Повышение КПД транзисторного усилителя

[rz1zr]

Обычный линейный усилитель (класс AB), который используется в 99% КВ-трансиверов и киловаттных "кирпичей", имеет теоретический предел КПД около 65-68%, а на практике (с учетом потерь в ФНЧ и трансформаторах) выдает всего 40–50%. Остальное уходит в тепло. Чтобы получить КПД 80% и более при сохранении высокой линейности (чтобы не "пылить" в эфире), конструкторы используют совершенно другие подходы. Ниже подробно разобрано, как это устроено в усилителе Aurora, и как подобную концепцию реализуют на практике.

1. Секрет FlexRadio Aurora: Полярная модуляция (Polar Modulation)
Вместо того чтобы строить классический линейный усилитель класса AB, разработчики Aurora применили полярную модуляцию (часто называемую схемой Кана или EER — Envelope Elimination and Restoration).
 
Принцип работы:

1. Разделение сигнала: Цифровой сигнальный процессор (DSP) трансивера раскладывает сформированный SSB/FT8 сигнал на две составляющие: амплитудную (огибающую) и фазовую.
   
2. Фазовый тракт (Усилитель класса D/E/F): Фазовая составляющая имеет постоянную амплитуду. Ее пускают на мощный оконечный каскад, работающий в ключевом режиме (класс D или E). Поскольку транзисторы работают как ключи (либо полностью открыты, либо закрыты), их КПД достигает 85–90%.
   
3. Амплитудный тракт (Модулятор): Огибающая (амплитуда) подается на высокочастотный высокоэффективный ШИМ-модулятор (фактически, мощный DC-DC преобразователь), который динамически меняет напряжение питания (напряжение стока) ключевого оконечного каскада.
   
4. Восстановление: На выходе ключевого каскада обе составляющие объединяются: получается модулированный сигнал высокой мощности с великолепным КПД. А чтобы убрать неизбежные искажения переключения, FlexRadio использует технологию адаптивной предискажения (SmartSignal™ Adaptive Predistortion), которая налету корректирует сигнал по обратной связи.
   

2. Реальные альтернативные архитектуры для КВ (500–1000 Вт)
Собрать полярный модулятор «на коленке» для КВ во всем диапазоне 1.8–30 МГц (и тем более 50 МГц) в домашних условиях крайне сложно из-за жестких требований к синхронизации фазы и амплитуды в DSP (задержка не должна превышать единиц наносекунд). Поэтому в радиолюбительской практике для достижения высокого КПД используют другие решения:
Вариант А. Усилители класса E/F (для одночастотных режимов — CW/FT8) Если вам нужен киловатт для цифровых видов связи (FT8) или телеграфа (CW), где амплитуда сигнала постоянна, линейность класса AB вообще не нужна.

• Как реализовать: Строится пушпульный или однотактный каскад на современных LDMOS-транзисторах (например, MRFX1K50H на 1500 Вт или BLF188XR). Путем подбора выходных цепей (формирование прямоугольного импульса тока и напряжения) каскад загоняется в класс E или F.
  
• Результат: КПД на КВ легко перешагивает за 75–80%. Но SSB (голос) через такой усилитель передавать нельзя — будут жуткие искажения.
  

Вариант Б. Класс AB + Адаптивное цифровое предискажение (APD / DPD)
Это самый доступный путь для самодельного или мелкосерийного аппарата. Каскад строится по классической схеме (класс AB) на LDMOS, но ток покоя выставляется минимальным (ближе к классу B). КПД при этом возрастает до 60-70%. Возникающую при этом нелинейность («интермодуляцию») компенсируют с помощью функции PureSignal (или ANAN DPD), которая есть во многих современных SDR-трансиверах (Hermes Lite 2, ANAN, Odyssey и др.). От выхода усилителя берется слабый сигнал обратной связи и подается обратно в трансивер, который математически исправляет исходный сигнал в противофазе искажениям УМ.
 
Для режима FT8 (как и для телеграфа CW) этот сигнал имеет постоянную амплитуду (constant envelope). Это значит, что жесткие требования к линейности, которые обязательны для SSB, здесь не действуют. Можно жертвовать линейностью ради максимального КПД и снижения нагрева дорогого транзистора.
 
1. Выбор режима и тока покоя
Для максимальной эффективности нужно перевести усилитель из классического класса AB в класс B или даже глубокий класс B (ближе к C).

• Классический класс AB: Ток покоя обычно выставляется в районе 1.5-2.0 ампера. При этом транзистор сильно греется даже в паузах, а КПД в режиме нажатия редко превышает 55–60%.
  
• Режим для FT8 (Оптимальный класс B): Снижение тока покоя до 150-300 милиампер (на весь транзистор).
  
  • Почему так: При таком токе транзистор почти заперт в отсутствие сигнала, потребление в режиме ожидания минимально. Как только подается раскачка, транзистор мгновенно переходит в эффективный ключевой режим. КПД самого каскада (без учета ФНЧ) при этом легко достигает 75–80%.
    
• Экстремальный вариант (Класс C): Ток покоя 0 (смещение полностью убрано или даже подано небольшое запирающее напряжение). КПД устремится к 85%, но резко вырастет требуемая мощность раскачки, а выходной спектр станет очень грязным (потребуются идеальные, ненасыщающиеся ФНЧ). Для КВ этот вариант избыточен и опасен помехами соседям.
  

⚠️ Важное предупреждение: С током покоя 150-300 категорически нельзя работать в SSB (голосом). Сигнал будет иметь жуткие интермодуляционные искажения («ступеньку»), и вы займете своими гармониками весь диапазон. Данный профиль настроек — строго для FT8/RTTY/CW.

 
2. Напряжение питания: 50 В или 65 В?
Транзистор MRFX1K80 спроектирован для работы при напряжении питания 65 вольт.

• Работа при 65 вольт: Обеспечивает максимальный КПД и максимальную заявленную мощность (до 1800 Вт). Высокое напряжение позволяет токам стока быть ниже при той же мощности, что снижает потери на нагрев в трансформаторах.
  
• Работа при 50 вольт: Снижает выходную мощность примерно до 1000 Вт, немного падает КПД, но значительно повышается надежность и «живучесть» транзистора.
  

Для FT8, где циклы передачи длятся по 15 секунд непрерывно, режим 65 вольт питания при токе покоя 200 mA является идеальным с точки зрения энергетической эффективности.
3. Что еще критически важно для КПД в FT8?
Просто запереть транзистор недостаточно. Чтобы выжать заветные >75% КПД на выходе усилителя, нужно оптимизировать периферию:
Выходной трансформатор (симметрирующее устройство) В пушпульном каскаде на MRFX1K80 выходной трансформатор работает под огромным током.

• Используйте только качественные коаксиальные кабели с фторопластовой (Teflon) изоляцией (например, RG-142 или RK-50-2-22) и честный феррит Amidon (материал 61 или 43 в зависимости от диапазона).
  
• Если трансформатор сделан некачественно или феррит насыщается, вся сэкономленная за счет класса B энергия уйдет в нагрев этого трансформатора, а не в антенну.
  

Фильтры нижних частот (ФНЧ)
Поскольку в классе B форма сигнала на стоках становится ближе к меандру (прямоугольнику), уровень четных и нечетных гармоник на выходе транзистора резко возрастает.

• ФНЧ будут принимать на себя всю эту "грязь" и срезать ее на землю.
  
• Конденсаторы в ФНЧ должны быть высоковольтными фарфоровыми/слюдяными (типа ATC 800B или Cornell Dubilier Mica), иначе от непрерывного цикла FT8 они просто расплавятся.
  

Для работы в FT8

1. Напряжение стока: 65 вольт (предпочтительно для КПД) или 50 вольт (для безопасности).
   
2. Ток покоя: 200 mA