Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности SSB
Современная элементная база позволяет радиолюбителям создавать приемопередающие устройства, трансиверы коротковолнового диапазона обладающие высокими техническими параметрами и в частности с хорошо сформированным однополосным сигналом. Сформированный сигнал перед его подачей в антенну необходимо усилить до требуемого уровня, причем так, чтобы при этом сохранились неизменными все основные характеристики однополосного сигнала и не возникли дополнительные нелинейные искажения. Для усиления сигнала до необходимого уровня можно использовать транзисторные или ламповые усилители, как правило, многокаскадные, ибо одного каскада усиления оказывается недостаточно. Чем больше каскадов усиления, тем больше вероятность получить искаженный сигнал. Уменьшить же количество каскадов усиления за счет увеличения коэффициента усиления каждого из них не удается из-за создания условий для самовозбуждения.
В радиолюбительской практике используются выходные каскады усилителей мощности радиопередающих устройств выполненные по каскодной схеме транзистор + лампа, так называемые “гибридные” каскады. Существует мнение, что в таких усилителях невозможно получить линейное усиление сигнала. Такого же мнения на протяжении длительного времени был и автор статьи, но более двух лет тому назад, после дискуссий на техническом круглом столе, автор провел серию экспериментов с усилителями выполненными по каскодной схеме и пришел к выводу, что идея имеет право на существование, а качество работы усилителя зависит от правильного выбора элементов и тщательности настройки самого усилителя.
В усилителях собранных по каскодной схеме внутренняя обратная связь между выходом и входом осуществляется через последовательную цепь, благодаря чему проводимость внутренней обратной связи значительно уменьшается (от 100 до 2000 раз), а устойчивое усиление возрастает соответственно от 10 до 100 раз, причем без применения дополнительных мер по нейтрализации. В таких каскадах коэффициент усиления по напряжению равен коэффициенту усиления по напряжению второго каскада, а коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по мощности первого каскада. Исходя из вышеизложенного, в каскодных усилителях необходимо применять элементы: полевой транзистор + лампа. Биполярные транзисторы малопригодны для работы в каскодной схеме с мощными лампами из-за плохой линейной характеристики, здесь необходимы полевые транзисторы имеющие большое напряжение исток-сток, хорошую линейность, малую входную емкость, достаточно большой ток стока. Среди известных автору транзисторов отечественного производства в настоящее время полевых транзисторов обладающих всеми перечисленными требованиями нет, а среди зарубежных, есть достаточно мощные, но, к сожалению, они обладают значительными входными емкостями (600-1000 пФ). Как выход из создавшегося положения разработана необычная “многоэтажная” каскодная схема усилителя.
По мнению автора для реализации такой схемы наиболее подходят планарные полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа КП901А (напряжение сток-исток 70 В, входная емкость 10–50 пФ, ток стока 4 А, обладает хорошей линейной характеристикой начиная с тока 10–20 мА).
Вниманию читателя предлагается разработанный и испытанный на практике “Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности однополосных сигналов”. Схема позволяет использовать одну или две лампы ГК-71, ГУ-13 и им подобные или одну ГУ-80, ГУ-81М.
Основные характеристики усилителя на двух лампах ГУ-13:
- диапазон частот от 1,4 до 30 МГц;
- подводимая мощность в режиме несущей 580 Вт;
- выходная мощность в режиме несущей 360 Вт (320 Вт на 30 МГц);
- уровень комбинационных искажений третьего порядка не хуже минус 32 дБ;
- входное сопротивление 75 Ом;
- выходное сопротивление 50–75 Ом;
- мощность возбуждения 0,33 Вт;
- ВЧ напряжение на входе ~5 В;
- усиление по мощности 30,4 дБ.
В усилителе (рис.1) используются три транзистора КП901А и две лампы ГУ-13. Блок питания анодной цепи должен обеспечить необходимую мощность, иметь низкое динамическое сопротивление, т.е. емкость фильтра должна быть в пределах 50 – 100 мкФ. Анодное напряжение 2000 – 3000 В. Для питания экранных сеток ламп необходимо иметь стабилизированное напряжение 250 – 300 В. Стабилизированный регулируемый источник напряжения смещения выполнен на VD1, VD2, VT1.Транзисторы КП901А (2П901А) перед установкой в схему желательно подобрать по начальному току стока 0–30 мА, а затем по совпадению характеристик в точках 20–30 мА и 500–600 мА с точностью ±10%. ГУ-13 также должны быть с близкими параметрами.
Для защиты VT2-VT3 от перенапряжения и пробоя предусмотрена схема защиты, состоящая из цепочки диодов (VD5-VD9) и стабилитронов (VD10-VD11), включенной параллельно транзисторам.
Несколько необычно выглядит и колебательная система усилителя, т.к. автор применил комбинированное (последовательно-параллельное) питание генератора. На диапазонах 28;24;21 МГц - комбинированная, а на остальных - параллельная схема питания. В реальной конструкции при использовании параллельной схемы питания анодной цепи ламп и высоком выходном сопротивлении каскада практически невозможно изготовить П контур с оптимальными параметрами для работы на высокочастотных диапазонах - сказываются емкости ламп, монтажа, анодного дросселя и начальная емкость анодного конденсатора. Схема двойного П контура примененная в усилителе устраняет указанные недостатки и эффективно подавляет гармоники.
На рис.2 приведена эквивалентная схема колебательной системы усилителя для работы в диапазоне 28 МГц из которой видно,что на этом диапазоне используется катушка L8 “28”, образующая совместно с выходными емкостями ламп Сл и конденсатором С25 П контур для диапазона 28 МГц. Этот контур подключен к общему (основному) П контуру усилителя состоящему из С25, L (L12, L13, в положении S1 – 28) и С26.
При переходе на диапазоны 24 и 21 МГц в П контуре задействованы часть витков катушки L12, а анодный конденсатор С25 фактически подключается к отводу катушки образованной последовательным соединением катушек L8 “28” и L12. Такое включение снижает влияние емкостей ламп и дросселя на контур и позволяет получить хорошие результаты при работе на диапазонах 24 и 21 МГц.
На более низкочастотных диапазонах, 18 МГц и ниже, влияние индуктивности катушки L8 “28” незначительно и схема приобретает вид классического П контура при параллельном питании ламп.
Недостатком схемы двойного П контура является повышенная сложность его настройки. При желании можно использовать обычное включение П контура с последовательным питанием для диапазона 28 МГц . В этом случае при работе на диапазоне 28 МГц необходимо использовать отвод обозначенный на принципиальной схеме как 28*, а отвод обозначенный как 28 не задействуется.
Предусмотрена система повышения надежности работы антенного реле при переключении антенны на прием. В этом режиме даже реле с контактами, содержащими драгоценные металлы, не всегда обеспечивает надежный контакт. Для устранения этого явления через контакты в режиме приема протекает ток 2–3 мА, т.е. при переключении присутствует так называемый эффект “микросварки” и тем самым обеспечивается надежный контакт.
Транзисторная часть усилителя выполнена в виде отдельного блока размером 80 х130 х 50 мм (рис.3). Транзисторы укреплены на радиаторе размером 80 х 130 х 25 мм, монтаж навесной и закрыт в коробку прикрепленную к радиатору. Блок установлен с внешней стороны усилителя на задней стенке (рис.4 – эскиз расположения основных деталей усилителя). Для устранения передачи тепла от задней стенки усилителя мощности на радиатор транзисторной части между ними имеется воздушный зазор 10 мм.
Детали
L1, L2, L10, L11 - по 10 витков ПЭВ-2 0,15 мм на МЛТ-0,5 4,7 кОм; L3 – 7 витков в два провода ПЭВ-2 1,5 мм на двух сложенных вместе кольцах 2000 НМ К40х25х7,5; L4 – 50 витков ПЭЛШО 0,25 мм на фарфоровом стержне Ж10 мм; L6, L9 – по 4 витка ПЭВ-2 0,5 мм поверх R5, R15 МЛТ-2 30-51 Ом; L7 – 185 витков (секционированная рядовая намотка 100 + 50 + 20 витков, 2 мм между секциями, + 15 витков с шагом 0,5 мм) ПЭЛШО 0,25 мм на фарфоровом стержне Ж10–15 мм; L14 – 4 секции по 50 витков ПЭЛШО 0,2 мм (расстояние между секциями 2 мм) на диэлектрическом стержне Ж8 мм. Трансформатор Т1 – 6 витков в 4 провода ПЭЛШО 0,25 мм (одна скрутка на сантиметр длины для обеспечения входного сопротивления 75 Ом) на двух сложенных вместе кольцах 2000НМ К12х8х2. L8 “28” – 4 витка, бескаркасная Ж50 мм, посеребренная трубка Ж5 мм (длина катушки подбирается при настройке контура). L12 – 18 витков, бескаркасная Ж65 мм, посеребренная трубка Ж5 мм, длина намотки 180 мм. Отводы от: 1 витка (24 МГц), 2 витка (21 МГц), 3 витка (28 МГц), 7 витка (18 МГц), 9,5 витков (14 МГц), 12 витка (10 МГц), 16 витка (7 МГц). L13 – 23 витка, отвод от 9 витка (3,5 МГц), намотана на каркасе Ж70 мм (используется каркас катушки от радиостанции РСБ-5), одна треть катушки намотана с шагом 1,5 мм проводом Ж1,7 мм, остальная - обычная рядовая намотка.
Порядок работы по наладке усилителя
Для определения режима работы ламп и наладки усилителя понадобится отдельный регулируемый источник с Uмакс=60 В, с током 50–75 мА.
1. Соединить один из выводов накала ламп на корпус, обеспечив протекание анодного тока по цепи: плюс источника анодного напряжения – анод – катод - минус источника анодного напряжения.
2. Подключить регулируемый источник минусом на дроссель в цепи управляющих сеток ламп (предварительно отключив сеточную цепь) установить напряжение (-60 В).
3. Включить последовательно напряжения накала, смещения первой сетки (-60 В), анодное, экранирующей сетке.
4. Регулируя напряжение смещения на управляющей сетке, установить ток покоя лампы (анодный ток) в пределах 10 – 20 мА для одной лампы. Для двух ламп в рассматриваемой схеме он будет составлять 20 – 30 мА.
5. Замерить вольтметром напряжение смещения на управляющей сетке (в авторском варианте при напряжении на аноде 2000 В, напряжении на второй сетке 270 В, напряжение смещения на первой сетке Ес1 = -32 В).
Рассматривая анодно-сеточные характеристики ГУ-13 видим, что эта лампа со средней характеристикой работает с сеточными токами и достигает максимальной мощности при напряжении на управляющей сетке 80 В. Отсюда напряжение возбуждения на управляющей сетке составит: Umc= 80 - (-32 ) = 112 В. Точно также определяется напряжение возбуждения и для других ламп. Напряжение возбуждения и ток покоя для: ГК-71 (одна лампа) 130–140 В (I покоя 10–15 мА), ГУ-81М (одна лампа) 170–190 В (I покоя 25–30 мА). В целях повышения надежности работы усилителя выполненного на лампе ГУ-81М можно применить четыре транзистора КП-901А.
Для обеспечения линейного режима усиления принимаем остаточное падение напряжения на одном открытом транзисторе КП901А равным 10 В. Для трех транзисторов оно соответственно равно 30 В (Ет). Отсюда падение напряжения на трех транзисторах (на катоде ламп) составит: Еп = Ет+Umc = (30 + 112) = 142 В. Принимаем Еп мах = 150 В. На одном транзисторе Еп мах =150:3 = 50 В, что не превышает паспортных данных на транзистор (постоянное напряжение сток-исток 70 В).
Заключение
Усилитель обладает высокой устойчивостью к самовозбуждению. При правильно выполненных монтаже и расположении элементов его устойчивость выше, чем в схеме с общим катодом.
При изменении ШПТЛ и нагрузочных резисторов можно обеспечить входное сопротивление усилителя в пределах 10–100 Ом.
Усилитель испытан с одной и двумя ГУ-13, одной ГУ-81М на всех любительских КВ диапазонах и показал высокие результаты. Во время испытаний усилитель подключался к антеннам типа “Дельта”, “IV”, “Диполь”, а также к другим “случайным” антеннам с высоким КСВ, при этом он не искажал сигнал и не проявлял склонность к самовозбуждению. При длительной работе на передачу в режиме полной мощности (излучение несущей частоты) усилитель работал без перегрева до 10 часов, не выключаясь (на более длительное испытание не хватило терпения).
Следует напомнить, хороший линейный усилитель не украшает сигнал, а лишь усиливает его не внося при этом искажений.
Автор выражает благодарность радиолюбителям-конструкторам UT5TC, UA1FA, UA6YA и другим участникам технического круглого стола за содействие в измерениях при испытании усилителя.
С вопросами, возникающими при наладке усилителя, можно обращаться к автору на частоте 3704 практически ежедневно с 22.00 до 24.00 украинского времени, а также на других диапазонах.
Алексей Николаевич Дудов (UR5ZD) г.Первомайск, Николаевская обл.
