Усилитель мощности в стиле HI-END
(описание схемы для начинающих радиолюбителей)

Публикация на сервере конструктивного оформления усилителя в стиле HI-END возбудила интерес к нему со стороны многих радиолюбителей. Пришлось идти навстречу пожеланиям коллег и подготовить полное и подробнейшее описание схемы усилителя и методики его изготовления, а также методики настройки и проверки.

Собственно сам усилитель построен по самой распространенной схеме и имеет две небольшие особенности: Входной сигнал подается не сразу в катод лампы, а через автотрансформатор на ферритовом кольце, это позволило более тщательно согласовать трансивер (ALINCO DX-77) с усилителем и снизить мощность возбуждения. Вторая особенность: В режимах “прием” и “обход” лампы усилителя надежно заперты, что позволило обходиться без выключения анодного напряжения.

Принципиальная схема блока питания:

Блок питания усилителя выдает постоянное напряжение 1200 или 900 вольт для питания анодной цепи. Трансформатор анодного напряжения отдельный, использовался магнитопровод и первичная обмотка силового трансформатора ТС-270 (можно применить любой из ряда ТС-210- ТС360) Вторичные обмотки намотаны проводом ПЭЛ-2 диаметром 0,4 мм и каждая обмотка выдает переменное напряжение 250 Вольт.

Прежде чем рассказать о блоке питания дальше, расскажу, как правильно перемотать трансформатор. Перед тем как перематывать трансформатор убедитесь в его исправности, включив первичную обмотку в сеть и дав ему поработать час-два без нагрузки. Трансформатор должен оставаться холодным. Даже небольшой нагрев говорит об неисправности такого трансформатора и он подлежит замене, естественно при коротком замыкании первичной обмотки трансформатор придется перематывать полностью. Одновременно с этой проверкой замерьте напряжение на одной из вторичных обмоток, желательно на самой верхней, низковольтной, и запишите это значение. После проверки на нагрев, отключите трансформатор от сети и аккуратно снимите магнитопровод. Старайтесь бережно обращаться с прокладочной бумагой – она вам еще пригодится. Сматывая обмотку, на которой вы замеряли напряжение посчитайте, сколько витков она содержит.

Разделите количество витков на записанное значение напряжения и вы получите величину, постоянную для всех обмоток этого трансформатора. Умножив эту величину на требуемое вам напряжение, вы будете знать, сколько витков должна содержать обмотка.

Теперь смотайте с каркаса все обмотки, за исключением сетевой (первичной). Поверх первичной обмотки проложите 2-4 слоя бумаги, которой были проложены обмотки и можете наматывать вторичную обмотку. После каждого слоя провода делайте слой бумаги, после окончания обмотки проложите 3-4 слоя. Провод должен укладываться плотно виток к витку и наматываться с небольшим натяжением. После окончания намотки прозвоните прибором каждую обмотку на отсутствие обрыва.

Соберите магнитопровод и плотно соедините его половины. Теперь можно проверить трансформатор на холостом ходу: Он не должен греться и гудеть.

Продолжим изучение блока питания.

Каждая из 4-х обмоток анодного трансформатора подключена к собственному выпрямителю с конденсатором фильтра на выходе. Для снижения динамического сопротивления выпрямителей и достижения минимальных пульсаций и “просадки” напряжения, а также максимума мощности на пиках применены конденсаторы емкостью 200 мкф и допустимым напряжением 450 вольт. Это потребовало применения более мощных, чем обычно диодов выпрямителя, поскольку при включении анодного трансформатора через диоды течет большой ток заряда конденсаторов. В нашем случае выбраны диоды КД-202.

Вполне возможно применение других диодов с током выше 1 А и обратным напряжением более 400 Вольт. Выпрямители соединены последовательно и от третьего выпрямителя сделан отвод на перемычку, с помощью которой можно выбрать два режима мощности усилителя. Переключение напряжений сделано перемычкой, можно найти и установить высоковольтный переключатель. На выходе анодного выпрямителя установлен миллиамперметр контроля анодного тока. Не следует устанавливать прибор с током полного отклонения менее 500 mA, поскольку выпрямитель способен отдать гораздо большие пиковые токи.

Трансформатор накала и напряжения питания реле использован типа ТС-100, из него также использованы только магнитопровод и первичная обмотка. Одна вторичная обмотка используется для питания накала ламп и намотана проводом ПЭЛ-2 диаметром 1,7 мм, Вторая обмотка предназначена для питания реле и смещения запирания лампы, намотана проводом ПЭЛ-2 диаметром 0,63 мм. Рекомендации по перемотке вам уже знакомы.

Обмотка питания реле соединена с выпрямителем, на выходе которого установлен конденсатор фильтра. Выходы блока питания выведены на разъем, установленный на задней стенке блока питания, миллиамперметр и выключатели анода и накала – на передней стенке.

Проверка блока питания: Предварительно проверяют выполненный монтаж и если не обнаружены ошибки, приступают к проверке низковольтной части. Включив тумблер “Накал” замеряют вольтметром напряжение на выводах “накал”, Оно должно быть 13,3-13,5 Вольт. Подключив к выводам накала автомобильную лампочку 12 Вольт –25 ватт снова замеряют напряжение, оно должно быть в пределах 12,4-12,8 вольт. Уменьшение напряжения приведет к снижению мощности усилителя, повышение – к сокращению срока службы ламп.

При подключении к выводам накала двух таких ламп (параллельно) можно оценить надежность накальной обмотки. Оставив трансформатор включенным на 1-2 часа, проверяют трансформатор на нагрев – он не должен быть горячим, легкий нагрев – допустим.

Выпрямитель питания реле проверяют также вольтметром, на выходе выпрямителя должно быть постоянное напряжение 24-30 вольт, при подключении к выходу выпрямителя 2-х последовательно соединенных автомобильных ламп 12 Вольт 25 Ватт напряжение не должно упасть ниже 23 вольт, а трансформатор через час-два работы при такой нагрузке не должен быть горячим.

Высоковольтный выпрямитель проверяется особо тщательно. Для начала разъедините выпрямители между собой удалив провода АА,ВВ,СС После включения тумблера “Анод” прислушайтесь – нет ли потрескивания. Выключайте тумблер немедленно, если потрескивание слышно – причина в одном из электролитических конденсаторов. Разрядив все конденсаторы поочередно отключите предохранители в цепях вторичных обмоток и включая тумблер “Анод” определите, какой из конденсаторов неисправен. Так же замените конденсатор, если сгорел какой либо из предохранителей в цепях вторичных обмоток. Если выпрямители работают неслышно, замерьте напряжение на выходе каждого из них, напряжение должно быть в пределах 300 –360 вольт. Меньшее напряжение приведет к небольшому снижению мощности усилителя, большее – к возможному пробою в лампах усилителя при работе на максимальной мощности.

Выключите тумблер “Анод” и полностью разрядив конденсаторы, восстановите соединения в точках АА,ВВ,СС. Подключите на выход “1200 V” “гирлянду” из 6 ламп освещения 220 вольт 100 Ватт, (используйте только одинаковые лампочки) включенных последовательно. Включите тумблер “Анод” и замерьте “анодный” ток. Не касаясь руками за провода, измерьте прибором напряжение на лампочке, подключенной одним выводом к корпусу блока питания и умножьте эту величину на количество лампочек( такая методика проверки высоковольтных выпрямителей может использоваться, если предел измерений вашего прибора заведомо меньше высоковольтного напряжения) . Вы получите значение анодного напряжения. Оно должно составить 1100 –1200 вольт при токе примерно 0,4 - 0,5 А. Анодный трансформатор при этом не должен гудеть и нагреваться до температуры более 40-50 градусов через 20-30 минут проверки под нагрузкой.

Если у вас есть осциллограф, можно проверить напряжение пульсаций на выходе выпрямителя, для этого корпус осциллографа соедините с корпусом блока питания, а щуп осциллографа через конденсатор емкостью 0,001-0,005 мкф х 500 вольт, подключите к выводу лампочки соединенной другим выводом с корпусом. Напряжение пульсаций на лампочке не должно быть более 3-5 вольт.

Если оно меньше – хорошо, если больше – значит мала емкость конденсаторов или они “высохли”.

Если ваша проверка успешна – выключите тумблер “Анод” и дождавшись разряда конденсаторов – отключите “гирлянду”.

При дальнейшей работе запомните правила:

Усилитель мощности: Типовая схема усилителя мощности на 3-х ГУ-50 несколько модернизирована:

В режиме приема катодный дроссель соединен не непосредственно с корпусом усилителя, а через обмотку реле Р2 и источник питания реле. Таким образом в режиме приема на катоде лампы имеется положительный потенциал +27 вольт относительно сетки. Этот потенциал “глубоко” запирает лампу.

Если тумблер “Обход-Усил” включен и вывод “Педаль” замкнут на корпус, Реле Р1 сработает и контактами Р1.2 замкнет на корпус нижний конец катодного дросселя и верхний (по схеме) вывод реле Р2. А контактами Р1.1 подключит ВЧ сигнал на согласующий трансформатор Тр1. Реле Р2 сработает и подключит антенну к выходу усилителя. Снятие положительного потенциала с катода будет означать перевод лампы в рабочий режим.

Для управления включением усилителя на передачу можно использовать педаль, контактные группы специальных реле или ключевые транзисторы в импортных трансиверах. В последнем случае проверьте соответствует ли допустимый ток контактных групп или токи через ключевые элементы току, протекающему через реле Р1. Для управления используется замыкание вывода “Педаль” на корпус. Все остальное соответствует типовым схемам усилителей мощности с заземленными сетками.

Трансформатор Тр1 намотан на кольце 60ВЧ размерами 32х22х5 мм и содержит 12 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 1,0 мм. Отвод сделан от 8-го витка, считая от заземленного конца трансформатора. Перед намоткой провода алмазным надфилем зачистите острые края кольца, не мешает обернуть его несколькими слоями фторопластовой ленты(имеется в конденсаторах типа ФТ-2)Если вы не сможете найти нужное ферритовое кольцо, подберите витки и отвод при настройке усилителя, применять можно и более низкочастотный феррит.

Дроссели Др1 и Др2 наматываются на ферритовом стержне диаметром 10 мм с проницаемостью 600НН(от старых переносных радиоприемников). Длина стержня 160 мм. Стержень обматывается 5-7 слоями писчей бумаги, пропитанной силикатным клеем и после просушки клея на них наматывается по 220 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,63 мм. На анодном дросселе 20 витков обмотки со стороны анода намотаны с шагом 2-3 мм. Для крепления дросселей используется медная шинка, которой обхватывается стержень вместе с изолирующим слоем.

Дроссели Др.А намотаны на резисторах ОМЛТ-1 (МЛТ-1) с сопротивлением 51 Ом, проводом ПЭЛ-2 диаметром 0, 8 мм и содержат по 4 витка. Выводы дросселя припаиваются непосредственно к выводам резисторов.

Катушка П-контура состоит из трех индуктивностей: Ближе к аноду размещена катушка диапазона 10 метров, которая содержит 4 витка провода МГ-2,5 намотанных на оправке 30 мм, ориентировочная длина намотки катушки – 20 мм.

Катушка диапазонов 21 и 14 мГц намотана проводом МГ-1,6 на оправке 50 мм и содержит 2 + 2 витков, длина намотки примерно 30 мм.

Катушка диапазонов 40 и 80 метров намотана на каркасе диаметром 50 мм длиной 40 мм и содержит 5 + 7 витков провода МГ1,2.

Катушки диапазонов 40 и 80 метров размещены под углом 90 градусов к другим катушкам, каркас этих катушек закреплен на дне усилителя.

При отсутствии провода МГ, можно использовать обычный медный провод соответствующих диаметров с небольшим ухудшением добротности контура.

Переключатель диапазонов галетный на 6 положений, от венгерской аппаратуры. При использовании отечественных галетных переключателей желательно использовать две галеты, соединив их выводы между собой попарно.

Переменные конденсаторы П-контура: Анодный конденсатор должен иметь зазор между пластинами не менее 1 мм, хорошо подходит конденсатор от медицинской УВЧ аппаратуры, или прорежённый конденсатор от старых радиоприемников. Антенный конденсатор – “строенный” от старых радиоприемников, все секции соединяются параллельно.

Блокировочные конденсаторы в цепях накала устанавливаются непосредственно на каждой ламповой панельке. Пренебрегать ими не следует, как и не следует вообще экономить на блокировочных конденсаторах.

Все одноименные выводы ламп, кроме анодов, соединяются между собой с помощью медной шинки сечением 1 х 5 мм. Реле Р1 используется РП-2 (используется в старой передающей аппаратуре), Хорошей заменой этому типу реле может быть реле РЭН-34, можно использовать и РЭС-48.

Реле Р2 – антенное, из передатчика “Полоса”. Через контакты реле Р2 текут значительные токи при работе усилителя, поэтому диаметр контактов этого реле должен быть не менее 3 - 5 мм, желательно керамическое основание переключающих контактов . Хорошей заменой этому реле могут быть “военные” реле ТКЕ52(53, 54, 56)ПДУ у которых “параллелятся” контактные группы.

Конструктивно реле должны быть размещены как можно дальше друг от друга, Реле Р1 должно располагаться в непосредственной близости от катодного дросселя и трансформатора Тр1, реле Р2 ближе к “антенному” конденсатору переменной емкости. ВЧ разъемы должны быть по возможности ближе к соответствующим реле.

Между ламповыми панельками расстояние должно быть 15-20 мм., при установке разверните панельки так, чтобы маркировка типа лампы находилась с лицевой стороны усилителя. При установке катушек П- контура ВЧ диапазонов следите за тем, чтобы они были как можно дальше от металлических деталей и равноудалены от крышки и дна корпуса усилителя. В противном случае при настройке с открытой крышкой усилитель будет расстроен сразу же, как только вы установите крышку на место.

Настройка усилителя:

Проверьте правильность выполнения монтажа конструкции. Подайте напряжение накала на лампы усилителя и дайте им прогреться в течении 15-20 минут. Если ваши лампы долгое время не эксплуатировались, анодное напряжение необходимо (в блоке питания) снизить до 900 вольт, а под накалом выдержать лампы не менее 6-8 часов, в противном случае возможен пробой внутри ламп. После прогрева включите анодное напряжение и обратите внимание на ток анода. Он должен быть равен “0”. Не подключая трансивер, нажмите на педаль или замкните выводы “Педаль” и “Корпус” усилителя. Должны сработать реле Р1 и Р2, а ток анода возрастет до 40-50 mA. Если ток анода меньше или больше, поочередно вынимайте лампы из панелек, контролируя ток анода. Каждая лампа в отдельности должна иметь ток анода примерно 15 mA. При нормальной работе ламп внутри баллонов должно наблюдаться голубоватое свечение –“электронное облако”. По одинаковому свечению и одинаковому току ламп можно судить о идентичности их характеристик.

Дальнейшая настройка осуществляется на диапазоне 10 метров.

Для настройки подключите вместо антенны эквивалент нагрузки или сопротивление величиной 50 Ом и мощностью не менее 100 Ватт.

Подключение лампы накаливания несколько не оправдывает себя, поскольку нить лампы имеет разные сопротивления в холодном и нагретом состоянии, хотя грубую визуальную настройку можно делать и с помощью лампы. Лампа мощностью 1 КВт на напряжение 220 вольт имеет сопротивление примерно 48-50 Ом, лампа мощностью 500 Ватт на напряжение 220 вольт – сопротивление 98-100 Ом. Параллельно нагрузке подключите ламповый ВЧ вольтметр, установив предел измерения 150-300 вольт.

Включите усилитель на диапазон “10 метров” и подайте с трансивера сигнал несущей амплитудой 5-10 вольт и частотой 28 800 КГц.

Если ваш трансивер имеет встроенный КСВ-метр, проверьте степень согласования трансивера и усилителя. КСВ не должен быть больше 3! Установите оба КПЕ во введенное положение, т.е. пластины ротора должны полностью перекрыться пластинами статора включите анодное напряжение и нажмите педаль.

Вращая “Анодный”КПЕ найдите максимум напряжения на выходе усилителя. Вращая “антенный” КПЕ – также добейтесь максимального напряжения на выходе. Если максимум напряжения при вращении “анодного” КПЕ не наступает, а близок к минимальной емкости конденсатора – увеличьте расстояние между витками катушки П-контура, самой ближней к аноду. Это значит, что контур настроен на слишком низкую частоту. Если наоборот – сожмите витки катушки.

Внимание:
Эту настройку выполняйте только выключив анодное напряжение и дождавшись разряда конденсаторов.

Если у вас имеется генератор с выходным напряжением около 1 вольт, настройку можно упростить, подключив генератор вместо трансивера, изменяя частоту генератора и таким образом определяя резонанс П-контура. При этом не забывайте, что на диапазоне 10 метров емкость анодного КПЕ должна быть близка к минимальной, а на диапазоне 80 метров – близка к максимальной. Антенный КПЕ также соответствует этому.

В момент правильной настройки максимум напряжения на выходе должен точно соответствовать минимуму анодного тока усилителя. Добившись нормальной настройки, выключите анодное напряжение и переключите трансивер и усилитель на диапазон 15 метров. Снова включите трансивер и введя конденсаторы, включите анодное напряжение и нажав педаль, проверьте настройку входа и П-контура на этом диапазоне. В случае необходимости измените шаг намотки следующей катушки, сжимая или раздвигая её витки.

Аналогичным образом проверьте настройку на всех других диапазонах. Поскольку катушки диапазонов 40 и 80 метров уложены на каркасе, придется прибегнуть к перепайке выводов.

При высоком КСВ между трансивером и усилителем подберите точку отвода на трансформаторе Тр1 усилителя мощности. При этом обязательно проверьте КСВ на всех диапазонах.

Если при включении усилителя без напряжения на входе стрелка ВЧ вольтметра будет отклоняться – налицо паразитная генерация в усилителе. Причиной может быть недостаточная развязка входных и выходных цепей, недостаточное шунтирование цепей по ВЧ, слишком большие величины резисторов в анодных цепях, или чаще всего – недостаточно надежное соединение “корпусных” цепей и их контакт с корпусом. Поиск источника паразитной генерации (подвозбыда) очень трудоемок, поэтому постарайтесь еще при размещении деталей и монтаже соблюдать все рекомендации и помните: Любое ВЧ устройство – не любит длинных проводов, а еще больше не любит халтуру!

И последняя проверка усилителя – на линейность. Эту настройку можно выполнить несколькими способами: 

Проверка с помощью непрерывного генератора или трансивера включенного в режим несущей. Подключив трансивер к усилителю и настроив последний на нужном диапазоне включают трансивер в режим несущей. Изменяя уровень сигнала на выходе трансивера от нуля до максимума и контролируя амплитуду входного и выходного напряжений усилителя строят график, на одной оси которого откладывают значение напряжения на входе усилителя, на другой оси – напряжение на выходе усилителя. Такая проверка позволит вам увидеть наглядно, в каких случаях проявляется нелинейность и поможет точно определить момент насыщения усилителя, т.е. точку в которой напряжение на выходе уже не увеличивается, хотя напряжение на входе еще растет.

Это очень важная точка, превышение напряжения на входе усилителя выше этого предела однозначно влечет за собой появление искажений формы сигнала, а значит возникновение внеполосных излучений. Для SSB режима не доводите пиковый уровень “раскачки” до этой точки хотя бы на 5-10 процентов.

Второй способ основан на применении двух-тонального генератора, который должен иметь у себя каждый радиолюбитель. Принцип проверки состоит в том, что при смешивании двух сигналов в нелинейном устройстве возникают комбинационные составляющие спектра сигнала, наиболее опасными и легко обнаруживаемыми являются составляющие третьего порядка.

Для частот двухтонального генератора f1 и f2 эти составляющие равные 2f1 – f 2 и 2f2 - f1

Допустим наш двухчастотный генератор вырабатывает две частоты 14100 кГц и 14102 кГц. На нелинейных участках характеристики усилителя будут возникать составляющие третьего порядка, такие как 2*14100 – 14102 =14098 кГц и 2*14102 – 14100 = 14104 кГц.

Если воспользоваться узкополосным приемником или анализатором спектра, то составляющие третьего порядка равные 14098 и 14104 можно обнаружить и измерить их величину. Для этого на вход трансивера, работающего в однополосном режиме подают одновременно два тональных сигнала с разницей в 2 кГц, а к выходу усилителя, нагруженного на эквивалент, который также должен быть у каждого радиолюбителя, подключают измерительный узкополосный приемник или анализатор спектра. По амплитуде сигнала на частотах составляющих третьего порядка определяют линейность усилителя.

Инструкция по эксплуатации любительской радиостанции требует, чтобы уровень побочных излучений не превышал 50 милливатт, при этом он должен быть меньше основного сигнала на 40 дБ и менее.

И третий метод измерения линейности – визуальный. На микрофонный вход трансивера, работающего в SSB режиме, подают через резистивный делитель пилообразный сигнал с выхода осциллографа, частотой 1-2 кГц и амплитудой соответствующей чувствительности микрофонного входа.

К нагруженному выходу усилителя мощности подключают детекторную головку, включенную на “открытый” вход Y осциллографа. На экране осциллографа в этом случае наблюдают точную копию передаточной характеристики трансивера и усилителя, со всеми нелинейностями и участками насыщения. Данный способ позволяет наглядно представить себе характеристику не только усилителя, но и трансивера и визуально оценить качество его работы.

И в заключение хочу заметить:

Все работы по настройке усилителя должны выполняться только с использованием эквивалента антенны. Поверьте, любительские диапазоны так тесны, что появление на них “несучек” и “алекания” вызывает справедливый гнев радиолюбителей, которым эти помехи мешают проводить интересные, а может быть и важные связи. Если вам необходимо настроить усилитель на антенну – выбирайте для этого время и диапазоны, где не создадите помех другим.

Для настройки усилителя с выходом в эфир на диапазонах 40 и 80 метров лучше ориентироваться на обеденное время, на диапазонах 10 – 20 метров – на ночное время.

Дальних Вам связей!

Н.Филенко (UA9XBI), ua9xbi@online.ru