С. Воскобойников (UA9KG)
"Радиолюбитель " №1,11 1993г.
Вниманию коротковолновиков предлагается простой, но весьма надежный и экономичный усилитель мощности на хорошо известных и доступных лампах ГИ-7Б. Параметры усилителя:
- мощность, подводимая к анодной цепи в течение длительного времени в режиме "нажатия", — 1 кВт;
- мощность в нагрузке в полосе частот 1-30 МГц — 500 - 650 Вт; (зависит от КПД П-контура на данном диапазоне);
- коэффициент усиления по мощности — 13/20 dB;
- мощность, потребляемая от сети в режиме усиления ("нажатие") , — 1120 Вт, в режиме "молчания" — 120 Вт, в режиме приема — 60 Вт.
Для сравнения: аналогичный по параметрам выходной каскад на лампе ГУ74Б потребляет из сети порядка 2300 Вт .
Могут возразить, что ГУ74Б специально предназначена для усиления SSB сигналов и, следовательно, имеет меньший уровень внеполосных излучений. Однако хотел бы отметить, что эти утверждения опираются в основном на данные, приводимые в справочниках.
Практика же показывает, что подавляющее большинство коротковолновиков, использующих ГУ74Б, попросту игнорирует технические требования при эксплуатации этой и подобных ей ламп. Достаточно сказать, что ни один (!) из моих корреспондентов, использующих ГУ74Б и рьяно агитирующих использовать только эту лампу, не применяет стабилизацию анодного напряжения, только около 20% (!) стабилизируют напряжение на экранной сетке, да и то простейшими схемами. Я, по крайней мере, знаю только одно исключение из этого "правила" — схему UQ2MU С.Гохберга. В условиях такого "жесткого" соблюдения режима говорить об "идеальной" линейности явно смешно. Желающим убедиться в этом достаточно просто послушать эфир — примеров более чем достаточно.
Перейдем непосредственно к описанию РА и нюансов его изготовления и настройки.
При проектировании данного усилителя выдвигались требования максимальной надежности и сохранения эксплуатационных качеств в условиях всевозможных радиоэкспедиций, особенно в северных районах. Те, кто бывал на Севере, знают, что стабильность сетевого напряжения, особенно в трассовых поселках, сродни стабильности северной погоды, а равно и стабильности прохождения. При этом напряжение в сети пропадает ровно через 5 секунд после появления DX на вашей частоте и появляется через 5 секунд после окончания прохождения (см. "Законы Мэрфи для радиолюбителей"). Разумееется, гаснет свет, останавливаются вентиляторы со всеми вытекающими последствиями. Правда, есть еще водяное охлаждение, не столь чувствительное к таким "подаркам", но о нем — ниже. В справочных данных на лампу ГИ7Б сказано, что ее радиатор рассеивает мощность 350 Вт, следовательно, для двух ламп эта величина составит 700 Вт. Однако это справедливо при обдуве радиаторов потоком воздуха с расходом 24 куб.м/час. Широко распространенный вентилятор ВН2А дает порядка 40 куб.м/час, т.е. имеется весьма приличный запас как по расходу воздуха, так и по рассеиваемой мощности (при Р подв. = 1000 Вт и КПД - 0,5 на анодах будет рассеиваться всего 500 Вт — это в худшем варианте). Практика показала, что в таком режиме на вентилятор достаточно подать 140 В. При этом шум вентилятора резко снижается. Желательно предусмотреть включение вентилятора на полное напряжение, что может пригодиться в жаркое время, при работе RTTY и в соревнованиях.
Как уже отмечалось, коэффициент усиления по мощности может быть порядка 13 или 20 dB. Это относится к двум вариантам выполнения входной части усилителя (рис.1 и рис.2 соответственно) .
Анодная часть обоих вариантов одинакова и представляет собой традиционный П-контур, здесь его данные не приводятся. Как видно из рис.1, обе лампы соединены параллельно, а их сетки гальванически заземлены. Входной сигнал через контакты переключателя S2 (усиление/обход) и разделительный конденсатор С1 подается непосредственно на катоды ламп. По ВЧ-напряжению катоды изолированы дросселем L1. Смещение на управляющей сетке во время передачи определяется цепочкой стабилитронов VI - V6, а в режиме приема последовательно с ними включается еще один стабилитрон из серии Д817 (буква значения не имеет). В этом случае напряжение на катоде достигает не менее 80 В и надежно запирает лампы. Как показано на схеме, коммутируемое напряжение не превышает напряжения стабилизации V7, что позволяет использовать практически любые реле для коммутации каскада. Однако нужно учитывать, что ток, протекающий через контакты, на пиках может достигать 1,5 А. ВЧ-напряжение на контактах отсутствует. У меня в усилителе используются реле РЭН 29, ими же коммутируется и ВЧ-напряжение как на входе, так и на выходе РА. Таким же образом осуществляется коммутация прием/передача и в варианте 2.
Этот вопрос не так уж маловажен, как кажется. Дело в том, что одной из особенностей импульсных ламп является очень низкое по абсолютной величине напряжение смещения в рабочей точке. Так, при анодном напряжении 2000 В и токе покоя 35-40 мА напряжение смещения ГИ7Б составляет всего 28 В. А при напряжении на аноде 1000 В — 14 В, при 600 В
— 7В. Входное сопротивление каскада по схеме на рис.1 — около 30 Ом. Легко подсчитать, что уже при входной мощности 40 Вт напряжение на входе усилителя составит около 35 В, а это приведет к появлению тока сетки на пиках входного напряжения. При небольшом, порядка 2-3 В, превышении напряжения смещения это, в общем-то, не опасно, т.к. лампы на это рассчитаны, и вносимые небольшим сеточным током искажения незначительны. Однако на практике токи управляющей сетки никто не контролирует, поэтому лучше всего придерживаться расчетных режимов. При коэффициенте усиления по мощности около 13 dB (20 раз) выходная мощность трансивера должна быть 25 - 30 Вт для варианта рис.1. В варианте на рис.2 коэффициент усиления достигает 20 dB (100 раз), поэтому мощность возбуждения там на порядок ниже, т.е. 2,5 - 3 Вт. Во втором варианте лишнее напряжение возбуждения легко гасится уменьшением величины R1. Точно так же при недостатке возбуждения величину R1 можно увеличить (примерно до 140 Ом мах).
В любом случае каскад собирается по схеме на рис.1. Здесь настройка сводится к установке тока покоя в пределах 40-90 мА подбором стабилитронов V1 - V6. Как правило, шести штук Д815А вполне хватает (здесь и далее анодное напряжение считается 2000 - 2200 В). При использовании стабилитронов других типов нужно иметь в виду, что максимальный ток через них может достигать на пиках 1,5 А. Д815А работают даже без радиаторов. В том случае, когда, например, б штук много (ток покоя меньше 40 мА), а 5 — мало ( Io больше 90 мА), вместо V6 можно использовать 2-4 диода, включенных в прямом направлении. К диодам предъявляются требования только по прямому току (больше 1,5 А). Если в Вашей местности колебания сетевого напряжения незначительны, допустим ток покоя в пределах
10-100 мА. Малые токи труднее контролировать, большие не улучшают линейность каскада, а ведут к увеличению потребляемой мощности. Все данные приводятся для случая применения двух ламп. Усилитель можно выполнить с теми же параметрами и на одной лампе (имеются в виду подводимая и отадаваемая мощности), но надежность его будет соответственно ниже. Для одной лампы приведенные токи покоя уменьшаются в два раза, все остальные данные и требования сохраняются.
Настройка каскада по схеме на рис.2 производится ТОЛЬКО ПОСЛЕ настройки каскада, собранного и настроенного по рис. 1. Такой порядок позволяет произвести настройку быстро и с гарантией сохранности транзистора в катоде лампы.
Из схемы видно, что фактически транзистор (любой, с граничной частотой не ниже 100 МГц, током коллектора не менее 2 А, и рабочим напряжением коллектора 28 В), подключен параллельно L1 -V1, V6. Прежде чем включить каскад для настройки, необходимо добавить последовательно с V1-V6 еще один аналогичный стабилитрон. При этом ток покоя может упасть почти до нуля. Сопротивление R2 состоит из двух сопротивлений, включенных последовательно: 100 Ом — постоянное и 5 - 10 кОм — переменное (тип его роли не играет). Движок переменного сопротивления ставится в положение максимального сопротивления. После этого включите каскад и дайте лампам прогреться минимум 5 мин. Лампы должны быть тренированными или, что еще лучше, уже поработавшими. После 5-минутного прогрева с помощью R2 можно установить номинальный ток покоя. Для схемы (рис.2) он должен быть не менее 30 мА на одну лампу. После этого нужно включить трансивер в режиме настройки (однотоновый сигнал) и, плавно увеличивая напряжение возбуждения, проверить соответствие возрастания выходной мощности трансивера росту анодного тока (измерение тока проводить в цепи катода между V6 и V7) и мощности на выходе РА. Прекращение роста выходной мощности при продолжающемся росте анодного тока говорит о появлении тока сетки. В этом случае нужно уменьшить величину R1. Если ток анода ни на одном диапазоне не достигает 0,5 А, значит мощность возбуждения мала и можно сопротивление R1 увеличить.
Хочу предостеречь любителей "выжимать мощу" — делать этого не следует, т.к. усилитель рассчитан на определенный режим, и "выжимание" только добавит "поклонников" Вашего передатчика как среди коллег по эфиру, так и среди телезрителей. Если Вам мало того, чего хватает цивилизованным коротковолновикам США и многих других стран, советую обратиться к поклонникам "QRP" из UB5. Думаю, они охотно поделятся с Вами опытом по использованию ламп типа ГУ5Б в... драйвере.
Как показала практика (было изготовлено несколько таких усилителей на одной и на двух лампах), в усилителях на ГИ7Б можно абсолютно спокойно применять простейший двухполупериодный выпрямитель с емкостной нагрузкой, причем качество сигнала практически зависит только от передатчика. Габаритная мощность трансформатора может быть всего на 10-15% больше подводимой. Если есть возможность, желательно (в любом усилителе) использовать отдельный накальный трансформатор. Па нем же можно разместить обмотку для выпрямителя, питающего реле.
Дроссель L1 наматывается двумя сложенными вместе проводами на ферритовом кольце любой проницаемости — чем больше, тем лучше. Обычно хватает 6-7 витков. Я, например, обычно использую провод от старого паяльника. Такой дроссель хорошо работает на всех KB диапазонах. Блокировать дроссель по ВЧ не нужно. Цепь накала ведется удвоенным проводом от дросселя (его нужно расположить вблизи катодов ламп) до накального трансформатора. Обмотка накального трансформатора должна быть изолирована от шасси и других обмоток.
Лучше всего расположить лампы на сплошной дюралевой перегородке, делящей весь объем усилителя на две половины. В одной располагается блок питания и все детали, относящиеся к цепям катода, а в другой все, относящееся к анодной цепи. Лампы крепятся хомутами за выводы сетки в отверстиях, вырезанных в перегородке. Отверстия должны быть на 1.5 - 2 мм больше диаметра сеточного вывода.
Лампы ГИ7Б в схемах с заземленной сеткой устойчиво работают на частотах до 500 МГц. Для долголетней безотказной работы новые лампы необходимо подвергнуть тренировке. В домашних условиях проще всего выдержать лампы 5-6 часов в режиме передачи при отсутствии сигнала. После этого я обычно 3-4 дня работаю в эфире на 60-70% максимальной мощности и только потом даю полную раскачку.
В заключение — о редко используемом водяном охлаждении. Простейший вариант для ГИ7Б — снять радиаторы, на аноды надеть пустые консервные банки, например, из-под сгущеного молока, и привинтить их радиаторами. Банки вверху и внизу соединить двумя медными трубками тугоплавким припоем. Так же сверху и снизу впаиваются две трубки, на которые надеваются в свою очередь резиновые трубки не менее, чем по полметра. Этими трубками банки соединяются с емкостью объемом не менее 3-х литров, желательно с возможно большей поверхностью воды. Верхний край емкости должен быть на одном уровне с верхним краем банок (рис.3).
Заполнять систему желательно дистиллированной водой без механических примесей. Обмен воды в такой системе идет самотеком. Достоинство — отсутствие шума и гарантия того, что до тех пор, пока вся вода не выкипит, температура анодов не превысит 100 градусов. К тому же во время соревнований у Вас всегда будет горячая вода для чая.
Описанный усилитель эксплуатируется с 1985 года. За это время с его помощью проведено несколько десятков тысяч связей — как повседневных, так и в соревнованиях и различных экспедициях. Усилитель "поездил" на самых разных видах транспорта, включая вертолеты и вездеходы. Ни одного отказа за это время не было. После 6 лет эксплуатации лампы начали "простреливать" и были заменены новым комплектом. Усилитель использовался с различными типами трансиверов — UW3DI-1,2; RA3AO; S-90; S-90М. В последнее время используется в первом варианте с трансивером "Волна-М". Во всех случаях качество выходного сигнала однозначно определялось качеством используемого трансивера.
В заключение хочу еще раз напомнить старую истину: лучший усилитель — антенна.
Большинство вопросов касалось конструктивного исполнения усилителя и данных П-контура. Примерное расположение деталей в авторском варианте приведено на рис. 4, однако я хотел бы объяснить причины, по которым этих данных не было в первой статье.
Дело в том, что я не считаю оптимальным этот вариант исполнения усилителя. Этот вариант был изготовлен за несколько часов накануне соревнований, буквально из "подручных" средств. Своей долголетней работе он обязан опыту, накопленному ранее при изготовлении других усилителей. Я уверен, что при более тщательном расчете и макетировании можно создать более интересную конструкцию. Во всяком случае, сейчас я бы многое сделал по-другому. То же самое можно сказать и о П-контуре. Поэтому тем, кто желает собрать подобный усилитель и получить хороший КПД на всех диапазонах, я советую рассчитать П-контур. Методики расчета неоднократно печатались в журнале "Радио". Для любителей готовых данных привожу данные используемых у меня катушек. В П-контуре у меня используются две катушки. Первая — на диапазоны 10 — 29 МГц, вторая — на остальные. Первая катушка — бескаркасная, содержит 8 витков шины 3 х 2 мм, намотанной "плоскостью" с расстоянием между витками 3 — 5 мм. Отводы от 3, 4 и 7 витков для диапазонов 28, 21 и 14 — 10 МГц соответственно. Вторая катушка, содержит 55 витков провода ПЭВ2 диаметром 1,5 мм. Катушка намотана на керамическом каркасе диаметром 55 мм, шаг намотки — 2 мм. Отводы от 10, 25 и 50 витка на 7, 3,5 и 1,9 МГц соответственно.
К сожалению, мне известен только один полный аналог ГИ7Б — ГИ6Б. Во многих письмах содержится просьба дать рекомендации по замене на ГИ7Б ламп ГУ74Б. Честно говоря не вижу в этом большого смысла, особенно для тех, кто давно и успешно их эксплуатирует. Во всяком случае, лишь в одном из писем на эту тему встретилась достаточно обоснованная, на мой взгляд, причина — желание использовать водяное охлаждение для устранения шума вентилятора. Но ведь водяное Охлаждение можно использовать практически для любой металлокерамической лампы. Посмотрите внимательно в справочнике по генераторным лампам параметры ламп одной марки, но предназначенных для работы с разным типом охлаждения. Особенно хорошо разницу можно заметить на примере лампы ГУ39: одинаковые характеристики, — разница только в величине мощности, рассеиваемой на аноде, и выходной соответственно, да еще несущественные отличия в выходной емкости, что объясняется различной конструкцией радиаторов анода. ГУ74Б прекрасно будет работать и при водяном охлаждении, хотя, разумеется, несъемный радиатор предопределит некоторые трудности при изготовлении усилителя на ГУ 74 с водяным охлаждением. Возможно также, что охлаждения "самотеком" может для ГУ74 не хватить.
На "горячем" конце используется конденсатор от РСБ с профрезерованными для уменьшения начальной емкости стенками. При использовании конденсаторов других типов необходимо иметь в виду, что на деталях контура ВЧ напряжение в отдельных точках может достигать нескольких киловольт, особенно при плохо согласованной нагрузке. В моей практике был случай возникновения коронного разряда на отводе диапазона 7 МГц после обрыва антенны во время работы на диапазоне 21 МГц. Вообще говоря постройка усилителя большой мощности — не такое простое дело как кажется. Недаром мощность 1 кВт является своеобразным порогом при условном делении на р/станции малой и большой мощности. Плохо затянутый болт крепления КПЕ при мощности 200 Вт может и никак себя не проявить, а при киловатте может отгореть или стать источником ТVI. Анализ реактивных цепей достаточно сложен и во многих случаях его можно заменить практическими рекомендациями, однако я не советую браться за изготовление мощного усилителя радиолюбителям, не имеющим опыта постройки и наладки менее мощных усилителей, и уж во всяком случае, не стоит браться за постройку усилителя тому, кто не в состоянии справиться с собственным трансивером. А таких горе-конструкторов в последнее время развелось, на мой взгляд, чересчур много. "Хвосты" на пол-диапазона в последние год-два стали чуть ли не нормой даже на 20-метровом диапазоне.
Выпрямитель собран на столбах Д1009, конденсатор фильтра — бумажный, 4 мкф на 2000 В. Эксперимент по использованию в фильтре емкости 100 мкф не выявил какого- либо преимущества при использовании последней. Качество сигнала в обоих случаях однозначно определялось качеством сигнала используемого трансивера. Хочу особо предостеречь против использования электролитических конденсаторов. Дело в том, что с ростом температуры в отсеке питания у них резко падает рабочее напряжение, что часто приводит к пробою конденсатора.
Специального согласования трансиверов с усилителем не проводилось. Использовавшиеся с усилителем трансиверы были хорошо отлажены и имели достаточный запас по мощности для раскачки усилителя, поэтому на некоторое рассогласование входного сопротивления усилителя, соединительного кабеля и трансивера можно было не обращать внимания. К примеру, используемый у меня последние 2 года трансивер "Волна-М" имеет на всех диапазонах порядка 55 Вт выходной мощности, что более чем достаточно для раскачки усилителя. В случае недостаточной мощности трансивера можно попробовать включить на входе широкополосный трансформатор или, что гораздо лучше, использовать на входе усилителя отдельный П-контур на каждый диапазон, как сделано во многих усилителях, выпускаемых за рубежом.