دفع وفعاليّة المضخّم

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

نُعرِّف فعاليةَ (Efficiency) مضخِّم على أنها النسبة ما بين قدرة إشارة الخرج المتناوب (AC Signal Power Output) (AC) المُفيدة وقدرة الدخل المستمرّ (DC Power Input) (DC) الكليّة.

تضمن القيم العالية للفعالية ضياعاً أصغريّاً حراريّاً في الترانزستورات، كما أنها تُطيل أزمنةَ حياتها المُفيدة. نعرِّف دفع المضخِّم (Drive) [ما يُطبَّق عليه] على أنها شدّة إشارة الدخل المتناوِب (AC)، مُعبَّراً عنها عادةً بدلالة القدرة.

 

– دخل قدرة الـتيار المستمرّ (DC)

تساوي قدرة التيار المستمرّ (DC) لإشارة الدخل (P_in) – مُقدّرةً بالواط – إلى دارة مُضخِّم ترانزستور ثنائي القطبية جداءَ تيار المُجمِّع  (I_C)مُقدّراً بالأمبير مع فولطيّة (جهد) المُجمِّع (E_C) مُقدّرةً بالفولط.

تساوي قدرة التيار المستمرّ للدخل من أجل ترانزستور FET جداءَ تيّار المصرِف (I_D) في فولطية (جهد) المصرِف (E_D). رياضيّاً لدينا

من أجل مُضخّمات ترانزستور ثنائي القطبية للقدرة، بينما لدينا 

 من أجل مُضخّمات ترانزستور FET للقدرة.

 

نلاحظ في بعض الحالات قيماً كبيرة لدخل قدرة الـتيار المستمر DC حتى عندما لا نطبّق أي إشارة عند الدخل.

على سبيل المثال، يبقى دخل قدرة التيار المستمر DC في المُضخِّم من المستوى أ ثابتاً بغض عن النظر عن وجود إشارة دخل أم لا، بافتراض أن إشارةَ الدخل لا تغدو كبيرةً جداً بحيث تضع الدارةَ في حالةٍ غير خطّيّة.

نلاحظ في المضخّمات من المستوى أب₁ أو المستوى أب₂ دخلَ قدرة تيّار مستمرّ DC صغيراً عند عدم وجود إشارة دخل، بينما تصبح قيمُ دخل قدرة التيّار المستمرّDC  كبيرة عند تطبيق إشارة دخل.

يساوي دخلُ قدرة التيّار المستمرّ DC في المُضخّمات من المستوى ب أو المستوى ج إلى المستوىر عند غياب إشارة الدخل، بينما لا نحصل على قيمٍ محسوسة لدخل قدرة التيّار المستمرّ DC إلاّ عند تطبيق إشارة دخلٍ ذات شدّة كافية. 

 

– قدرة إشارة الخرج

عندما لا نطبِّق على المُضخِّم أيَّ إشارةِ دخلٍ، فإننا لا نحصل على أيّ شيءٍ عند الخرج، وبالتالي تساوي قدرة إشارة الخرج (P_out) الصفر.

يبقى هذا الوضعُ صحيحاً في جميع مستويات التضخيم. في الحالة العامّة، عندما نُزيد سعة إشارة الدخل، فإن قدرة الخرج لمُضخِّم القدرة تزداد أيضاً – لغاية حدٍّ معيّن -.

 

فكرة مفيدة:  لا نستطيع أن نقيس مباشرةً قدرة إشارة الخرج من مُضخِّم باستعمال جهازِ تيّارٍ مستمرّ DC. علينا أن نستخدم مقياس واط خاصّاً تمّ تصميمُه ليزوِّدنا بقراءاتٍ صحيحة للقدرة عند تردّد الإشارة.

 

– تعريف الفعاليّة

تساوي فعاليّة (Efficiency) مضخّم قدرة تعريفاً (eff) نسبةَ قدرة إشارة الخرج المُفيدة إلى دخل قدرة التيّار المستمرّ، وتُعطى بالعلاقة:

تقع هذه النسبة دوماً في مكانٍ ما محصورٍ بين الـ 0 والـ 1. وبشكل بديل، يمكن أن نقدّر فعاليّة المُضخِّم كنسبة مئوية بين 0% و100% (eff_%) باستخدام العلاقة:

 

– الفعاليّة بمقابل المستوى

يعمل المُضخِّم من المستوى أ بشكل نموذجي بفعاليّة 40% أو أقلّ، وذلك اعتماداً على طبيعة إشارة الدخل وعلى النوع المُستعمَل للترانزستور ثنائي القطبية أو ذي الأثر الحقلي. يُبدي مضخِّم قدرة ذو تردّد راديوي  (RF)من المستوى آب₁ فعاليةً من رتبة 35% إلى 45%.

يمكن لفعاليّة مضخِّم قدرة ذي تردّد راديوي (RF) من المستوى أب₂ أن تُقارِب 60%، أمّا فعالية المُضخّمات من المستوى ب فهي تمتدّ من 50% ولغاية 65%، ويمكن لنُظُم مُضخّمات القدرة ذات التردّد الراديوي (RF) من المستوى ج أن تصل بفعاليتها لغاية 80%.

لا تهمّنا الفعاليّة في حالات مضخّمات المستوى أ ذات الإشارات البالغة الضعف. بدلاً من ذلك، يجب أن نركّز اهتمامنا هنا على كيفيّة الحصول على اكتساب عالٍ وعلى عامِل ضجيج (Noise Figure) (ضجيج متولِّد داخليّاً في الدارة) منخفض، بهدف رفع أمثلي لحساسية النظام. علينا أيضاً التأكّد أن الدارة تعمل بطريقة خطّيّة.  

 

– الدفع والدفع المفرط

نظريّاً، لا تسحب مُضخِّماتُ القدرة من المستوى أ والمستوى أب₁ طاقةً من مصدر الإشارة بهدف توليد قدرة مفيدة لإشارة الخرج. تتطلّب مُضخّمات المستوى أب₂ مقداراً أصغريّاً محدّداً من الدفع مُطبَّقةٍ عليها من أجل إنتاج إشارة الخرج.

تحتاج مُضخّمات المستوى ب مقدارَ دفع مُطبَّقاً عليها أكبرَ ممّا يحتاجه المستوى أب₂، وتحتاج مُضخِّمات المستوى ج بدورها مقاديرَ أكبر مقارنةٍ مع المستوى ب. علينا دوماً – بقطع النظر عن مستوى التضخيم الذي نستخدمه – التأكّد أن الإشارة المُطبَّقة لا تغدو كبيرةً جداً. إذا طبّقنا إشارةَ دخلٍ متناوِب (AC) كبيرةً جداً على مُضخِّم فإننا نخلق عندها حالةَ دفع مفرَط.

يوضِّح الشكل 7-7 الأشكال الموجيّة لإشارة الخرج لمُضخّمات القدرة في أوضاع متنوّعة، بافتراض أن إشارة الدخل عبارة عن موجة جيبيّة مثاليّة لتيّار متناوِب (AC).

يُبيّن شكل الموجة في A  إشارةَ الخرج من مُضخِّم من المستوى أ مُدارٍ بشكلٍ مناسِب، بينما يُبيّن شكلُ الموجة في B إشارةَ الخرج من مُضخِّم من المستوى أ في حالة دفع مفرط. يبيّن الرسمان في C وفي D الشكلَين الموجيَّين لإشارتَي الخرج من مُضخّمَي تردّد راديوي (RF) من المستوى ب في حالتَي الدفع المناسب والدفع المفرط، على التوالي.

يبيّن الرسمان E وF الشكلَين الموجيَّين  لإشارتَي الخرج من مُضخّمَي تردّد راديوي (RF) من المستوى ج في حالتَي الدفع المناسب والدفع المفرط، على التوالي.

 

فكرة مفيدة: لاحظ حدوث ظاهرة تسطح القسم العلوي في حالة الدفع المفرط. يمكن أن تتسبّب هذه الظاهرة بإصدارات توافقيّة زائدة، وبتشويه في غلاف الترنيم، وبانخفاض في قيم الفعاليّة.

علينا دوماً عند تشغيل مُضخِّم قدرة التأكّد أننا لا نضعه في حالة دفع مفرط.

 

مسألة 7-4  :

لنفترض أن مُضخِّم قدرة ذا تردّد راديوي (RF) يعمل بتيّار مجمّع 800 مكرو أمبير وفولطيّة مجمِّع 12 فولط.

نحصل على قدرة مفيدة 4.8 واط لإشارة خرج ذات تردّد راديوي(RF) .

ما هي فعاليّة هذا المُضخِّم، معبَّراً عنها كنسبة مئوية؟

 

الحلّ: 

لنحدّد أوّلاً دخل قدرة التيّار المستمرّ DC. يساوي تيّار المُجمِّع 0.800 أمبير، بينما تساوي فولطية المجمِّع 12 فولط. وبالتالي لدينا:

تُساوي قدرة الخرج ذي التردّد الراديوي (RF) قيمةَ 4.8 واط، وبالتالي يمكننا حساب الفعالية كنسبةٍ مئوية كما يلي:

 

مسألة 7-5  :

لنفترض أننا نزوِّد مضخِّماً بموجة جيبيّة كإشارة دخلٍ، ولكن إشارة الخرج تبدو كتلك المُبيَّنة في الشكل 7-7D. ماذا يمكننا القول عن تأثير هذه الدارة على الشكل الموجي للإشارة ؟

الحلّ: 

حيث إنه تمّ قطع الأقسام السالبة في كلّ دورة، فإن ذلك يساوي عمل التقويم لنصف موجة. علاوةً على ذلك، لم يتشوّه شكل موجة الخرج بسبب التقويم فحسب، بل كذلك بسبب التغيّر الكبير في شكل الأجزاء المتبقيّة من الدورة. يُشير هذا الوضع إلى حالةِ دفع مفرط على الأرجح.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]