Wzmacniacze klasy E zostały wynalezione w 1964 roku przez amerykańskiego naukowca Geralda Ewinga; prawdziwymi propagatorami i badaczami tematu stali się - w drugiej połowie lat siedemdziesiątych - dwaj amerykańscy naukowcy (ojciec i syn): Nathan Sokal WA1HQC i Alan Sokal WA1HQB. Publikacja Nathana Sokala "Class-E RF Power Amplifiers" [1] stała się swoistą biblią dla miłośników tematu.
W praktyce krótkofalarskiej znalazły zastosowanie jako stopnie końcowe amatorskich nadajników AM pracujących w paśmie 75 metrów [8], gdzie modulacja odbywa się w obwodzie zasilania. Sporadycznie używane są też jako wzmacniacze mocy sygnałów CW i RTTY, głównie jednak w zastosowaniach QRP. Dzięki technice EER, teoretycznie możliwa jest również praca liniowa - przykładem takiej konstrukcji jest wzmacniacz SSB o mocy 500W opracowany przez firmę AGS [2].
Wzmacniacze klasy E wykonywane są najczęściej jako jednopasmowe, sporadycznie spotyka się wzmacniacze z przełączanymi lub wymiennymi modułami. Wspólną cechą wzmacniaczy jest możliwość regulacji mocy wyjściowej przez zmianę napięcia zasilania.
Teoretyczne podstawy działania wzmacniacza klasy E
Klasyczny układ wzmacniacza klasy E przedstawiono na rysunku 1. Przewodzenie elementu aktywnego odbywa się w rytmie i fazie przebiegu wejściowego. W stanie załączenia (dla dodatnich połówek napięcia sterującego) tranzystor przewodzi. W obwodzie źródło-dren płynie duży prąd, natomiast napięcie osiąga wartość minimalną, bliską 0V. W stanie wyłączenia, na kluczu odkłada się duże napięcie, a prąd nie płynie. Zarówno w stanie włączenia, jak i wyłączenia, na tranzystorze nie wydziela się moc, gdyż prąd lub napięcie na przemian przyjmują wartości zerowe. Teoretycznie wymaga to prostokątnego przebiegu sterującego bramką, często stosowaną praktyką jest sterowanie przebiegiem sinusoidalnym o odpowiednio dużej amplitudzie.
Napięcie stałe doprowadzone jest do elementu aktywnego przez dławik L1. Ma on dużą reaktancję dla częstotliwości roboczej, w rozważaniach teoretycznych przyjmuje się, że tranzystor zasilany jest ze źródła prądowego. Rezystor R reprezentuje obciążenie o charakterze czynnym, do którego oddawana jest moc wyjściowa wzmacniacza. Sieć elementów C1, L2 i C2 ( zwana w literaturze "load network") ma za zadanie takie ukształtowanie przebiegu prądu na wyjściu elementu aktywnego, aby zminimalizować straty mocy zachodzące w procesie przełączania. Przebiegi napięcia sterującego, prądu drenu i napięcia pomiędzy drenem i źródłem przedstawia rysunek 2. Pomimo impulsowego przebiegu napięcia/prądu na wyjściu tranzystora, przebieg napięcia na obciążeniu R ma kształt sinusoidalny. Dzieje się tak, gdyż "brakującą" połówkę sinusoidy odtwarza obwód wyjściowy L2-C1 (będący obwodem rezonansowym), podobnie jak to się dzieje w każdym (z wyjątkiem wzmacniacza klasy A) wzmacniaczu mocy z pojedynczym elementem aktywnym. Wartości elementów C1, L2, C2, R mają zasadniczy wpływ na parametry wzmacniacza, wstępnie określane są drogą matematyczną i korygowane w trakcie uruchamiania. Ich obliczanie jest dość skomplikowane i zdecydowanie przekracza ramy tego artykułu. Prosty kalkulator opracowany przez autora artykułu można znaleźć na jego stronie internetowej [3]...

Marek Borsz SP2MKT

ŚR 09/2006

30-08-2006