TRANSİSTÖRLER İÇİN ORTA FREKANS TRANSFORMATÖRLERİNİ NASIL TASARLAMALI

UDK : 821.376.4

Transistörler için Orta Frekans Transformatörlerini Nasıl lasarlamalı

Yazan : Koger E. U'EBSTEK

Çeviren : Sungur PAMÎB Elek. Y. Müh. M.SB.

ÖZET :

'•

O. /. transistor ve transformatörleri için akordlu kupla] devrelerinin tasarlanıp gerçekleştirilmesi kolektör ve baz empedanslarının uygulanması ile beraber arsulman band genişliğinin' sağlanması ve devredeki kaybını asgari olması gibi hususların yerine getirilmesini gerektirir. Bu makalede, teferruatlı bir tasarlama prosedürü anlatılmakta, tek ve çlft-'akordlu devreler için grafikler verilmektedir.

Elektron lambalı yükselteçlerde kullanılan orta frekans transfoımatörleri esas olarak, elektron lambasının empedanslanna bağU değildir, ve 455 kc/s İlk orta frekansta arzulanan band geçirme özellikleri lâmbanın yüklemesine bağlı- olmadan tayin edilebilir. Alıcılarda kullanılan pentodların anod direnci çoğunlukla 1/2 Megaohm yahut daha fazla olduğundan anodun yüklemesi ihmal edilebilecek kadar azdır, jzgaranın yüklemesi ise belirsizdir.

Transistörlerde ise durum böyle değildir. Meselâ, AF 117 gibi bir yüksek frekans transistorunun kolektör empedansı 455 kc/s de 100,000 ohm (veyahut daha fazla olabilir), fakat giriş empedansı ortak emetör konumunda 300-500 ohm civarındadır. Azami güç transferi sağlamak için empedans uygunluğu mühimdir -ve transistorun yüklemesi göz önüne alınmadan transformatörün band geçirme özelliklerini tayin etmek imkânsızdır.

Tek - akordlu transformatörler transistorlu O. f. yükselteçlerinde çok yaygın olarak kullanılmışlardır, çünkü 3 db b|ind genişliği İçin bu transformatörlerin devredeki kaybı çift - akord-' lununklne nazaran daha azdır. Buna karşılık, komşu kanalın zayıflatılması mühim olunca çift-akordlu transformatörlerin devredeki kaybı ekseriya tek-akordlu transformatörlere nazaran daha az olur. Mevcut yüksek frekans. transistörleri muayyen bir kazanç sağlıyabildiğinden transformatör kayıplarını mümkün en> alçak seviyede tutmak gerekmektedir.

Şekil — 1A da tek ve çift-akordlu transformatörler için pratik tertipler görülmektedir.

Tek ve çift-akordlu o.f. tranformatörlerini tasarlamak İçin denklemler kolayca elde edilebilir. Bildiğimiz okordlu kuplaj şebekelerini transfor matör olarak düşünelim, kaynak Ve yük empedanslannı bire eşit sarım oranına göre primere transfer edelim, bobinin • yüksüz rezonans empedansını da paralel bağlı eşdeğer, bir kayıp direnci ile gösterelim.

Tek-akordlu Transformatörün Tasarlanması

Tek-akordlu transformatörün eşdeğer modeli için şekil — 1 B ye bakın. Burada :

j

gekil : 1 — A) Tek ve çift - akordlu transformatörler, B) Tek - akordlu transformatörün eşdeğer devresi, C) Çift - akordlu transformatörün devresi ve D) eşdeğer devresi.

.80

ı Elektrik Mühendisliği 14a

Rk = Kaynak empedansı, R'k --= Bire eşit sarım oranma göre transfer edilmiş kaynak empedansı, R = Yüksüz bobinin rezonans dışındaki empedansı, R = Yük empedansı, R' = Bire eşit sarım oranına göre transfer edilmiş yük empedansıdır. Eğer, hem R'k hem de R' değiştirilebilirse, R'k = R' olduğunda yüke azami güç transferi olabilecektir. Temel teoriden hatırlanacağı gibi dlr, burada :

= Yüksüz bobinin Q'su,

XL = Bobinin reaktansıdır. Yüklü bobin Q'su ise Q = (R'k//Rb//R'y)

dir ve arzulanan band genişliğine göre tayin edilir :

1/Rb+ X/R'k

burada XL ^ = 1/Qy2 dir ve azamı transferi için R' = R' olmalıdır.

K

XL' /R'k için çözersek : X L / R ' k = 1/2 (1/Qy — 1/Q¥I)

(D

Şekil : 2 de, çeşitli Qy ve Q^ değerleri için 1. denklemin grafiği görülmektedir. Tek bir transformatörün band genişliği düşünülürse

o; ooı

ı.o tek-aJtordluC- ^ y- çift-akordlu)

Şekil ' 2 — Bobin reaktansı / kaynak empe&ansı oranının yüklü Q'ya karşı grafiği.

Q =fo/2|Afdir, burada: Qy = Yüklü bobinin Q'su, f0 = Orta frekans, Af = 3db lik zayıflamamın olduğu f0 dan sapma miktarıdır.

Hepsi aynı frekansa akordlu birden fazla transformatör kullanılınca, herbir transformatör f0 ^i Af frekanslarında 3/T db zayıflatır, burada :

T = Transformatör sayısı,

Ai = Tüm yükseltecln band genişliğidir.

Akordlu devrelerin tasarlanmasında çok kullanılan Ao/A = VI +Q 2(f/f0 —fo/f)2 formülünde :

f. frekansındakl voltaj

An/A = f frekansındakl voltaj dır Af = f — f0 olsun, terimleri tekrar düzenleyince :

X -f- f /f ^ (2)

2 + f/*oJ

Şekil : 3'te, 1, 2, 3 ve 4 tane aynı özellikte transformatöre sahip devrelere tekabül eden Ao/A değerleri için 2. denklemin grafiği görülmektedir. Genellikle, devre tasarılarında band genişliği 6 db kesim frekanslarına göre tarif edildiğinden, şekil : 3'te 3 db lik yerine 6 db İlk band genişliğinin yüklü Q ya kargı grafiği çizilmiştir.

Eğer transistorun empedansj, orta frekans, band genişliği ve bobinin yüksüz Q su biliniyor-sa bobin reaktansı şekil : 2'den yahut 1. denklemden elde edilebilir. Genellikle prlmer orta uçsuz olacaktır. Eğer, şekil : 2'den bulunan XL değeri istenen miktardan az olursa, XL den büyük herhangi bir değer kullanılabilir yeter ki, prlmer sargısından aşağıdaki formüle göre orta uç alınarak reaktans, sürücü transistorun empedansına uygulanmış olsun,

n = Rk/R'k

-

Rk = Transistorun çıkış empedansj, R'k = 1. denklemden yahut şekil: 2'den elde edilen değer,

orta uca kadar sarım sayısı dır. (3)

primerin toplam sarım sayısı

Sekonder sargının sanm sayısı da şu denklemden elde edilebilir :

n' = R/R'k

(4)

• sekonderin sarım sayısı n' = primerin sarım sayısı

Elektrik Mühendisliği 142

looo « ^oo jj4oo <•

Sloo

S «o

5*20 lo

.ayı % «a

tıo'l

1. , I 1 p

taatc r •« 11

r/ v

f) i

1 •/)

Vs

A /.,

, ı > l o 6 > <•O ı

>•

4> 10

Şekil : 3 — Tek • akörcLlu transformatörün yüklü Q'suna karşı 6-db bana genişliği yanının grafiği.

R'k = Kaynak empedansı,

R = Müteakip transistorun giriş empedansıdır.

Primer İle sekonder arasındaki kuplaj katsayısı bire eglt kabul, edildiğinden bu hesaplar yaklaşık değerler verir, ,B.Ulnen tarzdaki sıkı kuplajlı sargıların yaratacağı, aykırılıklar, transistorun empedans değişmelerinin yaratacağı aykırılıklardan oldukça az olacaktır.

,,

Çift-akordlu Transformatörün Tasarlanması

Sadece kritik kuplajlı bobinler [göz önüne alınacaktır, ilâve vtransformatörj kayıpları • meydana (geleceği İçip kritik kuplajdan daha gevşek kuplaj tavsiye edilmez. Sıkı kuplajlı transformatör için İşe basit tasarlama prosedürü yetersizdir. .Devre, bire eşit sarım.oranına göre transfer edilmiş dirençleri ile şekil : ,lÇde gösterilmiştir,.

Bobinlerde, dış yükler aynıdır, böylece

Lj = Lj! Cj = CLj; rezonans dışı yüksüz kuplajsız bobin empedansı Rbl = Rb2 = , R,, = Q XL ve R'k = R'v olur.

Kuplajlı devrenin şekil :, ID'deki eşdeğer modelinde, kuplajlı R'v ve ^2 empedanslan transformatörün primefine transfer "edilmiş olarak

gösterilmiştir.

''

I

Bobinler kritik kuplajlı olunca küple edilen empedans, yüklü prkner empedansına eşittir. Primerin yahut sekonderin yüklü kuplajlı Q su, yüklü 'kuplajsjz Q' 'değ'e'rinln yarısına' eşittir. Kuplajlı R'v ve kuplajlı R^2 nin paralel empedansı, R'k ye ,Rbl in paralel empedansına eşittir. .• -

Rjjj •= Rbl ve R'v = R'k olduğundan, kuplajlı R' = R'k ve kuplajlı Rb2 = Rbl olur. Bu, tek akordlu transformatörde olduğu gibi, devredeki kaybın asgari değerini temsil eder.

Qyda = Rb/XL =,;yüRsüzmkuplai|sîz bobinin

binlnQsu,

J IxL. J

olsun. X L

değerini- yerine koyup

XL/R'k İçin çözersek1:'

elde

Bu değer, tek - akordlu transformatördeki

X L / R ' k değerlöin iki kaildir ve^şekîl; 2;de gösterilmiştir.

Jl

Q fe'ı tayin etmek için kuplajlı devrelerin malum formüllerinden bir tanesi tekrar düzenlenebilir :

• '> •• 'w •

Ao/A - t / d - Q 2 burada : V 1 +

Q2

Y = (f/f0— to/î) V

2QY - ) 1 (5)

Kriük'kuplajda k^

ve Af = f —

yerine koyarak 5. denklem Qyfcz için çözülebilir :

(6),

Şekil 4'te, 1, 2, 3 ve- Avtane ayni özellikte transformatöre sahip devrelere tekabül eden Ao/A değerleri için 6. denklemin grafiği görülmektedir.

r 'A ' 'IÜ ıo'_

Şekil • 4 — Çift - akordlu transformatörün . yüklük Q:suna karşı 6 db bani genişliği "orantntn grafiğH.; Elektrik Mühendisliği-, 143

ister tek, ister çift - akordlu tranrformatör tasarısı için olsun, aşağıdaki malûmata İhtiyaç vardır:

— Tüm yükseltecln band genişliği,

— Orta frekans f0, — Orta frekans transformatör sayısı,

— Q yahut Q ; yzkz yani yüksüz kuplajsız bobinin Q değeri (başlangıçtaki hesaplar İçin 100

civarında bir değer kabul edilebilir ve

yahut Qv 'jla nin kesin değeri tesbit edilince bobinin

XL değeri değiştirilerek uygulanabilir).

— Transistorun giriş ve çıkış empedanslan,

— Q yahut Q ^ değerlen (bunlar direkt olarak şekil : 3'ten yahut 4'ten elde edilebilir. Eğer, oıta frekans 455 kc/s İse pe ;Qy yahut Qykz değerleri şekil : 6'dan bulunursa komşu kanalın zayıflatılması hesaplanabilir).

lebi—lir.XL /R'k oranı, şekil : 2'den direkt elde edi-

Orta uçsuz primer için Rk = R'k = XL dlr, bunlar direkt elde edilir. XL ve R'k bilindiğine göre, n 3. denklemden hesaplanabilip

Primerin sarım sayısı, ve 4. denklem yardımı ile tek - akordlu transformatörün sekonderi, yahut çift - akordlu transformatörün üçüncü sargısı hesaplanabilir. Çift - akordlu transformatörlerde kritik kuplaj kolayca gerçekleştirilebilir, çürkü primerin yüklü kuplajlı Q değeri, yüklü kuplajsız Q değerinin 1/2'sidir. Bu durumu elde edince primer ile sekonder arasındaki mesafeyi ayarlamak gerekir.

Transformatör Kayıpları :

Eğer transformatörün devredeki kaybının fazla olmaması İsteniyorsa, yüksüz bobin Q su mümkün olduğu kadar büyük olmalıdır. Transformatör vasıtasiyle küple edilen gücün yüzdesi yerine verim ile ilgileneceğiz. Verim

Yüke beslenen güç

Kaynaktan alınan azami güç

= P / P k olarak tarif edilir, burada : yP = ç ( e >2/Ry, (eç = Sıkl9 voltajıdır). k k v p = ( e ) 2 / 4 R (ek = kaynak voltajıdır). Şekil : lB'den şu elde edilir :

e = e,

Bunu ^ denkleminde yerine koyarak :

=f 1 V

V

1 1 + (Rk/2R.) J

Elektrik Mühendialigi 142

ve tekrar sadeleştirerek, tek - akordlu için :

, = (i-Q/V2 ve çift - akordlu İçin :

elde edilir.

Şekil : 5'te, tek ve çift - akordlu transformatörlerin devre kayıplarının grafiği görülmektedir. Eğer bobin kayıpları normal seviyede olacaksa yüksek değerde bir yüksüz bobin Q su, yani Q , sağlamanın faydası bu şekilden anlaşılmaktadır.

loo s\

2o lo

\ \\\>

\s

o.l

o«4 l . o 2 * 6 İv

Devredeki kayıp, âb

Şekil : S — Tek ve çift - akordlu transformatörlerin db cinsinden devredeki kaybının yüklü Q'ya karsı grafiği.

Esas olarak, hem tek - akordlu hem de çift akordlu transformatörler için verim ifadeleri aynı ise de gerçekleştirilebilecek verim Oy yahut O^ değerlerine bağlıdır.

Bunlar ise band genişliğine bağlıdır, ve müteakip kısımda anlatılacak özel hal hariç, aynı band genişliği Qy ve Qykz değerleri eşit değildir. Bunun için, ^ her iki durumda aynı olmıyacaktır.

Tek ve Çift - Akordlu Transformatörlerin Mukayesesi :

Tek - akordlu transformatörler çift - akordlu transformatörlere nazaran daha az kayba sebep olmaktadır. Fakat, eğer seçicilik 3 db band genişliğinden daha ehemmiyetli ise çift - akordlu transformatörün kullanılması sonucunda kayıp, tek - akordlu transformatörünkine nazaran daha az olabilir.

Devredeki kayıp ifadeleri yüklü ve yüksüz bobin Qlerini İhtiva ettiğinden ve hem tek hem de çift-- akordlu transformatörler İçin aynı olduğundan, 2. denklem ile 4. denklem eşitlenebilir, böylece Qy = Qyki olur, ve

" y i ~ "yryk yazılabilir. fo/Af> 1 olduğunda: 1 + fo/Af es 1/2 2 + ıAf/f0 dir ve

fo/Af

asi

to/At+2

olduğundan

ı

Ao/A = V5 yahut 7db

(7)

olur.

7. denklemin manası şudur : Eğer, band genişliği 7db kesim frekanslarında tesbit edilirse, tek ve çift - akordlu transformatörlerin devredeki kayıpları eğittir (yüklü devrenin kuplajlı ve kuplajsız Q değerleri eşit olduğundan bobinlerin Q su eşit f arzedilmlştir).

Eğer band genişliği,' 7 db den daha fazla kesim frekanslarında tesbit edilirse çift - akordlu transformatörün devredeki kaybı tek - akordlu transformatörünkinden daha az olacaktır (yahut da tersi).

7. denklem, bir tek transformatör İçin doğrudur. Birden fazla transformatör kullanılınca, devredeki kaybın eşit olacağı db noktalan, transformatör ister tek ister çift-akordlu olsun T x 7 ifade edilir, burada T = transformatör sayısıdır. Şuhalde, meselâ iki transformatör kullanıldığında bank genişliği 7 db kesim frekanslarında tesbit edilirse tek ve çift - akordlu transformatörlerin devredeki kayıpları eğit olacaktır. Bunun gibi, üç transformatör İçin aynı durum 21 db kesim frekanslarında ortaya' çıkacaktır.

Şekil: 6'daki grafik, 2. ve 6. denklemlerin yardımıyla çizilmiştir ve Qy yahut QyltI'a karşı komşu kenarın zayıflatılmasın! (db cinsinden) göstermektedir. Bu grafik, orta frekans 455 kc/s yahut civarında olduğu takdirde kullanılabilir. Grafikten anlaşılacağı gibi, komşu kanalı çok fazla zayıflatmak gerekiyorsa çift-akordlu transformatör kullanmak daha faydalıdır, çünkü bu durumda devredeki kayıp tek - akordlu transformatörünkinden çok daha az olmaktadır.

Bir Misâl : Aşağıdaki özelliklere sahip ortak-bazlı transistor o.f. yükselteci İçin çift - akordlu transformatör tasarlanmak isteniyor :

— Transformatör sayısı T = 4,

— 6 db band genişliği Af = 15 kc/s,

—ı Transformatörün devredeki azami kaybı

3 db,

...

€.12

Not:Asgari traris.kaybı

T T ı ı ' ı l için Qy yahut « k ufak

18 yan

24 3o Kanal

za3y*ıfla4m2 a4sı8,

Xd5b4

«o

Şekil . 6 — Tek ve çift - akordlu transformatörlerde yan kanal zayi/lamasıntn vttklü ç'ya karşt grafiği.

— Orta frekans f0 = 455 kc/s, — Transistor empedansları : Giriş = 50 ohm, çıkış = 120 kohm'dur.

Çözüm :

fo!/Af'i hesaplayın = 455/15 = 30,4, Qykz'i şekil : 4'den bulun = 34, Q /fa Qyb'i şkeil : şekil : 5'ten bulun = 3.4, Q ^'nln asgari değeri = 3,4 x 34 = 115,

Q1^ Qyzkz değerlerinden istifade ederek 1/2 (XL/R'k) yi Şekil : 2'den bulun = 0.001

Orta uç istenmediğinden R'k = Rk = 120 kohm dur.-.

Böylece, XL = 2 x 0.01 x 120,000 = 2400 ohm (455 kc/s de),'ve L = 0.85 mH olarak bulunur.

tki üç denemeden sonra Q su 115 olan 0.85 mHlik bir bobin No.' 5 - 4 4 Litz teli (ipek tel) ile ferit üzerine 170 sarım sararak elde edilmiş, bobin kalınlığının yaklaşık olarak 3/8 lnç (48 mm) - olduğu görülmüştür. Aynı ölçülerde ikinci bir bobin hazırlanmış ve her iki bobin de 455 kc/s ye akord edilip 120 kohm ile yüklenmiştir. Qyu bir Q ölçü aletinde kontrol ederek, değeri kuplajsız değerinin yarısına düşünceye kadar iki bobin arasındaki mesafe azaltılmış ve böylece kritik kuplaj elde edilmiştir. Aradaki mesafenin yaklaşık olarak 7/32 lnç (55 mm) kadar olduğu görülmüştür. 4. denklemi kullanarak müteakip transistorun kuplaj sargısının, yani üçüncü sargının sarım sayısı hesaplanabilir; n' = Ry/R'k = 50/120,000 = 0.0205 ve böylece üçüncü sargının 0.0205 x 170 = 3.5 sarım olması gerektiği bulunur. Herblrinln Qykz değeri 34 olan dört transformatörlü yükselteçte komşu kanalın zayıflatılması şekil: 6'dan bulunursa yaklaşık olarak 14 db olduğu görülecektir.

Referans:

Radiotron Deslgner's Handbook.

Elektrik Mühendisliği ,143.