Как рождался специальный КВ усилитель мощности под конкретную задачу для "FMT-Beacon"

Как рождался специальный КВ усилитель мощности под конкретную задачу

Дальнейшее развитие проекта по высокоточным эфирным измерениям получило интересное новое дыхание. Это выразилось в свершившимся факте, когда под конкретно поставленную задачу - была спроектирована, изготовлена, испытана и запущена в эксплуатацию рабочая конструкция усилителя мощности, с некоторыми малораспространёнными конструктивными элементами и схемотехническими решениями. “Катушка в катушке” – основная особенность данной конструкции.

Излучение прецизионных передач маяка “FMT-Beacon” требует применения самых лучших технических решений для возможности минимизации вносимых искажений в излучаемый сигнал даже оконечным усилителем мощности. Режим его работы - это длительная, многочасовая работа в режиме передачи сигнала. При этом экономия электроэнергии является одной из приоритетных задач.

При выборе концепции усилителя было определено несколько важных условий которым должна соответствовать разрабатываемая конструкция:

1. Выходная мощность 400-500 Вт
2. Отсутствие принудительной вентиляции
3. КПД – выше 55-60 %
4. Возможность круглосуточной работы без выключения с максимальной надежностью
5. Параметры интермодуляционных, гармонических искажений – должны быть лучше по абсолютным значениям относительно параметров известных промышленных образцов КВ усилителей мощности.
6. Диапазон рабочих частот – от 3.5 до 24 МГц.
7. Минимальные габариты и вес не более 12 Кг.

Для обеспечения таких высоких показателей мной была реализована уникальная конструкция усилителя мощности — в виде полностью работоспособного устройства со следующими особенностями:

• Ламповая двухтактная схема, на шести пентодах ГУ-50 с малой крутизной, включенных по схеме с общими заземлёнными сетками. При таком соединении по три лампы в плечо, как показали практические исследования и измерения – нет необходимости в точном подборе ламп. Не нужно применять напряжение смещения и дополнительную коммутацию для запирания ламп в режиме приёма. Лампы работают при штатном анодном напряжении 600 Вольт, согласно своей спецификации в сверхлинейном режиме
• Бестрансформаторный анодный источник питания 615 Вольт - выполнен по схеме удвоения напряжения. При минимальном количестве деталей, обеспечиваются наивысшие показатели качества сигнала и надежности усилителя в целом. При таком относительно низком анодном напряжении, снижаются требования к электроизоляции всех элементов конструкции.

• Плечи двухтактного каскада нагружены на первый симметричный резонансный перестраиваемый контур высокой добротности, который обеспечивает высокий КПД всей выходной колебательной системы, без использования высококачественного анодного ВЧ дросселя и ВЧ блокировочных конденсаторов.

• Съём ВЧ энергии происходит с помощью второго резонансного перестраиваемого контура высокой добротности, конструктивно выполненного и физически находящегося внутри первого. Такая конструкция позволяет равномерно отбирать энергию со всей площади магнитного поля первого контура и обеспечить качественную гальваническую развязку между антенной и усилителем без всяких потерь и любых нелинейных искажений при идеальном согласовании на реальные антенны.

• Дополнительное согласование, при необходимости, производится с помощью П-контура выполненного на высококачественном вариометре и воздушном конденсаторе переменной емкости. Всего используются четыре перестраиваемых элемента общей резонансной выходной системы, что позволяет всегда найти правильный режим работы оконечного каскада с максимальной отдачей и наивысшим КПД

• Применение вакуумных замыкателей в местах коммутации контурных конденсаторов, позволило максимально обеспечить конструктивную симметрию особо важных сильноточных цепей и избежать потери энергии путём ликвидации соединительных ВЧ проводников на основной усилительной панели.

• Двухтактная схема усилителя на шести лампах имеет входной импеданс близкий к 50 Ом. Симметрирующий входной трансформатор работает с малыми реактивностями при коэффициенте трансформации 1:1. Это позволяет при правильном подборе сердечника работать без дополнительных цепей согласования используя только встроенный тюнер трансивера. Данная схемотехника обеспечивает безупречную защиту трансивера от случайного прострела в лампах. Развязка входа и выхода усилителя с внешними подключениями и сетью осуществляется исключительно через магнитное поле входного ВЧ и накального трансформатора, через магнитное поле-воздушный зазор двух высокодобротных контуров. Таким образом обеспечивается гарантированное условие электробезопасности устройства в целом.

Внешний вид усилителя представлен как макет без корпуса, для возможности рассмотреть его конструкцию на этапе испытаний. Внизу на фото, можно посмотреть основные этапы рождения аппарата. Я постарался показать основные узлы и детали, общую компоновку и высокочастотный дизайн симметричной двухтактной схемы. Блочная конструкция позволяет иметь хорошую ремонтопригодность и отличный полигон для исследований и измерений.

Поэтапное изготовление усилителя

Слесарное место	Разметка заготовки под ламповые панельки. Голый корпус 290х220х240	Внешняя боковая стенка-панель
Немецкий станок 1924 года выпуска	подготовка к монтажу ВЧ деталей	Сверловка нержавеющей стали производится на малых оборотах на большом сверлильном станке
Просверленные отверстия под ламповые панельки	монтаж производится высококачественными проводниками	Накальный дроссель на ферритовом кольце. Через него подается напряжение для нитей накала ламп
медные тонкие шины это -650 Вольт	начальный вид корпуса сзади	установлены гнезда ВЧ вход, выход, PTT
Установка накального трансформатора и специального сетевого фильтра	Мощное чёрное ВЧ реле переключения "RX-TX". хорошо видна широкая основная нулевая ВЧ шина	основные детали анодного выпрямителя
плата выпрямителя 650 и 24 вольт собранных по схеме удвоения напряжения. На реле - собрана схема плавного включения анодного напряжения. В дальнейшем реле будет заменено на более мощное.	монтаж подвала усилителя	конденсатор переменной емкости с изолированными от корпуса статором и ротором
нулевая шина приходит в самое сердце усилителя	начало разметки крепления главных ВЧ контуров	катушка в катушке. Два резонансных параллельных контура.
Крепёжные элементы изготавливаются самостоятельно (отрезаются, сверлятся, шлифуются)	Крепёжные элементы изготавливаются самостоятельно (отрезаются, сверлятся, шлифуются)	ВЧ экраны
много места!	Элементы коммутации диапазона 21 МГц. Анодный дроссель нулевого ВЧ потенциала основного симметричного контура	Вакуумные замыкатели вблизи и маленькие дроссели
начала просматриваться концепция блочной компоновки основных узлов конструкции	начало нулевой широкой шины у отвода холодного конца выхода второго контура катушки	начало сборки узла коммутации вариометра
вакуумное ВЧ реле П2Д-2В розового цвета	сборка узла согласующего устройства	компоновка ВЧ узлов
	доработка монтажа основной усилительной панели	узел коммутации НЧ диапазонов
блочная компоновка	откидываемая боковая стенка	основная усилительная панель
вид сзади	доработанный монтаж	вид вблизи на коммутацию диапазона 80-40 метров
Подключение конденсатора переменной емкости	Жгуты проводников питания	Вид усилителя сзади
Вид сбоку	вид спереди	конденсаторы диапазона 80м
узел коммутации вариометра	взвешивание на напольных весах показало 11.15 килограмм	режим холостого хода. Мощность потребления от сети 90 Ватт
Режим под нагрузкой при выходной мощности 388 Ватт. Мощность потребления от сети - 506 Ватт Реальное КПД = 60% (388-84,5) / 506 = 0,6 (84,5 - это входная мощность раскачки усилителя)	Отбор ламп GU-50, производится на легендарном приборе L3-3. Особое внимание уделяется важному параметру - утечка "Катод-Подогреватель"

Далее пойдёт серия фотографий которые отражают процесс высокочастотных измерений

Ниже рассмотрим принципиальную электрическую схему усилителя

Блок питания разделен на две части. Низковольтная часть выполнена на трансформаторе Tr1 типа ТН-60. Первая изолированная вторичная обмотка используется для накала ламп переменным напряжением 12 Вольт. Вторая обмотка питает удвоитель напряжения для возможности запитывания многочисленных высокочастотных замыкателей и реле.

Высоковольтный удвоитель напряжения выполнен на диодах D3,D4 и конденсаторах С1, С2,С3. Просадка напряжения при максимальной мощности составляет всего 15-20 Вольт, без какого-либо тепловыделения. Такие показатели недостижимы при использовании высоковольтного анодного трансформатора в его разумных габаритах.

Работа схемы на транзисторе Т1 и реле К1 обеспечивает плавную зарядку конденсаторов С1, С2, С3 при включении усилителя. Это самый ответственный узел блока питания.

Защита от коротких замыканий обеспечивается тремя плавкими предохранителями. Этого оказалось вполне достаточно для обеспечения надежной работы усилителя как во время настройки, так и при длительной эксплуатации на максимальной мощности. Дополнительных защит по питанию не требуется. Контроль анодного тока обеспечивается прибором включенным в цепь +615 Вольт. Особо важное значение в данной конструкции имеет специальный сетевой входной фильтр, который обеспечивает невозможность проникновения многочисленных гармоник в сеть, в силу особенностей работы высоковольтного умножителя напряжения.

На схеме не указан накальный дроссель. На фото выше можно его рассмотреть.
 

Высокочастотная часть представляет из себя классическую двухтактную схему. Возбуждение двух плеч усилителя производится через входной симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1.

В отличие от новомодных малогабаритных решений по применению ферритовых сердечников для выходных анодных трансформаторов, мной применена другая концепция. Она выбрана такой исключительно для повышения основных качественных характеристик усилителя, таких как гармонические искажения, побочные частоты, повышенный КПД и надёжность усилителя в целом. Для этого была разработана, испытана и применена специальная высокодобротная  «катушка в катушке» L1 и  L2, выполненная посеребренной толстостенной трубкой, в облегчённом фторопластовом каркасе.

Катушка L1 является симметричной, с выводом её средней, с нулевым ВЧ потенциалом точки, на выравнивающий  дроссель L4, в которую подводится анодное напряжение. Моделирование проходящих высокочастотных токов по резонансным цепям включая катушку L1 — показывает исключительно их замкнутый контур, который не выходит за пределы круга: выводы катушки L1 > С11 > Анод > сетки ламп > нулевой потенциал. Такой принцип замкнутого протекания симметричных токов двух плеч, которые компенсируют друг друга — позволяет получить дополнительную экономию энергии за счет сокращения общего периметра резонансных цепей с большим протеканием тока при использовании распределенного монтажа на шести лампах.

Требования к блокировочному конденсатору С7 — самые минимальные. Тут нет ВЧ напряжения, которое нужно блокировать во всех однотактных схемах специальным качественным и габаритным конденсатором! 

Количество витков и  габариты катушек выбраны таким образом, чтобы имелась возможность перекрыть диапазоны 80-15 метров с удобным сопряжением резонансов этих двух связанных общим магнитным полем контуров L1 и L2.

Основным элементом настройки первого высокодобротного контура является конденсатор С11. Второй высокодобротный контур настраивается С12. На вариометре L3 и конденсаторе С13 выполнен П-контур, который обеспечивает только дополнительное согласование с нагрузкой. Измерение температурного режима вариометра показало совсем незначительное рассеивание им тепла. 

Для перекрытия диапазона 15 метров, потребовалось замкнуть по одному витку катушки L1 замыкателями К10-К11.

Вакуумное реле К8 обеспечивает переключение катушек вариометра параллельно или последовательно в зависимости от необходимого диапазона.

Данная концепция позволила иметь настолько увеличенную селективность выходного сигнала, что измерение второй, третьей и далее гармоник показало практически их полное отсутствие. Очень гибкая взаимозависимая настройка перестраиваемых элементов С11, С12, С13, L3 — позволяет настроить всю резонансную систему таким образом, что потеря энергии выделяемая в виде тепла в элементах согласования  — получается минимальной а отдача мощности максимальной. 

Основные реактивности нагрузки усилителя  компенсируются в высокодобротных контурах катушек  L1 и L2 а не рассеиваются в виде бесполезного тепла на анодном дросселе, как это происходит  в однотактных схемах.

Весь монтаж высокочастотной усилительной панели выполнен таким образом, при котором практически полностью   отсутствуют какие либо паразитные ВЧ проводники. Основной  высокочастотный ток между  выводами катушки L1, анодами и контурными конденсаторами С1-С6, С11 на  усилительной панели и сетками ламп (нулевой ВЧ потенциал) — не превышает нескольких сантиметров. При этом обеспечивается полная симметрия монтажа. Признаков самовозбуждения усилителя на любых режимах работы замечено не было. При максимальной долговременной мощности — наблюдается равномерное покраснение анодов всех шести ламп на любом из диапазонов.

Конденсаторы С1,С2, С8 выполняют две основные задачи. Обеспечивают деление ВЧ потенциала для ограничения прострела в конденсаторах переменной емкости, а так-же ограничивают диапазон перестройки контуров, ввиду очень острого резонанса всей выходной колебательной системы. Подобранные номиналы этих конденсаторов позволяют получить плавный и комфортный момент подхода к резонансу. 

Все постоянные конденсаторы С1-С10 являются высокодобротными  типа К15У-1В. Замыкатели К1-К7 вакуумные — типа В1В на 3кВ ток 10А.

Монтаж осуществлён медными шинами, посеребренными толстыми проводниками, спаян специальным хорошо проводящим припоем. Использованы керамические изоляторы, монтажные провода во фторопластовой изоляции. Все крепёжные элементы конструкции сделаны из немагнитных материалов — алюминий, медь, латунь, нержавеющая сталь. 

Схема коммутации высокочастотных замыкателей и реле. Все реле управляются напряжением 24 Вольта. Применён переключатель на пять позиций.

Если дорогого читателя заинтересовала данная конструкция, то подробное описание рождения усилителя, схемы, результаты измерений - вы можете найти на странице: https://fmt.ru0ll.com/fmt-ru0ll/apparatura-ru0ll/linear-amplifier-6_gu50/

73! Alex RU0LL осень 2023

Комментарии

Отзывы читателей - Скажите свое мнение!

Оставьте свое мнение

Комментарии 0

Отзывы читателей - Скажите свое мнение!