Транзисторный усилитель мощности (ШПУ) отработана и мало чем отличается в различных промышленных конструкциях, что говорит о практическом отсутствии «белых пятен» в данной области радио конструирования. И все же радиолюбители довольно редко применяют самодельные конструкции на мощности более 30-40 Вт. Это, конечно, связано с дефицитностью качественных мощных транзисторов для линейного усиления ВЧ сигнала в диапазоне 1-30 Мгц.
Возможно и то, что основной способ настройки любительской техники — «метод научного тыка» для таких конструкций не подходит, поэтому сегодня более популярны ламповые усилители. Неоднократное применение различных типов транзисторов в ШПУ трансиверов показало их явные преимущества в сравнении с ламповыми на такие же мощности (речь, конечно, идет о Рвых.< 200 Вт). При изготовлении и эксплуатации транзисторный усилитель мощности нужно учитывать определенные особенности, которые не возникают либо менее выражены в ламповом. Вот некоторые из них:
1.Нужно использовать транзисторы, специально разработанные для линейного усиления на частотах 1,5-30 МГц.
- Выходная мощность двухтактного ШПУ не должна превышать максимального значения мощности применяемых транзисторов, хотя они и выдерживают перегрузки. Например, в военной технике этот показатель не превышает 25-50% от максимального значения.
- Хотя бы один раз заглянуть в справочник и внимательно ознакомиться с параметрами используемого транзистора.
- Нельзя превышать ни один из предельно допустимых параметров.
- Во время предварительной настройки следует использовать безындукционную нагрузку в виде эквивалента сопротивлением 50-75 Ом соответствующей мощности, но ни в коем случае не электролампочку, как это многие делают при настройке лампового усилителя.
- Наконец-то, напрячься и сделать раз и навсегда качественный КСВ-метр в одной коробке с коммутатором антенн и фильтром TVI с обязательным отключением антенн в нерабочем состоянии. Тем самым Вы избавите себя от нервных стрессов при общении с соседями — любителями сверхдальнего телевизионного приема на комнатную антенну и спешного поиска резиновых перчаток для откручивания разъема антенны с началом каждой грозы.
- Если Вы заражены «стрелочной болезнью» или любите «держать микрофон» пока из него не закапает «конденсат» — не нужно экономить на размерах корпуса и радиатора. Аксиома -«надежный усилитель — это большой усилитель».
В противном случае обязательно введение дополнительного обдува.
- Не нужно браться за постройку такого транзисторный усилитель мощности, если смутно представляете себе разницу между трансформаторами типа «бинокль» и с «объемным витком». В этом случае лучше приобрести готовую конструкцию (в чем Вам может помочь автор статьи) или импровизировать с лампами.
Транзисторный усилитель мощности, предлагаемый в данной статье, работает в любом участке КВ диапазона, согласующее устройство позволяет использовать антенны с сопротивлением 50 Ом и более (рис. ).
Мощность раскачки не превышает 1 Вт. Максимальная выходная мощность определяется типом применяемых транзисторов, для КТ957А — до 250 Вт. Коэффициент усиления по мощности до 25 дБ на низкочастотных диапазонах. Входное сопротивление 50 Ом. Уровень гармоник на выходе не более 55 дБ.
Транзисторный усилитель мощности (ШПУ) отработана и мало чем отличается в различных промышленных конструкциях, что говорит о практическом отсутствии «белых пятен»
Максимальный ток потребления до 18-19 А. В связи с тем, что на радиостанции использовалась одна антенна на все диапазоны (треугольник периметром 160 м) было решено ввести в усилитель согласующее устройство с КСВ-метром. Габаритные размеры усилителя определялись размерами используемого трансивера (RA3AO) и составляют 160x200x300 мм. В эти габариты не удалось «уложить» источник +24 В, который выполнен в отдельном корпусе. Для того, чтобы усилитель не перегревался в летнее время, введен принудительный обдув радиатора. В итоге получилась довольно удачная конструкция небольших габаритов, которая может использоваться при работе с возбудителем небольшой мощности, это могут быть трансивер на базе Р399А, трансиверы «Роса», RA3AO с пониженной выходной мощностью и т.д. Аналогичную конструкцию используют RK6LB, UR5HRQ, a RU6MS уже несколько лет эксплуатирует выходной каскад на КТ956А с Р399А.
Сигнал с трансивера поступает на трансформатор Т1 (рис.),
это обычный «бинокль», который понижает входное сопротивление и обеспечивает два одинаковых противофазных сигнала на входе драйвера VT1, VT2. Цепочки C4R2 и C5R3 служат для формирования амплитудно-частотной характеристики с подъемом в высокочастотной области. Смещение подается отдельно на каждый транзистор с источника +12В (ТХ). В качестве VT1, VT2 нужно использовать транзисторы, которые служат для линейного усиления ВЧ сигнала. Наиболее подходящие и недорогие КТ921 и КТ955. Если есть возможность подобрать пару, тогда цепи смещения можно объединить. Резисторы отрицательной обратной связи в цепи эмиттеров улучшают устойчивость и линейность работы каскада.
«Фильтр-дырку» C10R10 можно заменить на несколько обычных блокировочных конденсаторов разного номинала (например 1000 пф; 0,01 мк; 0,1 мк), включенных параллельно. Элементы C14, C18, R11 …R14 формируют требуемую АЧХ выходного каскада. Резисторы R15, R18 служат для предотвращения пробоя эмиттерного перехода при обратной полуволне управляющего напряжения. Их можно рассчитать по формуле R = (βmin/(6,28*frp*C3) для других типов транзисторов. Трансформатор Т2 («бинокль») согласовывает относительно высокое выходное сопротивление первого каскада с более низким сопротивлением входных цепей оконечного.
Трансформатор ТЗ обеспечивает подачу питания на VT4, VT5 и симметрирует форму напряжения на коллекторах транзисторов с целью снижения уровня четных гармоник. Дополнительно с помощью контура, образованного обмоткой II и конденсатором С19, реализуется подъем АЧХ усилителя в области 24…30 МГц.
Выходной трансформатор Т4 согласовывает низкое сопротивление выходного каскада с сопротивлением нагрузки 50 Ом. Резистор R21 рассеиваемой мощностью не менее 2 Вт (его можно набрать из нескольких) имеет условное обозначение — «защита от дурака». Наличие этого резистора имеет решающее значение в случае отсутствия какой-либо нагрузки для усилителя. В такой момент вся выходная мощность будет рассеиваться на этом резисторе и от него пойдет «дух горелой краски» — вывод нерадивому пользователю — «горим!». Транзисторы такую экзекуцию выдерживают — по данным завода-изготовителя степень рассогласования нагрузки при Рвых=70 Вт для одного транзистора в течение 1 с — 30:1. В нашем случае имеем 10:1, поэтому можно предположить, что за 3 секунды с транзисторами ничего не произойдет. Как показали эксперименты и многолетний опыт применения такой «защиты», транзисторы ни разу не выходили из строя от перегрузки по выходу.
Даже после прямого попадания молнии в антенну одного из пользователей такой техники вышел из строя только один транзистор, а резистор R21 рассыпался на мелкие кусочки. Реле К1 коммутирует антенну в режимах прием/передача (RX/TX). Желательно применять новое надежное герметизированное реле с малым временем срабатывания. Включение К1 происходит напряжением +12В (ТХ) через транзисторный ключ VT6. Цепь смещения VT4,VT5 объединена, т.к. была возможность подобрать пары этих транзисторов, в противном случае цепи смещения лучше выполнить раздельно, как это сделано, например, в [1]. Для температурной стабилизации тока покоя желательно обеспечить тепловой контакт хотя бы одного из диодов VD1 ,VD3 с ближайшим транзистором.
С выхода транзисторный усилитель мощности сигнал подается на КСВ-метр (рис.). Схема таких устройств (рис.) неоднократно описывалась в литературе.
Следует лишь отметить, что в качестве сердечника Т1 можно использовать практически любое ферритовое кольцо независимо от проницаемости. С увеличением проницаемости уменьшаем количество витков обмотки II. Подстроечные конденсаторы С1 и С8 должны выдерживать напряжение не менее 120 В и не изменять свои параметры при нагреве.
Узел ФНЧ (АЗ) (рис.4) состоит из шести фильтров нижних частот 5-го порядка, которые переключаются с помощью реле РЭС34 или РЭС10. Их входные и выходные нагрузочные сопротивления 50 Ом. Данные этих фильтров приведены в табл.1, они немного отличаются от расчетных. Это связано с тем, что усилитель слегка расстраивает фильтры и пришлось дополнительно подбирать элементы при максимальной выходной мощности. Это довольно рискованное мероприятие, но другой реальной методики как учесть, просчитать и компенсировать влияние усилителя на ФНЧ в рабочем режиме автору не известно. Фильтры переключаются подачей питающего напряжения на реле с «галетника» SB2 (рис.1).
Отфильтрованный сигнал подается на согласующее устройство (рис.), состоящее из катушек L1,L2 и емкостей С9,С10. При такой схеме включения элементов возможно согласование с нагрузкой >50 Ом. Это полностью соответствовало поставленной задаче — согласовать с рамкой периметром 160 м. Входное сопротивление такой антенны не было меньше 70 Ом ни на одном из диапазонов. Если потребуется согласование с нагрузками ниже 50 Ом, нужно ввести еще один галетный переключатель, который позволит менять конфигурацию устройства. Или хотя бы переключатель конденсатора С10 с выхода устройства на его вход. Очень сложно подобрать вариометр подходящих размеров для такой конструкции, да к тому же с возможностью изменения индуктивности в пределах 0…1 мкГн.
Шаровые вариометры не подходят, т.к. редко изменяют индуктивность на малых пределах, катушки с «бегунком» имеют большие габариты. Поэтому применен простейший вариант — бескаркасная катушка, свернутая в кольцо и своими выводами припаянная на контактные лепестки обычного керамического галетного переключателя на 11 положений. Отводы у катушек сделаны по-разному для того, чтобы более точно подобрать общую индуктивность согласующего устройства. Например, у L1 от 1, 3, 5, 7, 9, 13, 17, 21, 25, 30 витков, а у L2 от 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32 витков. Такой дискретности будет достаточно, чтобы точно подобрать требуемую индуктивность.
Например, в антенных тюнерах трансиверов TS-50 и TS-940 фирмы Kenwood используются катушки с семью отводами. Если сопротивление антенны не превысит 360…400 Ом, можно оставить одну катушку на 40…44 витка. Зазор между пластинами С10 должен быть не менее 0,5 мм, подойдут конденсаторы от старых ламповых радиоприемников. Для работы на 160 м, а иногда и на 80 м подключается дополнительный конденсатор С9.
При изготовлении транзисторный усилитель мощности следует обратить внимание на качество деталей и их электрическую прочность. Выводы элементов в ВЧ цепях должны иметь минимальную длину. По возможности, нужно подобрать пары транзисторов, хотя бы по простейшей методике.
Например, транзисторам задают одинаковые смещения на базе, измеряют коллекторные токи (по крайней мере при трех различных значениях напряжений смещения) и по более близким токам коллекторов отбирают пары транзисторов. Т.к. транзисторы мощные, нужно проводить измерения, задавая токи коллектора ориентировочно 20…50 мА, 200.. .400 мА и 0,9…1,3 А, а напряжение на коллектор подавать близкое к рабочему, хотя бы 18…22 В. Транзисторам при больших токах потребуется временный теплоотвод или измерения нужно проводить быстро, т.к. при прогреве растет крутизна транзистора. Конденсаторы лучше применять керамические, проверенные в аппаратуре, электролитические конденсаторы — танталовые.
Дроссели в базовых цепях можно использовать типов ДМ, ДПМ с минимальным внутренним сопротивлением, чтобы не создавалось на них дополнительное автосмещение, т.е. расчитанные на большой ток (для драйвера не менее 0,4 А, для выходных транзисторов не менее 1,2 А). Еще лучше намотать их на ферритовых кольцах диаметром 7. ..10 мм проницаемостью 600. ..2000, достаточно будет 5… 10 витков провода диаметром 0,4…0,7 мм. «Бинокли» изготавливались по «упрощенной технологии», т.е. внутри столбиков из ферритовых колец протягивается виток посеребряной оплетки от коаксиального кабеля, а уже внутри этой оплетки располагается провод вторичной обмотки в термостойкой изоляции. Каких-либо отличий в работе таких трансформаторов от «биноклей» с медными трубками замечено не было.
Немного сложнее подобрать качественный феррит для ТЗ. В аналогичных усилителях промышленного изготовления отечественного и зарубежного производства рекомендуемая проницаемость феррита для таких трансформаторов 100…125НН. В одном из усилителей авторского изготовления была попытка применить кольцо 125НН диаметром 22 мм, но такой трансформатор имел паразитный резонанс около 4 МГц, что резко ухудшило параметры усилителя на диапазоне 80 метров. Не было «проколов» с ферритами проницаемостью 400… 1000.
Более качественные параметры трансформатор имеет при его намотке скруткой из тонких проводов. Например, в промышленном УМ на КТ956А этот трансформатор намотан скруткой из 16 проводов ПЭВ-0,31, разделенных на 2 группы из 8 проводов. При выборе транзисторов для такого усилителя в первую очередь нужно обратить внимание, для каких целей предназначены эти транзисторы.
Не будет проблем с TVI при максимальной мощности, если применить транзисторы, предназначенные для линейного усиления сигнала в диапазоне 1 …30 МГц — это КТ921,927, 944, 950, 951,955, 956, 957, 980 и т.д. Такие приборы позволяют получать максимально возможную мощность без ухудшения надежности и с минимальной нелинейностью. Для таких транзисторов нормируется коэффициент комбинационных составляющих третьего и пятого порядков и далеко не каждая лампа может соперничать с ними по этим показателям.
Применение КТ930, 931,970 и им подобных в таком усилителе не имеет смысла. Чтобы не загружать читателя излишней информацией по поводу тех или иных транзисторов, нужно только отметить, что транзисторы, предназначенные для частот выше 60 МГц, как правило, изготавливаются по иной технологии и работают в классе С, усиливая частотно-модулированный сигнал. При использовании таких транзисторов на частотах ниже 30 МГц они склонны к возбуждению, не позволяют получать максимальной мощности из-за резкого снижения надежности и повышенных TVI. Более или менее сносно работают только КТ971А, да и то при пониженной мощности.
НАСТРОЙКА усилителя сводится к выставлению токов покоя – по 300…400 мА на VT1 , VT2 и по 150…200 мА на VT4,VT5. Эта процедура выполняется при помощи R1, R4, которые могут быть в пределах 390 Ом…2 кОм и R5 (680 Ом…10 кОм). Если не удается получить требуемых токов, можно добавить по одному диоду последовательно с VD2, VD4, и VD1, VD3.
Нагружаем усилитель на эквивалент, подсоединив его параллельно R21 при отключенных ФНЧ и подав на вход 0,5 Вэфф частотой 29 МГц, контролируем ламповым вольтметром ВЧ напряжение на эквиваленте и потребляемый ток. По отсутствию возбуждения убеждаемся в правильности подключения выводов витка связи в ТЗ. Подбором С19 устанавливается максимальный коэффициент усиления на 29 МГц. Включив параллельно резисторам в эмиттерах VT1, VT2 конденсаторы емкостью 1200…3300 пФ, можно еще немного поднять усиление на высокочастотных диапазонах. Затем проверяем отсутствие паразитных возбуждений, плавно увеличивая напряжение на входе усилителя, при этом выходное напряжение на эквиваленте должно расти так же плавно и без резких скачков. Мощность возбуждения не следует увеличивать более 1 Вт (7 Вэфф).
Правильное соотношение витков в трансформаторах при предполагаемой максимальной мощности проверяют, подсоединив ФНЧ и переключив нагрузку к выходу фильтров. Заметив значения выходного напряжения и потребляемого тока на диапазонах 28, 14, 3,5 МГц, изменяют на один виток II обмотку Т4. Нужно оставить такое количество витков, когда будут минимальные показания измерителя тока при максимальных или тех же значениях выходного напряжения. Как правило, изначально можно намотать 3 витка, а в процессе настройки уменьшить на виток. Аналогичную процедуру проводим с Т1 и Т2.
Для компенсации неравномерности транзисторный усилитель мощности, которая обычно наблюдается на разных диапазонах, возможно потребуется дополнительный подбор C4,R2,C5,R3,R11,…R14,C14,C18. Если транзисторы предварительно не подбирались, желательно подкорректировать токи покоя по максимальному подавлению четных гармоник, уровень которых контролируют анализатором спектра или приемником.
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА (рисунок.) выполнена из двухстороннего стеклотекстолита толщиной не менее 1,2 мм при помощи острого ножа, металлической линейки и резака для нарезания контактных «пятачков».
Снизу платы некоторые «пятачки» соединены между собой или печатными дорожками, или монтажным проводом (показано пунктиром на рис.5). Для упрощения обозначены только основные радиоэлементы. Общую земляную шину «верха и низа» платы следует соединить пропаянными перемычками в нескольких точках по всему периметру платы. Плата установлена на металлических стойках на радиаторе размером 200×160 мм с ребрами высотой 25 мм. Под транзисторы в плате просверлены отверстия, а для лучшего теплового контакта посадочные места под транзисторы в радиаторе профрезерованы и смазаны теплопроводящей краской.
ФНЧ, выполненные по данным приведенным в таблице 1, в настройке практически не нуждаются.
Конденсаторы должны выдерживать реактивную мощность не менее 200 Вар. Можно использовать КСО или КМ размером не менее 10×10 мм. Допускается параллельное включение конденсаторов меньшей мощности. Катушки диапазонов выше 10 МГц намотаны с шагом, равным диаметру провода, на низкочастотные — виток к витку. Для переключения ФНЧ можно использовать реле или галетный переключатель. Во втором случае элементы фильтров нужно расположить так, чтобы исключить «пролезание» сигнала через соседние, т.к. их входы/выходы в этом случае остаются незаземленными.
Схему согласующего устройства можно изменить или ввести дополнительный переключатель для коммутации различных вариантов включения элементов. Это зависит от конструкции используемых антенн. Необходимо обязательно обеспечить возможность изменения индуктивности в малых пределах, в противном случае могут возникнуть проблемы при настройке согласующего устройства на высокочастотных диапазонах.
Вентилятор М1 для обдува радиатора — от блока питания компьютера. Все блокировочные конденсаторы — керамические, хорошего качества, с выводами минимальной длины. Электролитичекие конденсаторы — типов К53, К52. Диод VD1 имеет тепловой контакт с VT5.
Стабилизатор напряжения 24…27 В должен быть с ограничением максимального потребляемого тока. Можно рекомендовать схему, которая применяется на протяжении последних лет в трансиверах с транзисторными выходными каскадами и зарекомендовала себя как «надежная и простейшая» (рис.).
Это обычный параметрический стабилизатор с защитой от КЗ и перегрузки по току. Для получения требуемого тока применено параллельное включение двух мощных составных транзисторов с выравнивающими резисторами в цепи эмиттеров.
Регулировка выходного напряжения осуществляется резистором R6, а установка тока, при котором срабатывает защита, — R4 (чем выше его сопротивление, тем меньше ток). R5 служит для надежного запуска стабилизатора. В момент, когда выходной каскад не работает и ток потребления источника +24 В равен нулю, напряжение на выходе стабилизатора может повышаться до входного уровня. Чтобы этого не произошло, включен нагрузочный резистор R7, номинал которого зависит от утечки VT2, VT3 и R5. Собранный стабилизатор следует нагрузить на мощное проволочное сопротивление и выставить ток, при котором срабатывает защита. Достоинство этой схемы еще и в том, что регулирующие транзисторы крепятся к шасси (радиатору) без изолирующих теплопроводящих прокладок. При покупке КТ827А обязательна проверка транзисторов на утечку, т.к. очень много попадается брака.
Транзисторный усилитель мощности намоточные данные.
Согласующее устройство (рис.1). L1, L2 — бескаркасные, диаметр провода 1 …1,2 мм, диаметр оправки 16…18 мм, по 35 витков с отводами. С10 — от старых ламповых радиоприемников, зазор не менее 0,5 мм.
Усилитель мощности, А1 Т1 — «бинокль» (два столбика из 4-х тороидальных сердечников каждый, 1000…2000 НМ, К7). I — два витка, провод МПО-0,2; II — 1 виток, провод МПО-0,2.
Т2 — «бинокль» (два столбика из 5-ти сердечников каждый, 1000НМ, К7). 1 — 2 витка по 2 провода МПО-0,2, с отводом от точки соединения конца 1-го провода с началом 2-го; II — 1 виток оплетки коаксиального кабеля диаметром 3…5 мм (желательно посеребренной), или медная трубка. Обмотка I располагается внутри обмотки II, при этом ее оплетка должна плотно облегать витки первой обмотки.
ТЗ — один тороидальный сердечник, 100…600НМ, К16…18. I — 6 витков из 12 скрученных проводов ПЭВ 0,27…0,31, разделенных на 2 группы из 6-ти проводов, с отводом от точки соединения концов проводов первой группы с началом второй. II -1 виток провода МПО-0,2.
Т4 — «бинокль» (два столбика из 7-ми тороидальных сердечников каждый, 400…1000НН, К14…16. I — виток оплетки от коаксиального кабеля диаметром 5…9 мм или медная трубка. II — 2 витка из скрученных 4…5-ти проводов МПО-0,2. Обмотка II — внутри I.
L3 — один тороидальный сердечник, 1000НМ, К10…12, 5 витков провода ПЭВ 0,4…0,5 мм.
L6 — два тороидальных сердечника, 400…1000НМ, К10…12, 8 витков провода ПЭВ 0,9…1,2 мм или скрутки из 5…7 проводов ПЭВ 0,4…0,5 мм.
L1, L2, L4, L5 — стандартные дроссели типа ДМ, L4, L5 индуктивностью 10…15 мкГн на ток не менее 0,4 А.
КСВ-метр, А2
Т1 — тороидальный сердечник 20…50ВЧ, К16…20. I — отрезок коаксиального кабеля, оплетка которого служит электростатическим экраном и заземляется только с одной стороны. II — 15…20 витков ПЭВ 0,2…0,4 мм.