Klasse F Verstekers

Inleiding: Wat zijn Klasse F versterkers?

In dit hoofdstuk bestuderen we de klasse F versterker als een uitbreiding van de klasse C versterker. Beide versterkers zijn resonante versterkers die bestaan uit een LRC trilkring (of meerdere LC kringen) die aangestuurd wordt door een enkele transistor. Als een gevolg hiervan werkt deze versterker op een vaste frequentie of binnen een zeer beperkte bandbreedte rond deze centrale frequentie. Deze bandbreedte is typisch maximaal 1\(\%\) van de resonantie frequentie. In Tabel 2 geven we een overzicht van deze verschillende versterkers.

Tabel 2 Indeling van de vermogenversterkers

	laagfrequent of breedband	hoogfrequent of resonant
1 transistor in de vermogentrap	Klasse A	Klasse C Klasse F Klasse E
2 of meer transistors in de vermogentrap	Klasse B Klasse G	Klasse D

Het basisschema van de klasse F versterker tonen we in Fig. 39. Dit schema komt sterk overeen met het schema van de klasse C versterker (zie Fig. 9). Het enige verschil is dat er een filter voor de derde harmonisch is toegevoegd. Dit filter bestaat uit het spoel \(L_3\) en de capaciteit \(C_3\). Op het schema vinden we deze derde harmonische filter terug tussen knoop 2 en knoop 5.

Fig. 39 Basisschema van de klasse F versterker.

Klasse F Circuit Analyse

Wanneer de gelijkaardige stroompulsen aangelegd worden op 2 parallelle LRC kringen in serie, zal dezelfde stroom door de kringen lopen, maar zullen de spanningen over beide kringen opgeteld worden.

Het grote voordeel van het bovenstaande schema is dat het toelaat meer energie toe te voegen aan de trilling bij eenzelfde geleidingshoek (\(\alpha\)) en bij eenzelfde maximale stroom (\(I_{max}\))door de transistor. Hierdoor wordt het circuit efficienter en verlaagt dus verbruikerskost.

Het nadeel is natuurlijk dat de 2 extra componenten een extra investeringskost en extra plaats vragen op de print.

De spicefile Spice Listing 8 beschrijft het circuit van Fig. 39. De spanningen van de transiente simulatie worden getoond in Fig. 40. Het is in eerste instantie belangrijk om het verschil tussen knoop 2 en knoop 5 te bestuderen.

Spice Listing 8 basis Klasse F circuit spice file

* klasse F basiscircuit
Q_Q1         2 1 0 Q2
L_L1         5 3   1uH  
C_C1         5 3   10n  
R_R1         5 3   60  
V_V3         3 0   11V
V_V5         1 0   sin(0.7 0.8 1591500) DC=0.7
C_C3         5 2   10n  
L_L3         5 2   0.111uH
.model Q2  NPN(Is=14.34f BF=200 RB=200 )

Fig. 40 Spanningen op de verschillende knopen van de klasse F versterker.

SPICE Simulatie - Interpretatie

Simulatieparameters

• Tijd: 10 μs (meerdere perioden)

• Frequentie: ~1591 kHz fundamenteel

• Temperatuur: 25°C

Wat te verwachten

• Knoop 2: Collector spanning met harmonischen

• Knoop 5: Gefilterde 3e harmonische

• Stroom: Pulsvormig door transistor

• Efficiëntie: Verhoogd t.o.v. Klasse C

Wanneer we op basis van de spanningen bekomen in de bovenstaande figuur de spanningen over de trilkring van de eerste harmonische en de spanningen over de trilkring van de derde harmonische plotten, zien we dat op moment dat de eerste harmonische een minimum bereikt, de derde harmonische piekt. Dit heeft een belangrijk voordeel, namelijk de spanning over het totale circuit wordt kleiner of er kan met dezelfde spanning een veel grotere swing bekomen worden.

Fig. 41 toont de spanningen over beide trilkringen afzonderlijk. Hierdoor is de tegenfase van de derde harmonische veel duidelijker.

Fig. 41 Verloop van de spanning over de eerste (LC1) en over de derde (LC3) harmonische.

Fig. 42 toont het verloop van de collectorstroom van de stuurtransistor. We merken in dit stroomverloop veel meer features terug. Het belangrijke hierin is dat de stroom veel meer een blokgolfpatroon vormt, wat een veel efficietere werking oplevert.

Fig. 42 Verloop van de collector current.

Fig. 43 toont in detail het stroom en spanningsverloop van de tweede en de 16de oscillatie na het opstarten. We zien dat de stroom in belangrijke mate terugvalt telkens de transistor in saturatie komt, maar ook dat er gedurende lange tijd behoorlijk wat stroom kan geleverd worden bij erg lage spanning over de transistor. Dat levert voor de klasse F veel hogere efficienties op.

We zien ook dat V(5) meer dan 2V negatief wordt. De AC zwaai aan de uitgang is hierdoor ook meer dan 2V groter dan de voedingsspanning (11V in dit geval).

Fig. 43 Detail van de spanningen en stromen (spice simulatie) van de klasse F versterker: (links) opstart van de oscillatie (rechts) stuurperiode waarbij de bipolaire transistor gedurende een deel van de stuurperiode in verzadiging komt (in het rood aangegeven).

Analyse van de Simulatieresultaten

Belangrijke waarnemingen

Spanningsverschillen

• Knoop 2 vs Knoop 5: Toont effect van 3e harmonische filter

• Kleurgecodeerde zones:

  • 🟢 Groen: Transistor stroom niet gereduceerd door saturatie

    • Transistor in het voorwaards actief gebied

  • 🔴 Rood: Transistor stroom gereduceerd door saturatie

    • lage collector spanning

Harmonische werking

De 3e harmonische filter zorgt voor:

• Golfvorming: Verbeterde collector spanning

• Efficiëntie: Verminderd energieverlies

• Vermogen: Optimale energieoverdracht

Efficiëntie van Klasse F Versterkers

Theoretische efficiëntie

• Klasse A: Max 50%

• Klasse B: Max 78.5%

• Klasse C: 85-90%

• Klasse F: Tot 100% (theoretisch)

Praktische voordelen

• Energiebesparing: Lagere operationele kosten

• Koeling: Minder warmteontwikkeling

• Batterijduur: Langer bij draagbare apparaten

• Vermogen: Meer output bij zelfde transistor

Compromissen

• ⚡ Voordeel: Hogere efficiëntie

• 💰 Nadeel: Meer componenten (kosten)

• 📐 Nadeel: Complexer ontwerp

• 📏 Nadeel: Meer PCB ruimte

Alternatieve schema’s van de klasse F versterker

Zoals bij de klasse C, kunnen we ook bij de klasse F een alternatief schema uitwerken waarbij de oscillatie rond de grond plaatsvindt. Fig. 44 toont dit schema, de spicefile kunnen we bekijken in Spice Listing 9 en de resultaten van deze simulatie kunnen we terugvinden in Fig. 45.

Fig. 44 Basisschema van de klasse F versterker waarbij de uitgang oscilleert rond de grond.

Spice Listing 9 Klasse F circuit waarbij de uitgang oscilleert rond de grond

* klasse F basiscircuit
Q_Q1         2 1 0 Q2
L_L1         5 3   1uH  
C_C1         5 3   10n  
R_R1         5 3   60  
V_V3         3 0   11V
V_V5         1 0   sin(0.7 0.8 1591500) DC=0.7
C_C3         5 2   10n  
L_L3         5 2   0.111uH
.model Q2  NPN(Is=14.34f BF=200 RB=200 )

Fig. 45 Spice simulatie van de Klasse F waarbij de uitgang oscilleert rond de grond.

Waarom een alternatief schema?

Het alternatieve schema biedt:

• Aarding: Oscillatie rond 0V ipv VCC

• Eenvoud: Gemakkelijkere metingen

• Praktisch: Beter voor sommige toepassingen

Vergelijking schemas

Aspect	Origineel Schema	Alternatief Schema
Oscillatie	Rond VCC	Rond 0V (aarde)
Metingen	Moeilijker	Eenvoudiger
DC koppeling	Via L2	Andere configuratie
Prestaties	Identiek	Identiek

Fig. 46 toont het resultaat van de spanningen over de individuele trilkringen. Het toevoegen van de spoel \(L_2\) en de capaciteit \(C_2\) geeft aanleiding tot een bijkomen risico op extra oscillaties. In het geval van deze simulaties zijn deze 2 componenten zo extreem groot genomen dat er hier geen zwevingen zichtbaar zijn.

Fig. 46 Spice simulatie van de Klasse F waarbij de uitgang oscilleert rond de grond. Verloop van de spanning over de eerste (LC1) en over de derde (LC3) harmonische.

Praktische Toepassingen

Waar worden Klasse F versterkers gebruikt?

📡 RF Zenders

• FM radio stations

• TV zenders

• Mobiele basisstations

• Satellietcommunicatie

🔬 Industriële toepassingen

• RF verwarming

• Plasma generatoren

• Medische diathermie

• Inductieve verwarming

Ontwerpoverwegingen

• Frequentieselectie: Fundamenteel + harmonischen

• Q-factor: Bandbreedte vs efficiëntie

• Componenttoleranties: Precisie vereist

• Thermisch management: Koeling

Samenvatting en Conclusies

Klasse F kenmerken

• Hoogfrequent: Resonante versterkers voor vaste frequenties

• Efficiënt: Tot 95% praktische efficiëntie mogelijk

• Harmonisch: 3e harmonische filter is essentieel

• Selectief: Smalle bandbreedte (~1% van f_o)

Voordelen vs Nadelen

✅ Voordelen	❌ Nadelen
Zeer hoge efficiëntie	Meer componenten
Minder warmte	Complexer ontwerp
Meer vermogen	Hogere kosten
Energiebesparing	Meer PCB ruimte