Усилитель мощности на 50 и 144 МГц

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Усилители мощности УКВ

Опубликовано: 16.03.2017 10:04

Просмотров: 15357

Леонид Вербицкий (UR5LAK), Максим Вербицкий (US4LP), г.Балаклея, Харьковская область
При высокой стоимости мощных выходных транзисторов актуальным становится использование ламп в самодельных усилителях мощности. Для работы на любительских УКВ диапазонах подходят все симметричные лампы, на цоколях которых электроды расположены симметрично, а выводы анодов расположены вверху стеклянного баллона.

Классический пример симметричных ламп - ГУ-18, ГУ-19, ГУ-32, ГУ-29. Авиационная радиостанция РСИУ-ЗМ, железнодорожная ЖР-5, где в выходном каскаде стоит лампа ГУ-32, и авиационная Р-863М, где стоит лампа ГУ-29, - пример этому. УМ, содержащие такие лампы, меньше подвержены возбуждению, чем построенные на лампах, имеющих вывод анода на панельке (ГУ-50).
Общие принципы, которые необходимо соблюдать при построении любительских УМ, следующие: нужно соблюдать паспортные данные режимов, нельзя превышать напряжение на второй сетке, точно выдерживать напряжение накала. Гораздо хуже отражается на долговечности ламп заниженное напряжение накала, нежели завышенное.
Исходя из этих соображений, авторами предлагается схема усилителя мощности (рис. 1) для 2-метрового или 6-метрового диапазонов.
 
 Простота устройства и доступность элементной базы позволяют рекомендовать этот усилитель мощности для повторения.
Усилитель мощности собран по двухтактной схеме на двойном лучевом тетроде типа ГУ-29. В данной двухтактной схеме на сетки ламп подается напряжение возбуждения с противоположных концов симметричного сеточного контура со сдвигом на 180 градусов. Аноды также подключены к противоположным зажимам симметричного анодного контура. При полной симметрии схемы токи первой и нечетных гармоник в нагрузке складываются, а токи четных гармоник взаимно компенсируются. Сеточная и анодная катушки имеют посередине точки нулевого потенциала высокой частоты. К этим точкам удобно подключать напряжение питания. Их не следует соединять с корпусом, так как ввиду неполной симметрии схемы на них может быть некоторое напряжение ВЧ и включение блокировочного конденсатора создаст два самостоятельных контура, которые будут взаимно расстроены, что значительно ухудшит работу каскада.
Преимущества двухтактной схемы
 - меньший уровень четных гармоник в нагрузке, меньшая паразитная обратная связь через источник питания, а также последовательное включение входной и выходной емкостей лампы к соответствующим контурам, что уменьшает начальную емкость контура. На метровых волнах такой усилитель мощности дает наилучшие результаты.
Недостатки
 - требуются сдвоенные переменные конденсаторы.
Сеточный колебательный контур образован катушкой L2, конденсатором С18, в него также входят емкость монтажа и междуэлектродные емкости лампы.
В двухтактном усилителе мощности очень важно обеспечить электрическую симметрию плеч. Отклонение от симметрии ведет к снижению суммарной мощности и перегрузке одной из половинок лампы. Для поддержания требуемой симметрии в ряде случаев приходится принимать специальные меры. Вследствие некоторого разброса параметров обоих тетродов лампы ГУ-29 геометрическая середина катушки L3 не будет точкой нулевого потенциала по высокой частоте, поэтому для симметрии применен дроссель ДрЗ.
Это схема с последовательным питанием анодной цепи. Для ее питания используется высокое напряжение 700 Вольт.
Согласование большого входного сопротивления каскада с ОК с передатчиком, имеющим выходное сопротивление 50 или 75 Ом, выполняется с помощью последовательного контура L1C19 а согласование анодного контура с антенно-фидерной системой - через аналогичный контур L4C6. L1 и L4 выполняют в этом случае и роль катушек связи.
Контроль за величиной анодного и сеточного токов усилителя мощности производится по миллиамперметру РА1 путем его подключения параллельно Rшк и Rшс соответственно (значения этих резисторов рассчитываются в зависимости от используемого РА1). Величину выходного ВЧ напряжения контролируют миллиамперметром РА2.
В колебательных контурах двухтактного усилителя используются так называемые дифференциальные конденсаторы. Изменение емкости контурных конденсаторов при настройке должно быть одновременным и одинаковым. Включение в эту цепь двух обычных конденсаторов последовательно создает значительные конструктивные трудности. Дифференциальные конденсаторы имеют два изолированных статора, выводы которых соединяют с контурной катушкой, и общий ротор, который соединяют с корпусом. Поворот ротора позволяет симметрично изменять емкости обеих половинок конденсатора.
Схема с общим катодом (ОК) имеет высокое входное сопротивление по первой сетке. От источника входного сигнала требуется обеспечить лишь небольшой реактивный ток через входную емкость лампы, а активной составляющей тока сетки нет и более того, ее появление вредно, поэтому для работы УМ с ОК достаточно небольшой входной мощности. В реальной схеме коэффициент усиления по мощности схемы с ОК может достигать нескольких десятков децибел. На практике слишком большое усиление может привести к самовозбуждению через проходную емкость сетка-анод.
Следует отметить, что УМ по схеме с ОК чрезвычайно чувствительны к перегрузке входным сигналом, так называемой «перекачке». При этом возникает сеточный ток из-за открывания диода «первая сетка - катод», искажаются пики входного (и, соответственно, выходного) сигнала, резко падает коэффициент усиления, возрастает содержание гармоник. Кроме того, из-за интермодуляционных искажений полоса излучаемых частот SSB сигнала значительно расширяется. Кстати говоря, вопреки распространенному мнению, при «перекачке» даже при значительном увеличении входного сигнала полезная выходная мощность практически не увеличивается, растет лишь мощность внеполосных излучений. Таким образом, следует контролировать ток первой сетки, включив измерительную головку в точки «а» на рис.1.
Стабилитрон VD9 выбирают в зависимости от того, в каком режиме собираются использовать УМ. Следует заметить, что
для усиления телеграфного сигнала годится любой режим -АВ, В, С.
В режиме АВ УМ производит меньше гармоник, а в режиме С имеет более высокий КПД. Для усиления SSB сигнала подходит только режим АВ, причем желательно подбирать смещение по минимальным искажениям, для чего удобно подавать смещение с переменного резистора R5 при значительном токе через него. В режиме приема контакты К1.1 размыкаются и лампа закрывается. Надо выбирать смещение таким, чтобы оно надежно закрывало лампу в режиме приема. Плохо закрытая лампа может шуметь и создавать помехи приему. Резистор R4 выбирают таким, чтобы ток через стабилитрон был около трети рекомендуемого максимального тока стабилизации, но не более 20 мА для мощных стабилитронов серии Д817.
Следует отнестись очень серьезно к стабилизации напряжения на экранной сетке лампы. Для этого можно использовать отдельную обмотку на анодном трансформаторе или отдельный небольшой трансформатор и мощные полупроводниковые стабилитроны типа Д817. Для анода лампы можно использовать и нестабилизированное напряжение, но чем больше будет емкость электролитических конденсаторов фильтра, тем меньше будут искажения во время работы SSB и фон переменного тока во время работы CW. Не надо скупиться на железо для трансформатора - оно должно быть рассчитано на мощность не менее той, которую будет отдавать УМ, а лучше на подводимую к УМ. Стоит отметить, что бестрансформаторное питание УМ, описанное в [2], можно с успехом применять для ламповых УМ с напряжением на аноде 800 или 300 Вольт. Но при использовании такого блока питания необходимо тщательно соблюдать все рекомендации, приведенные в вышеупомянутой статье.
Конструктивно лампа может быть расположена как горизонтально, так и вертикально. Хорошая экранировка не помешает. Монтаж накальной цепи и цепей сеток выполнен экранированным проводом (отрезками коаксиального кабеля).
Режим работы лампы ГУ-29 следующий: класс усиления АВ1, Uc1 = -25 В, Uc = 225 В, Ua = 700 В, максимальный ток равен 250 мА. Ток покоя в SSB составляет 20 мА.
В УМ предусмотрен режим «обход». Чтобы не загромождать схему, эта цепь не показана. Входные и выходные контуры меняются в зависимости от диапазона 50 МГц или 144 МГц.
На обложке журнала показан монтаж усилителя.
 
Данные контуров следующие
На 144 МГц
Др1 Др2 ДрЗ - сеточные и анодный дроссели индуктивностью 10 мкГн должны быть рассчитаны на ток 0,3 А. Каждый из них намотан на четырехгранном фарфоровом каркасе 4,5x4,5 мм проводом ПЭВ диаметром 0,3 мм и содержит 24 витка, у горячего конца 8 витков с принудительным шагом, общая длина намотки 15 мм.
Катушка связи L1 содержит 3 витка провода диаметром 2,5 мм на оправке диаметром 11 мм, шаг намотки 3,5 мм. Располагается она между половинками катушки L2.
Катушка L2 бескаркасная, содержит 2+2 витка провода диаметром 2,5 мм на оправке диаметром 17 мм, шаг намотки 4 мм.
Катушка L3 выполнена из провода диаметром 3,0 мм в виде П-образной петли 80x35 мм.
П-образную петлю связи L4 размерами 40x35 мм изготавливают из провода диаметром 2,0 мм. Расположена она на расстоянии 5 мм над L3 в ориентации, показанной на рис.1.
Все катушки индуктивности выполнены посеребренным проводом ПСР.
На 50 МГц
Все дроссели и L1 остаются общими на 144 и 50 МГц. Меняются только катушка сеточного контура L2, выходная (анодная) L3 и катушки связи L4.
Катушка L2 содержит 4+4 витка провода диаметром 1,5 мм на оправке 16 мм, шаг 1,5 мм.
Катушка L3 содержит 3+3 витка провода диаметром 1,5 мм на оправке 24 мм, шаг 3,5 мм.
Катушка связи выходного контура L4 содержит 4 витка провода диаметром 1,5 мм на оправке 14 мм, шаг 2,0 мм. Она находится между половинками контурной катушки L3.
Технические данные усилителя мощности
- класс работы усилителя.......................................АВ и С;
- входное сопротивление.................................50...75 Ом;
- выходное сопротивление...............................50...75 Ом;
- напряжение анода....................................700 или 300 В;
- мощность, отдаваемая УМ в антенну.........40 или 16 Вт;
- КПД усилителя.................................................55...65%;
- мощность возбуждения........................................3-5 Вт.
Блок питания
Блок питания (БП) содержит следующие детали. Трансформатор Т1 должен обеспечивать напряжения на вторичных обмотках в соответствии со схемой на рис. 1 и иметь габаритную мощность 100 Вт. При низком напряжении сети (ниже 195 Вольт) в трансформаторе Т1 должен быть предусмотрен вывод 2. Выпрямительные мосты VD1, VD2 VD3. Конденсаторы фильтра С1, С2, СЗ, С4. Стабилизатор напряжения на VD9.
Выпрямители БП собраны по двухполупериодной мостовой схеме.
В схеме выпрямителей применяемые диоды должны быть рассчитаны на соответствующий ток. Максимальное обратное напряжение диодов должно быть в 1,4 раза больше входного действующего напряжения. Все диоды мостовых сборок должны быть зашунтированы конденсаторами 4н7-10н. Шунтирующие конденсаторы необходимы для устранения так называемого «белого» шума, который может сопровождать передачу. На схеме конденсаторы не показаны. Резисторы R1 и R2 по 360 кОм служат для разряда электролитических конденсаторов фильтра после выключения питания. Предохранитель FU1 установлен на лицевой панели для удобства его замены. Предохранители FU2 и FU3 установлены на клеммы диодной сборки VD1 (КЦ404), имеющей в своем составе два диодных моста и два держателя предохранителей.
В целях безопасности не производится измерение la в цепи +700 В, а меряется ток катода, который равен сумме токов экранной сетки и анода. Резонанс в данном случае не такой
острый, как при измерении только тока анода. Анодное напряжение можно понизить переключателем SA2 до 300 Вольт, при этом выходная мощность упадет с 40 Ватт до 16 Ватт.
Напряжение на стабилитроне VD9 обеспечивает смещение (-25 В) и запирание лампы (-56 В).
С помощью RШC производится измерение тока сетки. Во время эксплуатации усилителя при появлении тока сетки в момент настройки сразу необходимо уменьшить мощность возбуждения.
Два стрелочных прибора позволяют измерять с помощью дополнительных переключателей все параметры УМ, включая контроль напряжения сети. На схеме эти цепи показаны частично.
В УМ полезно иметь сетевые розетки ХР2, ХРЗ вместо наружных «тройников». Дополнительные розетки необходимы в полевых условиях для подключения других устройств. Они установлены на задней стенке УМ.
Через разъем XS4 идет управление прием/передача от трансивера. Разъем XS5 используется для управления прием/ передача более мощным УМ.
Настройка
Основное внимание уделите проверке правильности и качества монтажа. Изготовленный УМ обычно не требует никакого налаживания и сразу начинает работать. Необходимо лишь подстроить дифференциальные конденсаторы С18 и С8 в резонанс и подобрать связь на входе конденсатором С19 и с антенной конденсатором С6. Для подстройки конденсаторов используется диэлектрическая отвертка, а на осях конденсаторов пропиливаются шлицы. Доступ к подстроенным и дифференциальным конденсаторам осуществляется через отверстия в корпусе УМ.
Убедитесь в отсутствии паразитного возбуждения. Для этого необходимо проверить линейность увеличения тока анода в зависимости от уровня входного сигнала, она должна быть плавной, без скачков. Последнее говорит о паразитном возбуждении.
В данной схеме лампа легко раскачивается до тока !а~250 мА при Рвх=3...5 Ватт, хотя в основном режиме лампа эксплуатируется при токе анода около 100 мА. Данная схема проработала в УМ на 144 МГц, со времени запуска любительских спутников RS1, RS2 (1978 год). В УМ были опробованы лампы ГУ-18, ГУ-19, ГУ-32, ГУ-29, ГИ-30 и все показали превосходные результаты. Как только появилась возможность работать на 50 МГц, были заменены индуктивности L2, L3 и L4 диапазона 144 МГц на индуктивности для диапазона 50 МГц. При необходимости это делается очень быстро. Контуры другого диапазона хранятся в корпусе УМ.
Раскачивается УМ трансвертерной приставкой Magic band на 50 и 144 МГц [3] совместно с трансивером UR5LAK [4]. Входная мощность, подаваемая на УМ, регулируется в транси-вере. Усилитель мощности нагружен антенной «Двойной квадрат» или GP на диапазоне 50 МГц и F9FT 17 элементов на 144 МГц.
Детали и их возможная замена
Для лампы типа ГУ-29 используется стандартная панелька, а для ГУ-19 в самодельных УМ используется панелька для лампы ГУ-50 без стакана.
Разъемы: ХР1 - сетевой разъем типа 2РМТ14Б4Ш1В1; XS4, XS5 - СГ-5; XW6, XW8, XW9 - ВЧ разъемы СР-50-73ф; ХР2, ХРЗ - сетевые розетки; Х7 - клемма-зажим.
Постоянные резисторы типов МТ-2, МЛТ, С1-4, С2-23, R3 мощностью 5 Ватт, переменный резистор типа ППБ-ЗА.
Конденсаторы типов КД, КМ, КТ, К10-7В. Электролитические конденсаторы С1, С2 К50-7 50мк+250мк 450/495 В. Конденсатор С1 установлен через изолирующую шайбу из фольгированного стеклотекстолита. Фольга служит минусовым контактом электролитического конденсатора. Подстроечные конденсаторы С6, С19 типов КПВ, КПВМ. Подстроечные дифференциальные конденсаторы С8, С18 типа «Бабочка» от радиостанции РСИУ-ЗМ, с уменьшенным количеством пластин. С5, C12, C13, C15 - проходные конденсаторы типов КТП, КТПМ-1 емкостью 3300 пФ.
Выключатель сети - ПКн41-1-2 или тумблер типа ТП1-2. SA2 - переключатель керамический галетный.
Реле К1 - РЭС9 паспорт РС4.524 202, Реле К2 - ВЧ типа «Гука» или РПВ 2/7 на рабочее напряжение 27 В.
Измерительные приборы РА1 и РА2 с током полного отклонения 1 мА типа М4202.
VD4 VD5 любые маломощные выпрямительные диоды. VD6-VD8 - стабилитроны Д817 с общим напряжением стабилизации 225 Вольт, установлены на радиаторах и изолированы от корпуса. VD9 - стабилитрон Д817А или несколько последовательно включенных на такое же напряжение. VD10 любой универсальный и импульсный диод.
Литература
1.  http://www. communication-concepts, com/.
2.  Гончаренко И.В - http://www.qsl.net/dl2kq/pa/1-1.htm.
3. Вербицкий Л., Вербицкий М. Трансвертер «Magic band 50/29 МГц» Радиохобби 2004 №3 с. 32-34.
4. Вербицкий Л., Вербицкий М. Коротковолновый трансивер UR5LAK Радиохобби 2005 №1 с.32-37, 2005 №2 с.32-34, 2005 №3 с.35-37.
5.  Бунин С., Яйленко Л. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - К,: Техника, 1984.
6. Бунин С., Яйленко Л. Техника любительской однополосной связи. -М.: ДОСААФ, 1970.     «
7. Иванов Г. Бестрансформаторный блок питания. - Радио 1979 N11 с. 14.
8. Августовский И. (RV3LE). Бестрансформаторный РА на ГУ29. - KB и УКВ 1997 N3.
Радиохобби 5/2005