Усилители мощности (без силового трансформатора)
В.Кулагин, (RA6LFQ), Волгодонск-26
Данная статья является дальнейшим развитием идеи бестрансформаторного питания [1].Во всех приведенных ниже схемах нумерация элементов, выполняющих одно и то же назначение, сохранена от схемы к схеме. Дополнительные новые элементы схем имеют сквозную нумерацию. Если нет какого-то очередного номера элемента, это значит, что он был в предыдущей схеме (а на данной этого номера просто нет).
1.Усилитель низкой частоты
Схема УНЧ (рис.1) известна как трансформаторная. Особенность ее - в отсутствии силового трансформатора. Питание анодов ламп осуществляется от сети 220 В по схеме удвоения напряжения и Ua-к=620 В. Накал ламп- от сети 220 В через токоограничивающий конденсатор С6. В качестве Тр1, Тр2 можно использовать силовые трансформаторы от старых ламповых радиоприемников со средней точкой во вторичной обмотке (как правило, в них устанавливали кенотроны типа 5Ц4С, 5ЦЗС и т.д.). Сетевая обмотка этих трансформаторов используется как высокомный выход при работе в линию на абонентов, накальная обмотка - как низкоомный выход.
Puc.1В любительских условиях в качестве выходного трансформатора может использоваться силовой от ламповых радиоприемников без средней точки на вторичной обмотке (например от "Рекордов"), но для этого нужно сетевую и повышающую обмотки включить последовательно, а точка соединения и будет средней.
В качестве входного трансформатора, в любительских условиях может использоваться выходной трансформатор от ламповых усилителей старых радиоприемников с двухтактным выходным каскадом (две лампы 6П14П, две 6П6С и т.д.).
Данный усилитель обеспечивает при Рвх=20...30 Вт на выходе Рвых=120... 130 Вт. Конденсаторы С4, С5 ограничивают анодный ток ламп, пропорционально своей емкости, например если С4=С5=20 мкФ каждый, то анодный ток ламп ограничен на уровне 400 мА.
Использовать С4, С5 большей емкости нет смысла, т.к. анодный ток двух ламп не превышает 350 мА. К тому же, чем больше емкость этих конденсаторов, тем больше бросок тока при первом включении в сеть 220 В и возможен пробой диодов. В качестве диодов могут быть использованы Д226 или им подобные, включенные попарно параллельно.
2. Широкополосный усилитель мощности KB
Схемотехника усилителя (рис.2) практически ничем не отличается от УНЧ, только трансформаторы выполнены на ферритовых кольцах. Причем до частот 7 МГц с успехом можно применять кольца 2000НН, но лучше - 400...600НН; при работе до 28 МГц - 50 ВЧ, при этом обеспечивается минимальный завал АЧХ на ВЧ диапазонах. Должна быть хорошая изоляция между первичной и вторичной обмотками. Обмотки содержат по 12...15 витков каждая.
Puc.2Выходной трансформатор - типоразмера К40х25х25 или близкий к нему. Входной трансформатор - К16х8х6 или близкий к нему. Типоразмеры могут быть обеспечены за счет набора из нескольких колец. При Рвх=30 Вт ток анодов ламп составлял 250 мА при Uа-к=620B.
3. Усилитель мощности KB с общим катодом
Как известно, схема включения ламп с общим катодом требует полного набора питающих напряжений: анодного, экранной сетки, управляющей сетки, накального (рис.3).
Обычная схема удвоения сети (220В) дает источник для питания анодно-экранных цепей ламп (+620В +310 В). Для питания накалов ламп используется конденсатор С6, который ограничивает ток накалов.
Puc.3Источник отрицательного напряжения собран на Tp1, V9...V12, С20. В качестве Тр1 используется малогабаритный трансформатор, т.к. потребление по управляющим сеткам очень мало.
Хочу заострить внимание на том, что подобные схемы имеют два "общих провода". Один -для схемы по постоянному току, это минусовая обкладка конденсатора С5, обозначенная 0В. Относительно этой точки нужно производить измерения по постоянному току. Причем при этих измерениях надо соблюдать технику безопасности, т.к. такие цели не имеют гальванической развязки от сети. Например, чтобы измерить анодное и экранное напряжения, нужно "-" вольтметра подключить к точке 0В, а "+" вольтметра - на ножку 3 V5 либо V6. Это и есть напряжение на экранных сетках. Если на ножку 6 V5 либо V6 - это и будет анодное напряжение.
Чтобы измерить "-" на управляющей сетке, нужно поменять полярность вольтметра, т.е."+" вольтметра подать в точку 0В, а "-" - на ножку 2 V5 либо V6 и резистором R1 выставить ток покоя ламп в режиме ТХ - передача (без сигнала на входе). В режиме приема (RX) на управляющих сетках - максимальный "-" и лампы закрыты, ток через них равен нулю. Режим ламп выставляется резистором R1 в режиме несущей по прибору РА1. Двигая R 1 в сторону контакта реле Р2, уменьшают "-" на управляющих сетках до тех пор, пока идет линейный прирост показаний РА1. Как только линейный прирост прекратился, R1 слегка возвращают назад и фиксируют лаком.
. Вторым общим проводом является корпус усилителя - это общий провод для радиочастотного сигнала. И все измерения ВЧ-напряжений; если в этом есть необходимость, производятся относительно корпуса. Большинство элементов усилителя некритичны и могут значительно отличаться по номиналам. Например емкости С1, С2, С7, С8, С19, С1б могут колебаться в пределах 1000 ПФ...10000 пФ. Главное, чтобы они выдерживали напряжения схемы, т.е. С1, С2 - не менее 250 В, С8 - не менее 1000 В (он может быть набран из двух на 500 В), С7 - не менее 500 В, С19 - не менее 250 В, С16 - любой. С 14 - 80...200 пФ.
Критичен только один элемент - С9. Он должен иметь значительный запас по напряжению - не менее 1000 В, а главное, емкость его не должна быть более 3000 пФ. С9 - это та "изюминка" схемы, которая обеспечивает безопасность при бестрансформаторном питании. В случае обрыва общего заземления ток между корпусом и общим заземлением не достигает величины, поражающей организм человека, т.к. ограничен емкостью С9< 3000 пФ на уровне 250...300 мкА в самом неблагоприятном случае. Еще одна особенность- вместо дросселя в управляющей сетке используется резистор R5. Как показал опыт, использование резистора значительно попытает устойчивость каскада к самовозбуждению.
Также достаточно удачно решен вопрос использования контуров L7, L8, L9, L10, L11, L12. Они используются реверсивно, т.е. при приеме (RX) являются входными узкополосными с подстройкой входа С18, а при передаче (ТХ) - согласующими низкое выходное сопротивление трансивера (как правило, 50...75 Ом) с высоким входным сопротивлением лампового усилителя по схеме с общим катодом.
При передаче (ТХ) С 17 подключается параллельно C18, но т.к. емкость С17 мала (2пФ), она почти не влияет на настройку контуров L7, L8, L9, L10, L11, L12, аналогично Ссв подключается параллельно С12 и также не влияет на настройку контура. Ссв выполнен в виде одного-двух витков вокруг монтажного провода, соединяющего С10 с С12. Этот кусочек монтажного провода выполнен из высоковольтного провода, либо из коаксиального кабеля, с которого снята внешняя оплетка, а витки намотаны поверх толстого капронового наполнителя. Такой конденсатор связи выдерживает большие реактивные напряжения и токи и может применяться в более мощных усилителях. После малой емкости (Ссв) - и малые напряжения, поэтому Р1 не очень критично к зазору между контактами.
Данная схема коммутации антенны с RX на ТХ с реверсивным использованием элементов П-контура и входного "узкополосного" контура позволяет производить "холодную" настройку на корреспондента - по максимальной громкости, ручками С12, С13, С18, без излучения "несущей" в эфир, что значительно сокращает взаимные помехи и настройку на частоте ДХ-ов. Вместо L7, L8, L9, L10, L11, L12 можно обойтись всего двумя катушками: одна настраивается на ВЧ-диапазонах - на 28 МГц минимум С18, другая - на 7,0 МГц с минимумом С18, но максимальная емкость С18 должна быть до 500 пФ (чтобы перекрывать оставшиеся диапазоны).
Отводы у катушек L7, L8, L9, L10, L11, L12 делают приблизительно от 1/З витков (от заземленного конца), но лучше подобрать на каждом диапазоне по максимальному ВЧ напряжению на управляющих сетках ламп.
Катушки выполняются на любых каркасах с сердечниками (и даже без них). Главное - их нужно настроить по максимальной громкости принимаемых станции (при отсутствии приборов), возможно, придется немного изменить емкости, подключенные параллельно им.
Лампы V5, V6 включены на сложение мощностей в диапазоне 28 МГц; L5 и L6 настраиваются на максимум выходной мощности на 28 МГц сдвигая и раздвигая витки. При этом нужно помнить, что L5, L6, L4 находятся под анодным напряжением и нужно соблюдать все меры предосторожности.
L4 для снижения габаритов П-контура и удобства механического крепления выполнена на тороидальном кольце из текстолита, гетинакса, фторопласта и т.д., крепится прямо на галете. Отводы на L4 подбираются экспериментально, в зависимости от входного сопротивления антенны.
L5, L6 - бескаркасные, они намотаны на оправе диаметром 15 мм и содержат б витков провода ПЭВ-1 1,5мм, длина намотки - 25 мм.
L4 - 60 витков, намотка - виток к витку, отводы - ориентировочно от 4, 18, 32 витков, первые 4 витка - проводом 1 мм, остальные-0,6мм.
Дроссель L3 намотан на любом изоляционном материале и содержит приблизительно 160 витков провода 0,25...0,27 мм, часть витков намотана виток к витку, остальные-внавал.Намотка виток к витку соединена cL4 ("горячий" конец L3).
Катушки L7, L8, L9, L10, L11, L12 - на каркасе не менее 6 мм с сердечником СЦР-1.
L7 - 10 витков ПЭЛ 0,51, отвод от 3-го снизу;
L8 - 12 витков ПЭЛ 0,51, отвод от 4-го снизу;
L9 - 16 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 5-го снизу;
L10 - 25 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 8-го снизу;
L11 - 35 витков ПЭЛ 0.25, отвод от 10-го снизу;
L12 - 45 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 12-го снизу;С21 -10пФ; С22-15пФ; С23-- 68 пф; С24 - 120 пФ; С25 - 200 пФ; С26-430пФ.
P1, P2 могут соединяться как по схеме рис.З, так и параллельно, может быть применено одно реле с несколькими группами контактов, например РЭС-9, РЭС-22 и т.д. Тип реле также зависит от Uупр. приходящего с трансивера.
4. Гибридный усилитель мощности
Гибридные усилители известны многим радиолюбителям. На рис.4. представлены некоторые подробности состыковки данных усилителей с бестрансформагорным источником питания.
На транзисторе VI 4 и резисторе R7 собран регулятор напряжения для экранных сеток ламп. Резисторы R4 и R6 являются токоограничивающими (своего рода защита) при крайних положениях R7, а также и в аварийных ситуациях. R5 создает ток утечки с перехода база-эмиттер для нормальной работы регулятора напряжения. Резистором R1 выставляется отрицательное напряжение на управляющих сетках ламп, при приеме (RX) лампы заперты максимальным напряжением (отрицательным). R2-защита от "перекачки" усилителя и создает частичное автоматическое смещение на управляющих сетках ламп.
R8, R9, R10, R11 - нагрузка для трансивера. Эти же резисторы определяют входное сопротивление усилителя.
Схема рис.4 имеют общий провод по постоянному току, изолированный от корпуса. Им является минусовая обкладка конденсатора С5 (обозначена точкой 0В). Относительно этой точки нужно производить все замеры по постоянному току в схеме.
Puc.4Способы и методика настройки сводятся к правильному выбору начального тока через V 13, который должен быть не меньше начального тока (в начале прямолинейного участка характеристики V13). Такой же ток через лампы должен быть выставлен резисторами R1, R7. Хорошие результаты получаются при использовании ламп 6П45С.
С14 должен быть высоковольтным, как и С9.
Хочу предостеречь радиолюбителей от ошибки, которую многие совершают при повторении подобных схем. Многие, контролируя анодный ток ламп, пытаются получить максимально возможный ток. Это неправильно, потому что подобные схемы способны обеспечить большие анодные токи, но выходная мощность при этом им (токам) не соответствует. Так, мне через одну ГУ-50 (по данной схеме) удавалось получить ток до 450 мА (Uак=620 В), но выходной мощности в 200 Вт не было, что значительно сокращало срок службы (быстро терялась эмиссия катода), вызывало TVI, т.е. схема работала как усилитель постоянного тока.
Учитывая сказанное, нужно "выжимать" не максимально возможные анодные токи (они только косвенно связаны с выходной мощностью), а максимальное ВЧ -напряжение на эквиваленте, либо на антенне по индикатору выхода. При приросте ВЧ-напряжения также нужно использовать только прямолинейный участок и не заводить в зону "насыщения". Лампы включены на сложение мощностей, параметры П-контура - типовые (изложены в предыдущем разделе). Можно вместо КП904 использовать биполярный КТ907. Эмиттер включается вместо истока, коллектор - вместо стока. Необходимое смещение на базу подается через мощный резистор 500м сдвижка потенциометра 3,3 к, включенного между"-" выпрямителя и нижним выводом R7, который соответственно отключается от "-" выпрямителя. Этим потенциометром устанавливают начальный ток каскада. Между движком потенциометра и "-" выпрямителя включают блокировочный конденсатор на небольшое (<100В) напряжение,
5. Усилитель на ГУ74Б
На схеме рис.5 представлен усилитель мощности на лампе ГУ74Б, которой на аноде нужно 1200В. Это напряжение получается за счет сложения напряжений двух источников. Первый собран по схеме удвоения напряжения без трансформатора от сети 220 В и выдает два напряжения (относительно точки 0В): +310 В и +620 В. Этих напряжений вполне достаточно для питания экранных сеток большинства ламп с высоким анодным напряжением.
Puc.5Второй источник (его можно условно назвать"вольтдобавкой") собран на трансформаторе (ТС-270). Для того чтобы, получить суммарное напряжение 1200 В, на вторичной обмотке трансформатора должно быть приблизительно 400 В переменного напряжения. После выпрямления диодами V10...V17 и фильтрации конденсаторами С27, С28 постоянное напряжение получается где-то на 1/3 больше - в сумме с первым (+620 В) достигается напряжение, необходимое для работы лампы. Так как эти источники работают на сложение напряжений и мощностей, то и мощность потребления распределяется приблизительно пропорционально их напряжениям,а это значит, что можно смело использовать трансформатор с габаритной мощностью меньше как минимум вдвое, чем при обычной трансформаторной схеме. Источник отрицательного напряжения собран на диоде V9 и конденсаторе С20. Так как схема однополупериодная, емкость С20 должна быть достаточно большой - 200 мкФ.
Вместо дросселя в управляющей сетке применен резистор R5, что делает каскад более устойчивым к самовозбуждению.
Применено последовательное питание лампы через элементы П-контура. Это имеет свои недостатки - элементы П-контура находятся под высоким напряжением, и свои достоинства - при последовательном питании КПД на ВЧ диапазонах несколько выше, а требования к дросселю L3 на электрическую прочность несколько ниже, т.к. он стоит после элементов П-контура (L5, L4).
П-контур может быть выполнен и по типовой схеме параллельного питания.
Несколько повышенные требования к конденсаторам С12, С13 - они должны иметь достаточный зазор между пластинами. С12 при заведенных роторных пластинах должен иметь зазор неменее 1,5мм.С10, С11 должны выдерживать большие реактивные мощности при напряжении не менее 2,5 кВ. Конденсатор С9 обеспечивает технику безопасности, и его емкость не должна быть более 3000 пФ. С4, С5, С27, С28 - 180 мкФ х 350 В каждый.
Ввод усилителя мощности в работу производится в следующей последовательности.
1. Включается S1 (все остальные должны быть выключены). Начинает работать мотор обдува лампы, вся схема включается на пониженное напряжение через конденсаторы С, С'. Они предотвращают бросок тока на заряд конденсаторов С4, С5, С27, С28.
2. Через несколько секунд включается S1 - он подает в схему полное напряжение, при этом появляется максимальное отрицательное напряжение на управляющей сетке лампы и полное накальное напряжение - идет прогрев лампы.
3. Через несколько минут, когда накал прогрел лампу, включается тумблер ВК2. Если в схеме нет аварийных режимов, включается ВК1. При работе в эфире коммутацию с приема на передачу осуществляет реле P1.
Отключение усилителя осуществляется в обратном порядке.
Установка режима осуществляется резистором R1. Линейный прирост мощности контролируют по индикатору выхода РА1. Если прирост мощности прекратился или идет слишком медленно (зона насыщения), нужно R1 немножко вернуть назад и зафиксировать.
S2, S1, S1', ВК1, ВК2 должны иметь рычажки переключения из изоляционного материала. Кроме того, желательно их установить на изоляционной декоративной подкладке(изолировать от корпуса) из толстого оргстекла, текстолита и т.д.
L4 с целью уменьшения габаритов и удобства крепления крепится прямо на S2. Желательно выполнить его на тороидальном кольце из фторопласта, гетинакса и т.д.
Контура L7, L8, L9, L10, L11, L12 - такие же как в разделе 3.
Если ваш трансивер не "раскачивает" данный усилитель, не огорчайтесь -в него можно установить еще один каскад усиления по схеме рис.6. Это лампы типа 6П15П,6П18П,6П9 (или любая другая лампа-триод достаточной мощности), включенные триодом.
Puc.6Накал берется с ТС-270 (-6,3 В). Общий провод подключается в точку 0В -это "-" конденсатора С5. Анодное напряжение берется с "+" С4 (+620 В). Отрицательное напряжение берется с R1 (рис.5а) параллельным подключением. Вход-выход каскада подключается в точку разрыва (на рис.5 помечено "х") конденсатора С14. Данные контуров - такие же как в разделе 3.
L1,L2 мотаются на феррите более толстым проводом - 0,37...0,4 мм, 25...30 витков.
Используя данную схемотехнику, можно получить усилители малых габаритов (настольные вместе с источником) с хорошей энергетикой.
Литература
1. В.Кулагин. Усилитель мощности КВ "Ретро". РЛ, 8/1995, с.26.
Радиолюбитель 10/1995 г. с.