Простой трансивер класса Е - CLASSIE (40м, мощность 1,8 Вт)

ВЧ усилители мощности (РА) класса Е известны уже много лет. Они отличаются простотой, эффективностью и надежностью. Хотя детальный анализ схемыкласса Е выходит за рамки статьи, поясним, что идея класса Е состоит в возбуждении выходной резонансной цепи ключом с малыми потерями, таким, как MOSFET (МОП полевой транзистор).

Сама же выходная цепь спроектирована так, чтобы ключ закрывался в моменты, когда напряжение на нем проходит через нуль, при этом минимизируются потери на переключение. Такое решение предполагает, что ключ замкнут в течение половины периода ВЧ колебаний.

Анализ работы усилителя на модели LTSpice показал, что устройство ведет себя как последовательный резонансный фильтр, настроенный на излучаемую частоту. Резонансная частота может быть рассчитана в предположении, что конденсатор, подключенный параллельно ключу, входит в цепь лишь половину периода колебаний (рис. 1).

Полный расчет усилителя довольно сложен, поскольку должны быть учтены несколько параметров, включая согласование с сопротивлением нагрузки. К счастью, есть несколько бесплатных программ расчета.

Рис. 1 - 3.

Ключ на MOSFET можно также использовать и смесителем. Если сделать нулевым потенциал стока и добавить фильтрующий конденсатор в исток, усилитель (РА) превращается в последовательный ключевой смеситель (рис. 2). С помощью такой простой модификации мы создаем приемник прямого преобразования с настроенной входной цепью.

При обсуждении этой идеи Вес Хейворд (W7ZOI) предложил мне попробовать MOSFET как параллельный ключ (рис. 3) - он работал так же хорошо. Но переключение прием/передача и приглушение приемника несколько усложняются по сравнению с версией последовательного ключа.

Впрочем, дальнейшие эксперименты необходимы....

Схема весьма простого трансивера на 40 метров, использующего эту идею, показана на рис. 4. Я назвал его «The Classie» (подразумевается каламбур). Для расчета выходной цепи РА использована программа W4ENE «Class E Designer». Она же позволила согласовать усилитель мощности с 50-омной нагрузкой.

Я использовал MOSFET типа BS170 ввиду их дешевизны, надежности и небольшой емкости затвора. Будут работать также 2N7000. В режиме приема питание снимается с РА с помощью закрытого транзистора VT1.

Сток ключевого MOSFET РА VT2 при этом соединяется с землей через резистор R4, а сигнал НЧ выделяется на фильтрующем конденсаторе С1. В режиме передачи транзистор VT3 замыкает исток VT2 на землю, одновременно заглушая приемник.

Экспериментируя с различными транзисторными задающими генераторами, мне не удалось создать простого устройства, обеспечивающего стабильную скважность 50%. Пришлось остановиться на микросхеме 74НС74, чтобы сделать на одном ее триггере VXO - кварцевый генератор с перестройкой частоты, а на другом триггере - делитель частоты на 2, выдающий прямоугольные импульсы с частотой около 7030 кГц для возбуждения MOSFET VT2. Усиление НЧ обеспечивает микросхема DA2 типа LM386.

Рис. 4

Приемник трансивера оказался довольно чувствительным, а его потребление тока питания только 17 мА. Подобно большинству простых приемников прямого преобразования он имеет тенденцию фонить, а иногда наблюдается прямое детектирование сигналов мощных КВ станций. Передатчик отдает 1,8 Вт при 12 В питания и потреблении около 240 мА.

Если вычесть ток покоя приемника и ток через резисторы R3 и R4, можно оценить КПД РА как 68%. Мне удавалось получить и 80% при выходной мощности 1,2 Вт, несколько изменив параметры выходной цепи. MOSFET'bi едва нагреваются и радиаторы им не нужны.

РА оказался устойчив к КЗ и обрыву на выходе, хотя возможно он и не выдержит долго такой ситуации. Выходной сигнал усилителя класса Е содержит немного 2-й гармоники, но резонансной антенны обычно достаточно, чтобы вычистить сигнал. Трап на антенном разъеме, настроенный на 2-ю гармонику, сделает это лучше.

Открываются широкие перспективы для экспериментов с базовой схемой трансивера. Переход к различным диапазонам сводится к играм с VFO и перенастройке выходной цепи. Я попробовал применить DDS VFO и убедился, что РА класса Е работает во всем его диапазоне.

Для сдвига частоты при приеме можно подключить малую емкость между выводом 4 задающего генератора 74НС74 и коллектором дополнительного коммутируемого транзистора. Подключение к коллектору VT1 должно работать так же хорошо. Программа Class E Designer позволяет оптимизировать параметры выходной цепи под любую мощность, напряжение питания и выбранный транзистор. Например, IRF510 может работать при значительно более высоких мощностях, чем BS170, но возникают трудности с его возбуждением из-за значительной емкости затвора.

Надеюсь, что кто-то из читателей продвинет концепцию Classie на более высокий уровень! Хочу поблагодарить Веса Хейворда W7ZOI, Майка Рейни AA1TJ, Ганса Саммерса G0UPL за полезные идеи и обсуждения, а также Джеймса Тонни W4ENE за его прекрасную программу Class E Designer, выложенную на сайте www.tonnesoftware.com

Статья на английском языке опубликована в журнале SPRA T № 144 (осень 2010). Rich Heslip VE3MKC.

Скачать печатную плату в формате SprintLayout: qrp-tranceiver-classie_layout.zip

Источник: CQ-QRP, №33. (Зима 2011).