Усилитель мощности трансивера (часть 1)

Александр Тарасов (UT2FW), г. Речи, Украина
Широкополосный транзисторный усилитель мощности позволяет заметно упростить конструкцию современного трансивера и обеспечить (в отличие от ламповых устройств) бесподстроечную работу оконечного каскада. Как сообщил автор статьи, этот ШПУ повторили несколько коротковолновиков, и у всех он работает безотказно.

Намучившись с изготовлением и налаживанием нескольких вариантов ШПУ, я провел анализ схем выходных каскадов зарубежных трансиверов заводского изготовления, предназначенных для любительской радиосвязи, а также отечественной военной схемотехники аппаратуры аналогичного класса. В результате появился определенный подход к конструированию широкополосных транзисторных усилителей мощности коротковолновых трансиверов. Придерживаясь его при изготовлении ШПУ, радиолюбитель имеет больше шансов избежать неприятностей как при их настройке, так и при последующей эксплуатации. Вот основные положения этого подхода.

  1. В ШПУ надо использовать транзисторы, специально созданные для линейного усиления в полосе частот 1,5...30 МГц (серий КТ921, КТ927. КТ944, КТ950. КТ951, КТ955, КТ956,КТ957, КГ980).
  2. Выходная мощность устройства не должна превышать максимального значения мощности одного транзистора двухтактного ШПУ (в военной технике этот показатель не превышает 25% от максимальной мощности транзистора).
  3. Предварительные каскады должны работать в классе А.
  4. Транзисторы для двухтактных каскадов надо обязательно подбирать попарно.
  5. Не следует стремиться получить максимальный коэффициент усиления (Куc) от каждого каскада. Это повлечет за собой их неустойчивую работу. Целесообразнее ввести дополнительный каскад, а Кус остальных каскадов уменьшить отрицательными обратными связями.
  6. Монтаж должен быть жестким, а выводы элементов должны иметь минимальную длину. Проще всего использовать монтаж на печатной плате с опорными площадками.
  7. Экономия на блокировочных конденсаторах и развязывающих цепочках отрицательно сказывается на устойчивости работы усилителя в целом.
  8. Экономия на размерах радиатора не оправдана. Здесь попытки "микроминиатюризации" аппаратуры обычно заканчиваются нервными стрессами с последующими материальными издержками.

Номинальная выходная мощность предлагаемого усилителя при напряжении питания +24 В и напряжении возбуждения 0,5 В (эфф.) - около 100 Вт. Выходное сопротивление усилителя - 50 Ом, а входное - 8... 10 Ом. Без дополнительной фильтрации уровень второй гармоники на выходе усилителя не превышает -34 дБ. а третьей -18 дБ. Уровень комбинационных составляющих третьего порядка на пике огибающей двухтонового сигнала не превышает -36 дБ. Эти измерения проводились анализатором спектра СК4-59А. Ток потребления - до 9 А (при максимальной выходной мощности). Полоса рабочих частот - от 1,8 до 30 МГц. Усилитель успешно эксплуатировался в длительных тестах (без применения принудительного обдува).

Три каскада усилителя мощности (рис. 1) размещены на общей плате размерами 165х85 мм, закрепленной непосредственно на задней стенке - радиаторе трансивера. В первом каскаде использован транзистор КТ913А. Его можно заменить на КТ904А, КТ911А. Ток покоя транзистора (в пределах 150...200 мА) устанавливают подбором резистора R2. Цепочки отрицательной обратной связи С2, R3 и С4, R4, R5 формируют АЧХ каскада. Подбором конденсатора С4 можно поднять АЧХ каскада в полосе 24...28 МГц. Номиналы С2 и R3 влияют на общий ход АЧХ. Если этот каскад запитать от источника напряжением +12 В, то его можно выполнить на транзисторе КТ939А, который специально создан для линейных усилителей класса А. Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе из феррита марки 1000НМ-3 типоразмера К10х6х5 мм. Обмотки содержат по 8 витков проводом ПЭВ 0,2 мм.

рис. 1
Pис. 1

Второй каскад собран на транзисторе КТ921 А. Этот транзистор разработан для линейных усилителей KB и УКВ диапазонов. Ток покоя этого каскада - 300.. .350 мА выставляют подбором резистора R7. Характеристика каскада формируется элементами R8, R9, С7, R6 и С8. В качестве трансформатора Т2 применен так называемый "бинокль" (см., например, статью в "Радио", 1984, №12, с. 18). Два столбика трансформатора набраны из кольцевых магнитопроводов из феррита марки 1000НМ-3 или 2000НМ-3 с внешним диаметром 10 мм. Длина набранного столбика около 12 мм (3-4 кольца). Первичная обмотка - 2-3 витка провода МГТФ 0,25 мм, вторичная -1 виток МПФ 0,8 мм.

Выходной каскад усилителя - двухтактный. Здесь можно использовать транзисторы типов КТ956А, КТ944А, КТ957А. Лучшие по запасу прочности - КТ956А. Транзисторы КТ944А дают "завал" АЧХ на ВЧ диапазонах, а КТ957 менее надежны. Подобранная пара транзисторов обеспечивает высокий КПД усилителя и хорошее подавление гармоник.

Ток покоя транзисторов VT3, VT4 выставляют подбором резистора R14. Он должен быть 150...200 мА (у каждого транзистора). АЧХ каскада формируют элементы R10-R13, С10, С11. Конденсаторы С10, С11 влияют на Кус на низкочастотных диапазонах, а резисторы R10- R13 - на высокочастотных. Емкость конденсатора С15 определяет подъем АЧХ в полосе частот 28...30 МГц. Иногда параллельно вторичной обмотке трансформатора полезно включить конденсатор емкостью 750... 1500 пф. Это также поможет поднять АЧХ на частотах выше 24 МГц. При этом следует контролировать Кус каскада на 10...14 МГц, чтобы здесь не произошел "завал" характеристики. Проверять правильность подбора этих элементов нужно при рабочей мощности, поскольку при малых мощностях "импедансы" не те, что в "крейсерском" режиме.

Исполнение трансформатора ТЗ принципиально влияет на качество работы усилителя. Магнитопровод - кольцевой из феррита марки 100НН-4 типоразмера К16х8х6 мм. Обмотка с отводом имеет 6 витков из 16 скрученных между собой проводов ПЭВ-2 0,31 мм, разделенных на две группы по 8 проводов. Отвод выполнен от точки соединения конца первой группы с началом второй. Другая обмотка-1 виток провода МГШВ-0,35 мм длиной 10 см. Выходной трансформатор Т4 - "бинокль" из 2 столбиков по 7 кольцевых магнитопроводов их феррита марки 400НН-4 типоразмера К16х8х6 мм в каждом. Первичная обмотка - 1 виток оплетки от коаксиального кабеля, вторичная - 2 витка из 10 проводов марки МПО-0,2, включенных параллельно. Вторичная обмотка располагается внутри первичной. Эксперименты с различными вариантами конструкции этого трансформатора показали его работоспособность с ферритами проницаемостью 400-1000 при диаметрах колец от 12 до 18 мм. Вторичную обмотку можно намотать и в один провод, например, МГТФ - 0.8...1 мм. Не нужно только забывать, что трансформатор заметно нагревается в процессе работы и соответственно изоляция проводов должна быть термостойкой.

Омическое сопротивление дросселей L4, L5 должно быть минимальным, чтобы на них не возникало автосмещение. Здесь можно использовать, например, ДМ-1,2 с индуктивностью 8...15 мкГн. Транзистор VT5 (стабилизатор напряжения смещения выходных транзисторов) через слюдяную прокладку закреплен на общем с ними теплоотводе. Диоды VD3 и VD4 должны иметь тепловой контакт с одним из выходных транзисторов. Реле К1 типа РЭС34 (паспорт РС4. 524. 372), хотя и РЭС10, безотказно служат по несколько лет. Корпус реле следует соединить с общим проводом.

К выходу трансформатора Т4 подключена "защита от дурака" - двухваттные резисторы R23, R24 общим сопротивлением 470...510 Ом. С точки их соединения снимается ВЧ напряжение для индикатора выходной мощности (детектор на VD5) и системы ALC. В случае отказа реле К1, реле платы ФНЧ или обрыва антенны вся мощность будет рассеиваться на этих резисторах, а КСВ будет равен 10.

Это не так уж и плохо, так как отработает система ALC и уменьшит выходную мощность. Если откажет и ALC, тогда сработает "защита от дурака": от этих резисторов пойдет "дух горелой краски". Транзисторы такую экзекуцию свободно выдерживают. При мощности до 100 Вт завод-изготовитель гарантирует "степень рассогласования нагрузки (при Рид, = 70 Вт) в течение 1 с 30:1". В нашем случае она будет 10:1, так что три секунды можем работать на передачу и соображать: "Чем же пахнет?".

Двухзвенный ФНЧ (L7L8C21C23C25) с частотой среза 32 МГц распаян непосредственно на плате усилителя.

Питание (+24 В) на усилитель подано постоянно с момента включения транси-вера, а при переходе в режим передачи на шину +ТХ подается управляющее напряжение+12 В.

Налаживание усилителя производят в такой последовательности. После установки токов покоя транзисторов VT1 - VT4 вывод конденсатора С5 отпаиваем от цепей базы VT2 и соединяем через резистор 10...200м (1 Вт) с общим проводом. Подав на вход ШПУ сигнал от ГСС с частотой 29 МГц, подбираем конденсатор С4, выравнивая АЧХ на этой частоте. Восстановив соединение С5, VT2, нагружаем трансформатор Т4 безындукционным резистором 50...60 Ом (25 Вт) с выводами минимальной длины. Установив уровень входного сигнала 0,2..0,3 В (эфф.), измеряем ток потребления транзисторов VT3, VT4 и ВЧ напряжение на нагрузке. Поменяв местами выводы первичной обмотки трансформатора ТЗ, определяем их оптимальное подключение - по максимуму напряжения на нагрузке. Увеличив уровень входного сигнала до 0,5 В (эфф.), измеряем Iпот и Рвых. Подбором конденсатора С15 добиваемся наибольшей мощности на выходе усилителя на частоте 29 МГц (470...2200 пф в зависимости от проницаемости магнитопровода трансформатора ТЗ).

Не изменяя уровень сигнала на входе, измеряем Рвых и Iпотр на частотах 14, 7 и 1,8 МГц. Результаты измерений записываем. По максимальной выходной мощности при минимальном токе потребления последовательно подбираем число витков первичной обмотки сначала трансформатора Т2 (не более 5 витков), а затем трансформатора ТЗ (2-3 вит). При этом сравниваем данные по выходной мощности на частотах 29,14 и 1,8 МГц.

Так как на выходе диапазонных полосовых фильтров редко получаются одинаковые уровни сигнала по всем диапазонам, то и формировать окончательно АЧХ подбором резисторов R6, R10-R13 и конденсаторов С10, С11 нужно с реальным возбудителем (в трансивере), а не с ГСС.

(Окончание следует)

Радио 5-99,с.56-57