Усилитель мощности на 2-метровый диапазон

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Усилители мощности УКВ; Опубликовано: 16.03.2017 09:59; Просмотров: 10131

Понравилась статья - поделись с друзьями

В.БЕСЕДИН, UA9LAQ, г.Тюмень.
Предлагаемая вниманию читателей конструкция усилителя мощности позволит увеличить интерес к проведению DX-радиосвязей в диапазоне 144 —146 МГц. Несмотря на массовое применение полупроводниковых усилителей мощности, ламповые усилители по-прежнему имеют много преимуществ — они более узкополосны, имеют более чистый спектр выходных сигналов и более высокий КПД, надежнее и дешевле полупроводниковых. Применение бестрансформаторных блоков питания и стабилизаторов в цепях питания позволяет существенно улучшить характеристики ламповых усилителей мощности.

Имея маломощную радиостанцию или изготовив, возбудитель передатчика, радиолюбитель сталкивается с проблемой усиления "милливатт", имеющихся на выходе этих устройств. В зависимости от анодного напряжения лампы оконечного каскада, предлагаемый ламповый усилитель мощности позволяет получить выходную мощность до 70 — 80 Вт при входной мощности 0,5 Вт. Напряжение питания на усилитель может быть подано как от трансформаторного блока питания, так и от комбинированного, включающего бестрансформаторное питание анодных и экранных цепей и трансформаторное — цепей накала и сеточного смещения. Описываемый усилитель автор использовал в составе трансвертерной приставки с трансформаторным блоком питания. Особенностью усилителя является применение двойных лучевых тетродов ГУ-17 и ГУ-29, позволяющих использовать симметричные двухтактные каскады, ослабляющие уровень четных гармоник в выходном спектре. В выходном каскаде вместо дифференциальной катушки применена симметричная линия, что позволило повысить добротность выходного контура, уменьшить его полосу пропускания и увеличить КПД каскада. Принципиальная схема усилителя приведена на рис.1.

Входная "милливаттная* мощность (от возбудителя или маломощной радиостанции) подается на вход усилителя через разъем XW1. С помощью настроечного конденсатора С1 и катушки L1, индуктивно связанной с дифференциальной катушкой L2, производится согласование низкого выходного импеданса возбудителя (50 — 75 Ом) с высоким входным усилителя, выполненного по схеме с общим катодом на лампе VL1. Катушка L2 играет роль фазовращателя: с нее равные по амплитуде, но противоположные по фазе ВЧ сигналы подаются на сетки лампы VL1. Кроме того, через катушку L2 на управляющие сетки лампы подается напряжение смещения, определяющее рабочую точку на характеристике лампы. Усиленный сигнал выделяется в анодной нагрузке лампы — резонансном контуре L3-C4-05 и через разделительные конденсаторы С6 и С7 подается на управляющие сетки лампы VL2 оконечного каскада усилителя. Через дроссели ДрЗ и Др4 на управляющие сетки этой лампы поступает фиксированное напряжение смещения. Усиленный лампой оконечного каскада сигнал выделяется в анодном контуре L4-C10 — перестраиваемой симметричной линии и через петлю связи L5 подается на разъем XW2, а с него — в антенну. Конденсатор С11 служит для настройки согласования высокого выходного импеданса анодной нагрузки лампы VL2 с низким импедансом фидера антенны (50 — 75 Ом). Рабочие точки ламп VL1 и VL2 усилителя фиксированы напряжениями смещения, подаваемыми с индивидуальных параметрических стабилизаторов, в которых используются цепочки последовательно включенных стабилитронов VD1 — VD4 и VD5 — VD8. Такое решение в сочетании с проходными конденсаторами С12 и C16, а также с разделенными экранами сеточными и анодными цепями улучшает устойчивость усилителя в целом. Конденсаторы C2, C13, С8 и С17 обеспечивают "развязку" накальных цепей, причем С2 и С8, расположенные непосредственно на лепестках ламповых панелек, уравнивают ВЧ потенциал на обеих сторонах нитей накала — мера, продлевающая жизнь ламп. Конденсаторы СЗ, С14, С9 и С18 "развязывают" по ВЧ цепи экранные сетки, а резисторы R2, R3 и R6, кроме того, ограничивают токи сеток. Конденсаторы С15 и С19 и дроссели Др2 и Др6 образуют ВЧ фильтры для "развязки" цепей питания анодов ламп VL1 и VL2 соответственно. Кроме того, резистор R4 ограничивает ток анода VL1. Поскольку усилитель мощности использовался автором в составе трансвертерной приставки, то он питался совместно с другими лампами от встроенного трансформаторного блока питания (рис.2).

Цепи питания других каскадов приставки, реле и сетевой фильтр на схеме не приведены. Блок питания содержит трансформатор, на котором размещено 6 обмоток: I—сетевая, II—повышающая 1, III — повышающая 2, IV — обмотка смещения и питания репе, V — накальная 12,6 В, VI — накальная 6,3 В. Выпрямители напряжения повышающих обмоток для питания анодной цепи оконечного каскада соединены последовательно, один из этих выпрямителей использовался для питания анодных и экранных цепей других ламп (в данном усилителе — цепей экранных сеток ламп VL1 и VL2 и анодной цепи лампы VL1).
При изготовлении усилителя можно использовать бестрансформаторный блок питания анодных и экранных цепей. Давайте рассмотрим подключение усилителя к блоку питания, схема которого приведена в [1]. Пульсации напряжения с частотой 50 Гц, имеющиеся в точке снятия "экранного" напряжения этого БП, для питания предоконечного каскада не страшны, поскольку имеющийся стабилизатор на транзисторе VT1 (рис.3) в достаточной степени их подавляет.

Напряжение с выхода стабилизатора подается для питания анодной и экранной цепей лампы VL1 (рис.1) и экранной цепи лампы VL2. Анодная цепь VL2 питается так же, как в [1], и в схеме, приведенной на рис.1, никаких изменений делать не нужно. А вот в цепи экранной сетки VL2 необходимо исключить резистор R6, заменив его дросселем. Также дросселем заменяется резистор R4 в анодной цепи VL1, а сопротивления резисторов R2 и R3 должны составлять 1 кОм и 100 Ом соответственно.
Напряжение смещения следует повысить до 50 — 70 В, обеспечив достаточный диапазон токов стабилизации для работы параметрических стабилизаторов. Лампы можно питать напряжением накала 6,3 В, соединив параллельно нити накала двух половин каждой лампы, но предпочтительнее все же питать их напряжением 12,6 В, и не переменным, а постоянным, желательно стабилизированным (рис.3). Это устранит нежелательные флуктуации напряжения накала, что позволит повысить качество сигнала в эфире и обеспечить постоянную выходную мощность при колебаниях напряжения в сети. Кроме того, специальный режим стабилизатора, описанного в [3], обеспечивающий медленное увеличение напряжения после включения, позволит увеличить срок службы ламп, т.к. подача при включении устройства полного напряжения на накалы ламп приводит к ухудшению эмиссионных свойств катодов и преждевременному обрыву нитей накала. Задержку подачи полного напряжения накала можно использовать для реле, замыкающего балластный резистор зарядки электролитических конденсаторов умножителя напряжения бестрансформаторного блока питания. Поскольку все цепи усилителя, кроме анодной оконечного каскада, питаются стабилизированными напряжениями, желательно и последнюю "уговорить" работать постабильнее. Этого можно добиться, применив в умножителе
напряжения электролитические конденсаторы большой емкости (200 — 470 мкФ). В этом случае уменьшится "просадка" напряжения под нагрузкой и уровень пульсаций питающих лампы напряжений.
При использовании бестрансформаторной схемы питания усилителя необходимо все цепи "общего провода" и связанные с ним хорошо изолировать от шасси и заземления. Соединять с шасси и заземлять необходимо лишь цепи, обозначенные на рис.1 значком "заземление".
Конструктивно "общий провод" в бестрансформаторном усилителе можно выполнить в виде пластины фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, уложенной в каждый экранированный отсек (если экраны имеются на шасси и составляют с ним единое целое) и соединяемой с такой же пластиной в другом отсеке через отверстие с изолированной вставкой. Вокруг ламповых панелек необходимо сделать вырез с запасом, чтобы лампы не нагревали стеклотекстолит. Изоляция между шасси и субшасси "общего провода" должна составлять не менее сотен мегаом. На ось дифференциального конденсатора необходимо установить ручку из изоляционного материала, изолирующую вставку, или применить ось из изоляционного материала.
Необходимо помнить, что прикосновение к элементам включенного бестрансформаторного усилителя может привести к поражению электрическим током. Будьте внимательны!
Экран выходного каскада усилителя, расположенный над шасси, имеет размеры 105x113x125 (ширина, длина и высота) и выполнен из латуни толщиной 1,2 мм. Из такого же материала изготовлено шасси трансвертерной приставки [4], на базе которой выполнен описываемый усилитель. Выходная линия L4 (рис. 1) имеет длину 170 мм (проводник длиной 340 мм свернут в петлю) и изготовлена из посеребренного провода диаметром 4 мм. Расстояние между центрами проводников линии равно расстоянию между выводами анодов лампы VL2 (21,5 мм). Конфигурация линии показана на рис.4.

Усилитель смонтирован на коробчатом шасси из латуни толщиной 1,2 мм с подвалом глубиной 50 мм. Внутренние поверхности залужены (лучше было бы посеребрить, но, увы, не было возможности). Оконечный каскад экранирован П-образным экраном, к которому крепится передняя панель. Сверху экранирующую коробку лучше всего закрыть частой латунной сеткой. В бестрансформаторном варианте питания внутри шасси крепится изолированное от него субшасси (общий провод), представляющее собой пластину из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1,5 — 2 мм. На ней производится навесной монтаж всех деталей. Под панели ламп в пластине делаются вырезы, высоковольтный проходной конденсатор устанавливается на пластине напротив вывода дросселя Др6, с которым он соединяется через отверстие в шасси с изолирующей вставкой. Остальные проходные конденсаторы монтируются на полоске (полосках) фольгированного стеклотекстолита, припаянной под углом 90° к пластине субшасси на входе в шасси или вблизи от соответствующей цепи. Полоской экрана следует разделить и анодные и сеточные цепи прямо по панели лампы VL1.
Питающие провода, рассчитанные на соответствующие напряжения и токи, лучше всего применять экранированные, — каждый провод в индивидуальном экране, соединенном с заземляемым шасси. Поскольку проходные конденсаторы цепей развязки обладают пониженной надежностью, полезно параллельно им припаять ВЧ конденсаторы емкостью по 6800 — 10000 пФ с минимально возможной длиной выводов.
Монтировать усилитель с блоком питания лучше всего в два этажа ("башенкой"). Блок питания — на нижнем этаже и отделен от усилителя глухим горизонтальным экраном. Такое вертикальное построение позволяет уменьшить занимаемое место на столе радиолюбителя, придать симметрию в сочетании с системным блоком компьютера, все чаще используемого при радиосвязях.
В составе авторской приставки усилитель расположен параллельно передней панели. Если будет изготавливаться отдельная конструкция, то целесообразно "вытянуть" ее вглубь, с входом с тыльной стороны и выходом на передней панели. Эскиз предлагаемой конструкции приведен на рис.4. На передней панели расположен разъем XW2 (рис.1), ручка управления дифференциальным конденсатором С10 и (под шлиц) ось конденсатора С11 согласования с фидером антенны. Если используется лампа VL2 типа ГУ-29, то следует подключать С10 к линии на расстоянии 50 — 60 мм от выводов анодов лампы, а при использовании лампы QQE 06/40 или ГУ-19, в силу меньшей выходной емкости этих ламп, — на расстоянии 5 — 10 мм от выводов их анодов.
Петля связи L5 имеет длину 135 мм (от конденсатора С11 до разъема XW2) и выполнена из посеребренного провода диаметром 1,5 мм. Насколько позволяет длина, петля связи располагается над проводниками линии L4. Во избежание случайного замыкания высоковольтного источника анодного питания VL2 через антенну на корпус, на провод петли связи надета фторопластовая (тефлоновая) трубка, тем более, что расстояние между L4 и L5 составляет всего 1 —1,5 мм. Дифференциальный конденсатор С10 подключен к линии с помощью отрезков экранирующей оплетки на расстоянии 50 — 60 мм от анодных выводов лампы VL2. Для контакта с анодными выводами используются отверстия диаметром 1,5 мм, просверленные в проводах линии по месту. Небольшая несоосность этих отверстий позволяет осуществить прижим линии к анодным выводам лампы и избежать применения специальных зажимов.
Конденсаторы С10, С11 и ВЧ разъем XW2 закреплены на передней панели усилителя. На ось С10, проходящую через отверстие с зазором в передней панели, одета ручка из изоляционного материала, а для С11 имеется отверстие "под шлиц" для регулировки.
Ламповые панели в усилителе следует использовать только керамические.
Переключение "прием-передача" в антенной цепи производится с помощью выносного коаксиального реле (например, РЭВ-17).
Все дроссели (кроме Др6), используемые в анодных и сеточных цепях, имеют одинаковую конструкцию. Они намотаны на корпусах резисторов ВС-0,5 со счищенным проводящим слоем и имеют обмотку, содержащую 35 — 40 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 — 0,31 мм, намотка с разрежением к "горячему" концу. Дроссель Др6 содержит 20 витков провода ПЭВ-2 и намотан на каркасе резистора ВС-2, у которого удален проводящий слой. Намотка — с переменным шагом, разрядка — в сторону вывода, который подключается к линии.
Дроссели накальных цепей — бескаркасные и намотаны на оправке диаметром 5 мм, содержат по 20 витков обмоточного провода диаметром 0,6 мм. Дроссели должны иметь индуктивность, обеспечивающую работу в диапазоне рабочих частот с максимумом напряжения на их "горячем" конце и минимумом на "холодном". Такому условию удовлетворяют четвертьволновые линии, что собой, собственно, и представляют дроссели. На практике, для изготовления дросселя диапазона 2 м берут 50 см провода и наматывают его на соответствующую оправку. Диаметр провода определяется рабочим током, проходящим через обмотку дросселя. Сворачивание провода в катушку удлиняет линию электрически, расширяет полосу частот, в которой линию условно можно причислить к четвертьволновой за счет появления междувитковой емкости.
Моточные данные катушек усилителя мощности приведены в таблице.

Катушки L2 и L4 намотаны посеребренным проводом в одном направлении, расстояние между их половинками составляет 15 мм. Катушка L1 вставлена между половинками L2 и соосна ей. Для исключения замыканий на провода катушек L1 и L5 надеты фторопластовые трубки ("кембрик"). ,
В "бестрансформаторном" блоке питания (рис.3) ни один провод не имеет контакта с шасси и заземлением. Трансформатор Т2 должен иметь улучшенную изоляцию между обмотками. Стабилизатор накала ламп может иметь входное напряжение 11 — 24 В, но для получения UН = 12,6 В входное выпрямленное напряжение желательно поддерживать в пределах 13 — 15В. Падение напряжения на регулирующем транзисторе VT2 под нагрузкой может быть небольшим (до 0,5 — 1 В), что уменьшает рассеиваемую этим транзистором мощность и размеры радиатора, а также обеспечивает экономию электроэнергии. Небольшой радиатор, изолированный от шасси, в данной конструкции блока питания все-таки нужен. Выходное напряжение этого стабилизатора может регулироваться от 6 В при сопротивлении резистора R8=5,6 кОм. При замене этого резистора перемычкой выходное напряжение стабилизатора можно регулировать, начиная с 2,5 В. Предельный ток нагрузки стабилизатора зависит от размеров теплоотвода транзистора VT2 и может составлять 25 — 30 А. Выходное сопротивление стабилизатора накала по постоянному току равно 0,01 Ом. Имеющаяся задержка появления напряжения на выходе стабилизатора после включения, —0,5 секунд. Дальнейшее плавное (за 1 секунду) увеличение выходного напряжения с нуля до 12,6 В должно быть согласовано с задержкой срабатывания реле К1, через контакты которого подается полное напряжение питания анодных и экранных цепей.
Трансформатор Т1 в бестрансформаторном блоке питания намотан на ферритовом стержне диаметром 8 — 10 мм и длиной 160 — 200 мм из феррита 400НН — 600НН (от антенн радиовещательных приемников) до заполнения. Сетевой фильтр лучше всего полностью заключить в экран из белой жести или из мягкой стали. Экран соединяется с заземляемым шасси блока питания усилителя.
Трансформатор Т2 должен быть рассчитан на ток накальных цепей 3 — 4 А и ток цепи смещения около 0,1 — 0,15 А. Транзистор VT1 установлен на изолированном от шасси и от общего провода радиаторе, который для надежности должен обеспечивать рассеивание мощности до 20 Вт (аналогичные рекомендации справедливы и для радиатора, на котором установлен транзистор VT2). Транзисторы крепятся на радиаторы непосредственно (без прокладок), а радиаторы тщательно изолируются от шасси и от общего провода. Прикасаться к ним в то время, когда блок питания включен в сеть, — опасно, будьте внимательны!
Все постоянные резисторы — типа МЛТ, электролитические конденсаторы — К50-7, К50-12, К50-17, К50-20, К50-27, К50-31 или импортные, с малой утечкой, и рассчитанные на работу при температуре до +105°С. Вместо проходных конденсаторов в усилителе можно применить опорные (например, КДО) или выводные (КД, КГ, КТК), выводы которых следует максимально укоротить.
Поскольку проходные конденсаторы очень хрупки, то даже при незначительной их деформации образуются микротрещины.
Конденсаторы С1, С10 и С11 — с воздушным диэлектриком (например, КПВ), С4 и С5 — керамические (например, КПК-1).
Применение резонансных контуров в цепях управляющих сеток снижает устойчивость работы усилителя.
При трансформаторном питании анодных и экранных цепей субшасси упраздняется, все соединения с общим проводом осуществляются непосредственно на шасси. Проходные конденсаторы устанавливаются на экран, проходящий вдоль шасси, отделяющий провода питания от ВЧ монтажа. Такой же экран из полоски фольгированного стеклотекстолита можно припаять вдоль субшасси и установить на нем проход-
ные конденсаторы напротив соответствующих деталей.
Стабилизатор накала на транзисторе VT2 — малошумящий и разработан для "аудиофильской" звукоусилительной аппаратуры. Это не помешало знакомому автора применить такой стабилизатор в ламповом трансивере UW3DI для питания цепей накала. По отзывам, трансивер стал работать значительно лучше — исчезли фон и лишние шумы.
Напряжение накала на усилитель подается витой парой изолированных проводов с достаточным сечением жилы (0,5 мм2 и более), еще лучше, если каждый провод (и других подводящих цепей тоже) находится в экране, который соединяется с заземленным шасси.
Проверив правильность монтажа, отсутствие замыканий и контакта субшасси усилителя с заземляемым шасси, приступают к настройке изготовленного усилителя. После включения бестрансформаторного блока питания в сеть сначала подается напряжение смещения и подзаряжаются конденсаторы С4 и С5 (рис.3), затем напряжение накала ламп достигает нормы и уж потом срабатывает реле К1, замыкая своими контактами резистор R1. Сопротивление резистора R5* подбирается по надежному срабатыванию реле К1, а емкость конденсатора СЗ* — по необходимому времени задержки блокировки резистора R1 (обычно 5 — 10 секунд).
В разрыв провода в анодной цепи лампы VL1 (рис.1) временно включаем миллиамперметр со шкалой на 100 — 200 мА. К выходу усилителя (разъему XW2) подключаем эквивалент антенны сопротивлением 50 или 75 Ом (зависит от волнового сопротивления применяемого фидера), включаем усилитель в сеть и на его вход подаем сигнал с возбудителя (например, с частотой 144050 кГц, если усилитель будет использоваться только для проведения CW-радиосвязей). Вращая ротор подстроечного конденсатора С1, добиваемся максимального анодного тока лампы VL1. Следует отметить, что подачу мощности возбуждения следует производить "порциями", давая лампе "отдохнуть". Кроме того, при использовании бестрансформаторного блока питания не забывайте о том, что прикасаться к деталям включенного в сеть усилителя можно только диэлектрическим инструментом!
Расположив резонансный волномер у катушки L3 и вращая роторы конденсаторов С4 и С5, настраиваем анодный контур лампы VL1 в резонанс по максимуму показаний измерительной головки волномера. В качестве С4 и С5 можно применить дифференциальный КПЕ, но для уравнивания ВЧ напряжений на сетках лампы VL2 придется раздвигать-сдвигать витки половинок катушки L3. Подстраивая попеременно конденсаторами С4 и С5 контур в анодной цепи лампы VL1 в резонанс, полезно контролировать напряжения на сетках VL2, которые должны быть одинаковыми. В принципе, удовлетворительной настройки "раскачки" выходного каскада можно добиться, лишь контролируя анодный ток лампы VL2.
На последнем этапе настройки, попеременно вращая роторы конденсаторов С10 и С11, добиваемся максимальной выходной мощности на эквиваленте нагрузки. Полезно также "пройтись" по всем настроечным точкам еще раз. Во избежание настройки на частоты, лежащие вне 2-метрового диапазона, необходимо контролировать выходной сигнал усилителя резонансным волномером. Присутствие ВЧ мощности на других частотах и резкие скачки показаний измерительных приборов при настройке указывают на наличие самовозбуждения. В этом случае нужно в первую очередь проверить исправность развязывающих конденсаторов (у проходных конденсаторов часто бывают микротрещины) и качество экранировки оконечного каскада.
Радиолюбителям, желающим поэкспериментировать с режимамиработы ламп, параллельно цепочке стабилитронов (или одному, подобранному на соответствующее напряжение стабилизации) следует установить подстроенный резистор с мощностью рассеяния 1 — 2 Вт (непроволочный) и с его движка подавать напряжение смещения. Аналогичную операцию можно провести подбором стабилитронов.
Литература
1. И.Августовский. Бестрансформаторный РА на ГУ-29. — Радиолюбитель. KB и УКВ, 1997, № 3.
2. И.Гончаренко. Легкий и мощный
РА. — Радиолюбитель. KB и УКВ, 1999, №№1-2.
3. Прецизионный стабилизатор накала. — http://klausmobile.narod. ru/appnotes/arM 1_fetreg_r.htm
4. В.Беседин. Ламповая трансивер-ная приставка 144/14 МГц. — Радио-мир. KB и УКВ, 2010, №№ 3-4.