YÜKSELTEÇLER-5
RF GÜÇ YÜKSELTEÇLERİ
Linear (Doğrusal) RF güç yükselteçleri AM ve SSB vericilerin çıkış katı olarak yaygın olarak kullanılır. Aslında genel olarak giriş ve çıkış arasında ki bağlantı bir linear yükselteç tarafından sağlanır.
Linear yükselteç yada doğrusal yükselteç adından da anlaşılacağı gibi girişine uygulanan sinyalin şeklini frekansını bozmadan fakat genliğini arttırarak çıkışa aktaran yükselteçlerdir. Bu yüzden bilgiyi genliğinde taşıyan RF sistemlerinin (AM SSB gibi) çıkış katı olarak kullanılır.
Linear yükselteçlerler; A sınıfı tek transistörlü paralel bağlı transistörlü veya AB sınıfı yada B sınıfı push-pull bağlı transistörlerden yapılabilir.
Bildiğiniz gibi A sınıfı yükselteçlerde bir takım bozulmalar (distorsiyonlar) olmuyor. Şüphesiz B sını yada AB sınıfı yükselteçlerin de çalışma bölgelerinin doğrusal kısımlarında da aynı özellik var. Peki linear yükselteç kullanmazsak ne olur. Şimdi burada kısa bir bilgilendirme yapacağım. Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa girişine uygulanan sinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir. Bu dalga şeklinin trigonometrik ifadesini yazmaya kalkarsak (yani dalga şeklini genliği frekansı gibi şeyleri)
f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t +....... anCosnw0t
İşin özü şu; Kare üçgen kesik sinüs kesik kosinüs gibi (tam sinüs ve kosinüs olmayan dalgaların dışında) dalgalın içinde sonuz sayıda sinüs dalgası vardır. Buradaki sinüs dalgalarının frekansları ana frekans ve tam karlarından oluşur. Şimdi yukarda ki ifadeye bakalım ve açıklayalım.
f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t +....... anCosnw0t
f(t)= Sinüs olamayan periyodik bir dalga sekli örneğin üsten kesik bir sinüs kare dalga yada üçgen dalga gibi.
a0= Dalga şeklinin DC bileşeni
w = 2 . pi . f (f ana frekans)
a1Cosw0t= a1 ana frekansın genliği Cosw0t ise ana frekans.
a2Cos2w0t= a2 ana frekansın ikinci harmoniğinin (ana frekansın iki katı) genliği Cos2w0t ise ana frekansın ikinci harmoniği (ana frekansın iki katı).
a3Cos3w0t= a3 ana frekansın üçüncü harmoniğinin (ana frekansın üç katı) genliği
Cos3w0t ise ana frekansın üçüncü harmoniği (ana frekansın üç katı).
a4Cos4w0t= a4 ana frekansın dördüncü harmoniğinin genliği
Cos4w0t ise ana frekansın dördüncü harmoniği.
anCosnw0t= an ana frekansın n inci harmoniğinin genliği
Cosnw0t ise ana frekansın n inci harmoniği.
Yani sinüs dalgası dışındaki periyodik dalgalar frekansları ana frekansın kendisi ve katları olan sinüs dalgalarından oluşur. Bu ne işe yarayacak derseniz frekans katlama devreleri bu işi yapıyor önce dalga şekli bozularak harmonikler üretiliyor (bir diyot yada A sınıfı çalışmayan transistörlü bir devre ile). Sonra katlayıcının çıkışına bu harmoniklerden hangisini kullanacaksak sadece onu alan bir LC devresi konuyor. Her halde bu açıklama işe yaramıştır.
Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa girişine uygulanan sinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir demiştik. Yukarıdaki açıklamam iyi analiz edilmişse işinde işe yaramayan pek çok bileşkeler olduğunu ve yükseltecin veriminin azalacağı çıkış sinyalinin seviyesinin düşeceği açıktır.
Genel olarak bu bölümü özetlersek; Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın genliğinde (AM SSB) taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılır. Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın frekansında (FM) taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılmayabilir. Dar bantlı bir vericimiz varsa (Mors gibi) ve modülasyon kollektör besleme voltajını değiştirerek yapıyorsak AM için çıkış katı olarak kullanabiliriz. Fakat bu tür bir yükselteci SSB olarak kullanmak mümkün olmaz.
A-Sınıf RF Yükselteci:
Bir RF yükselteç içinde olmazsa olmaz devre parçalarından oluşur.

Buradaki Bayas devresi yükseltecin çalışma sınıfını belirler. Matching (eşleme) devreleri transistörün giriş empedansını girişe bağlanan bir önceki devrenin çıkış empedansına eşlemeye çıkıştaki matching devresi işe "transistörün çıkış empedansını anten empedansına uydurmaya yarar. Profesyonel devrelerde genellikle giriş ve çıkış empedansları özel bir durum yoksa 50 ohm olarak yapılır. RFC (RF şok) RF e çok yüksek empedans göstererek RF sinyalin besleme ve bayas devrelerinden geçmesine engel olurlar. A sınıfı bir yükselteç en iyi lineariteye ve en düşük distorsiyon oranına sahiptir. Fakat verimi düşüktür. Bunun sebebi ise çalışma sınıfının özelliğinden dolayı girişine bir sinyal uygulanmasa bile bir kollektör akımının akmasıdır.
Yukarıdaki devreye besleme voltajı ve giriş sinyali uygulandığında AC sinyal transistörün kollektöründe besleme voltajının iki katı olarak salınır. Kollektördeki RFC AC sinyalin besleme kaynağı tarafından kısa devre edilmesine engel olur. AC sinyal kollektöre bağlı matching devresi üzerinden antene beslenir. Transistöreden geçen akım;
Ic= Icq + IoCoswt dir.
Ic= Transistörden geçen herhangi bir andaki kollektör akımı.
Icq= Transistörden geçen kollektör sessizlik (giriş sinyali olmadığında) akımı.
IoCoswt = RF sinyal bileşkesi olan kollektör akımı.
Herhangi bir andaki kollektör gerilimi;
Vc= Vcc - Io RL' Coswt Buradaki RL' kollektör empedansıdır.
Kollektörde harcanan güç bir miktar hesap sonunda Pd= IcQ Vcc - (Io2 RL') / 2 olarak bulunur.
Bu yükselteçlerde giriş sinyali yokken kollektör üzerinde çok fazla güç harcanır. Yukarıdaki formülün (Io2 RL') / 2 parçası sinüs sinyali uygulandığında oluşan güç harcamasıdır. Formülden de anlaşılacağı gibi giriş sinyali yokken transistör üzerinde harcanan güç artıyor.Devrenin verimi
n = Io2 /( 2 Io2max) 100%
Buradan en büyük verinin %50 nin altında olduğu anlaşılıyor.
Maksimum çıkış gücü;
Po= (Vcc IcQ) / 2
Girişe birden çok sinyal sinyal uygulandığında (örneğin çift ton uygulandığında) çıkış gücü tek tona göre düşer. Bu nedenle farklı güç formülleri de kullanılır.
Portalama= P.E.P / N
Burada; Portalama = ortalama çıkış gücü
P.E.P. = Tek ton uygulandığında tepe güç.
N = ton sayısı
BU şekilde transistör üzerinde harcanan güç
Pd = IcQ Vcc - Portalama olarak ifade edilir.
Linear yükselteçlerde kullanılan bayas devreleri çıkış transistörünün gücüne göre tasarlanır. Eğer düşük güç transistörleri kullanılıyorsa aşağıdaki devre yeterli olabilir.


Eğer kullandığımız çıkış transistörü fazla güç verecek ise aşağıdaki devreyi kullanmak daha uygun olacaktır.

Güç transistörlerinin beta değerleri genellikle azdır. Bu nedenle Ib akımları yüksek olabilir. Yukarıdaki devrede bulunan transistör fazla Ib akımlarını karşılamak için kullanılmaktadır.
Her iki devredeki diyot yada diyotlar VB gerilimini sınırlamak için kullanılmaktadır. P1 ayarlı direnci Ib akımını yada IcQ akımını ayarlamak için kullanılmaktadır. RFC ise daha önce de söylediğim gibi girişe uygulanan RF sinyalin bayas devresi üzerinden kısa devre olmasını engellemek için kullanılmaktadır.
A sınıfı RF Yükseltecine Örnek;

Yukarıdaki devreyi açıklarken ses frekans yükselteçlerinden gerek devrede kullanılan malzemeler ve özellikleri bakımından ne kadar farklı olduğunu göreceksiniz.
Devrenin girişinde kullanılan C1 C2 ve L1 elemanları girişe bağlanacak olan RF kaynağının çıkış empedansının transistörün giriş empedansına çalışma frekansında uydurmaya yarar. Bu devre kullanılmazsa RF kaynağının empedansı ile transistörün giriş empedansı birbirine uygun olmadığı için devre iyi çalışmayacaktır. Bildiğiniz gibi elektrikte maksimum güç transferi için empedanslar eşit olmalı. Çıkış da yer alan L2 C5 ve C6 kapasiteleri ise transistörün çıkış empedansını anten devresine (anten kablosu ve anten dahil) uydurmaya yarar. RFC ler RF sinyalin besleme gerilimi ve bayas voltajı üzerinden kısa devre olmasını engeller. C3 ve C4 kondansatörleri ise besleme kaynaklarından gelebilecek olan bozucu AC sinyallerin devreye girmesine engel olmak için kullanılmaktadır.
Şimdi devre ile ilgili formülleri ve elemanların nasıl hesaplandığını bir örnekle açıklayalım; Bu devremiz örneğin 30MHz de 13W güç verecek bir linear yükselteç olarak tasarlanmış olsun. Kullanılan transistörün giriş empedansı (17 - j1) olsun.
L1 için ; Bobinin Q faktörü biraz geniş olması için 7 seçilsin. L1 bobinin reaktansı ;
XL1= (Q . Rin) + XCin
Burada Rin transistörün giriş direnci olup 17 ohm Xcin transistörün giriş empedansının sanal tarafı olup 1 ohm dur.
XL1 = ( 7 . 17 ) + 1
XL1 = 12.9 ohm
L1= XL1 / ( 2 . pi . f ) = 129 / ( 2 . pi . 3 . 107 )
L1 = 684 nH bulunur.
C1 için;
XC1= RL . \/¯ ( Rin . (1 + Q2 ) / RL ) - 1 Değerleri yerine koyarsak
XC1= 418 ohm
C1 = 1 / ( w . XC1 )
C1 = 127pF
C2 için;
XC2 = Rin . (1 + Q2) / ( Q - \/¯ (Rin . ( 1 + Q2 ) / RL) -1
XC2 = 138 ohm
C2 = 1 / ( w . XC2 )
C2 = 385pF bulunur.
Bulunan C1 C2 ve L1 değerindeki malzemeleri tam olarak bulmak mümkün değildir. Bu nedenle trimmer kondansatör ve ayarlı bobin kullanmak gereklidir.
Yükseltecin 13W gücünde olacağını söylemiştim. A sınıfı linear yükselteçte en çok %50 verim alınacağına göre transistör üzerinde normal ısıl şartlarda Pdmax 30W harcanacağını düşünelim.
Besleme voltajı 125V olduğuna göre sessizlik akımı IcQ;
IcQ = Pdmax / Vcc
IcQ = 30 / 125
IcQ = 24A
Kollektör yük direnci RL' ;
RL' = ( Vcc -Vsat ) / IcQ
Vsat transistörün saturasyon voltajı 15V kabul edilsin.
RL' = ( 125 -15 ) / 24

RL' = 458 ohm bulunur.
Çıkış gücü ise;
Po = ( IcQ2 . RL' ) / 2
Po = ( 576 . 458 ) / 2
Po = 132 W olduğu görülür.
Çıkışa bağlanacak anten empedansımız 50 ohm olduğuna göre aradaki empedans uydurma devresinin 458 ohm luk kollektör empedansını 50 ohm luk anten empedansına uydurması gereklidir.
Devremiz eğer fazla harmonik üretse idi ve biz bu harmoniklerin antene gitmesini engellemek istersek o zaman devrenin Q sunun yüksek olmasını isterdik. Yüksek Q harmonikleri ortadan kaldırdığı gibi dar bantlı çıkış almamızı sağlar. Q düşük seçilirse bu kez de geniş bantlı çıkış elde ederiz. Bizim devremiz zaten A sınıfı olduğu için harmonik bileşenleri doğal olarak az. Bu nedenle harmonik endişesi olmadan Q değerini düşük seçebiliriz.
Çıkış devresinin Q su 3 olsun.
Qtoplam= Qgiriş + Qçıkış
Qtoplam = 7 + 3
Qtoplam = 10
XC5 = Qçıkış . Ro
XC5 = 3 . 458
XC5 = 1375 bulunur.
C5 = 1 / ( w . XC5 )
C5 = 386pF
Bulunan C5 değerinden bazı parazitik kapasite değerlerini çıkarmak gereklidir. Daha iyisi C5 i trimmer kondansatör olarak kullanırız.
C6 değeri;
XC6 = RL . \/¯Ro / (RL - Ro)
XC6 = 50 . \/¯485 / (50 - 485)
XC6 = 159 ohm
C6 = 1 / ( w . XC6 )
C6 = 334pF bulunur.
C6 yı da trimmer olarak kullanmak gereklidir.
L2 değeri; Transistörün çıkış empedansı Xcçıkış 3.54 ohm olsun.
XL2 = XC5 + Xcçıkış + ( ( Ro . RL ) / XC6 )
XL2 = 1374 + 354 + ( (458 . 50 ) / 159 )
XL2 = 3164 ohm
L2 = XL2 / ( 2 . pi . f ) = 3164 / ( 2 . pi . 3 . 107)
L2 = 149 nH
Şimdi de gerilim ve güç kazançlarını hesaplayalım;
AV = ß . RL' / Rin
Yada
AV = ( ft / fwork ) . ( RL' / Rin )
Burada ft transistörün kesim frekansı olup örnek olarak 100MHz alalım. fwork transistörün çalışma frekansı olup örneğimizde 30MHz idi.
AV = ( 100 / 30 ) . ( 458 / 17 )
AV = 898 gerilim kazancıdır.
Gp = 20 log AV
Gp = 19 dB güç kazancı bulunur.
Burada eksik kalan taraf sadece transistörün soğutucu hesaplamalarıdır.