УСИЛИТЕЛЬ мощности ДЛЯ КВ-ДИАПАЗОНОВ НА ТРАНЗИСТОРНОЙ СБОРКЕ КТ90105АС В.БАШКАТОВ, USOIZ, г.Горловка, Донецкой обл.
Идея создания усилителя мощносги на транзисторной сборке вынашивалась давно. К этому подталкивали трудности подбора пары мощных дорогостоящих транзисторов в условиях приобретения комплектующих на радиорынке и желание изготовить устройство, не создающее TVI. Применение в усилителе транзисторной сборки КТ9105АС, которая содержит два кремниевых транзистора, имеющих небольшие габариты, высокую надежность и низкое напряжение питания, позволяет в той или иной степени избавиться от указанных проблем.
Описываемый четырехкаскадный усилитель мощности предназначен для установки в коротковолновом трансивере. Он обеспечивает линейное усиление сигнала в диапазоне частот 1,8...30 МГц. Входное и выходное сопротивление усилителя - около 50 Ом. Выходную мощность около 50 Вт (на краях КВ-диапазона немного меньше: 1,9МГц-40 Вт, 28 МГц- 37 Вт) можно получить, подавая на его вход сигнал с диодного смесителя.
Указанный уровень выходной мощности вполне достаточен для "раскачки" усилителя мощности на лампах. Максимальный потребляемый ток - около 6 А при напряжении питания 24 В. Подавление высших гармоник - более 45 дБ (на частотах выше 15 МГц - более 50 дБ), при этом подавление продуктов интермодуляции при испытаниях двухчастотным методом составляет более 45 дБ. Коэффициент полезного действия - около 50%.
Принципиальная схема транзисторного усилителя мощности приведена на рис.1. Выходной каскад усилителя выполнен по двухтактной схеме на транзисторной сборке VT4, работающей в режиме класса АВ с относительно небольшим током покоя, поддержание которого при температурных изменениях обеспечивает стабилизатор напряжения (транзистор VT5, диоды VD3, VD4 и переменный резистор R18). Указанные диоды крепятся каплей клея к транзисторной сборке, чем обеспечивается их тепловой контакт с оконечным каскадом усилителя мощности.
Рис. 1 в прикреплениях
При повышении температуры транзисторов в сборке VT4, диоды нагреваются, вследствие чего уменьшается их сопротивление, и они шунтируют резистор R18. Напряжение на базе транзистора VT5 уменьшается, вызывая снижение напряжения на выходе стабилизатора и, соответственно, тока покоя транзисторов сборки, что уменьшает ее разогрев, и, в конечном итоге, спасает от повреждения.
Каждый каскад усилителя охвачен частотно-зависимыми связями, которые используются для компенсации уменьшения коэффициента усиления при повышении рабочей частоты. Трансформаторы Т4 и Т5 предназначены для согласования несимметричной нагрузки 50 Ом с выходным импедансом двухтактного оконечного каскада.
На рис.2 показан возможный вариант размещения деталей устройства на печатной плате, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм методом травления или фрезерования. Монтаж - односторонний, навесной.
Рис.2. Размещение деталей устройства на печатной плате в прикреплениях
Размеры платы можно уменьшить, если использвать малогабаритные детали. Предлагаемый вариант печатной платы рассчитан на применение транзисторной сборки КТ9105АС, которая через вырез в печатной плате крепится к радиатору. Варианты печатных плат могут быть и другими, но при этом необходимо отметить, что сборка КТ9105АС обеспечивает наиболее приемлемые размеры усилителя мощности и оптимальное расположение проводников как в коллекторных, так и в базовых цепях. Транзисторную сборку можно заменить на подобранную по одинаковому коэффициенту передачи тока пару транзисторов КТ956, КТ944, КТ957 и т.д. При этом выходная мощность усилителя может увеличиться как минимум вдвое.
Применение широкополосных трансформаторов обеспечивает необходимое межкаскадное согласование и позволяет усилителю без перестройки работать в полосе частот 1,8...30 МГц. Как показал опыт, при выходной мощности 50 Вт установка на выходе усилителя переключаемых фильтров нижних частот (ФНЧ) может не потребоваться. В крайнем случае, можно применить один двухзвенный П-образный ФНЧ с частотой среза 32 МГц.
Ток покоя 20...25 мА транзистора VT1 устанавливают подбором сопротивления резистора R2. Амплитудно-частотная характеристика этого каскада формируется элементами R5 и СЗ.
Во втором каскаде применяется транзистор VT2, ток покоя которого в пределах 150...200 мА регулируется с помощью резистора R8. Третий каскад выполнен на транзисторе VT3, и его ток покоя в пределах 300...400 мА устанавливается с помощью резистора R16. Амплитудно-частотная характеристика этих каскадов формируется соответственно с помощью элементов R9, С8, R10, R11, С9 для VT2 и R13, С12, R14, R15, С13 - для VT3. При этом С9 (С13) обеспечивает подъем амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в интервале 24...28 МГц, а элементы R9, С8 (R13, С12) влияют на общий наклон АЧХ и на коэффициент усиления каскадов.
Ток покоя выходного каскада составляет 100...150 мА для каждого транзистора сборки и устанавливается с помощью резистора R18. Амплитудно-частотная характеристика выходного каскада формируется элементами R19...R22 и С17, С18. При этом необходимо отметить, что резисторы R19...R22 влияют на вид АЧХ на ВЧ-диапазонах, а конденсаторы С17, С18 - на коэффициент усиления на НЧ-диапазонах. Конденсатор С21 служит для подъема АЧХ на самом высокочастотном диапазоне - 28 МГц. Резисторы R23, R24 предохраняют базовые цепи транзисторов микросборки от пробоя при отрицательной полуволне управляющего напряжения.
Проводить измерения АЧХ оконечного каскада необходимо при полной выходной мощности, т.к. на малой мощности вид характеристики будет другим. При этом необходимо попытаться получить максимально равномерную выходную мощность на всех КВ-диапазонах. Задача это непростая, и неравномерность по диапазонам в данной конструкции достигает 1,3, что означает превышение выходной мощности усилителя на диапазоне 14 МГц над выходной мощностью в диапазонах 1,8 и 28 МГц на 30%.
Трансформаторы Т1 и Т2 намотаны на ферритовых кольцах К7х4х2 или К10х6х4 с проницаемостью 600...2000НН и содержат 7...10 витков, намотанных в два провода. Диаметр провода - 0,15...0,3 мм. В качестве ТЗ применяется "бинокль" - две трубки, состоящие из 3-4 склеенных ферритовых колец диаметром 10 мм и проницаемостью 1000...2000, длина каждого столбика - 12 мм. Первичная обмотка содержит 2...3 витка провода МГТФ 00,3 мм, вторичная - 1 виток провода МГТФ 00,4 мм.
Дроссели L4 и L5 должны иметь минимальное сопротивление по постоянному току, иначе они могут создавать автосмещение, что крайне нежелательно. В этом случае подойдут стандартные малогабаритные дроссели ДМ1.2 индуктивностью 10...15 мкГн, рассчитанные на ток не менее 300 мА. Кроме того, можно использовать и кусочки провода диаметром 2 мм с надетыми на них фторопластовыми трубками, на которые, в свою очередь, нанизаны 4-5 ферритовых колец подходящего размера. Типоразмер колец, их расположение и симметрия особого значения не имеют. Еще лучше намотать эти дроссели на ферритовых колечках проницаемостью 1000...2000 и диаметром 7...10 мм. Количество витков - 6...10 при диаметре намоточного провода 0,4...0,6 мм.
Работа усилителя и его АЧХ в значительной степени зависят от качества изготовления широкополосного трансформатора Т4. В описываемой конструкции в качестве сердечника используется ферритовый тор с проницаемостью 100...600 и размерами 12х8х6 мм, на который наматывается 6 витков из 12...16 скрученных проводов ПЭВ 00,3 мм, разделенных на две группы по 6...8 проводов. Отвод делается от точки соединения начала одной обмотки с концом другой. Обмотка отрицательной обратной связи имеет 1 виток провода МГШВ 0,35 длиной 100 мм.
Выходной трансформатор Т5 - типа "бинокль", представляет собой две трубки, каждая из которых состоит из семи ферритовых колец К16х8х6 с магнитной проницаемостью 400...600НН. Первичная обмотка - "чулок" из оплетки от коаксиального кабеля, вторичная содержит 2 витка из 8...10 проводов МГШВ 0,2, соединенных параллельно. Вторичная обмотка располагается внутри первичной. Кроме того, необходимо учесть, что выходной трансформатор при полной выходной мощности нагревается, поэтому изоляция проводов обмоток должна быть термостойкой.
В усилителе необходимо устанавливать только керамические конденсаторы с выводами минимальной длины. Емкость блокировочных конденсаторов не критична - от 33 до 68 нФ. В качестве электролитических конденсаторов подойдут К53, К52.
Транзистор VT5 крепится к радиатору через слюдяную прокладку. Верхнюю и нижнюю "землю" печатной платы соединяют посредством нескольких пропаянных кусочков провода, проходящих через просверленные сквозные отверстия в плате.
Усилитель мощности имеет четыре вида защиты. Кроме ранее упомянутых "тепловых" диодов, применяются ALC, защита в блоке питания и "горячий" резистор R29 на выходе усилителя.
Оконечный каскад усилителя требует применения согласованной нагрузки, иначе потребуется установка системы ALC, которая могла бы очень быстро понижать выходную мощность усилителя при значительном рассогласовании на выходе. Вариант схемы защиты транзисторного усилителя мощности от высоких значений КСВ в нагрузке показан на рис.3. Первый каскад усилителя промежуточной частоты (УПЧ) трансивера выполняется на полевом транзисторе VT6 КП350 (КП327); в режиме передачи на него подается DSB-сигнал. Порог срабатывания защиты устанавливается с помощью переменного резистора R11. При достаточно высоком рассогласовании транзистор закрывается напряжением, поступающим на второй затвор транзистора VT6, защищая тем самым усилитель от перегрузки.
Рис. 3 в прикреплениях
Дополнительно для защиты усилителя на его выходе установлен резистор R29 (рис.1) мощностью 4 Вт (составленный из двух резисторов МЛТ-2), который в случае аварийной ситуации (обрыв в антенне или фидере) в течение нескольких секунд испускает запах горелой краски, сигнализируя о неисправности (tnx UT2PW, предложившему такое решение в [1]).
Как показала практика изготовления устройства, первый каскад усилителя мощности необходимо экранировать, иначе при полной выходной мощности иногда наблюдается самовозбуждение. В качестве экрана используют короб, согнутый из луженой жести от консервных банок. Радиатор для усилителя должен иметь размеры как минимум 120х100 мм с высотой ребер 20 мм.
При монтаже вначале на плату устанавливают трансформаторы, проверяют надежность паек и отсутствие замыканий с общим проводом. После этого размещают на плате транзисторную сборку КТ9105АС, а затем - все остальные детали. При окончательной сборке проверяют надежность крепления транзисторов и, особенно, транзисторной сборки к радиатору.
Налаживание усилителя начинают с проверки токов в контрольных точках и подбора соответствующих резисторов и конденсаторов. Токи в каждом каскаде устанавливают при отсутствии входного сигнала. При самовозбуждении усилителя мощности может потребоваться поменять местами выводы широкополосных трансформаторов или надеть на базовые или коллекторные выводы транзистора возбуждающегося каскада маленькие ферритовые колечки ("бусинки"). Еще раз хотелось бы отметить, что работа с усилителем мощности требует применения согласованной нагрузки. Если сопротивление антенны отличается от 50 Ом, между трансивером и антенной необходимо установить тюнер (согласующее устройство).
Блок питания усилителя мощности (рис.4) рассчитан на ток потребления до 8...10 А (максимальный ток транзистора КТ827А - 20 А). Силовой трансформатор применен от старой аппаратуры (ТС-100, ТС-180). Подробно работа и налаживание блока питания рассмотрены в [1]. Резистор R1 служит для надежного запуска стабилизатора, a R3 ограничивает максимальное выходное напряжение в режиме холостого хода. Его сопротивление подбирается в зависимости от тока утечки транзистора КТ827А и величины R1. При настройке блок питания нагружают на мощный проволочный резистор и с помощью R4 подбирают максимальный ток срабатывания защиты. Резистором R5 устанавливают выходное напряжение блока питания. Преимуществом этого стабилизатора является простота конструкции и возможность крепления выходного транзистора непосредственно к радиатору без изолирующих прокладок. К его недостаткам можно отнести относительно небольшой коэффициент стабилизации и необходимость индивидуального подбора выходного транзистора при его замене.
Рис.4 в прикреплениях
Теперь поговорим немного о "стыковке" транзисторного усилителя мощности с ламповым. Предполагается, что в ламповом усилителе используются мощные генераторные лампы ГУ-43 и им подобные. Распространенным решением при конструировании лампового усилителя мощности с общим катодом без применения нейтрализации проходной емкости лампы является установка на входе каскада нагрузочного резистора соответствующей мощности сопротивлением 50...75 Ом. Однако на высокочастотных диапазонах 21...28 МГц наблюдается заметное уменьшение мощности "раскачки", что объясняется шунтированием нагрузочного резистора входной емкостью лампы. Данная проблема решается довольно просто - включением во входную цепь лампы двойного П-образного фильтра (рис.5), имеющего характеристическое сопротивление 50 Ом, частоту среза 32 МГц и коэффициент передачи, близкий к 1. При этом входная емкость лампы будет входить в состав одного из конденсаторов фильтра, емкость которого должна быть меньше расчетной на величину входной емкости лампы. Хотя основная задача фильтра - нейтрализация шунтирующего действия входной емкости лампы, попутно он подавляет составляющие сигнала, лежащие за пределами КВ-диапазонов. Естественно, при этом снижается вероятность возникновения TVI.
Рис. 5 в прикреплениях
Ниже приводятся формулы для расчета двойного П-образного фильтра:
С2 = 0.26/RF;
С1 = С3 = С2/2;
L1 = L2 = 0,18R/F,
где F - частота среза фильтра (МГц);
R - характеристическое сопротивление фильтра, Ом;
L - индуктивности катушек, мкГн.
С - емкость конденсаторов, мкФ.
При этом необходимо учесть, что характеристическое сопротивление фильтра должно быть равно волновому сопротивлению кабеля, соединяющего транзисторный усилитель мощности с ламповым. Емкость С2 (емкость на входе лампы) должна быть меньше расчетной на величину емкости монтажа и входной емкости лампы. Емкость монтажа ориентировочно можно принять равной 10 пФ, а емкость лампы узнать из справочника. При выходной мощности трансивера 50 Вт напряжение на нагрузочном резисторе сетки лампы будет составлять 50 В (U = P/R). Такое напряжение позволяет без проблем "раскачать" любой усилитель, построенный на металлостеклянных или металлокерамических лампах с высокой крутизной вольт-амперной характеристики. Если указанного напряжения недостаточно, его можно увеличить в два раза, установив на входе фильтра обычный широкополосный повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации сопротивления 1:4 (рис.6) В этом случае ФНЧ рассчитывают на сопротивление 200...300 Ом в зависимости от применяемого кабеля - РК-50 или РК-75.
Рис. 6 в прикреплениях
В заключение хотелось бы обратить внимание радиолюбителей на основные требования, которые необходимо учитывать при конструировании транзисторных усилителей мощности:
- используйте транзисторы, предназначенные для работы в КВ-диапазоне;
- не нагружайте транзисторы выходного каскада более чем на 50% их номинальной мощности;
- выходные транзисторы требуют обязательного подбора по коэффициенту передачи тока (если не применяется транзисторная сборка);
- не экономьте на площади радиатора;
- предварительные каскады должны работать только в режиме класса А;
- выводы радиоэлементов должны иметь минимальную длину;
- не экономьте на блокировочных конденсаторах;
- монтаж должен выполняться жесткими проводниками минимальной длины.
