Dostupné na WWW: http://www.ok2imh.com/view.php?cisloclanku=2007080006
  • Obr. 10: Aujezsky, R. Vedení vf signálu. Exkurze - vysílač Topolná [online]. [cit. 2015-01-28]. Dostupné na WWW: http://alfaelektronky.cz/archiv/2013/topol/topol.html

Zajímavost

Obr. 9: Zajímavé obrázky z návštěvy VYSÍLAČE DOBROCHOV (Olomoucký kraj)   najdi si na internetu: 

http://www.ok2imh.com/view.php?cisloclanku=2007080006

Zajímavost

obr.15

Obr. 10: Ještě jeden zajímavý článek, tentokrát z návštěvy vysílače Topolná - více na: 

http://alfaelektronky.cz/archiv/2013/topol/topol.html

Čti také

TEORIE ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ -VYSOKOFREKVENČNÍ ZESILOVAČE [online] Dostupné z: http://www.b324.com/ek/nobilis_skripta/vysokofrekvencni_zesilovace.pdf#page=1&zoom=auto,-202,848

Logolink