Усилитель мощности на УКВ диапазоны 50МГц(40Вт) и 144 МГц(16Вт)

Транзисторный усилитель потребляет большой ток. Требуются громадные радиаторы с принудительным охлаждением, сложные схемы защиты для дорогих транзисторов и, вследствие этого - тяжелый корпус

больших размеров и высокая стоимость. Готовый усилитель мощности (УМ) на транзисторах стоит не менее 50 у. е., плюс блок питания к нему столько же. Посмотрите, к примеру, сайт communication-concepts.com

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 цоколе (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.

Напомним, что гораздо хуже отражается на долговечности ламп заниженное напряжение накала, нежели завышенное.

Технические данные усилителя мощности

Приведем 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 антенне, составляет 40 или 16 Вт;
• КПД усилителя - 55...65 %;
• мощность возбуждения - 3...5 Вт.

Принципиальная схема

Исходя из этих соображений, авторами предлагается схема усилителя мощности для 2-метрового и 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.

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя мощности на 50 и 144 МГц.

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;
• последовательное включение входной и выходной емкостей лампы к соответствующим контурам, что уменьшает начальную емкость контура.

Такой усилитель мощности дает наилучшие результаты на метровых волнах. Недостаток схемы в том, что требуются сдвоенные переменные кон денсаторы.

Сеточный колебательный контур образован катушкой 12, 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 В.

Согласование большого входного сопротивления каскада с ОК с передатчиком, имеющим выходное сопротивление 50 или 75 Ом, выполняется с помощью последовательного контура L1, С19. Согласование анодного контура с антенно-фидерной системой - через аналогичный контур L4, С6. L1 и L4 выполняют в этом случае роль катушек связи.

Контроль величин анодного и сеточного токов усилителя мощности производится по миллиамперметру РА1 путем его подключения параллельно Rшк и Rшс соответственно. Значения этих резисторов рассчитываются в зависимости о г используемого прибора 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. Активной составляющей тока сетки нет, 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;
• из-за интермодуляционных искажений полоса излучаемых частот SSB сигнала значительно расширяется.

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-а» на рис. 1.

Стабилитрон VD9 выбирают в зависимости от того, в каком режиме собираются использовать УМ. Следует заметить, что для усиления телеграфного сигнала подходит 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 этого удобно подавать смещение с переменного резистора R5 при значительном токе через него.

В режиме приема контакты К1.1 размыкаются, и лампа закрывается. Напомним, что 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 очень серьезно отнестись 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 экономить на железе 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 статье "Гончаренко И. В. Легкий и мощный РА.", можно с успехом применять для ламповых УМ с напряжением на аноде 800 или 300 В. Но при использовании такого блока питания необходимо тщательно соблюдать все рекомендации, приведенные в вышеупомянутой статье.

Конструктивно лампа может быть расположена как горизонтально, так и вергикально. 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;
• Ucl = -25 В;
• Ul2 = 225 В;
• Ua = 700 В;
• максимальный ток - 250 мА;
• ток покоя в SSB - 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 рис. 5.67 показан монтаж усилителя.

Данные контуров на 144 МГц

Др1, Др2, Др3 - сеточные и анодный дроссели индуктивностью 10 мкГн должны быть рассчитаны на ток 0,3 А. Каждый их 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 намотаны 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.

Рис. 2. Вид катушки L3 и петли связи L4 на диапазон 144 МГц.

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.

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. 2.

Все катушки индуктивности выполнены посеребренным проводом ПСР.

Данные контуров 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 провод диаметром 1,5 мм на оправке 16 мм, шаг - 1,5 мм.

Катушка L3 содержит 3+3 витка провод диметром 1,5 мм на оправке 24 мм, шаг 3,5 мм.

Катушка связи выходного контура L4 содержит 4 витка провод диаметром 1,5 мм на оправке 14 мм шаг 2,0 мм. Она находится между половинок контурной катушки L3.

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 150-200 Вт.

При низком напряжении сети (ниже 195 В) в трансформаторе Т1 должен быть предусмотрен вывод 2. Выпрямительные мосты VD1, VD2,

VD3. Конденсаторы фильтра C1, С2, СЗ, С4. Стабилизатор напряжения на VD9.

Выпрямители БП собраны по двухполупериодной мостовой схеме. В схеме выпрямителя 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 4700-10000 пФ. 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.

В целях безопасности не производится измерение Іа в цепи +700 В, а измеряется 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 В, при этом выходная мощность упадет с 40 Вт до 16 Вт.

Напряжение на стабилитроне VD9 обеспечивает смещение (-25 В) и запирание лампы (-56 В).

С помощью Rшс 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, ХР3 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 подстроечным и дифференциальным конденсаторам осуществляется черезотверстия 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 Іа = 250 мА при Pвх = 3-5 Вт, 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 5С и 144 МГц совместно с трансивером UR5LAK. Входная мощность, подаваемая на УМ, регулируется в трансивере. Усилитель мощности нагружен антенной «Quagi» или GP на диапазоне 50 МГц и F9FT 16 элементов на 144 МГц.

Детали и их возможная замена

Панельки. Для лампы типа ГУ-29 используется стандартная панелька, а для ГУ-19 в самодельных УМ используется панелька для лампы ГУ-50без стакана.

Разъемы: ХР1 - сетевой разъем типа 2РМТ14Б4Ш1В1; XS4, XS5 - СГ-5; XW6, XW8, XW9 - ВЧ разъемы СР-50-73ф; ХР2, ХР3 - сетевые розетки; Х7 - клемма-зажим.

Постоянные резисторы типов МТ-2, МЛТ, С1 -4, С2-23, R3 мощностью 5 Вт, переменный резистор типа ППБ-ЗА.

Конденсаторы типов КД, КМ, КТ, К10-7В. Электролитические конденсаторы О, С2 К50-7 50+250 мкФ х 450/495 В. Конденсатор С1 установлен через изолирующую шайбу из фольгированного стеклотекстолита. Фольга служит минусовым контактом электролитического конденсатора.

Подстроечные конденсаторы С6, С19 типов КІІВ, КПВМ. Подстроечные дифференциальные конденсаторы С8, С18 типа «Бабочка» от радиостанции РСИУ-ЗМ, с уменьшенным количеством пластин. С5, 02, 03, 05 - проходные конденсаторы типов КТП, КТПМ-1 емкостью 3300 пФ.

Выключатель сети - ПКн41-1 2 или тумблер типа ТП1 -2. SA2 - переключатель керамический га летный.

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.

Диоды VD4.VD5 - любые маломощные выпрямительные диоды. VD6-VD8 - стабилитроны Д8І7 с общим напряжением стабилизации 225 В, установлены на радиаторах и изолированы от корпуса. VD9 - стабилитрон Д8І7А или несколько последовательно включенных на такое же напряжение.

VD10 любой универсальный и импульсный диод.

Источник: Вербицкий Л.И., Вербицкий М.Л. - Настольная книга радиолюбителя-коротковолновика. (ur5lak.qrz.ru).