Широкополосный усилитель мощности

Как и в Портативной версии трансивера - это самый "нежный" блок с точки зрения заражённых стрелочной болезнью аматеров. Любители настройки выходных каскадов "по покраснению анодов ламп" - могут пропускать этот раздел. Построение транзисторных ШПУ рассчитано на действительно подготовленных в конструировании радиолюбителей. Как минимум - нужно отличать трансформаторы с "объёмным витком" от трансформаторов "биноклей". Описание может заинтересовать тех - у кого уже получались качественно и линейно работающие транзисторные усилители выходной мощностью не менее 20- 30Вт. Азы этой тематики следует черпать в ином источнике.

Первый каскад передатчика

Этот каскад разведен на одной из плат ДПФов или отдельной маленькой платке (в случае требования получения максимального усиления каскада). В качестве VT1 можно применять КТ368, 399, 355, 325. Транзистор используется в классе А. В качестве нагрузки широкополосный трансформатор на ферритовом кольце (К10-7; 600-2000НН; 10-7 витков в два провода d=0,16-0,25). Амплитудно- частотная характеристика формируется элементами R4, СЗ. Ток покоя выставляется при помощи R1 близкий к максимальному (20- 25 mА). Как показал опыт, очень часто на радио-рынке продают якобы КТ368А в пластмассовом корпусе с одной - двумя белыми точками. По своим параметрам такие транзисторы бывают хуже КТ315, попадаются даже с р-п-р проводимостью. Понятно, рынок реагирует на спрос очень быстро, а вот производители часто не успевают. Поэтому, чтобы всегда под рукой был нужный транзистор, берем кристалл КТ361 или КТ315 “лепим” их в иной корпус и по потребности рисуем им цветные метки - так получаются КТ368, 399, 3102Е и 3107 и т.д. Покупателю объясняем, что “это последний писк моды”, транзисторы только что испекли по наисовременнейшей технологии фирмы “FILIPS”. Чтобы не попасть в такую ситуацию, нужно найти транзисторы в металлическом корпусе (правда “братья с Кавказа” их давно уже вывезли) или в пластмассовом, но с надписью типа транзистора.

То же самое можно сказать и о ферритах, продающихся на радио- рынке. При покупке никогда не говорите какая проницаемость феррита нужна, лучше спросить какая есть, так как под рукой у продавца всегда есть дежурная коробочка где найдётся именно та проницаемость которую вы назовете. С большой долей риска, но все же можно отличить по внешнему виду феррит большой проницаемости. Он, как правило имеет более темный цвет (спекшийся уголь) крупнее зерно и марки НМ “звонятся” тестером. Ферриты небольшой проницаемости - серый цвет, иногда с налетом “ржавчины”, очень мелкое зерно и не “звонятся” тестером. Среди радиолюбительской общественности интересующейся “проблемами паяльника” ходят различные слухи о применении ферритов марок НН и НМ. Мне не удалось найти различия в качестве работы этих ферритов, по крайней мере в приводимой конструкции трансивера. Но в военной технике, особенно в передатчиках на транзисторах, чаще можно встретить ферриты марки НМ. Эта информация ни к чему не обязывающая, возможно кому-то захочется провести детальное исследование в этом направлении и в дальнейшем поделиться полученными выводами с радиолюбительской братией. Пытаться же выяснить по эфиру – “почему я его всё правильно сделал, а оно не работает или работает не так, как хочется”, дело бесперспективное – это пустая трата времени и того, кто спрашивает, и того, кто пытается ответить. Некачественный феррит влияет на амплитудно-частотную характеристику и затухание, вносимое трансформаторами. Отсюда и делайте выводы – поче-му ШПУ не отдаёт мощу на каком-нибудь из диапазонов, или нет чутья приёмника. Не забывайте, что это радиолюбительские разработки, плюс качество элементной базы, плюс наличие опыта (“масла в голове изобретателя”), плюс наличие горячего желания разобраться и “победить”, плюс наличие парка измерительных приборов, плюс умение этими приборами пользоваться, плюс и т.д. и т.п. Вообщем – без импровизации не обойтись. Ни в коем случае не нужно надеяться – что “спаяем по схеме, подадим питание и оно сразу заработает так, как должно”.

Усилитель мощности

Приводимый экземпляр платы усилителя мощности был создан методом многочисленных “нервных” стрессов. Это связано с ценами на мощные транзисторы и их невысокой надежностью. Первоначальные эксперименты с популярными типами транзисторов, которые неоднократно описывались на страницах радиолюбительских изданий нашими известными конструкторами, ни к чему “хорошему” не привели. Были испытаны КТ913, 922, 920, 925, 930, 931, 970, 971, 985, сборка КТ9105АС. После того, как собралась довольно увесистая кучка уже не транзисторов, а “желтого металлолома” для “братьев с Кавказа”, был произведен перерасчет “дебета в кредит” - последовали выводы. Основной из них - это: занимался ли кто-нибудь серьезно из наших популярных конструкторов этим вопросом ? Создалось впечатление, что основная масса публикаций по этой теме подводила повторяющего конструкцию НАМа к нервному стрессу, с последующим отрицательным отношением к транзисторным усилителям вообще. Из всего многообразия заслуживал внимания лишь нигде не опубликованный выходной каскад TRX “Прибой”. Потребовалось остановиться, провести основательную теоретическую подготовку в этом вопросе, проанализировать отечественную военную технику аналогичного класса и выходных каскадов импортных трансиверов. Основные тезисы при изготовлении ШПУ коротковолновых TRX: 1) нужно использовать транзисторы, специально созданные для линейного усиления частот 1,5-30 МГц это КТ921, 927, 944, 950, 951, 955, 956, 957, 980 и т.д., 2) выходная мощность не должна превышать максимального значения мощности одного транзистора двухтактного ШПУ, в военной технике этот показатель не превышает 25% от максимальной мощности транзистора, 3) предварительные каскады, по возможности, должны работать в классе А, 4) транзисторы для двухтактных каскадов подбираются в пары с идентичными характеристиками, 5) не нужно забывать, что у транзисторных мощных каскадов очень низкое входное сопротивление и при изготовлении отдельных транзисторных усилителей мощности, обязательно проводить “изыскания” с понижающими трансформаторами на входе усилителя, 6) ферриты для трансформаторов с “идеальными характеристиками” вряд ли удастся найти, из всего перечня, производимого нашей промышленностью можно обойтись проницаемостью 600-2000, 7) монтаж должен быть жестким, с выводами элементов минимальной длины, с запасом по мощности. Проще всего - это монтаж на печатной плате с опорными площадками, 8) экономия на размерах радиатора не оправдана, КПД таких каскадов можно считать 50%. Микроминитюаризация обычно заканчивается “нервными стрессами” с последующими материальными издержками, 9) не нужно пытаться получить максимальный коэффициент усиления от каждого каскада в целях их экономии - это повлечет за собой неустойчивую работу и постоянные “возбуды”. Целесообразнее добавить дополнительный каскад и уменьшить Кус остальных каскадов при помощи отрицательных обратных связей, 10) отрицательно сказывается на устойчивости работы усилителя, экономия на блокировочных конден-саторах и развязывающих цепочках, здесь лучше не экономить. Если придерживаться этих основных тезисов при изготовлении транзисторного усилителя, будет больше шансов избежать неприятностей, как при настройке, так и при последующей эксплуатации.

Все три каскада выполнены на одной плате размером 165х85 мм. За “исходную цифру” была принята выходная мощность порядка 70- 100Вт. Эта мощность без применения вентиляторов в длительном режиме теста. Если проводить аналогию с импортными трансиверами, то можно говорить о выходной мощности до 200 Вт PEP. Например, данные о выходной мощности одного из дорогих трансиверов TS - 950SDX приводимые фирмой -изготовителем таковы - SSB/CW/FCK/FM=150W PEP, AM=40W. Описываемый усилитель при подаче возбуждения от ГЧ-102 во время настройки, развивает до100Вэфф. на 50 Ом эквиваленте, можете пересчитать сколько это будет Ватт. Ни в коем случае не призываю постоянно “качать такую мощу”, т.к. в эфире разницы между 70 Вт и 150 Вт практически не ощущается. Если нужно кому-то “громко крикнуть” - тут нужен дополнительный “помощник”, который увеличивает выходную мощность хотя бы на порядок. Цифры в 70-100 Вт выходной мощности были выбраны из соображений современных условий на любительских диапазонах. При наличии более-менее согласованных антенн, этого достаточно для повседневной работы. Иногда даже удается выхватить какого-нибудь DX, правда, с второго-третьего захода. Такой мощности уже достаточно для раскачки практически всех популярных ламп.

В первом каскаде используется транзистор КТ913А. Это не лучший вариант, но из того, что производилось нашей промышленностью, выбирать не приходится. Возможны замены на КТ922А, 911, 904, 606. Ток покоя в пределах 120-200 мА. Цепочки отрицательной обратной связи С2, R3 и С4 R4, R5 влияют на АЧХ. При помощи С4 можно поднять АЧХ в районе 24-28 МГц. Данные С2, R3 влияют на общий наклон АЧХ. При помощи R2 подбирается ток покоя каскада. Если есть желание перейти на 12V питание этого каскада, наилучший транзистор здесь будет КТ939А - это прибор, который специально создан для линейного режима в классе А. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце диаметром 10-7 мм, проницаемостью 1000-2000, достаточно 7-10 витков в два провода d = 0,16-0,25 мм. Попытки применения различной скрутки проводов трансформатора, видимых изменений в работе каскада не даёт.

Следующий каскад выполнен на КТ921, это уже транзистор, созданный для “работы в линейных усилителях KB и УКВ диапазонов при напряжении питания 27V”. Лучшие результаты были получены при применении КТ955А. Ток покоя каскада 300-400 мА, выставляется при помощи резистора R7. Отрицательная обратная связь - элементы R8, R9, С7. Элементы R6 и С8 влияют на общий наклон АЧХ и соответственно на Кус. Включение дополнительного конденсатора, аналогичного С4, на АЧХ влияет незначительно. В качестве Т2 применен “бинокль”. Два столбика из колец d=10 мм проницаемость 1000-2000, общая длина набранного столбика 11-12 мм (3-4 кольца). Первичная обмотка 2-3 витка МГТФ 0,2-0,3 мм, вторичная 1 виток МГТФ 0,7-0,9 мм.

Выходной каскад двухтактный, здесь можно использовать КТ956, 944, 957. Лучшие по параметрам КТ956А. Следующие КТ944, имеют больший завал на ВЧ диапазонах. КТ957 менее надежен (максимальное напряжение коллектор-эмиттер 60В, у 956 и 944-100 В) позволяет получить большую мощность и меньший коэффициент усиления. Для качественной работы желательно подобрать пару, проверяя Кус при различных токах через транзистор (50 мА, 300 мА, 1-2 А). Хорошо подобранная пара обеспечит высокий КПД и максимальное подавление четных гармоник (более 30 DB). При использовании этих типов транзисторов и выходной мощности не более 50-60Вт выходные ФНЧ можно не использовать. Хуже всего подавлена третья гармоника (не менее 18 DB), при выходной мощности до 50-60 Вт её уровень обычно не превышает 0,5 Вт. При использовании настроенных антенн и согласующего устройства между антенной и трансивером ее слышно в радиусе нескольких сотен метров. Для сравнения - УМ TRX RA3AO на КТ913В, при выходной мощности до 10 Вт, “глушит” телевизор даже на ДМВ. С требуемой АХЧ придется повозиться подбором элементов R10-R13, C10-C11. Сложно дать “универсальные данные”, это связано с различными типами ДПФов, применяемыми в разных TRX. Затухание в них может значительно отличаться по диапазонам, поэтому раскачка усилителя будет различна. Емкости С10-С11 влияют на Кус. низкочастотных диапазонов, резисторы R10-R13 на высокочастотных. Емкостью С15 поднимают АХЧ в районе 28- 30МГц. В зависимости от материала колец Тр2 и качества подбора пары выходных транзисторов, иногда параллельно вторичной Тр2 полезно включить конденсатор емкостью 750-1500 пФ, эта мера поможет поднять АХЧ выше 24 МГц. Следует проконтролировать Кус на 10-14 МГц, чтобы здесь не произошел завал характеристики. Основная трудность подбора этих элементов в том, что подбирать их нужно при рабочей мощности. Т.к. подбор при малых мощностях не дает желаемого результата - импедансы будут не те, что “в крейсерском” режиме.

Сопротивление L4, L5 должно быть минимально, дабы не получить на них дополнительное автосмещение (достаточно ДМ1,2 8-15 мкГн). ТрЗ значительно влияет на качество работы усилителя. Данные трансформатора аналогичного промышленного каскада на КТ956А таковы: 1 тороидальный сердечник, 100НН-4, К16х8х6. 6 витков из 16 скрученных проводов ПЭВ 0,31, разделенных на две группы по 8 проводов, с отводом от точки соединения конца 1 группы с началом 2, обмотка отрицательной обратной связи -1 виток МГШВ-0,35 10 см длиной. Применение других типов ферритов проницаемостью 100-600 дает неплохие результаты. Количество проводов обмоток можно уменьшить до 12. Скрутка из двух проводов диаметром 0,8-1 мм иногда приводила к резонансам в районе 2-4 МГц. Выходной трансформатор Тр4 - бинокль, данные того же промышленного выходного каскада: 2 столбика из 7 тороидальных сердечников каждый, 400НН-4, К18х8х6. Первичная обмотка - виток оплетки от коаксиального кабеля, вторичная -2 витка из 10 проводов МПО-0,2 включенных параллельно. Вторичная обмотка располагается внутри первичной. Эксперименты с различными конструкциями этого трансформатора показали работоспособность ферритов проницаемостью 400-1000. Диаметр колец может быть 12-18 мм. Желательно подобрать кольца с минимальным внутренним отверстием. Идея, что вторичная обмотка должна заполнять все внутреннее пространство первичной, оказалась бесполезной. Подмечено в одном из фирменных усилителей мощности на транзисторах с Рвых 1000 Вт, вторичная обмотка выходных биноклей намотана обычным монтажным проводом в один провод. Здесь вторичку, тоже можно намотать в один провод, например МГТФ - 0,8-1 мм. Не нужно только забывать, что трансформатор греется, поэтому изоляция провода должна быть термостойкой. Ток покоя 100-200 мА на транзистор, выставляется при помощи R14. Транзистор VT5 через слюдяную прокладку крепится к радиатору. Один или оба диода VD4 и VD5 имеют тепловой контакт с ближайшим выходным транзистором. Реле К1 желательно применять хорошего качества. Неплохо работают герметизированные аналоги РЭС10 -РЭС34. Хотя и новые РЭС10 безотказно служат по несколько лет. Корпус реле следует заземлять. К выходу Тр4 подпаяна “защита от дурака”. Это 1-2 Вт резисторы общим сопротивлением 470-510 Ом. С точки их соединения снимается ВЧ напряжение для детектора измерителя мощности VD3 и системы ALC. В случае отказа К1, реле платы ФНЧ или отсутствия нагрузки в виде антенны, волновым сопротивлением 50-75 Ом, вся мощность будет рассеиваться на этих резисторах с КСВ=10. Это не так уж и плохо, т.к. отработает система ALC и уменьшит выходную мощность, если откажет и ALC, тогда наконец сработает “защита от дурака” - от этих резисторов пойдет “дух горелой краски” - вывод нерадивому пользователю - “смотри-горим !” Транзисторы такую экзекуцию свободно выдерживают при мощности до 100 Вт, завод-изготовитель гарантирует “степень рассогласования нагрузки (Рвых =70 Вт) в течении 1с 30:1”, в нашем случае получается 10:1, три секунды можем давить на передачу и соображать - “что же воняет?”. Если будет принято решение использовать усилитель с выходной мощностью не более 50-60Вт, при наличии согласованных антенн и дополнительного согласующего устройства между TRX и антенной, или усилителем мощности, плату ФНЧ можно не устанавливать, а распаять двухзвенный П-фильтр непосредственно на плате усилителя, с частотой среза 32 МГц, опорные точки для него на плате оставлены.

Система ALC и защита при высоком КСВ

В трансивере применены три цепи защиты выходного каскада от перегрузок. Первая - ограничение потребляемого тока. Это цепь защиты стабилизатора +24V от K.3. При выходной мощности усилителя до 100Вт, срабатывание защиты выставить на уровне 8,5-9А. Остальные цепи защит срабатывают через усилитель DSB на КП306. Напряжение на втором затворе этого транзистора определяет Кус и соответственно мощность всей линейки выходного каскада. Напряжение подается через ручной регулятор выходной мощности и транзисторный ключ, который управляется сигналом с датчика VD3, установленного непосредственно на выходе “бинокля” Т4 и напряжением от КСВ метра. В случае не подключения нагрузки к выходному каскаду, например вышло из строя реле блока ФНЧ, ВЧ напряжение на выходе Т4, возрастает, выпрямляется диодом VD3 и закрывает транзисторный ключ VT1- VT2. Соответственно напряжение на втором затворе VT7 падает и раскачка выходного каскада уменьшается. То же самое происходит при превышении КСВ допустимого уровня, с той лишь разницей что выпрямляется диодом VD1. Всю систему в целом настраивают, нагрузив выходной каскад на эквивалент, и при помощи резисторов R2 и R3 выставляют желаемые данные. При выходной мощности 100Вт пара КТ956А выдерживает КСВ до 3-5 и более. Можно ограничиться значением КСВ 3-4 при котором уже начнет отрабатывать система защиты. Для этого вместо эквивалента следует подсоединить нагрузку примерными значениями 20 или 150 Ом и выставить резисторами R2 и R3 начало срабатывания защиты. Общий коэффициент усиления можно ограничить при помощи R5. При применении КПЗ50 или КП306 напряжение на втором затворе следует выставлять не более 5-7V. Емкости С4 и С6 служат для плавной работы системы ALC. Если емкости малы - сигнал искажается, происходит резкое ограничение, неприятное на слух, если емкости велики - система с запаздыванием отреагирует на изменение нагрузки выходного каскада, при этом теряется весь смысл этих защит. Контролируя качество сигнала дополнительным приемником можно добиться “кенвудовского звучания”, регулируя глубину ALC и время ее отрабатывания при помощи R3,R2,C4,C6.

Фильтры низких частот

Фильтры работают и на прием и на передачу. Это стандартные двухзвенные ФНЧ. Для диапазонов 160, 80 и 40м применены отдельные фильтры - 10,14Mz; 18,21Mz и 24,28Mz совмещенные фильтры по два диапазона, для переключения используются реле РЭС10 или их герметизированный аналог РЭС 34. Как показал опыт, в случае применения новых реле, они работают надежно. Так как мощности одного дешифратора 155ИД10 недостаточно для переключения таких реле, пришлось применить дополнительные транзисторные ключи. Расчетное входное сопротивление и выходное сопротивление ФНЧ равняется 50 Ом. При практических испытаниях пришлось немного корректировать данные ФНЧ со стороны усилителя мощности. Это связано с тем, что выходное сопротивление УМ немного отклоняется в ту или иную сторону от 50 Ом в зависимости от рабочей частоты. На плате разведено дополнительное реле, которое можно задействовать если потребуется отключение ФНЧ в режиме приема.

Диапазонные полосовые фильтры

В нескольких экземплярах трансиверов прошли испытания различные полосовые фильтры. Проверены фильтры, рекомендованные В.В. Дроздовым на каркасах диаметром 7,12,16 мм, фильтры от “Урал 84М”, “Роса”, “КРС-81”, два варианта трехконтурных фильтров на каркасах 6мм и 9мм неизвестных авторов. В итоге пришлось выбрать компромиссное решение - двухконтурные фильтры на каркасах от современных телевизоров диаметром 7-8 мм. По своим параметрам это конечно, не самый лучший вариант, но с задачей селекции по зеркальным и побочным каналам они вполне справляются (при промчастоте не ниже 8Мгц).

Изображения к статье