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Class E Amp (E級アンプ)

受信機も形にならないうちから、あちこちに、手を付けている。MOS FETによるE級アンプの実験だ。
まずは、様子を感じ取るために、先達のものを動作させてみた。

参考にしたのは、これ
教科書は、JA5FP 間氏のこれ

Dscf0298
2N7000 シングルのファイナルに Vdd=5.0Vを印加しての実験だ。これで、約400mW弱の出力を得る。周波数は7MHzを目指しているが、作りっぱなしなので、最適値は7.9MHz付近になっている。(後述)

Classe_amp
CMOSの汎用ロジックIC 74HC04でドライブしている。3回路を並列にしているが、1個では若干OFF時のシンクが弱かったので、取り敢えず3個にしているが、この辺りも吟味が必要だ。

全体の動作波形は以下のとおり。この時の周波数は7.9MHzでドライブしている。
Dscf0286
上がドレインの電圧波形。下がゲートの電圧波形だ。ゲートが"H"時に2N7000はONして、OFF時には出力のタンクコイルのフライホイール効果で正弦波の半分の弧を描く。ドレイン電圧が0Vの区間はドレイン電流が大量に流れている。E級アンプの特徴は電圧が下がってきたところから電流が流れ始めるので、その積、電流x電圧が小さい。つまり、スイッチングロスが非常に小さい。ON時のドレイン-ソース間の抵抗も若干あるので、これらもロスになる。
しかし、C級アンプやましてAB級と比べると比較にならないほど効率がいい。最近のプロの世界ではこのE級アンプが主力のようだ。さらにF級なるものもあるようだが、なかなかついていけない。(私には)
また、スイッチング電源でいうところのZVS(zero voltage switching)という方式になる。これも、以前チャレンジしている。

ここで、JA5FP間氏が言っているのが、ちゃんと調整をしないと特性が得られないことを指摘している。
この7MHz用に作ったアンプの入力周波数をSGで振ってみた。

f=7.0MHz
Dscf0281

f=7.5MHz
Dscf0283

f=7.9MHz
Dscf0284

f=8.5MHz
Dscf0285

これらの画像を見ると、周波数を変化させても、ドレイン電圧の半弧は変化しない。この特性は外付けのLCによって固定されているので変化しない。
しかし、入力周波数を振っているので繰り返し周期は伸び縮みする。このスイッチングのタイミングを調整してやることで、取り出せる電力値とその時の効率が決まるようだ。
上の写真では7.9MHz付近が最適のスイッチング波形をしている。つまり、ロスが少なくて、そこそこ出力を取り出すことができる点だ。
8.5MHzの時は、フライホイール電圧が残っている点からゲートのONが始まるが、この時点ではドレイン電流が流れていないのではないかと想像される。従って、スイッチロスも少なく効率も良いが、全区間で流れている電流の総和が小さくなってしまい、取り出せる電力も小さくなってしまうと考えられる。

オシロの読み値になるが特性を測ってみた。
Classe_amp_pout
(出力電力はオシロの読み値PeakToPeakを2.82で割ってrms値に変換した。波形が正確な正弦波ではないので、誤差を含む値となっている。波形は正弦波からそんなにかけ離れているわけでもないので、目安にはなると思う。正確な実効電力計を持っていないので・・・)
効率だけを見ると周波数が高いほど効率が良いが、取り出せる電力も下がっていく。どの当たりが良い点なのか悩ましいが、波形からすると、7.9MHzがいい。この時の効率は83.3%、出力は356mWとなる。
目的の7MHzのアンプに仕上げるためには、外付けのLC値をもう少し下げてやる必要がありそうだ。

今回の実験は5Vで行っているが、電圧を上げればそのまま出力が増えるはずだ。このためには、デバイスの電流や熱の制限値を見て確保してやる必要が出てくる。

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