УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ KB
Виталий КЛЯРОВСКИЙ (RA1WT)
Если сегодня многие коротковолновики имеют возможность использовать трансиверы заводского изготовления, то усилители мощности, как правило, вынуждены изготавливать самостоятельно. В статье предлагается законченная конструкция современного усилителя мощности для любительской KB радиостанции.
Усилитель мощности, принципиальная схема которого приведена на рис. 1, обеспечивает коэффициент усиления не менее 16 дБ на всех девяти любительских KB диапазонах. Он выполнен на лампе VL1, включенной по схеме с общим катодом. При отсутствии управляющего сигнала на разъеме XS1 (педаль управления не нажата) сигнал с антенны, подключенной к ВЧ разъему XW1, проходит через нормально замкнутые контакты реле К14 и К13 на разъем XW2 и далее на трансивер. С подачей управляющего сигнала (педаль нажата) срабатывают реле К13-К15. Контакты реле К13 подключают антенну к выходу УМ, контакты реле К14 соединяют выход трансивера с входом УМ , сигнал с которого через конденсатор С1, ФНЧ на элементах C4L2C5 и резистор R5 поступает на управляющую сетку лампы VL1. Резистор R6 обеспечивает входное сопротивление усилителя 50 Ом на всех диапазонах. Входная емкость лампы складывается с емкостью конденсатора С5 и работает в фильтре, не шунтируя входное сопротивление [1, 2]. Через контакты К15.1 реле К15 включается источник смещения управляющей сетки лампы."
Puc/1
В анодную цепь лампы VL1, выполненную по схеме последовательного питания, через дроссели L4, L5 включен П-контур, состоящий из катушек L6, L7, конденсаторов настройки С9-СП и конденсаторов регулировки связи с антенной С17 - С19. Дроссель L4 предотвращает возможность самовозбуждения усилителя на УКВ. Разделительные конденсаторы С12, С13 и С16 препятствуют попаданию высокого анодного напряжения, под которым находится П-контур, на КПЕ СП и С19, а также в антенну. Дроссель L3 защищает антенну от высокого напряжения при пробое С13, а также нейтрализует наведенные в антенне заряды статического электричества.
Дроссель L5 подключен к П-контуру в точке с наименьшими сопротивлением и ВЧ напряжением и не оказывает влияния на работу усилителя на высокой частоте [2]. Конструктивно его можно располагать близко к стенкам корпуса усилителя, что упрощает компоновку.
По высокой частоте дроссель подключен параллельно нагрузке, его шунтирующее действие невысокое и он может иметь меньшую индуктивность. Необходимая индуктивность (даже с запасом на подключение высокоомной антенны) составляет 20...30 мкГн. Соответственно уменьшаются собственная емкость и габариты дросселя.
В П-контуре усилителя применены КПЕ с небольшой начальной и максимальной емкостью. Это позволило уменьшить плотность настройки и избежать проблем с оптимизацией параметров контура на диапазоне 28 МГц.
Анодный КПЕ С11 без дополнительных конденсаторов позволяет настраивать П-контур на диапазонах 7 - 28 МГц. На диапазоне 3,5 МГц контактами К9.1 реле К9 параллельно С11 подключается конденсатор С9. На диапазоне 1,8 МГц контактами КП. 1 реле К11 подключается конденсатор С10.
Антенный КПЕ С19 также обеспечивает настройку П-контура на диапазонах 7 - 28 МГц. На диапазонах 3,5 и 1,8 МГц к нему реле К10 и К12 подключают соответственно конденсаторы С17 и С18.
Некоторое усложнение конструкции (дополнительные реле и постоянные конденсаторы, рассчитанные на соответствующую реактивную мощность), по мнению автора, оправдано, поскольку целесообразнее один раз сделать небольшие дополнительные расходы и навсегда избавиться от неудобств настройки при смене диапазона.
Отводы катушек L6, L7 П-контура коммутируются в зависимости от диапазона контактами реле К2-К8, которые, в свою очередь, управляются переключателем диапазонов SA6. Порядок включения реле определяется также диодами VD10-VD 15, распаянными непосредственно на переключателе диапазонов SA6. Так на диапазоне 28 МГц включены все реле, на 21 МГц- КЗ-К8, на 18 МГц - К4-К8 и т. д. Таким включением достигаются минимальные потери мощности в неработающих витках катушек П-контура. Блокировочные конденсаторы (конденсатор С22 на схеме для упрощения показан только один) подключены параллельно обмотке каждого реле К2 - К12.
Измеренная добротность П-контура составила 8 на диапазоне 1,8 МГц, 10 - на 3,5 МГц и 14 - на 7 МГц. На высокочастотных диапазонах добротность находится в пределах 10... 16, достигая максимума на диапазоне 10 МГц.
Усилитель мощности имеет два блока питания - внутренний и внешний (анодный).
Внутренний блок питания усилителя вырабатывает постоянные напряжения 24, 62 и 360 В, а также переменное 12В. Источник отрицательного напряжения смещения управляющей сетки лампы выполнен на элементах VD6-VD9, С20, R9, VD3, VD4. Стабилитрон VD4 определяет ток покоя лампы в режиме SSB. В режиме CW контактами реле К17.1 последовательно с VD4 включается стабилитрон VD3. Режим работы "SSB/CW" выбирается переключателем SA5. Уменьшение тока покоя в режиме CW позволяет повысить выходную мощность и КПД усилителя. Каскад на транзисторе VT1 обеспечивает защиту усилителя при появлении тока первой сетки. Фильтр L8C24 в цепи базы транзистора задерживает ВЧ наводки. В исходном состоянии транзистор закрыт. При появлении тока первой сетки отрицательное напряжение на резисторах R11, R12 открывает транзистор VT1 и срабатывает реле К1. Контакты К1.1 реле размыкаются, лампа закрывается. Одновременно контакты К1.2 реле К1 через резистор R14 подают отрицательное напряжение на базу транзистора VT1 и удерживают его открытым, несмотря на отсутствие управляющего напряжения после запирания лампы. О срабатывании защиты сигнализирует светодиод VD19. Время срабатывания - не более 5 мс. Порог срабатывания защиты определяется резисторами R12 и R13. В исходное состояние защита переводится нажатием кнопки SB1.
Стабилизатор напряжения питания экранной сетки VL1 выполнен на элементах VD21-VD24, С25, R18, VT2, VD25'VD25", VD26'VD26". Резистор R20 предназначен для измерения тока экранной сетки. Напряжение подается на сетку лампы через антипаразитный резистор R8. Конденсатор С7 - блокировочный, составлен из шести конденсаторов емкостью по 3300 пф каждый, которые равномерно размещены по окружности между лепестками экранной сетки и цилиндрическим заземленным корпусом. Резистор R7 - антидинатронный. Он образован шестью резисторами по 120 кОм, включенными параллельно конденсаторам С7. Параллельное включение конденсаторов и резисторов снижает их индуктивность и повышает устойчивость работы УМ на ВЧ диапазонах.
На элементах VD28-VD31, С27 выполнен источник питания коммутационных реле.
Для обеспечения максимального ресурса радиолампы подача напряжений питания происходит в определенной последовательности [4].
При замыкании контактов тумблера SA7 подается питание на вентилятор М1. О наличии напряжения на вентиляторе сигнализирует светодиод VD33. В режим малой скорости обдува вентилятор переводится тумблером SA8.0 переходе в этот режим сигнализирует светодиод VD37. Дальнейшее включение усилителя осуществляется переключателем SA4. Вся последовательность подаваемых на лампу напряжений ("HEAT", "GR.1", "ANOD", "GRID2") контролируется по свечению светодиодов VD17, VD5, VD27 и VD36 соответственно. Использование галетного переключателя исключает неправильную последовательность включения и отключения напряжений. Переключатель SA4 должен иметь широкий подвижный контакт, чтобы во время его вращения уже включенные цепи не разрывались.
В положении переключателя SA4 "AIR" работает только вентилятор. Это положение используется и после окончания работы усилителя для полного охлаждения лампы в течение 5 мин.
В положении "HEAT" включается трансформатор Т1 и подаются напряжение накала и +24 В на реле и таймер. В положении "GR.1" включается источник отрицательного напряжения для управляющей сетки. Дальнейшим подключением лампы к источникам питания, кроме переключателя SA4, управляет таймер, выполненный на транзисторах VT3 - VT5. В положении "ANOD" через контакты SA4.3 включается каскад на транзисторе VT5 и реле К20 своими контактами включает реле К18. Через контакты реле К18 и разъем XS2 подается напряжение сети на внешний анодный блок питания. В положении SA4.4 "GRID2" включается каскад на транзисторе VT4 и через контакты реле К19 подается напряжение на экранную сетку лампы.
Задержку включения UA и Uэкр на 3 мин обеспечивает таймер. При подаче на него напряжения одновременно с включением накала лампы конденсатор С32 начинает заряжаться и напряжение на затворе и истоке полевого транзистора VT3 постепенно возрастает. По мере его увеличения через 3 мин открывается транзистор VT5, срабатывает реле К20 и происходит подача UA. Через 20 с открывается транзистор VT4 и реле К19 подключает лампу к источнику экранного напряжения. Задержка подачи UA определяется элементами С32, R24, R25 и R31, а задержка подачи Цэкр после UA на 10...20 с - резистором R28.
При выключении усилителя через контакты реле К 16 конденсатор С32 разряжается через резистор R23, поэтому, если через 5 мин усилитель опять включить, конденсатор С32 обеспечит вновь необходимую задержку подачи UA и Цэкр. Если включение УМ произойдет в промежутке времени до 5 минут после выключения, когда лампа еще не остыла, то не полностью разряженный С32 обеспечит включение UA и Нэкр с соответственно меньшей задержкой.
Прибор РА1 предназначен для измерений тока первой сетки лампы и КСВ. Прибор РА2 измеряет ток катода и ток второй сетки лампы.
В усилителе применен внешний анодный блок питания (ВАБП). Его принципиальная схема показана на 2.Реле переменного тока К1 через 20...40 мс после включения закорачивает контактами К1.1 резистор R1, служащий для ограничения пускового тока. Каждое плечо выпрямителя состоит из четырех диодов зашунтированкых резисторами. Эти же резисторы способствуют более быстрому разряду конденсатора СЗ после выключения.
Puc.2
Анодное напряжение подается в усилитель через коаксиальный ВЧ разъем XW3 по радиочастотному кабелю с внешним диаиетром 12 мм. Сетевой провод ВАБП включается в розетку XS2 усилителя мощности (см. рис. 1). Такое подсоединение к сети позволяет управлять ВАБП переключателем SA4 и не пользоваться тумблером SA1 (рис. 2), который может быть постоянно включен.
Намоточные данные катушек индуктивности усилителя мощности (кроме L1) приведены в табл. 1.
Таблица 1
|
Обозн. по схеме |
Индуктивность, мкГн |
Число витков |
Провод, мм |
Каркас |
Способ намотки |
|
L2 |
0,3 |
7 |
1,0 |
оправка диам. 8 мм |
виток к витку |
|
L3 |
100 |
|
|
стандартный Д 0,1 |
|
|
L4 |
|
3 |
1,0 |
оправка диам. 10 мм |
с шагом 2 мм |
|
L5 |
35 |
65 |
0,5 |
фарфоровый диам. 20 |
|
|
L6 |
|
9,5 |
4,0 |
оправка диам. 45 |
с шагом 10 мм, отводы от 3,5; 5; 6; 8 витков, считая от горячего конца |
|
L7 |
|
27 |
2,5 |
ребристый фарфоровый диам. 50 |
в канавке с шагом 5 мм, отводы от 4; 8; 14 витков, считая от L6 |
|
L8 |
50 |
|
|
стандартный Д-0,1 |
|
|
L9 |
50 |
|
0,3 |
М1000ННК10х6х5 мм |
В один слой по окружности до заполнения |
Катушка связи КСВ-метра L1 представляет собой отрезок медного провода диа.метром 0,7...1 мм и длиной 100 мм во фторопластовой изоляции, который пропущен под оплеткой коаксиального кабеля, соединяющего выход усилителя (С13, L3) с реле К13.
Силовой трансформатор Т1 усилителя мощности намотан на тороидальном магнитопроводе размерами 110х60х40 мм из электротехнической стали марки Э3413. Его намоточные данные указаны в табл. 2.
Таблица 2
|
Номер обмотки |
Число витков |
Диаметр провода,
|
Напряжение без нагрузки, В |
|
' |
740 |
0,56 |
220 |
|
II |
240 |
0,2 |
70 |
|
III |
970 |
0,2 |
290 |
|
IV |
75 |
0,7 |
21 |
|
V |
48 |
1,6 |
14 |
Трансформатор Т1 внешнего анодного блока питания намотан на тороидальном магнитопроводе размерами 150х80х75 мм из электротехнической стали марки Э3413. Первичная обмотка трансформатора содержит 240 виттов провода .ПЭВ-2 1,6 мм. Вторичная - 2000 витков провода ПЭВ-2 0,5 мм: Переменное напряжение на вторичной обмотке 1906 В.
Особое внимание следует уделить подбору деталей выходного контура усилителя. Воздушный зазор между статорными и роторными пластинами конденсаторов СП и С19 должен быть не менее 3 мм. Конденсаторы С9, С10 составлены из нескольких конденсаторов типа К15-У1 соответствующей реактивной мощности, Конденсаторы С12-С16 типа КВИ-3 на рабочее напряжение 10 кВ. Конденсаторы С17, С18 - типа К15-У2 или КВИ-3.
Оксидные конденсаторы типа К50-35, остальные могут быть типа КМ, КСО, КД, КО, КТП. Конденсатор С31 составлен из двух конденсаторов типа МБГП емкостью 0,5 и 0,25 мк.
Постоянные резисторы в усилителе типа МЛТ, подстроечные - СП4-1. Резистор R6 составлен из 10 двухваттных безиндукционных резисторов по 510 Ом, соединенных параллельно в форме беличьего колеса. Резисторы R4, R11 и R20 - самодельные, проволочные.
Реле К1 - РЭС60 с рабочим напряжением 12В. Рабочее напряжение всех остальных реле и замыкателей - 24 В. Реле К2-К12 - вакуумные замыкатели типа В1В, К13-К14- РЭВ15, К15-К17 и К20 - РЭС10,К18-ТКЕ53ПД,К19-РЭС9.
Реле переменного тока К1 во внешнем анодном блоке питания типа РП-21 с рабочим напряжением 220 В.
Измерительные приборы РА1 и РА2 типа М4205 на 100 мкА.
Усилитель мощности изготовлен в основном с применением навесного монтажа. На печатных платах собраны только выпрямители и таймеры. Основа корпуса УМ - два боковых кронштейна и передняя панель с верхним и нижним обрамлением от унифицированного промышленного корпуса "Надел". Его размеры 450х400х160 мм. Задняя стенка, нижнее основание, боковые и верхняя, крышки толщиной 1,5 мм, а также внутренние перегородки толщиной 0,8 мм изготовлены из оцинкованной стали. Оцинкованная сталь по электропроводности примерно соответствует дюралю, но, в отличие от последнего, не покрывается оксидной пленкой [5]. Кроме того, стальной корпус защищает оператора от магнитной составляющей излучения, которую пропускает дюраль.
Компоновка УМ видна на фотографиях. Радиолампа размещается горизонтально. Детали П-контура и переключателя диапазонов размещены на нижнем основании и задней стенке. Внутри корпуса расположен блок радиолампы, который конструктивно выполнен в виде перегородки, отделяющей П-контура от блока питания. На блоке радиолампы смонтированы входные цепи, ламповая панелька, воздуховод с вентилятором, анодный КПЕ, силовой трансформатор Т1 и печатные платы с выпрямителями и таймером. Предохранители и гнезда для подключения УМ к внешнему оборудованию расположены на задней стенке. Там же размещены антенные реле и плата КСВ метра, которые закрываются общим кожухом. На передней панели находятся измерительные приборы, все органы управления и индикации.
Блок радиолампы представляет из себя отдельную конструкцию, которая для удобства монтажа устанавливается в корпус УМ уже в собранном виде. Для обеспечения соосности лампы и воздуховода он присоединен к той же плоскости, на которой размещена панелька лампы. Противоположный конец воздуховода выведен наружу через отверстие в задней стенке усилителя и на нем размещен цельнометаллический вентилятор. При работе воздух через верхнюю и нижнюю сетки поступает во входной отсек лампы, затем в воздуховод, проходит через лампу, вентилятор и выходит наружу не нагревая другие детали и корпус усилителя. Увеличение температуры верхней части воздуховода во время работы не отмечено.
Габариты внешнего анодного блока питания 250х320х160 мм.
Первоначальная настройка УМ сводится к подбору отводов катушек П-контура. Операция проводится на обесточенном УМ по методике, описанной в [б].
Для этого к П-контуру подключают ГСС и милливольтметр по схеме на рис.3. Резистор R2 имитирует сопротивление лампы, R3 - сопротивление нагрузки. Эти сопротивления должны быть безиндукционными.
Puc.3
Затем включают усилитель в сеть и производят проверку работы всех источников питания, средств индикации и контроля.
Ток покоя лампы VL1 для режима SSB устанавливается величиной 250 мА, для режима CW - 50 мА. Затем проводится тренировка лампы по методике, описанной в [7].
Puc.4
Если в трансивере, используемом совместно с описываемым усилителем, имеется свободная галета переключателя диапазонов (SАтр) управлять переключением диапазонов УМ можно по схеме, изображенной на рис. 4 (позиционные обозначения элементов соответствуют рис. 1). В этом случае тумблером SA10 отключают подвижные контакты переключателя SА6 от общего провода. Если используется только SА6, контакты тумблера SA10 замыкают, а разъемы XS3 и ХРтр разъединяют.
Автор выражает благодарность В. Барклаевскому (UA1GL), И. Логинову (UA1XN), А. Матруничу (EU1AU) и В. Романову (RZ3BA) за помощь при изготовлении усилителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Как "закачать мощу". - KB журнал, 1993, № 1,с.27,28.
2. Беспалый А., Прохоров С. Применение в выходном каскаде усилителя мощности ламп с высокой крутизной. - Радиолюбитель, 1994, № 9,с.28,29.
3. Бунин С. Г., Яйленко Л. Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - Киев.: Техника, 1984.
4. Кацнельсон Б. В., Калугин А. М., Ларионов А. С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы. Справочник. - М.:Радио и связь, 1985.
5. Корицкий Ю. В., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Справочник по электротехническим материалам.- М.: Энергия, 1988.
6. Евтеева Л. "Холодная" настройка П-контура передатчика. - Радио, 1981, № 2, с. 20.
7. Банков А. Профессиональный способ жестчения (тренировки) металлокерамических генераторных радиоламп. - Радиолюбитель, 1993,№ 7,с.33.
Радио 8-9, 2001г.