Усилители мощности с общей сеткой с применением металлокерамических триодов широко используются радиолюбителями на протяжении многих лет. Преимущества такого усилителя – хорошая линейность, повышенная устойчивость в работе, высокие энергетические показатели. Недостатки – малый коэффициент усиления (10…25), а также большая, чем в усилителях с общим катодом, требуемая мощность возбуждения [1].
В схемах с общей сеткой иногда используются тетроды и пентоды в триодном включении. Последние, у которых лучеобразные пластины или третья сетка соединены с катодом внутри лампы, не рекомендуется применять в схеме с ОС, т.к. они склонны к самовозбуждению. Есть мнение, что тетроды и пентоды лучше вообще не применять в триодном включении.
Схема линейного усилителя мощности класса 1 кВт, с применением металлокерамического триода ГС-35Б (рис.1) и сама статья ориентированы на среднего радиолюбителя, имеющего некоторые вопросы по изготовлению, возможно, своего первого усилителя подобного класса. В этом материале я не даю наставлений, как надо делать мощный усилитель, я лишь описываю свои впечатления от уже не первого сделанного мной усилителя на металлокерамике.
Многие годы усилитель мощности на ГС35Б является частью моей радиостанции. Свой первый усилитель класса 1 кВт на ГС-7Б (не путать с ГИ-7Б, hi!), я сделал 30 лет назад, в 1976 году, работая из Ростова-на-Дону позывным UA6LFC (фото прилагаю).
Экземпляр усилителя, который я эксплуатирую сейчас, был изготовлен в 1990 году и в течение 15 лет он служит мне верой и правдой, работая без замечаний. Усилитель 1990г. виден на общем фото радиостанции, которое я тоже прилагаю.
Возможно, информация может быть полезна и тем, кто строит усилитель меньшей мощности на лампах ГИ-7Б, ГИ-14Б или подобных, поскольку их построения аналогичны рис.1 при соответствующих напряжениях анода и смещения.
Изготовление усилителя класса High Power дело тонкое, хоть и не такое сложное, как скажем изготовление современного трансивера.
Однако, чем выше мощность, тем выше ответственность за качество передающего сигнала.
Технические характеристики усилителя на ГС-35Б Класс работы – В2 Входное сопротивление – около 50 Ом Выходное сопротивлении – 50 Ом Эквивалентное сопротивление анодного контура – 2 кОм Напряжение анода – 3000 В Мощность, отдаваемая в нагрузку – не менее 1 кВт КПД усилителя – 55…65% Мощность возбуждения – 80…100 Вт
Детали усилителя
Др.1 – накальный дроссель на круглом ферритовом стержне длиной 150 мм диаметром 8…12 мм, предварительно обмотанным стеклотканью. Проницаемость – 400. Намотка – в два провода. Количество витков – 25. Провод – ПЭВ диаметром 2 мм. Индуктивность не менее 35 мкГн.
Др.2 – анодный дроссель. Каркас – диаметром 30 мм. Намотка – виток к витку, образует обмотку длиной 70 мм, затем, ближе к аноду лампы – 17 витков с принудительным шагом. Индуктивность – 195 мкГн. Провод – ПЭВ диаметром 0,5 мм.
Др.3 – дроссель ВЧ типа – 2,5 мГн (многосекционный, керамический каркас от от р/ст РСБ-5)
L1 – катушка П-контура диапазона 28/21 МГц. Материал – медная шина 1х10 мм.
Количество витков – 3,5. Отвод на 28 МГц – от 2,5 витка. Диаметр оправки – 40 мм.
L2 – диапазон 14 МГц. Материал – медная трубка 6 мм. Количество витков – 5,5…6.
Диаметр оправки – 50 мм.
L3 – диапазон 7/3,5/1,8 МГц. Материал – голый медный провод диаметром 2,5 мм.
Количество витков – 20. Диаметр ребристого каркаса из радиофарфора – 75 мм. Индуктивность – 20 мкГн.
Во всех катушках П-контура намотка выполняется так, чтобы расстояние между соседними витками равнялось диаметру применяемого провода (трубки). На диапазонах 21 и 28 МГц расстояние между витками катушки равно толщине шины, т.е. 1 мм. VD1…VD7 – стабилитроны Д815А, установленные на отдельных радиаторах и изолированы от корпуса. VD8 – стабилитрон Д817А. VD9, VD10, VD11 – диоды 1N4007, 1000 В, 1 А или другие. РА1 – измерительная головка – 1,5 А. РА2 – измерительная головка – 0,5 А. PV1 – измерительная головка – 500 мкА С1 – 10…500 пФ с зазором 3…4 мм. С2 – 2200 пФ, тип – К15У, рабочее напряжение – 10 кВ, С3 – 2000 пФ, от лампового вещательного приемника. С4 – 1000 пФ, тип – КВИ-3, рабочее напряжение – 10 кВ. С5 – 2200 пФ, тип – КВИ-3, рабочее напряжение – 10 кВ. С6 – 0,01 мкФ, 1 кВ, дисковый керамический. C7 – 0,01 мкФ, 300 В. С8, С9, С10 – 0,01 мкФ, 1 кВ, дисковые керамические. Реле К1 – РПВ2/7 ВЧ типа, рабочее напряжение – 27 В. Реле К2 – реле ВЧ типа, рабочее напряжение – 27 В, контакты – 5…8 А. Реле К3 – РЭС-47, рабочее напряжение – 27 В. S1 – переключатель галетный, керамический. S2 – Мощный керамический галетный переключатель ВЧ типа, на ток 7…8А. Л1 – лампочка сигнальная, рабочее напряжение – 27 В. Возможно включение светодиода через ограничивающий ток резистор.
Блок питания (рис.2) содержит следующие детали VD1…VD20 – выпрямительные диоды 1N5408, 1 кВ, 3 А или другие. С1…С20 – 0,01 мкФ, 1 кВ, дисковые керамические. R1…R20 – 390 кОм, мощность 0,5 Вт. R21, R22 – 30 Ом, тип ПЭВ-10. К4 – реле переменного тока. Контакты – 10 А, Uраб – 220 В. К5 – реле переменного тока. Контакты – 5 А, Uраб – 220 В. К6 – реле схемы защиты по току с тремя группами контактов. Uраб – 27 В. Т1 – силовой трансформатор, габаритная мощность 2500 ВА. Напряжение вторичной обмотки – 2400 В при токе 0,8 А. Т2 – накальный трансформатор ТН-46 Т3 – трансформатор – ТН-36, ТН-46. S1 – Реле включения сети. Ток контактов – 10 А.
Назначение элементов блока питания
R21 – для ограничения тока в первичной обмотке высоковольтного трансформатора в момент включения, чтобы предотвратить выход из строя диодов во время заряда конденсаторов фильтра.
R22 – для ограничения тока накала лампы в момент включения. Значительно повышает срок службы лампы. Спустя 20…40 мс эти резисторы выкорачиваются контактами реле. Задержка слышна на слух. Номиналы R21 и R22 должны подбираться. Так, при емкости фильтра в высоковольтном выпрямителе 25 мкФ – R21 = 30 Ом. При 250 мкФ потребовался резистор 15 Ом. Влияет также и тип применяемого реле.
Выпрямитель собран по двухполупериодной мостовой схеме. Максимальное обратное напряжение диодов должно быть в 1,4 раза больше входного действующего напряжения[2]. Пример одного плеча диодного моста изображен на рис.2.
Не стоит уменьшать количество диодов – надежность, прежде всего.
Диоды зашунтированы резисторами R1 – R20 для равномерного распределения обратного напряжения на них. Номиналы этих резисторов рассчитывают по формуле R(Ом)=PIVх500, т.е. обратное пиковое напряжение диода умноженное на 500. Шунтирующие конденсаторы С1 – С20 необходимы для устранения так называемого "белого” шума генерируемого диодами, а также для предотвращения возникновения импульсных кратковременных перенапряжений. Конденсаторы фильтра должны быть выбраны из расчета 10 мкФ емкости на каждые 100 мА анодного тока лампы. В моем случае емкость фильтра – 50 мкФ на 6000 В, хотя при токе 0,8 А требуется емкость 80 мкФ.
Резисторы R23 – R26 (560 кОм 4 шт.) шунтируют конденсаторы фильтра С23 и С24 в БП +3000 В и служат для разряда последних после выключения выпрямителя, что предписывают нам правила техники безопасности. При суммарном значении этих резисторов – 2240 кОм (2,24 МОм) говорить о выравнивании напряжении на конденсаторах фильтра не приходится.
Для выравнивая напряжения на конденсаторах постоянное сопротивление резисторов рассчитывают так, чтобы на каждый 1 В полного напряжения приходилось 100 Ом сопротивления. Иными словами, для определения общего сопротивления резисторов в Омах нужно значение выходного напряжения БП умножить на 100. При напряжении холостого хода выпрямителя 3200 В суммарное значение нагрузочных резисторов должно быть 320 000 Ом, т.е. 320 кОм. Суммарная мощность этих резисторов при напряжении 3200 В будет достаточно высокой и составит 32 Вт. При работающем источнике питания на нагрузочных резисторах значительно выделяется тепло – необходим их запас по мощности. Высокоомные резисторы – это почти всегда проволочные резисторы, и перегрев часто выводит их из строя. В связи с отсутствием мощных резисторов такого номинала, автор отказался от выравнивания напряжения на конденсаторах фильтра и установил те резисторы, которые просто обеспечивают разряд конденсаторов после выключения блока питания.
Резисторы R27…R36 – 1 МОм каждый – добавочные резисторы измерителя высокого напряжения PV1, который находится на передней панели выносного блока питания.
Калибровочный резистор Rдоп. входит в общий номинал добавочных резисторов, т.е. в состав цепи, общее сопротивление которой – 10 Мом.
Предохранители БП установлены на диэлектрической пластине.
В высоковольтном выпрямителе в качестве фильтра нежелательно использовать электролитические конденсаторы вследствие разброса их параметров и плохой работоспособности при неравномерном распределении напряжения на них. В данном выпрямителе, с учетом падения напряжения на диодах и наличия конденсатора фильтра – 50 мкФ на 6000 В, напряжение холостого хода равно 3200 В, а при настроенном в резонанс П-контуре, т.е. под нагрузкой – 3000 В. Падение напряжения 200 В это нормально для такого класса усилителя. При выходном напряжении БП – 3000 В не следует применять конденсаторы с рабочим напряжением 3000 В – есть риск их пробоя. Это относится и к бумажным конденсаторам тоже, а к электролитическим в первую очередь. Если напряжение холостого хода БП равно 3200 В, то умножив эту величину на 1,41 получим рабочее напряжение требуемых конденсаторов фильтра, т.е. 4512 В.
Реле К1, К2, К3 (Uпит = 27 В) ВЧ блока усилителя, а также схема индикации питаются стабилизированным напряжением +26 В.
Низковольтный выпрямитель +26 В при токе 1 А (рис.3) выполнен на КР142ЕН12А, хотя лучше применить импортную – LM317. Микросхема устанавливается на радиатор, который изолируется от корпуса.
Собственно сам усилитель по схемным решениям многим знаком, хотя измерение тока сетки, тогда когда сама сетка сидит на земле и узел защиты по току сетки у нас почему-то популярности не имеют. В зарубежных заводского изготовления усилителях с применением мощных триодов, в том числе и металлокерамических – это является основой схемотехники [3].
Следует помнить, что усилитель работает в классе В2, т.е. когда напряжение возбуждения превышает напряжение смещения. Имеет место ток сетки, который у лампы ГС-35Б при полной ее раскачке достигает 30% от тока катода. Для данного класса работы лампы это норма и здесь нет ничего общего с проблемами наличия тока первой сетки у тетродов работающих в классе АВ1. Здесь совершенно другая история.
В целях безопасности не производится измерение тока анода в цепи +3000 В. Измерения производятся в цепи -3000 В. Ток катода равен сумме токов сетки и анода.
Стабилитроны VD1…VD7 – Д815А задают необходимый ток покоя лампы, хотя современная элементная база сегодня дает возможность в этой части усилителя использовать аналог мощного стабилитрона на транзисторах [4]. Ток покоя в SSB составляет 120 мА, в CW – 60 мА.
В качестве конденсатора С1 применен переменный конденсатор от радиостанции "Микрон”. Механизм изменения зазора между пластинами был удален, а в тыльной части была установлена фторопластовая шайба. Таким образом, зазор после переделки стал постоянно большим, но максимальная емкость получилась порядка 170 пФ. С помощью ВЧ реле ”хлопушка” на 80 метровом диапазоне подбрасывается конденсатор типа К15-У – 100 пФ, а на 160 метрах – 330 пФ. Так как реле имеет две независимые обмотки питания, оно было установлено в перевернутом (нейтральном) положении, поэтому два диапазона перекрыты с помощью одного реле.
VD8 – Д817А – стабилитрон обеспечивающий запирание лампы в режиме приема, при передаче он выкорачивается контактами реле К3.
При подаче напряжения накала необходимо учитывать падение напряжения на накальном дросселе.
Не следует увлекаться питанием лампы пониженным напряжением анода, обеспечивая так называемый "легкий ” режим лампы. В такой ситуации нарушается отношение тока сетки и тока катода. Ток сетки в этом случае может составлять не 30% от тока катода, а 45-50%, что недопустимо. Для лампы это будет тяжелый режим [5].
Если необходима меньшая выходная мощность усилителя, следует уменьшить напряжение возбуждения, а не анодное напряжение.
С помощью R1 (10 Ом) в ВЧ блоке усилителя производят измерение тока сетки. На транзисторах VT1 и VT2 – КТ315Д (2N2222А) выполнена схема индикации тока сетки. Потенциометром R3 510 Ом устанавливают порог срабатывания зеленого светодиода при токе сетки 30% от тока катода при настроенном П-контуре. Потенциометром R6 устанавливают порог срабатывания красного светодиода при токе сетки чуть больше 30%. Потенциометром "Чувствительность” – 4,7 кОм настраивают порог срабатывания схемы защиты по достижении тока сетки более 35%.
При неправильном согласовании усилителя с антенной, обрыве самой антенны, а также перекачке и перегреве лампы резко возрастет ток сетки и, соответственно, загорится красный светодиод, что обратит внимание оператора на неправильную работу усилителя. Далее отработает реле К6 – сработает схема защиты и усилитель перейдет в режим "Обход”. Загорится сигнальная лампочка Л1.
После обследования причин аварии, нажав кнопку Кн1 (Сброс) усилитель возвратится в прежний режим работы. Резисторами 680 Ом в цепи транзисторов VT1 и VT2 устанавливают ток в пределах 10 мА, в зависимости от типа применяемых светодиодов. При подаче даже относительно небольшого напряжения возбуждения на вход усилителя, сразу появляется ток сетки, что выражено в показаниях прибора РА2 (Ток сетки) – необходимо сразу же произвести подстройку элементов П-контура для отвода ВЧ энергии в нагрузку. Несмотря на то, что входное сопротивление усилителя низкое, рекомендуется применять переключаемые входные контура. Такие контура имеют низкую добротность – порядка 2.
При их настройке усилитель должен находиться в штатном режиме работы, т.е. при полном анодном напряжении лампы, полной мощности возбуждения и согласованной антенной системой.
Настройка производится по минимуму КСВ на участке между трансивером и входом усилителя. Если в трансивере применяется П-контур с переменным конденсатором "Связь с Антенной” на выходе, проблем согласования со входом усилителя не будет, однако входное напряжение становится несимметричным. Это приводит к определенному уровню нелинейных искажений и уменьшению КПД на 5%.
Конструктивно лампа может быть расположена как горизонтально, так и вертикально. В данном экземпляре усилителя обдув лампы (до 150 куб.м/час) осуществляется со стороны анода, т.е. поток воздуха проходит от анода к катоду и выходит за его пределы. Панелька представляет собой мощный теплоотвод от сетки лампы на шасси усилителя. Материал – бронза, латунь.
Катушки П-контура, анодный дроссель и радиатор анода лампы с целью уменьшения монтажной емкости располагают не ближе 5 см от металлических поверхностей усилителя.
Ламповый отсек усилителя отделен экраном от отсека, в котором находятся элементы П-контура, анодный дроссель, переключатель диапазонов и расположенные на передней панели измерительные приборы. В качестве входного и выходного (антенного) разъемов применяются разъемы ВЧ типа – СР-50. Переменный конденсатор С3 соединяют с гнездом "Антенна” внутри усилителя с помощью отрезка коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, т.е. равному номинальному выходному сопротивлению усилителя.
Блок питания усилителя выполнен в виде отдельного устройства. Для подачи высокого напряжения +3000 В в ВЧ блок усилителя применяется отрезок толстого коаксиального кабеля, предварительно удалив с него пластмассовую оболочку и экран. Для подачи +3000 В применяются разъемы ВЧ типа – СР-75 (чтобы не спутать с входным и антенным). Наличие фторопласта, как составной части разъема хорошо зарекомендовало себя при подаче высокого напряжения в усилитель. Напряжение -3000 В подается медным проводом диаметром 2-3 мм в обычной, но хорошей изоляции, повышенных требовании к нему нет, т.к. напряжение между шиной -3000 В и шасси усилителя незначительно. Напряжение питания накала лампы подается через пару экранированных проводов соответствующего диаметра. Экраны на концах заземляют в ВЧ блоке и в выпрямителе. Корпус ВЧ блока усилителя и выпрямителя тщательно соединяют между собой и заземляют.
Усилитель калибруют на эквиваленте, а уж потом антенны настраивают по минимуму КСВ. Для калибровки П-контура усилителя применялся эквивалент антенны 50 Ом от радиостанции Р140. Подбор витков в П-контуре производят по максимуму ВЧ напряжения на эквиваленте. При эксплуатации усилителя с высокоомными длинопроводными антеннами рекомендуется использовать антенный тюнер [6].
Несмотря на то, что П-контур работает в широком диапазоне сопротивлений, автор всегда применяет антенное согласующее устройство, т.к. КСВ даже у диапазонной антенны, вне ее полосы пропускания, т.е. на краях расчетного диапазона оставляет желать лучшего. Исключением являются широкополосные антенны, но это очень узкий перечень антенн. В этом смысле антенный тюнер подставляет усилителю ту нагрузку, на которую он калибровался. Результат – меньшее выделение тепла лампой, лучшая фильтрация П-контуром гармоник, собственно сам П-контур и анодный дроссель в усилителе в этом случае совсем не греются.
При изготовлении усилителя не следует на чем-либо экономить. Количество диодов в диодном мосте, мощность силового трансформатора, контактов силовых и антенного реле, рабочее напряжение и емкость конденсаторов фильтра в БП должны быть взяты не менее тех, которые предписывает нам радиотехника.
Излишнее уменьшение корпуса усилителя тоже неоправданно. Cклонен думать, что лучше сделать один раз нормально, чем потом все заново переделывать. У меня это уже было, а у Вас?
Провода, материалы, качество монтажа и собственно сам дизайн, включая переднюю панель не менее важны, чем КПД усилителя и проведенные на нем дальние связи.
Успехов и хорошей работы в эфире!
Игорь Подгорный, EW1MM. г. Минск ew1mm@mail.ru
Литература: И. Подгорный, EW1MM. Линейный Усилитель Мощности на металлокерамическом триоде. – Радиолюбитель. КВ и УКВ, 1995, N7, С.34 – 36. Р.Трейстер, Дж.Мейо. 44 источника электропитания для любительских электронных устройств. – New York, TAB Books Inc., 1987. William I. Orr, W6SAI. – Radio Handbook, Howard W. Sams & Co., 23rd Edition, 1987. В. Лазовик, UT2IP. Автоматическое смещение в Усилителе Мощности. Радиомир.КВ и УКВ, 2005, N5, C.25 Журналы CQ, 1975 – 2006. И. Подгорный, UC2AGL. Антенный Тюнер. – Радиолюбитель, N1, 1991, C.8 – 9.
