A. Jankowski (SP3PJ)
"Радиолюбитель КВ и УКВ" №9 - 11 2000 г.
Несмотря на общую тенденцию использования полупроводниковых приборов во всех технических устройствах, необходимо все же не забывать, что ламповые КВ-усилители мощности (с выходной мощностью более 100 Вт) гораздо проще в изготовлении и устойчивее в работе. Эксперименты с транзисторными устройствами — дорогое удовольствие,ведь как кто-то метко заметил, никто не умирает так тихо, так быстро и наверняка, как транзистор.
Кому нужны усилители мощности? Немногие из любителей работают QRP, большая же часть рано или поздно начинает мечтать об увеличении мощности передатчика. Однако необходимо отдавать себе отчет — чтобы корреспондент заметил изменение силы сигнала на один балл шкалы S (6 дБ), выходную мощность передатчика необходимо увеличить в четыре раза, при этом не имеет значения, местная ли это связь или же QSO с DX. Чтобы разница составляла два балла по шкале S (12 дБ), выходная мощность должна возрасти шестнадцатикратно! Обладатель устройства с выходной мощностью 100 Вт должен был бы в первом случае построить усилитель с подводимой мощностью в 800 Вт, а во втором — 3.2 кВт! Увеличение мощности передатчика в два раза, т.е. на полбалла по шкале S, не имеет особого значения для увеличения силы сигнала. Так. например, повышение мощности передатчика с 75 мВт до 150 мВт или же с 75 Вт до 150 Вт корреспондент практически не заметит.
Усилители мощности могут использовать обладатели передатчиков мощностью от 2 до 20 Вт, или же трансиверов — после снижения выходной мощности до величины, необходимой для возбуждения усилителя. Это может иметь существенное значение для тех операторов, которые предпочитают работать цифровыми видами связи (RTTY или SSTV), когда передатчик работает на полную мощность в течение нескольких минут. Во время такой работы современные трансиверы, имеющие небольшие размеры, сильно нагреваются — а ведь известно, что ничто так не ускоряет старение всякого рода устройств, как их попеременный разогрев и охлаждение. Использование внешнего усилителя мощности приведет к тому, что нагреваться будет устройство, которое гораздо дешевле промышленного трансивера.
Из доступных ламп можно использовать 6П45С, поскольку у нее есть отдельный вывод третьей сетки. Обнаружилось, что при рассеиваемой на аноде мощности 50 Вт, после десяти минут работы некоторые участки анода становятся слегка коричневыми, Сравнение старых ламп, взятых из телевизоров с неизвестным сроком эксплуатации, с новыми не выявило различия в величине анодных токов. Одним из недостатков этой лампы является большая выходная емкость (25 пФ), однако, об этом ниже.
Выяснив это, я собрал аналогичный усилитель, но на лампах ГУ-50. Имея два одинаковых усилителя, я мог легко их сравнивать. Оказалось, что лампы ГУ-50 имеют меньшее усиление по мощности. При одной и той же входной мощности, в усилителе на ГУ-50 можно было получить примерно 60% той мощности, которую давали лампы 6П45С. Поэтому я перевел на лампы 6П45С и другой свой усилитель,
Для усилителей с повышенной выходной мощностью необходимо использовать передающие лампы средней мощности. Для "стеклянных" ламп может потребоваться воздушное охлаждение. Анодный колпачок должен быть изготовлен в форме радиатора, а соединительный провод должен припаиваться тугоплавким припоем. Для увеличения срока службы ламп необходимо использовать двухступенчатое включение накала (для ограничения броска тока через холодную нить накала). В любительских условиях лампа очень часто включается/выключается, номинальный ток накала может быть более 10 А, холодная же нить лампы имеет в 6...7 раз меньшее сопротивление. так что импульсы тока ограничиваются только сопротивлением обмоток трансформатора. Анодное напряжение необходимо прикладывать только после разогрева катода, хотя, собственно говоря, лампа сразу же после включения накала блокируется отрицательным напряжением с накального трансформатора.
Чтобы в цоколе лампы не возникали механические напряжения (в результате чего баллон может треснуть), необходимо использовать только специальные ламповые панельки. Контакты выводов нити накала должны быть надежными, они не должны разогреваться током накала. Оба вывода необходимо соединить друг с другом через керамический конденсатор 10 нФ для шунтирования ВЧ-токов.
Середина трансформаторной накальной обмотки должна быть заземлена (рис 1).
Естественно, для любительской работы лампа не обязательно должна быть новой, можно использовать и лампу, которая уже выработала свой ресурс в профессиональном устройстве. Сейчас очень часто используется керамический тетрод ГУ-74Б. Эта лампа требует обязательного принудительного воздушного охлаждения. При ее использовании желательно установить т.н. "воздушный клапан", который обеспечивает отключение усилителя при отсутствии потока охлаждающего воздуха. Учитывая конструкцию радиатора этой лампы, воздушный поток необходимо пропустить через фильтр. В противном случае лампу необходимо будет периодически доставать и удалять пыль из каналов радиатора. Все лампы передатчика желательно устанавливать в вертикальном положении, кроме того, металлокерамические лампы с анодным радиатором устанавливаются в небольшой вытяжной трубе из изоляционного материала (керамики, тефлона), которая будет направлять весь поток воздуха через радиатор лампы.Если лампа долго хранилась, то перед использованием ее необходимо прогреть в течение примерно одного часа, включив накал без анодного напряжения. Это особенно актуально для металлокерамических ламп.
Маломощный усилитель может запитываться от одного силового трансформатора. дающего напряжения накала, питания реле и вентилятора (если он установлен), отрицательное напряжение для запирания лампы во время приема и анодное напряжение.
Мощность такого трансформатора может составлять 200...300 ВА. Вряд ли можно рассчитывать на приобретение готового трансформатора. Можно использовать какой-либо старый трансформатор, перемотав вторичную обмотку, или любой другой, намотанный на сердечнике сечением 15...18 см2 . Обмотка накала должна обеспечивать напряжение и ток, необходимые для данной лампы (ламп). Такие же обмотки обеспечивают питание реле и вентилятора. Обмотка выпрямителя отрицательного напряжения служит для запирания лампы усилителя во время приема, и в эти моменты практически не потребляет ток. В маломощных усилителях она обеспечивает напряжение -20...-50 В, в мощных -100...-150 В.
Анодное напряжение маломощного усилителя в режиме покоя необходимо взять равным 1000...1400 В. Эта величина связана с возможностью использования электролитических конденсаторов в фильтре анодного выпрямителя. Четыре конденсатора 200 мкФ/350 В включаются последовательно. Это соответствует эффективной величине напряжения анодной обмотки 355...500 В для схемы удвоителя напряжения, и, соответственно, 710..1000 В для мостовой схемы. Трансформатор необходимо рассчитать так, чтобы все пространство, оставшееся после изготовления указанных выше обмоток, было использовано для анодной обмотки, и чтобы ее можно было намотать как можно более толстым проводом. Обмотка для схемы удвоителя требует в два раза меньшего числа витков, но более толстого провода, наматывать который легче. Чем больше поперечное сечение провода этой обмотки, тем надежнее блок питания. Диаметр провода анодной обмотки может находиться в пределах 0,45...0,6 мм. Для работы в режиме SSB это не так важно, поскольку средняя мощность передатчика составляет около 30%, а пики полной мощности очень кратковременны. Однако при работе цифровыми видами связи анодное напряжение в зависимости от величины анодного тока лампы усилителя, будет снижаться вплоть до эффективной величины напряжения трансформатора (в схеме удвоителя — до 2Uэфф трансформатора).
Для усилителей большой мощности необходимо предусмотреть отдельные трансформаторы: один — для косвенного накала, второй — анодный. С учетом необходимости использования электролитических конденсаторов в фильтре, анодное напряжение не должно превышать значение 2700 В — т.е. шесть конденсаторов по 100 мкФ/450 В, включенных последовательно. Напряжение вторичной обмотки трансформатора для схемы удвоителя будет равно 960 В. Для выходной мощности 750 Вт можно принять следующие условия работы лампы: рабочее анодное напряжение — 2400 В, ток — 310 мА, эквивалентное сопротивление нагрузки лампы — 4000 Ом. Анодный трансформатор должен подключаться двухступенчато: вначале — через резистор, ограничивающий ток через диоды выпрямителя, заряжающего конденсаторы фильтра, а через минуту — полное напряжение сети.
Для выпрямления анодного напряжения в усилителях обоих типов можно использовать кремниевые диоды 1N4007. Количество диодов зависит от типа выпрямителя и величины напряжения. На практике можно принять для каждой ветви удвоителя напряжения или для каждого плеча мостового выпрямителя по одному диоду на каждую тысячу вольт выпрямленного напряжения. В схеме удвоителя напряжения это будет 2,82Uэфф напряжения анодного трансформатора. в мостовом выпрямителе — 1,42Uэфф этой же обмотки. К включенным последовательно диодам должны быть параллельно подключены резисторы такой величины, чтобы обратное анодное напряжение, приложенное к каждой из ветвей моста, вызывало в них протекание тока около 1 мА. Это необходимо для гарантированного равномерного распределения обратного напряжения между включенными последовательно диодами. Пробой одного из них приведет к повреждению других. При обратном напряжении в 1000 В, приходящемся на один диод, требуется установить резистор 1 МОм мощностью 1 Вт. Для предохранения диодов от импульсных перенапряжений они шунтируются конденсаторами 1000 пФ/1000 В.
Эквивалентное сопротивление анодной нагрузки каскада усилителя мощности определяется анодными напряжением и током в соответствии с выражением:
Rэ=Ua/2Ia
От его величины зависят номиналы элементов анодного П-фильтра.
На практике выгодно выбирать условия работы лампы так, чтобы эквивалентное сопротивление нагрузки находилось в пределах 2000...4500 Ом. Малое сопротивление нагрузки означает работу при низком напряжении и большом анодном токе, что требует большой мощности возбуждения. Следовательно, КПД усилителя будет мал. Высокий КПД получается в случае высокого напряжения и малого анодного тока. однако это, в свою очередь, приводит к трудностям с реализацией П-контура в диапазоне 28 МГц. Например, нецелесообразно использовать 4 лампы ГУ-50 в режиме с анодным напряжением 500 В и током 500 мА (подводимая мощность — 250 Вт). Эквивалентное сопротивление такого каскада составляет 500 Ом. необходимая мощность возбуждения превышает 50 Вт. а выходная мощность — около 125 Вт (слабое использование анодного напряжения). Гораздо эффективнее будет работа такого усилителя на двух лампах при напряжении 1000 В и токе 250 мА. При той же выходной мощности сопротивление нагрузки будет 2000 Ом, необходимая мощность возбуждения уменьшится, поэтому для излучения той же самой мощности будет использоваться меньше энергии.
Для настройки анодного контура усилителя с П-контуром необходимы два конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком. Они различаются величиной максимальной емкости и требованиями к расстоянию между пластинами ротора и статора. Максимальная емкость конденсатора С1, включенного со стороны анода лампы (рис.2),
может в крайнем случае (для Rэ = 1000 Ом и диапазона 3.5 МГц) составлять 520 пФ.
Минимальная емкость должна быть как можно меньше, а рекомендуемый зазор между пластинами — 1 мм на каждые 400 В анодного напряжения. Теоретически. на этом конденсаторе будет удвоенная величина этого напряжения, а пробивное напряжение воздуха принимается равным 800 В/мм. Однако на практике это напряжение может быть и несколько меньше.
Для усилителей с небольшой мощностью можно использовать переделанные сдвоенные КПЕ от старых радиоприемников. Для этой цели годятся только конденсатоpы с одинаковыми секциями, т.е. с пластинами ротора и статора одинаковой формы и с одинаковыми расстояниями между пластинами. Переделка заключается в осторожном удалении каждой второй пластины роторов и статоров: после этого статоры вспаиваются и впаиваются заново так, чтобы между пластинами ротора и статора с обеих сторон было одинаковое расстояние. Переделанный таким образом конденсатор с расстоянием между пластинами больше 1 мм можно использовать в усилителях с анодным напряжением до 1400 В. Поскольку емкость конденсатора уменьшится примерно до 100 пФ на секцию, используются обе секции конденсатора. Очень важно, чтобы скользящий контакт, отводящий ток с ротора конденсатора на общий провод, был надежным; нельзя забывать, то здесь протекает очень большой ток резонансного контура, которым является П-контур. Для усилителя большой мощности желательно раздобыть конденсатор заводского изготовления (от военных радиостанций) с расстоянием между пластинами 2...3 мм и толщиной пластин 2 мм, причем пластины должны иметь закругленные края. Если края будут острыми, то, несмотря на большое расстояние между пластинами, может возникнуть т.н. дуговой разряд.
В крайнем случае, можно использовать переменный конденсатор меньшей емкости, чем это необходимо для диапазона 3,5 МГц (с необходимым расстоянием между пластинами), а на указанном диапазоне подключить к нему соответствующий конденсатор постоянной емкости. Однако такое решение усложняет конструкцию переключателя диапазонов --- в качестве дополнительных параллельных конденсаторов можно использовать только слюдяные конденсаторы (например, КСО) на напряжение 2Ua. Керамические конденсаторы имеют большой термический коэффициент, и разогрев протекающим ВЧ-током приводит со временем к изменению их емкости.
Конденсатор С2 П-контура должен иметь в крайнем положении максимальную емкость 2400 пФ , однако требования к расстоянию между пластинами для него в десять раз менее жесткие, чем для конденсатора С1. Поэтому здесь можно использовать переменный конденсатор от радиоприемников без всяких переделок. Для усилителей большой мощности лучше использовать конденсаторы старых типов, у которых расстояние между пластинами больше.Это могут быть двух или, еще лучше, трехсекционные конденсаторы. Недостающую емкость для диапазона 3,5 МГц легко можно дополнить конденсатором постоянной емкости. который подключается переключателем диапазонов при выборе этого диапазона. Здесь также рекомендуется использовать слюдяные конденсаторы типа КСО на рабочее напряжение 500 В: лучше применить два или три конденсатора меньшей емкости, включенные параллельно.
Величины индуктивности катушек П-контура для отдельных диапазонов. в зависимости от величины анодного сопротивления лампы и от сопротивления антенны, приведены в таблице. Вследствие значительной мощности усилителя, в катушке резонансного контура, каковым является П-контур, протекает очень большой ток. Поскольку на указанных частотах ток течет только по поверхности проводника, то чтобы он не перегревался, его диаметр должен быть достаточно большим. На практике для усилителя небольшой мощности для диапазонов 3.5 и 7 МГц катушку можно намотать эмалированным проводом диаметром 1,5 мм, а для диапазонов 10, 14 и 18 МГц — диаметром 2,5...3 мм. Для диапазонов 21...28 МГц необходимо использовать посеребренные трубки диаметром 4 мм. Катушку для диапазонов 3,5 и 7 МГц можно намотать на трубке диаметром 45...50 мм, виток к витку. Катушки для диапазонов от 10 до 18 МГц необходимо наматывать на трубке диаметром около 40 мм. виток к витку: затем катушка снимается и слегка растягивается — так, чтобы расстояние между витками было равно половине диаметра провода. Если используется провод большого диаметра, и катушка имеет небольшое число витков, нет необходимости в каком-либо каркасе. Катушки для диапазонов 21...28 МГц наматываются аналогичным образом, но имеют диаметр около 30..35 мм и несколько большее расстояние между витками.
Для усилителя большой мощности диаметры используемых проводов необходимо соответствующим образом увеличить. Так, например, для диапазонов 3,5…7 МГц диаметр провода — 3 мм. 10…18 МГц — 5 мм и 21…28 МГц — от 8 до 10 мм. В двух последних случаях катушки лучше изготовить из посеребренной медной трубки.
Диаметры катушек могут быть несколько меньше, что обеспечит такую же индуктивность при меньшей длине катушки, обусловленной большим диаметром провода (трубки). Все катушки, намотанные в одном и том же направлении, можно крепить на переключателе диапазонов навесным способом. Катушки диапазонов 10...14 МГц и 18...28 МГц, соединенные соосно, образуют одну катушку с отводами. Катушки диапазонов 3.5 и 7 МГц могут быть расположены как соосно, так и под некоторым углом — в зависимости от наличия места в корпусе усилителя. Подключение отводов катушки к переключателю диапазонов необходимо выполнить посеребренным проводом диаметром 1.5 мм для усилителей небольшой мощности, и более толстым проводом — для усилителей большой мощности. Провода должны быть как можно короче, особенно для высокочастотных диапазонов.
При переключении на более низкочастотный диапазон индуктивность катушки будет равна сумме индуктивностей всех ее фрагментов. Полная индуктивность будет равна индуктивности, требуемой для диапазона 3.5 МГц для заданного эквивалентного сопротивления.
Переключатель П-контура Для усилителей небольшой мощности можно использовать керамические или, в крайнем случае, гетинаксовые переключатели. Для повышения надежности контактов необходимо соединить параллельно две галеты. Если возникает необходимость использовать старый переключатель, необходимо проверить, чтобы его контакты не были слишком изношенными. Если на скользящем контакте на глаз видны борозды с просвечивающейся латунью, переключатель использовать нельзя. Собственно говоря, это главная причина износа старого радиооборудования. Для усилителей большой мощности использовать такой переключатель не рекомендуется. Поиск соответствующего переключателя в хорошем состоянии для усилителя большой мощности может оказаться очень трудной задачей.
В усилителе мощности с ОС используются три типа высокочастотных дросселей — анодный, катодный и накальный. У ламп прямого накала накальный дроссель является одновременно и катодным дросселем. Поскольку все эти дроссели работают в различных условиях, они имеют различную конструкцию. Больше всего хлопот доставляет изготовление анодного дросселя, который работает в высокоомной цепи лампы усилителя. На нем возникает наибольшее
переменное ВЧ-напряжение, и в случае последовательного резонанса на рабочей частоте усилителя происходит "отсасывание" энергии и сильный разогрев корпуса дросселя.
Если дроссель намотан на керамическом каркасе, этот разогрев можно и не заметить. Для намотки дросселя можно использовать эмалированный провод диаметром 0,25...0,30 мм. После закрепления начала обмотки. на расстоянии 10 мм от края каркаса наматывается провод с расстоянием между витками, равным диаметру провода: длина этой секции — около 10 мм. Затем на длине около 10 мм расстояние между витками постепенно уменьшается, а дальше, до конца, вся обмотка наматывается виток к витку. Начало и конец обмотки необходимо склеить клеем, чтобы витки не смещались. Полная длина обмотки составляет примерно 10 см. На обоих концах каркаса необходимо изготовить контактные выводы, например, из посеребренного провода диаметром 1 мм (рис.3).
К ним припаиваются выводы катушки. Вывод дросселя, имеющий более редкую намотку, подключается к аноду лампы. В случае неудачного изготовления анодного дросселя, эффект будет сразу заметен — обугливание изоляции на отдельных участках, появление дыма или, в крайнем случае, возгорание. При проявлении подобных эффектов необходимо изменить диаметр каркаса и/или длину обмотки.
Катодный дроссель работает при низком входном импедансе усилителя с ОС, поэтому гораздо менее критичен к качеству изготовления. Эксперименты с дросселями различной конструкции не обнаружили заметных изменений в работе усилителя. Индуктивность катодного дросселя может быть гораздо меньше, чем анодного. Соответственно можно уменьшить и его размеры. Катодный дроссель можно намотать на таком же каркасе, как и анодный, но диаметром 10...12 мм и длиной 60 мм, и тем же проводом, намотка — виток к витку.
Для ламп с косвенным накалом накальный дроссель можно не применять. Обычно он используется для устранения шунтирующего влияния емкости катод-подогреватель лампы. Учитывая, что по его виткам течет большой ток накала лампы, во избежание значительного падения напряжения накала, дроссель необходимо наматывать достаточно толстым проводом. Для увеличения индуктивности его необходимо наматывать на ферритовый сердечник. Для этой цели подойдет стержень ферритовой антенны диаметром около 10 мм от старого радиоприемника длиной около 80 мм. При токе 2,5 А обмотку можно наматывать двойным проводом (бифилярно) диаметром 0,8 мм. Концы витков закрепляются тонким шпагатом и проклеиваются. Бифилярная обмотка не вызывает намагничивания сердечника сильным током накала и обеспечивает большое сопротивление для токов высокой частоты.
При токе накала более 10 А катодно-накальный дроссель для ламп прямого накала наматывается аналогично. но на стержень длиной около 150 мм или на два таких ферритовых стержня, сложенные вместе: используется эмалированный медный провод диаметром 1,5 мм При таком большом токе накала необходимо учитывать падение напряжения накала лампы на этом дросселе. В связи в этим необходимо предусмотреть более высокое напряжение обмотки накала, а также возможность его точной регулировки с помощью отводов на первичной обмотке трансформатора (рис.1).
Для переключения режимов работы усилителя используются электромагнитные реле. В режиме приема сигнал с антенного разъема подается через нормально замкнутые контакты реле на входной разъем усилителя и далее — коаксиальным кабелем — к антенному разъему трансивера. При передаче управляющий сигнал с трансивера вызывает срабатывание реле, а мощный ВЧ-сигнал подается тем же кабелем на входной разъем усилителя и далее, через контакты реле — на катод лампы. Одновременно лампа открывается, а вторая группа контактов реле подключает выход П-контура к антенному разъему усилителя. В принципе, для этой цели необходимо использовать реле с малой емкостью между контактами.
Существуют реле с удлиненными контактами и, соответственно, с увеличенным расстоянием между пружинами и меньшей проходной емкостью. Такие реле можно использовать в маломощных усилителях или же в качестве входного репе мощных усилителей. Для питания катушек реле можно использовать напряжение 12 В непосредственно от трансивера или же применить специальный блок питания, а напряжение от трансивера использовать только для управления автоматикой.
Усилитель должен быть снабжен хотя бы одним измерительным прибором с переключателем, дающим возможность измерять величину выходного ВЧ-сигнала на антенном разъеме, а также анодный ток. Величина ВЧ-сигнала может быть определена по величине напряжения на резисторе делителя напряжения или же по величине выходного тока. Первый способ более легок в реализации. Эксперименты с трансформатором тока на кольцевых сердечниках с разной проницаемостью (внешним диаметром 10 мм) приводили к тому, что трансформатор "горел". Измерение ВЧ-сигнала не является измерением величины сигнала с какой-то определенной точностью, а представляет собой только индикацию, служащую для настройки П-контура. Величина этого сигнала может различаться на разных диапазонах, а поэтому должна быть возможность регулировки величины отклонения стрелки прибора (чувствительности) с лицевой панели усилителя. Измерение величины анодного тока необходимо обеспечить с достаточной точностью. Ток необходимо измерять в отрицательном проводе анодного блока питания. используя небольшой резистор, выполняющий роль шунта, подобранного в соответствии с параметрами измерительной головки, так чтобы рабочий анодный ток лампы обеспечивал отклонение стрелки на половину шкалы. Для этой цели можно использовать измерительные приборы магнитоэлектрического типа с чувствительностью от 100 до 500 мкА.
Если использовать традиционный трехпозиционный переключатель. можно еще реализовать измерение тока сетки лампы. Измерение этого параметра не имеет особого значения для работы усилителя, однако дает кое-какую информацию о величине мощности возбуждения. Если же кто-нибудь захочет использовать два отдельных измерительных прибора — анодный и антенный — без переключателя, то ни в коем случае нельзя включать измерительный прибор в высоковольтный положительный провод блока питания!
Лампы линейных усилителей мощности (как с общим катодом, так и с общей сеткой) работают, как правило, в режимах класса В или АВ. При большой величине входного сигнала лампа в этих режимах работает нелинейно, в результате, две полуволны сигнала возбуждения усиливаются несимметрично. По этой причине в ламповых звуковых усилителях мощности используется двухтактная схема с выходным трансформатором. в котором компенсируются эти искажения. В усилителях ВЧ-мощностм эту функцию выполняет анодный резонансный контур, в нашем случае — П-контур. Эффективность работы этого контура зависит от его нагруженной добротности. При малой добротности выходной сигнал усилителя не будет симметричным. При слишком высокой добротности изменения колебаний в контуре не успевают за изменениями тока лампы, а поэтому не повторяют точно форму входного сигнала. В таблице приведены номиналы элементов П-контура для оптимальной добротности Q = 12.
Рабочая точка лампы в классе АВ зависит от величины начального напряжения смещения на первой сетке. В зависимости от типа лампы, напряжение смещения может быть как положительным, так и отрицательным, или даже нулевым.
Так как через первую сетку лампы в положительные полупериоды течет ток величиной от нескольких десятков до нескольких сотен миллиампер (в зависимости от мощности возбуждения), сопротивление этого контура должно быть мало, чтобы на нем не создавалось дополнительное напряжение смещения рабочей точки лампы. Для усилителей с общим катодом недопустима работа в режиме с током первой сетки. поскольку это приводит к нелинейным искажениям, проявляющимся "хрипением" в более широкой полосе, чем занимает SSB-сигнал (3 кГц). Правда, модуляция такого перегруженного усилителя маскируется QRM и получает хвалебные отзывы корреспондентов, которые не замечают искажений. Поэтому должна быть возможность измерения тока первой сетки, чтобы, наблюдая за его появлением, ограничивать напряжение возбуждения лампы усилителя. Можно также использовать схему ALC (Automatic Level Control), которая автоматически уменьшает мощность возбуждения при появлении тока сетки. Впрочем, такую неправильную работу должен легко заметить и сам оператор, наблюдая за индикатором антенного сигнала, который должен быть отрегулирован так, что при полной мощности однотонального сигнала (например, свист в микрофон) стрелка отклонялась на всю шкалу, а при модуляции речью — на 25...30% шкалы. Колебания стрелки индикатора, превышающие 50% шкалы, являются несомненным признаком того, что усилитель, не имеющий спич-процессора, перегружен.
Часто используемая в любительских конструкциях усилителей лампа ГУ-50 работает без предварительного смещения: однако, при этом ток покоя при анодном напряжении 1100 В составляет 8...10 мА, что очень мало. Поэтому в режиме передачи желательно подать напряжение смещения +4 В, а в режиме приема — отрицательное напряжение запирания -20 В. Для лампы 6П45С при анодном напряжении 1100 В первая сетка лампы должна иметь напряжение смещения около -9 В: для запирания необходимо -24 В. При анодном напряжении 1400 В напряжение смещения этих ламп равно -13 В, а напряжение запирания составляет -30 В.
Различные способы смещения и запирания на время приема лампы усилителя показаны на рис.4.
Усилитель с ОС на тетроде может использовать стандартную схему включения лампы, не считая того, что мощность возбуждения подается в катод. В зависимости от типа лампы, коэффициент усиления такого усилителя составляет от 20 до 50. Определенным недостатком такого решения является необходимость дополнительного источника питания для второй сетки, который должен быть стабилизированным, так как ток второй сетки ламп усилителя класса В изменяется в очень широких пределах — от нескольких миллиампер в режиме покоя до нескольких десятков миллиампер при наличии мощности возбуждения. Такое же решение можно было бы использовать и для ламп ГУ-50 при напряжении второй сетки +250 В и соответствующем смещении первой сетки отрицательным напряжением около -50 В в режиме передачи, и напряжением запирания -100 В в режиме приема.
Хотя входной импеданс усилителя с ОС мал, но он все же больше 50 Ом — той величины, которая характерна для приемо-передающих устройств. В связи с этим. если просто соединить кабелем выход трансивера с усилителем, т.е. с катодом лампы. схема ALC трансивера ограничит выходную мощность. Правильное согласование можно осуществить, например. с помощью П-контура, включенного между контактами реле и катодом лампы: в этом случае он будет работать как преобразователь импеданса. Однако для каждого диапазона необходим свой контур, что требует применения дополнительного переключателя. Точная настройка фильтров осуществляется с помощью измерителя КСВ. включенного между трансивером и входом усилителя. Кроме того, согласовать выход трансивера с входом усилителя можно с помощью антенного тюнера, включенного на входе усилителя, за измерителем КСВ (рис.5).Кабель, соединяющий тюнер с усилителем. должен быть как можно короче.
Корпус усилителя лучше всего изготовить из алюминия соответствующей жесткости. Для усилителя небольшой мощности массой около 10 кг подойдет материал толщиной 2 мм, для усилителей большой мощности потребуется материал толщиной 3 мм и более.
Размеры ВЧ-отсека необходимо спроектировать так, чтобы в нем свободно размещались лампы, переменные конденсаторы и катушки П-контура, причем для последних должно быть столько места, чтобы расстояние между ними и всеми металлическими поверхностями было не меньше их диаметров. Для достижения необходимой жесткости горизонтальное шасси жестко скрепляется болтами М3 с боковыми стенками и передней и задней панелями. Для обеспечения доступа внутрь корпуса верхняя и нижняя крышки делаются съемными. В верхней и нижней частях корпуса внутри него устанавливаются пластины, отделяющие отсек блока питания от ВЧ-каскада. Само собой разумеется, что прежде чем окончательно собирать усилитель. необходимо вырезать все необходимые отверстия, включая отверстия в дне и крышке для циркуляции воздуха. В случае использования какого-либо готового корпуса. шасси в который вдвигается со стороны передней панели, для выходного каскада необходимо изготовить специальный алюминиевый корпус. это нужно сделать как с точки зрения техники безопасности, так и для предотвращения влияния создаваемого им мощного электромагнитного поля на другие элементы. Для покраски внешних поверхностей корпуса можно использовать аэрозольные краски; поверхности предварительно обрабатываются мелкой наждачной бумагой и обезжириваются. После окончательной сборки корпуса на выступающие концы винтов необходимо нанести по капельке масляной краски, чтобы предотвратить их самооткручивание.
Усилитель вместе с блоком питания должен составлять единое целое. Особенно это актуально для усилителей большой мощности, если учесть большую величину тока накала лампы и высокое анодное напряжение; к тому же, его масса может превышать 25 кг.
Схема усилителя на двух лампах 6П45С приведена на рис.6.
Ориентировочная входная мощность для такой схемы составляет примерно 40 Вт. При использовании в усилителе двух ламп ГУ-50 необходимо считаться с тем, что мощность возбуждения должна быть около 20...30 Вт, но зато взамен мы получим меньшую выходную емкость (включая емкость монтажа) — около 30 пф (для ламп 6П45С эта величина достигает 65 пФ).
Для источника питания усилителя можно использовать сетевой трансформатор мощностью 220 ВА, в котором перемотаны обмотки накала и вспомогательная низковольтная обмотка. Напряжение анодной обмотки равно 390 В, что при выпрямлении по схеме с удвоением дает анодное напряжение 1100 В. Хорошо было бы увеличить анодное напряжение до 1300 В, что при анодном токе 200 мА и снижении рабочего напряжения до 1000 В в режиме полной выходной мощности дало бы эквивалентное выходное сопротивление ламп на уровне 2500 Ом. В этом случае напряжение анодной обмотки трансформатора должно быть равно 460 В.
К диодам анодного вырямителя подключены резисторы R1...R4. Они обеспечивают одинаковое обратное напряжение на каждом из диодов. Параллельно подключенные конденсаторы С3...С6 повышают устойчивость к импульсным перенапряжениям.
Резисторы R5...R8 равномерно распределяют напряжение на конденсаторах сетевого фильтра, а также разряжают конденсаторы при выключении усилителя.Корпуса электролитических конденсаторов изолированы от шасси гетинаксовыми прокладками толщиной 0,5 мм. Резистор R9 является шунтом измерительного прибора анодного тока и вместе с резисторами R10, R11 определяет диапазон его измерений — 500 мА.
Для коммутации прием-передача усилителя используются два реле с двумя парами контактов. Реле питаются напряжением +13 В. Перевод в режим передачи обеспечивается либо напряжением, превышающим +8 В, на выводе 5 разъема XS3, либо подключением к общему проводу вывода 1 этого разъема, последнее происходит в положении OPR переключателя SA1. В положении STB реле не работают, хотя усилитель включен. Резистор R25 с конденсатором С32 обеспечивают задержку отпускания реле.
Светодиоды, размещенные на лицевой панели, сигнализируют о режиме работы усилителя: красный диод VD18 — включение, зеленый VD20 — готовность, VD19 — передача. Резисторы R13...R15 ограничивают ток через светодиоды.
Реле вместе с блоком управления смонтированы на плате, размещенной вблизи разъемов XS1 и XS2.
Два вспомогательных выпрямителя, также смонтированные на плате, предназначены для подачи положительного напряжения на реле и, при необходимости, для небольшого вентилятора, и отрицательного напряжения —для управления режимом работы ламп. В режиме приема на первые сетки ламп подается полное отрицательное напряжение -24 В, запирающее лампы. В противном случае дробовой эффект увеличивает уровень шума приемника, а бесполезно рассеиваемая анодами мощность дополнительно разогревает все устройство. В режиме передачи контакты реле К1.2 подключают катод стабилитрона VD5 к общему проводу, а на первую сетку подается напряжение -9 В, устанавливающее ток покоя ламп около 40 мА. Во время приема через контакты реле антенна подключается небольшим отрезком коаксиального кабеля к контактам реле К2-1, и далее, кабелем, через разъем XS1 — к трансиверу. Во время передачи, чтобы уменьшить влияние емкостей контактов реле, эта цепь подключается к общему проводу контактами К2.2. Конденсаторы С23...С30 предохраняют от ВЧ-наводок усилителя транзисторный блок управления реле.
Дроссель Др1 намотан эмалированным проводом диаметром 0,25 мм на каркасе диаметром 16 мм, длина намотки — 60 мм.
Дроссель Др2 намотан проводом 0,3 мм на каркасе диаметром 12 мм, длина намотки — 50мм.
Обмотка дросселя ДрЗ намотана двумя проводами диаметром 0,8 мм на ферритовом стержне от магнитной антенны на длине 70 мм.
Катушки L1 и L2 антипаразитной схемы имеют по два витка, намотанных прямо на резисторы R16 и R17 посеребренным проводом диаметром 1,5 мм. Как ранее упоминалось, лампы 6П45С имеют очень большую выходную емкость, в результате чего на самых высокочастотных диапазонах почти весь ток резонансного контура течет через катушки L1 и L2. Если их индуктивность будет слишком велика, возможно обугливание резисторов R16 и R17.
Желательно использовать слюдяной конденсатор С16 на рабочее напряжение 2Ua, т.е. на 2500 В. Лучшим решением было бы использование трех конденсаторов по 1000 пф на такое же напряжение, соединенных параллельно, для снижения индуктивности выводов этих конденсаторов, по которым протекает ток резонансного контура. В качестве переключателя диапазонов использованы две одинаковые
платы поворотного керамического переключателя с параллельно соединенными контактами.
Катушка L3 П-контура изготовлена из медной посеребренной трубки диаметром 3 мм. Шесть витков этой катушки намотаны на каркасе диаметром 40 мм, а оставшиеся пять — на каркасе диаметром 35 мм. Отводы сделаны от 3, 4, 5, 6 и 8-го витков.
Катушка L4 намотана на тороидальном каркасе из полистирола с внешним диаметром 57 мм, внутренним — 25 мм и толщиной 22 мм. Она содержит 37 витков эмалированного провода диаметром 1,5 мм. Такая катушка имеет малое поле рассеяния, поэтому может быть размещена довольно близко к корпусу.
Для ламп ГУ-50, благодаря их меньшей выходной емкости, эта катушка может иметь несколько большее число витков.
Конденсатор С17 имеет расстояние между пластинами 0,6 мм; теоретически он должен периодически пробиваться, однако работает устойчиво (вероятно, потому что амплитуда переменного напряжения на аноде лампы не достигает двукратной величины анодного напряжения, поскольку отрицательный полупериод этого напряжения никогда не понижается до нуля).
Конденсатор С19 — строенный, переменной емкости, от радиоприемника с верньером 3:1.
Делитель схемы измерения выходного ВЧ-напряжения — резисторы R18...R20 и диод VD15 -- используется также для стекания электростатических зарядов, возникающих в антенне. Потенциометром RP1 чувствительность схемы регулируется так, чтобы его показания были в пределах шкалы прибора.
Корпус усилителя не занулен. В случае одновременного заземления и зануления, в нулевом проводе будет течь значительный выравнивающий ток, зависящий от уровня загрузки энергосети и сопротивления заземления. Это относится к блокам питания трансивера и компьютера, соединенного с трансивером (например, для режимов RTTY и SSTV), Корпуса всех устройств соединены между собой кабелями, поэтому нельзя одно устройство заземлять, а другое занулять. В качестве заземления можно использовать водопроводную сеть в блочных строениях или систему центрального отопления, стыки которой, как правило, исправны, и она весь год заполнена водой.
Конструкция корпуса усилителя показана на рис. 7, 8, 9 его размеры — 340 х 255 х 160 мм. В принципе, в режиме SSB усилитель может работать без принудительного охлаждения; достаточно циркуляции воздуха через отверстия в дне и крышке, а также в шасси около ламп. Однако для цифровых видов связи необходимо принудительное охлаждение. Для этой цели можно использовать небольшой вентилятор (12 В, 2 Вт) от блока питания компьютера, уменьшив напряжение питания примерно до 9 В. Это обеспечивает бесшумную работу при достаточном уровне охлаждения. Точка подключения питания вентилятора на схеме обозначена пунктирной линией. На практике корпус усилителя — холодный. Вентилятор, размещенный в горизонтальной "вытяжной трубе" на тыльной панели, работает как вытяжной, выбрасывая наружу воздух, всасываемый через отверстия в верхней и нижней крышках корпуса.
После окончания монтажа усилителя и проверки его правильности можно приступать к наладке. Для этого необходим эквивалент антенны. Проведение каких-либо испытаний передатчика с наружной антенной недопустимо! К сожалению, добыть безындуктивный резистор, сопротивление которого соответствует импедансу антенны, т.е. равно 50 или 75 Ом, мощностью 100...400 Вт очень трудно. В такой ситуации остается только использовать лампочки накаливания соответствующей мощности. Для усилителя небольшой мощности при нагрузке 50 Ом и выходной мощности 120 Вт получается напряжение 80 В. Поскольку такие лампочки не выпускаются, можно использовать три лампочки на напряжение 24 В и мощностью 40 Вт каждая, соединив их последовательно. В конце концов, можно использовать лампочки 150 Вт/220 В , соединенные параллельно. Правда, при этом настройка П-контура будет не очень правильной, однако на практике это не имеет особого значения. У усилителей большой мощности при выходной мощности 400 Вт напряжение будет составлять 142 В, что также не соответствует ни одной из имеющихся лампочек. Лучше всего в этом случае использовать три лампочки 220В/200Вт, соединенные параллельно. Лампочки необходимо разместить так, чтобы исключить возможность возгорания чего-либо, и чтобы их свет не слепил оператора во время проведения испытаний. К усилителю они подключаются не очень длинным кабелем. Необходимо также соединить соответствующий выход трансивера с усилителем, чтобы при переключениях прием-передача срабатывало реле усилителя.
После включения питания переключаем измерительный прибор в положение измерения величины анодного тока и, нажимая кратковременно клавишу РТТ трансивера, который должен находиться в режиме SSB с минимальной выходной мощностью, измеряем величину тока покоя лампы. Он должен удовлетворять условию
Ia=(0.3 … 0.5Pa)/Ua
Если это не так , необходимо изменить ток покоя с помощью одной из схем, приведенных на рис.4. Если ток слишком велик, подается отрицательное напряжение смещения, если же он мал (или нулевой) — положительное.
Настройку П-контура лучше всего начать с диапазона 3,5 МГц. После установки тока покоя лампы переключаем трансивер в режим CW и, нажимая на ключ, наблюдаем за показаниями измерителя анодного тока усилителя. При достаточной мощности возбуждения, поступающей с трансивера, величина анодного тока должна увеличиться: если это не так, увеличиваем выходную мощность трансивера до тех пор, пока не станет заметен прирост анодного тока. Отпускаем ключ, измерительный прибор переключаем в положение "Антенна" и, снова нажав ключ, вращаем ручку первого (анодного} конденсатора П-контура, настраивая его так, чтобы получить максимальные показания прибора. С помощью регулятора чувствительности устанавливаем стрелку на середину шкалы. 8 этот момент уже может быть заметно слабое свечение лампочек эквивалента нагрузки. При нажатом ключе вращаем ручку второго конденсатора П-контура (нагрузки) в направлении увеличения показаний измерительного прибора, а затем снова осуществляем подстройку первым конденсатором. Этот цикл повторяем, регулируя соответствующим образом чувствительность прибора, до получения максимума показаний антенного измерительного прибора и максимальной яркости свечения лампочек. Настройку необходимо осуществлять быстро, с периодическими перерывами, т.е. отпуская ключ. При ненастроенном усилителе, на который подается мощность возбуждения, вся подводимая мощность рассеивается на аноде лампы! После этой начальной настройки можно увеличить мощность возбуждения с трансивера, так чтобы анодный ток лампы достиг заданной величины, и затем снова подстроить П-контур. Настройку всегда завершают первым конденсатором, который обеспечивает "острую" настройку контура.
Дальнейшую настройку усилителя необходимо начать с самого высокочастотного диапазона, т.е. с 28 МГц. Заключается она в том, чтобы подобрать отвод катушки П-контура так, чтобы настройка осуществлялась как можно меньшей емкостью переменного конденсатора С17 (необходимой только лишь для получения резонанса) и, следовательно, как можно большей индуктивностью катушки (наибольшим числом витков). Это имеет особенно важное значение в случае параллельного соединения нескольких ламп или же при работе с очень высоким напряжением на аноде лампы. Емкостью контура для этого диапазона является выходная емкость ламп и емкость монтажа. Это относится и к диапазонам 24 и 21 МГц. И только для диапазона 10 МГц угол поворота первого конденсатора при резонансе в контуре может быть несколько больше:
еще больше — для диапазона 7 МГц, и максимальный — для диапазона 3.5 МГц. Было бы хорошо проверить индуктивность катушки П-контура для диапазонов 3,5; 7; 10 и 14 МГц, например, с помощью гетеродинного измерителя резонанса. Значения индукивности должны соответствовать принятому сопротивлению анодной нагрузки лампы .
Проверку линейности усилителя можно осуществить, например, с помощью двухтонального генератора и широкополосного осциллографа, однако проделать это сможет не каждый радиолюбитель. Необходимо также проверить, имеется ли необходимость в подстройке П-контура при изменении рабочей частоты в пределах данного диапазона. По мере роста частоты интервал частот, в котором не требуется подстройка, будет расширяться, а подстройка при небольших изменениях частоты будет ограничиваться только подстройкой первого конденсатора П-контура.
После проверки работы усилителя на эквивалент антенны, можно подключить наружную антенну и, настроив П-контур на какой-либо частоте, попытаться провести пробные радиосвязи. Линейность работы усилителя может оценить корреспондент — при условии, что в диапазоне 3.5 МГц хорошее прохождение, и уровень помех невелик. Для этого корреспондент должен настроить свой приемник на частоту точно на 3 кГц ниже частоты испытуемого передатчика и прослушивать некоторое время, а затем настроиться точно на частоту, но переключить приемник на прием верхней боковой полосы (USB) (рис.10).
При линейной работе усилителя, в указанных точках не должно быть слышно никакой модуляции, никаких неартикулированнных "хрипов", появляющихся в такт речи контрольного сигнала. Такое прослушивание при помощи устройств с цифровой шкалой не представляет никаких трудностей. Этот тест необходимо провести и с выключенным усилителем (положение Stand by) и сравнить результаты.
При плавной перестройке частоты приемника около сигнала проверяемой станции, из-за QRM можно и не заметить слабое "хрипение". Когда-то прослушивание таким способом сигналов польских станций давало в общем хорошие результаты. Очень редко встречались случаи "хрипения",
однако уровень подавления в противоположной полосе был самым разным — от полного отсутствия следов модуляции, через неразборчивые обрывки, до разборчивой речи. К сожалению, уровень подавления нерабочей полосы зависит только от качества SSB-фильтра, использованного производителем данного трансивера, а на это мы никак не можем повлиять даже при покупке.
Каждый может проверить простым способом качество фильтра своего трансивера. Необходимо настроиться на сильную несущую частоту (S9 + 20 дБ) в выбранном диапазоне и, перестраивая частоту приемника, определить частоту нулевых биений. Затем приемник перестраивается в направлении возрастания частоты вплоть до точки исчезновения биений (высокого тона), разность этих двух частот и есть максимальная ширина полосы пропускания фильтра. Для определения уровня подавления противоположной полосы перестраиваем приемник до получения нулевых биений. Уровень сигнала, слышимого с ростом частоты биений, а затем его исчезновение отражает степень подавления другой полосы. Такие же измерения можно провести и для телеграфного фильтра. Для их проведения также можно использовать сигнал мощной станции, работающей в телеграфном режиме. При определении неравномерности в полосе пропускания фильтра повторяем те же измерения, установив силу принимаемого сигнала примерно S7 и наблюдаем за показаниями S-метра во время перестройки приемника. Такую простую проверку может провести каждый, например, при покупке нового устройства. Конструкторы любительской аппаратуры могут этим способом проверять правильность настройки своего устройства. Для проверки градуировки трансивера можно воспользоваться несущими частотами радиовещательных передатчиков в диапазоне 7,0 МГц. Точность установки частоты этих передатчиков гораздо выше, чем для любительских устройств.
При излучении однотонового сигнала анодный ток усилителя примерно равен 200 мА. Выходная мощность усилителя в диапазоне 3,5 МГц превышает 100 Вт и уменьшается по мере увеличения частоты примерно до 80 Вт в диапазоне 28 МГц.
При сравнении сигнала самого трансивера и сигнала усилителя, во время испытаний а диапазоне 3.5 МГц корреспонденты оценили разницу в 4 балла по шкале S, что теоретически невозможно и может быть приписано несовершенству шкал S-метров приемников.
