ALC дляГПД

Jack Hardcastle, G3JIR
Из журнала Radio Communication за октябрь 1995 г, стр. 45+46).

Уход частоты в генераторах связан с температурными изменениями, здесь можно выделить три различных механизма. Описанный ниже генератор перекрывает диапазон частот 4,0+4,35 МГц, имеет выходной уровень +7 дБм и уход частоты в худшем случае 28 Гц при повышении температуры на 5 градусов Цельсия.

Первая фаза ухода частоты происходит тогда, когда генератор включается, когда быстрый уход частоты вызван температурными изменениями, вызванными генерацией тепла, как транзистором генератора, так и другими деталями, входящими в его состав. Поскольку температурные постоянные деталей небольшие, то скоро (через несколько минут) уход частоты, связанный с этим прекращается и им можно пренебречь. Вторая фаза ухода частоты начинается тогда, когда тепло от буферных каскадов генератора и других каскадов достигает частотозадающих цепей, в этом случае происходит длительное медленное изменение частоты.

Поскольку у индуктивностей и серебряно-слюдяных конденсаторов положительный температурный коэффициент (ТКИ и ТКЕ), это медленное изменение частоты происходит в нижнюю сторону и может быть компенсировано применением в частото-задающих цепях керамических конденсаторов с отрицательным ТКЕ. Это позволит уменьшить время выбега частоты и, если никаких изменений в окружении генератора и в нём самом не производить, то его частота стабилизируется. Конечно, такая компенсация будет полезна и в условиях меняющейся окружающей температуры.

Третий механизм, вызывающий нестабильность частоты генератора, выступает тогда, когда частоту генератора перестраивают. На новой частоте амплитуда напряжения генератора становится другой из-за того, что усиление в схеме генератора частото-зависимо. Как следствие этого различные амплитуды напряжений в генераторе вызывают и разный нагрев составляющих генератор деталей, что, в свою очередь, приводит к изменению характера кратковременного и долговременного изменения частоты. В плохо отработанном генераторе этот, третий, уход частоты оказывается наиболее раздражающим из всех ранее упомянутых, так как будет возникать каждый раз, когда Вы возьмётесь за ручку перестройки генератора по частоте и перестроите его.

Управляя амплитудой генератора, поддерживая её на одном (более низком) уровне, можно значительно уменьшить две первые причины выбега частоты и избавиться от третьей.

Модификации генератора Вакара

Кроме добавления устройства следящего за амплитудой напряжения генератора и усилителя постоянного тока (УПТ), схема на Рис. 1 мало чем отличается от стандартной схемы генератора Вакара. Тем не менее, соотношения емкостей в схеме немного изменены и упразднён конденсатор, подключенный к первому затвору транзистора генератора и общему проводу. Это было предпринято для увеличения амплитуды напряжения генератора, чтобы сделать возможность поддержания стабильной амплитуды генератора (с помощью системы ALC) более надёжной. Для обеспечения лёгкости введения ALC применён двухзатворный полевой транзистор (ПТ), а именно, BF981 как менее шумящий. Этот транзистор доказал свою стойкость ко всякого рода нештатным ситуациям в союзе с применением резистора R2, который уменьшает рассеиваемую транзистором мощность. Первый экземпляр транзистора вылетел•, когда, при отсутствии R2, случайно, щуп мультиметра соскользнул, замкнув второй затвор на положительный полюс источника питания. Второй затвор TR1 позволяет осуществить тщательный контроль за амплитудой генерируемых генератором колебаний и хотя полезная область регулировки распространяется только от 4,5 до 6 В постоянного тока (на втором затворе), этого достаточно, чтобы регулировать напряжение генератора от 2,5 до 6 В от пика до пика•. При напряжении на втором затворе транзистора большем 6 В, генерация становится нестабильной, форма сигнала становится рубленой на нижних частотах (диапазона), но эта тенденция минимизируется подбором значения ёмкости конденсатора С4. При напряжении на затворе 2 транзистора ниже 4,5 В, генерация срывается и не возникает пока напряжение на затворе 2 поднимется до 5 В. Важно иметь в виду перечисленные обстоятельства и при настройке системы ALC обеспечивать диапазон рабочих напряжений системы без захода в область запрещённых значений (следует выбрать правильное положение движка потенциометра RV1). Зная ограничения системы, можно так настроить её, чтобы обеспечить практически постоянное выходное напряжение генератора во всех положениях ротора конденсатора переменной ёмкости (КПЕ) С2. В прототипе генератора выходное его напряжение было установлено равным 4 В от пика до пика• на стоке транзистора TR1, что находится близко к центру диапазона допустимых значений. Буферный усилитель был разработан с целью работы генератора на балансный модулятор SBL-1 и выдаёт уровень +7 дБм в нагрузку 50 Ом. Выходной трансформатор намотан на ферритовом кольце FT37-43. Частотная характеристика со входа на R4 и до выхода плоская до 8 МГц и может быть расширена до 10 МГц шунтированием R8 конденсатором ёмкостью 47 пФ. Выходной уровень в прототипе генератора устанавливался подбором значения сопротивления R4, которое, при необходимости, может быть изменено.

Конструкция катушки

Катушка L1 состоит из 24 витков эмалированного провода диаметром 0,25 мм (32SWG), намотана на керамическом каркасе диаметром 14 мм. Провод наматывался при пропускании через него тока в 4 А для нагрева провода. Если есть возможность, то через наматываемый провод желательно пропускать больший ток. Удивительно, какой большой оказывается должна быть величина тока, нагревающего одну жилку провода натянутого в пространстве. Нагрев провода при намотке обеспечит более плотное облегание каркаса при остывании. Все температурные изменения теперь будут в основном зависеть от каркаса, который имеет намного меньший температурный коэффициент, чем медь. (От автора перевода: во-первых, для нагрева провода не применяйте высокое напряжение, небезопасно и будет расходоваться большая мощность, во-вторых, напряжённая медь на каркасе будет при нагревании в схеме генератора играть•, вызывая нестабильность частоты. В своё время, при изготовлении катушки ГПД трансивера UW3DI (ламповый вариант) я наматывал катушку с сильным натягом, закрепив крайние витки, вставил внутрь каркаса жало стоваттного паяльника и поливая катушку клеем БФ-2 вращал каркас, равномерно прожаривая катушку, снимая механические напряжения, операцию повторял несколько раз, пока обмотка покрылась клеем полностью и стала как кость. Стабильность ГПД с такой катушкой получилась очень высокой UA9LAQ).

Рис. 1. ГПД по схеме Вакара с автоматической регулировкой выходного напряжения

Работа

Температурная компенсация введена в генератор путём составления части ёмкости С3 из керамических конденсаторов, имеющих отрицательный ТКЕ N750. Ёмкость в 33 пФ оказалась практически достаточной, а 47 пФ оказались избыточными для отличной компенсации. Выход из положения: включение конденсатора 47 пФ последовательно с воздушным подстроечным, что позволило точно настраивать температурную компенсацию. Другой подстроечный конденсатор в 30 пФ позволяет варьировать частоту, практически без изменения температурного коэффициента. Хотя С2 - высококачественный КПЕ, но и у него имеется свой ТКЕ, который в положении максимума обеспечивает температурный уход частоты вниз и в противоположную сторону, когда пластины КПЕ выведены, и это при полной температурной компенсации в центральном положении пластин ротора КПЕ. Лучшими результатами на сегодня являются достигнутые: -22 Гц/град - на 4,0 МГц, +8 Гц/град на 4, 175 МГц, +28 Гц на 4,35 МГц. Эти измерения были выполнены после прогрева генератора на 5 градусов по отношению к окружающей среде в течение двух часов в каждом случае. Любая попытка быстрее прогревать генератор приводит к ошибочным результатам из-за неравномерности прогрева всех компонентов. Очень малая величина ухода частоты хороша сама по себе, но и генератор и буферный усилитель обеспечивают и неплохие характеристики по гармоническим составляющим (табл. 1).

Табл. 1.

Сравнительная таблица уровней основной и высших гармоник ГПД.

Гармоника	Частота, МГц	Абсолютный уровень	Относительный уровень
1	4,36	+8,2 дБм	0
2	8,72	-22,3 дБм	-30,5 дБ
3	13,08	-27,4 дБм	-35,6 дБ
4	17,44	-46,2 дБм	-54,4 дБ
5	21,80	-47,2 дБм	-55,45 дБ

Это воспринимается как награда за некоторое усложнение схемы.

Заключение

Разработка любого генератора со стабильной частотой осложняется выбором частото-задающих компонентов, которые позволяли бы работать во всём диапазоне перестройки генератора (обеспечивали бы соответствующие пропорции), обеспечивали бы достаточную для генерации глубину обратной связи, однако, не чрезмерную, чтобы не портить форму колебаний генератора и не обогащать спектр выходного сигнала. Эти функции сосуществуют практически всегда, что касается настоящей схемы ГПД, то здесь применена дополнительная схемка, единственной функцией которой является регулирование обратной связи путём изменения усиления транзистора TR1. Установка условий для генерации осуществляется просто установкой движка потенциометра RV1. Поле для деятельности здесь ещё есть, особенно, если речь пойдёт о достижении максимально возможной стабильности частоты, но это, в основном, будет осуществляться установкой подстроечных конденсаторов, включенных последовательно с конденсаторами постоянной ёмкости с разными ТКЕ, которые являются частями ёмкости С3. Конструктивные данные ГПД не приводятся, поскольку целью статьи является стимулирование собственных разработок ГПД опытными радиолюбителями. Попутно возникает и к ним вопрос, сможет ли эта схема снизить шумы, обычно присутствующие в генераторах?

Приложение

Генератор по схеме Вакара не так-то легко настраивать на оптимальную работу в некотором диапазоне частот, особенно, если учесть невозможность применения сердечников в катушках генераторов, если мы желаем получить желаемую стабильность частоты. Но, вот, провести некоторое время с карманным калькулятором, чтобы вычислить оптимальные величины L1 и С3 и обеспечить желаемую стабильность можно.

Частото-определяющие элементы генератора L1, C1, C2 и С3 резонируют на частоте:

Где С результирующая ёмкость при подключении С1 последовательно с С2 и параллельно с С3.

При С2 в положении максимальной ёмкости:

С2 в положении минимальной ёмкости можно пренебречь, тогда:

В опубликованных примерах С1, обычно, равна 1000 пФ. Необходимый диапазон частот составляет: 4,0+4,35 МГц, что обеспечивает соотношение:

Необходимое изменение ёмкости для перекрытия диапазона составит квадрат отношения частот: 1,0875 х 1,0875 = 1,1827, так что:

Примем С1 = 1000 пФ, С2 = 70 пФ.

Отметьте, что значение ёмкости конденсатора С2 принято немного меньше номинального значения, поскольку это - стандартное изменение ёмкости КПЕ от минимума до максимума, кроме того, этот факт позволит обеспечить небольшой захлёст поддиапазонов один на другой (перекрытие диапазонов с запасом).

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень апрель, 2005 г