Koncový stupeň je poslední zesilovací stupeň vysílače, typicky tvořený výkonovým tranzistorem, přizpůsobením impedance a filtrem vyšších harmonických. Pro vysílání frekvenčně modulovaného signálu má poměrně jednoduchou konstrukci, narozdíl třeba od AM vysílání. Je to dáno tím, že u FM nám nevadí silná nelinearita koncového stupně, která naprosto zkresluje tvar signálu. Trochu se podíváme, jak koncový stupeň pracuje.

Schéma a konstrukce

Typické schéma zapojení používané do výkonu desítek Wattů je na obr. 1. Vstupem může být signál z předchozího budicího stupně, oscilátoru atd. Následuje impedanční přizpůsobení, zde tvořené třemi kondenzátory a jednou cívkou. Účelem je transformovat impedanci na vstupu zesilovače (typicky 50 Ohmů) na vstupní impedanci tranzistoru (jednotky až desítky Ohmů). Impedanční přizpůsobení je základem přenosu vf energie a je proto nezbytné.

Obr. 1 - Typické schéma koncového stupně (bez výstupního filtru).

Tranzistor pracuje ve třídě C. Toto zapojení se vždy používá již od výkonu 100 mW výše. Důvodem je vysoká účinnost v tomto zapojení a jednoduchost, ale o tom bude zmínka dále. Tranzistor zapojený ve třídě C nemá do báze přiveden stejnosměrný proud pro nastavení pracovního bodu. Pomocí tlumivky (RFC) je stejnosměrné napětí na bázi uržováno na 0 Voltech. Bez signálu je tedy tranzistor trvale vypnutý a neprotéká jím žádný proud. Otevírá se pouze kladnými půlvlnami signálu na vstupu a to až při dosažení hranice kolem 0,6 Voltu. Dochází ke značnému zkreslení signálu. To nevadí při FM, ale při AM, nebo při zesilování čistě zvukového signálu by toto zapojení nešlo použít.

Zatímco běžné tranzistory mají na kovovém pouzdru vyveden kolektor, neboť je to optimální z hlediska chlazení vnitřní struktury, výkonové vysokofrekvenční tranzistory mají na pouzdru emitor. Důvod je jednoduchý, výstupní signál je přítomen na kolektoru a pouzdro může být rovnou spojeno se zemí a tedy i s vnějším kovovým krytem zesilovače. Není pak problém s chlazením a stíněním.
V této souvislosti mě napadá, jak příšerná je konstrukce běžných počítačů PC. Místo poctivého krytu, který by byl vevnitř přímo spojen s procesorem a chladil jej celým povrchem, se používá laciná hromada plechu a dovnitř se nacpe turbína. Přitom PC pro průmyslové nasazení se tak skutečně dělají a to je potom jiné kafe.

Pojďme ale dál. Přes cívku je na kolektor tranzistoru přivedeno napájecí napětí, důkladně blokované kondenzátorem (v praxi několika). Za tranzistorem následuje opět impedanční přizpůsobení, tentokrát z nízké výstupní impedance tranzistoru na impedanci vedení (většinou 50 Ohmů). Funguje to skutečně jako transformátor, přestože princip je trochu jiný. Je to ovšem frekvenčně závislé, takže buď se musí použít nastavovací prvky (kondenzátorové trimry) nebo existují složitější zapojení, která se v určitém rozsahu frekvencí nastavovat nemusí. Obecně platí, že čím výkonnější tranzistor, tím nižší má výstupní impedanci. Pro výkonné tranzistory pak bývá impedanční přizpůsobení složitější.

Na samém výstupu ve většině případů musí být filtr vyšších harmonických. Je tvořen cívkami a kondenzátory a funguje jako obyčejná dolní propust. Od určité frekvence nahoru začne měnit svou vlnovou impedanci a tím způsobuje, že pro vyšší frekvence prudce zvyšuje impedanční nepřizpůsobení. Nežádoucí násobky základního kmitočtu proto neprojdou. A teď pozor. Co se stane s těmito odfiltrovanými frekvencemi? Za filtr neprojdou, to je zřejmé. Filtr samotný neobsahuje žádný reálný odpor, žádný prvek, na kterém se energie může přeměnit v teplo. Zbývá tedy poslední možnost, odraz od filtru a putování zpět k tranzistoru. Ten se chová jako reálný odpor a zde se odfiltrovaná energie přemění na teplo. Kdyby byly vyšší harmonické také užitečné, koncový stupeň by měl účinnost téměř 100 %, ideální tranzistor by se v takovém případě vůbec nezahříval. Byl by pouze ve stavu sepnuto nebo rozepnuto. V sepnutém stavu je na něm nulové napětí a v rozepnutém protéká nulový proud, tedy ztrátový výkon je stále nula. Tím, že vyšší harmonické jako nežádoucí odfiltrujeme, účinnost klesne přibližně pod 70 % a tranzistor se zahřívá. Vyšší harmonické samozřejmě filtrovat musíme, dosah základního kmitočtu nijak nezvyšují a způsobují rušení v televizních pásmech i jinde. Na snižování účinnosti se podílí i další skutečnosti. Rychlost spínání tranzistoru není neomezená a při přechodu ze stavu sepnuto do rozepnuto a zpět dochází ke ztrátám. Rovněž sepnutí tranzistoru není zcela dokonalé, částečně vlivem omezeného zesílení.

Obr. 2 - Příklad zapojení jednoduchého filtru vyšších harmonických.

Průběhy napětí

Na obr. 3 je modře znázorněn příklad průběhu napětí na vstupu zesilovače. Je to čistá sinusovka o frekvenci 100 MHz, v praxi ale bývá její průběh poněkud deformovaný. Červeně je znázorněn průběh napětí na výstupu tranzistoru, fázově posunutý. Je zřejmé, že oproti původní sinusovce je velmi zkreslený. To nemá vliv na přenášenou informaci, ale v důsledku zkreslení obsahuje vyšší harmonické, násobky původní frekvence. To je dobře vidět na obr. 4. Použitím filtru se podíl vyšších harmonických sníží na přijatelnou hodnotu. Z ošklivého průběhu výstupního napětí se tedy opět udělá sinusovka.

Obr. 3 - Příklad průběhu napětí na vstupu (modře) a na výstupu (červeně).

Obr. 4 - Příklad spektrálního složení signálu na vstupu (modře) a na výstupu (červeně).

Závěr

Na uvedených základech je postavená funkce koncového zesilovače. Pokročilé konstrukce samozřejmě obsahují i další součásti. Jsou to především ochrany proti různým nestandardním stavům, jako přehřátí, impedanční nepřizpůsobení antény atd. S ohledem na požadovanou spolehlivost a trvalý provoz většinou ochrana nevypne napájení, ale přechodně sníží výkon zesilovače na hodnotu, kdy nehrozí jeho tepelné poškození.

Další informace k tomuto tématu najdete například zde.

Diskuze

(C) 2005 Pira.cz