Г.Гончар (UC2LB)
"Радиолюбитель" №4-5 1992 г.
Почти все наши радиолюбители-коротковолновики работают на аппаратуре домашнего изготовления. И большинству из них приходится сталкиваться с проблемой устойчивости своих аппаратов от самовозбуждения. Проблема эта касается в основном передающих устройств, особенно их выходных каскадов. Однако часто возбуждаются и приемные устройства — УВЧ, смесители, гетеродины. Самовозбуждения бывают явными, когда они заметны даже неопытному радиолюбителю или даже исключают возможность нормальной работы устройства. Самовозбуждения бывают и скрытыми, когда они лишь частично ухудшают параметры устройства и владелец может не подозревать о дефекте или пытаться искать его совершенно не там, где он действительно спрятан.
Итак, самовозбуждения подразделяются на две категории, которые не имеют друг с другом ничего общего. Механизм их возникновения и методы борьбы с ними совершенно разные. К одной категории относятся самовозбуждения на рабочей частоте или вблизи рабочей частоты. К другой категории относятся самовозбуждения на частотах, намного превышающих рабочие. Это УКВ-самовозбуждение. Рассмотрим эти проблемы по отдельности.
Самовозбуждение на рабочей частоте относится к явным. Если оно возникло в приемнике, то при перестройке слышны свисты, хрипы. Эти же эффекты слышны и при поднесении руки к возбуждающемуся каскаду. Рука вносит в контур дополнительную емкость, частота возбуждения меняется. Причина этого всегда одна — просачивание части сигнала с выхода на вход, т.е. паразитная положительная обратная связь. Причина-то одна, но пути паразитного просачивания сигнала с выхода на вход в каждом конкретном случае разные:
1. Через проходную емкость усилительного элемента, если от каскада пытаются получить слишком большое усиление или нарушены оптимальные сопротивления в выходной и входной цепях.
2. Через общие провода питания, если элементы развязки недостаточно эффективны, а усиление большое.
3. Через непосредственное влияние выходных цепей на входные при плохой экранировке.
4. Несоблюдение диаграммы уровней многокаскадного усилителя.
В передатчике самовозобуждение на рабочей частоте проявляется в наличии выходного сигнала при отсутствии модулирующего сигнала. Есть отдача в антенну, причем эта отдача возрастает по мере настройки выходного контура. Но вот оператор снял нажатие, а отдача продолжается или только чуть уменьшается. Некоторые даже пытаются так и работать, чуть отстроив выходной контур в сторону от максимального самовозбуждения. Голос оператора в эфире сопровождается искажениями, а значительная часть диапазона засоряется помехами. Когда такому горе-оператору делают замечание, то он принимается немедленно подстраивать выходной каскад:
"А вот так уже хорошо?", "А вот так уже лучше?" Нет, не хорошо и не лучше. Надо не подстраивать, а устранить причину.
Итак, причина первая. Проходная емкость. В любом усилительном элементе она есть. И нейтрализовать ее на KB не нужно. Нейтрализация — это бомба замедленного действия. Она взрывается сразу же, как только в аноде характер нагрузки резко изменится. Скажем, подключили совсем другую антенну или расстроили неудачно контур. Меняется фаза сигнала на аноде лампы, меняется и фаза обратной связи, которая из отрицательной станет комплексной или даже положительной. Нейтрализовать можно каскады, не работающие на антенну. Или работающие на одну антенну да еще на фиксированной частоте, как у вещательных передатчиков.
В любительской практике вредное действие проходной емкости можно сильно ослабить снижением сопротивления утечки выходной лампы. Как правило, предвыходные каскады передатчиков любители делают в качестве усилителей напряжения. А необходимо их делать усилителями мощности!
Так, в трансивере UW3DI сопротивление утечки выходной лампы — целых 8,2 кОм , и на нем через проходную емкость ГУ-29 выделяется вполне достаточный для самовозбуждения сигнал. В моем аппарате это сопротивление уменьшено до 910 Ом, а напряжение возбуждения снимается не с анода драйвера, а с отвода выходного контура драйвера.
Теперь предвыходной каскад работает на усиление мощности. Отвод взят от одной трети витков. Выходное сопротивление драйвера сравнительно низкое. Это и позволило сопротивление утечки РА уменьшить до 910 Ом при сохранении амплитуды раскачки. Никаких вопросов с самовозбуждением вблизи рабочих частот не возникало. Сигнал, просачивающийся обратно с анода на управляющую сетку, шунтировался низкоомным резистором и вредное его влияние сильно уменьшается. Уменьшение сопротивления утечки до минимальных размеров хотя и требует несколько большей мощности раскачки, но во всех случаях окупается хорошей устойчивостью.
Причина вторая. Если все остальное в порядке, а виновата недостаточная блокировка по питанию, то проверить это можно параллельным подключением заведомо исправного конденсатора к существующим в схеме блокировочным конденсаторам. Необходимо иметь в виду, что блокировочные конденсаторы должны паяться кратчайшим путем при оставлении выводов минимальной длины. Каждый конденсатор обладает собственной индуктивностью и имеет собственную резонансную частоту, выше которой его блокировочные свойства весьма относительны. В книге Э.Ред, "Справочное пособие по ВЧ схемотехнике". — М.Мир, 1990, на стр.215 приведены типичные значения частот собственного резонанса керамических конденсаторов в зависимости от их емкости и длины выводов. Из таблицы видно, что если трансивер охватывает диапазоны от 1,8 до 30 МГц, то надо ставить по два конденсатора параллельно: один, большой емкости для блокировки по нижним частотам, а другой, малой емкости для блокировки по высоким частотам.
Причина третья — плохая экранировка. Здесь пояснений не требуется. Борьба — это попытки заземлить экраны в точках, которые могут быть определены экспериментально. Или применение дополнительных экранов.
Очень распространенной является причина четвертая. Несоблюдение диаграммы уровней. Каждый каскад обладает определенным устойчивым усилением. Но этим устойчивым усилением обладает и весь усилитель в целом, и, если от него берется необоснованно большое усиление, то устойчивой работы от него не получить. Все развязки по питанию и экранировки, совершенно достаточные для нормального усиления, становятся недостаточными, если усиление форсируется.
Усиление от входа с низким уровнем и до выхода с высоким уровнем (от антенны до телефонов в приемнике и от микрофона до антенны в передатчике) должно по частотам распределяться равномерно. Нельзя допускать необоснованно высокого усиления на какой-либо из частот. Тогда не будет и проблем.
Рассмотрим больную проблему подключения РА к трансиверу. В самом трансивере ни в одном каскаде не должно быть ограничения. В микрофонном усилителе это приводит к снижению разборчивости речи. В ВЧ каскадах это еще и засоряет эфир комбинационными частотами. Ограничение в меру полезно применять только в хорошем активном балансном модуляторе. Здесь все четные паразитные продукты будут компенсироваться, а комбинационные составляющие, выходящие за спектр, будут срезаны фильтром.
Но вот трансивер отлажен и подключается к РА. Очень часто мощности трансивера недостаточно, чтобы РА возбуждать по катоду и сигнал подают на сетку. Утечка в цепи управляющей сетки РА, как правило, высокоомная. Трансивер работает без нагрузки с огромным усилением и конечно "перекачивает" РА. В таком случае по диапазону ползут "сплеттеры". Вся система — трансивер и РА — работает на грани возбуждения. Я слышал, как такому оператору советовали на анодные и сеточные выводы лампы надеть ферритовые колечки. Hi! Колечки — это совсем из другой области (далее — об этом подробнее). А здесь надо нагрузить трансивер, установив непосредственно у сетки РА мощный безиндуктивный резистор. Здесь необходимо отметить, что "перекачка" РА черезвычайно сильно ухудшает соотношение полезного сигнала и гармоник. Начиная с некоторой точкой возбуждения РА, полезный сигнал уже почти не растет, а гармоники растут в десятки раз. Дилетанты же оценивают свой РА только по максимуму показаний амперметра в аноде лампы. Чем больше ток — тем лучше, не думая, как это отражается на его товарищах по эфиру.
Теперь перейдем к категории самовозбуждений на УКВ. На рабочих частотах самовозбуждения на УКВ бывают явными и скрытыми.
В мощных каскадах, особенно транзисторных, самовозбуждения настолько явные, что выводят из строя транзисторы.
В маломощных каскадах они зачастую остаются незамеченными и только ухудшают параметры. В приемнике это, как правило, проявляется в повышенном уровне шума. Причем шум белый, без всяких свистов, хрипов.
В передатчиках мощные каскады могут дополнительно разогреваться, искажать усиливаемый сигнал или полностью приходить в неработоспособное состояние, когда за несколько секунд анод перегревается. Объясняется это тем; что самовозбуждение в данном случае идет на частоте, далекой от частоты нагрузочного контура. Поэтому никакая мощность —ни полезная, ни бесполезная — в антенну или эквивалент не отдается, а вся мощность выделяется на аноде в виде тепла. Это и есть главный отличительный признак самовозбуждения именно на УКВ или даже СВЧ. Что касается маломощных каскадов, работающих в классе (а, то там самовозбуждение на УКВ носит устойчивый характер.
С выходным каскадом, да и с любыми другими каскадами, работающими в классе В или С дело сложнее. Выходной каскад в режиме покоя может работать "устойчиво. Но при подаче раскачки в период положительных полуволн сигнала лампа кратковременно открывается, коэффициент усиления ее возрастает и возникает генерация на УКВ. Если коэффициент паразитной обратной связи в каскаде недостаточен для устойчивой генерации, то при окончании положительной полуволны сигнала УКВ генерация срывается. При следующей положительной полуволне сигнала картина повторяется. УКВ-генерация излучается импульсами как у радиолокатора.
Коварство такой ситуации в том, что оператор об этом может даже не подозревать. Видно это только на телевизоре соседа. (На свой телевизор УКВ-возбуждение почему-то не сказывается). Hi!
Попытаемся рассмотреть причины УКВ-самовозбуждения и борьбу с ними. Известно, что генерировать способен любой каскад, у которого достаточный коэффициент усиления и имеется положительная обратная связь. На УКВ для ПОС более чем достаточно проходной емкости лампы или транзистора, либо взаимоиндукции входной и выходной цепи каскада за счет общего провода заземления от катода лампы до шасси передатчика. Непременным условием во всех случаях должен быть индуктивный характер анодного контура. Генерация возможна, если контур в цепи анода (коллектора) имеет более высокую частоту, чем контур в цепи управляющей сетки (базы). Но откуда берутся УКВ контура в KB трансивере, где все настроено не выше 30 МГц?
Как известно, индуктивностью обладает абсолютно любой проводник. И его индуктивность зависит от длины; диаметра и некоторых других параметров, Этот проводник способен давать резонансы, подобные колебательному контуру. Настоящими же паразитными УКВ контурами являются отрезки коаксиального кабеля, используемые для межкаскадного монтажа. На УКВ даже специально используют отрезки кабелей в качестве хороших колебательных контуров.
Если длина кабеля РК в межблочном монтаже составляет, например, 30 см, линия дает резонансы на частоты, на которых укладывается целое число четвертей длин волн. Первый резонанс в этом отрезке получится на частоте около 166 МГц. На самом деле частота будет несколько иной, т.к. отрезок кабеля на конце не разомкнут, а нагружен на входную емкость? транзистора либо лампы. Этот же отрезок будет давать резонансы и на кратных-частотах в 2; 3; 4 раз превышающих начальную частоту для четвертьволнового резонанса. Так что, недостатка в резонансах нет. Нужно только, чтобы усилительный элемент способен был генерировать на столь высоких частотах. Но это не проблема, все СВЧ транзисторы такую способность имеют.
Точно так же, как отрезок кабеля, ведет себя и обыкновенный .колебательный контур. Его катушка работает как индуктивность с сосредоточенными параметрами для KB сигнала. Если же рассматривать провод катушки как длинную линию, то этот провод работает одновременно как линия с распределенными параметрами на УКВ.
Единых рецептов борьбы с самовозбуждением на УКВ, к сожалению, нет. В каждом конкретном случае решение свое, но основные приемы следующие:
1. Ухудшение добротности паразитных УКВ-контуров (включение последовательных низкоомных резисторов, нихромовые дроссели, ферритовые бусинки на провода).
2. Доработка принципиальных схем и конструктивного выполнения с целью разрушения схемы генератора паразитной УКВ-трехточки (анализ схемы с вносимыми УКВ-контурами, расположение деталей с минимальной длиной выводов, изменение точек заземления, рационализация схемы).
Ниже рассмотрено несколько примеров, иллюстрирующих реализацию этих приемов.
Обычный истоковый повторитель, который на рабочей частоте никак не способен возбуждаться, нередко генерирует на УКВ. Отрезок кабеля в цепи истока, распределенная индуктивность контура в затворе — и в итоге — генератор УКВ. В подобных случаях можно устранить возбуждение, включив в цепи затвора и истока резисторы по нескольку десятков Ом. Сначала нужно ставить небольшие сопротивления около 10 Ом. Если генерация, не сорвалась, то номиналы увеличивать, пока генерация не сорвется. После этого увеличить номинал на 20 % для запаса устойчивости.
В мощных каскадах практикуется надевание на монтажные проводники в цепях активных электродов колечек из не очень высокочастотного феррита. Токи рабочих частот проходят по проводникам почти беспрепятственно, а УКВ токи поглащаются ферритом, ослабляя усиление на частотах возможной генерации.
На высоких и умеренных частотах способны генерировать даже стабилизаторы напряжения, если они собраны на достаточно высокочастотных элементах. Если генерация есть, то ее можно сорвать включением на входе и выходе хорошего безиндуктивного конденсатора. В моей практике был случай, когда генерировал на очень высокой частоте стабилизатор на 6Н13С. И это никак не проявлялось, кроме повышенного уровня шума в приемнике и было обнаружено случайно на втором году эксплуатации трансивера, по очень яркому голубому свечению лампы.
В выходных каскадах передатчиков генерация на УКВ встречается чаще всего. И имеет разный характер в каждом конкретном случае. Приведу пример, снова РА на двух ГУ-29. Первоначальная схема приведена на рис. 1.
Но выяснилось, что во время работы перегреваются резисторы R1 и R4. Был поставлен диагноз —двухтактная УКВ-генерация двух крайних тетродов. Но почему именно крайних? Потому, что для них длина соединительных проводников наибольшая и паразитный резонанс самый низкий по частоте, где лампы уже способны эффективно генерировать. Тогда схема анодных цепей была переделана, как показано на рис.2.
Тетроды на каждой из ламп были кратчайшим путем соединены накоротко. Питание подано на середину антипаразитного дросселя. Сам дроссель намотан толстым проводом диаметром 1,5 мм на оправку диаметром 10 мм, бескаркасный и содержит около 5 витков при длине намотки около 2 см. Для рабочего сигнала он сопротивления не оказывает, т.к. токи каждой лампы в левой и правой частях дросселя текут встречно и полностью компенсируются. Падения рабочего напряжения на дросселе нет, поэтому резистор R имеет мощность 0,5 Вт. Много лет отработал он и даже не потемнел.
Но после подавления двухтактных колебаний каскад все же возбуждался на синфазных УКВ-колебаниях. Это происходило при полностью выведенном анодном конденсаторе П-контура. С целью понижения частоты паразитного анодного резонанса, чтобы сбить его ниже частоты сеточного резонанса и нарушить паразитную положительную обратную связь, была установлена небольшая дополнительная индуктивность Lдоп. — около четырех витков толстого посеребренного провода при диаметре намотки около. 12 мм и длине 2 см. После этого также и синфазная генерация прекратилась.
Поговорим теперь об измерениях. Как правило прибором однозначно определить наличие УКВ генерации невозможно. Подключение измерительного шнура прибора может вызвать генерацию в измеряемом каскаде, даже если до того ее не было. Или наоборот — сорвать существовавшую генерацию. В обоих случаях показания прибора будут неверными. Чтобы увидеть паразитную генерацию, полоса пропускания осциллографа должна быть несколько сотен МГц. Это редкий прибор. Да и на нем о генерации можно судить лишь косвенно по размытости линии испытательного сигнала.
Для предотвращения генерации необходимо при наладке каскады подключать по одному и наблюдать за качеством сигнала. При возникновении сомнений в повышенном уровне шумов после подключения того или иного каскада питание на каскад необходимо подать через переменный резистор и заменять ток каскада от самого минимума до номинала и даже несколько больше. Если при достижении какого-то тока шум вдруг скачкообразно возрос, то наверняка можно диагностировать УКВ генерацию и принимать меры. В маломощных каскадах это, как правило, включение резисторов в цепи, создающие паразитный резонанс. В каскадах помощнее это применение ферритовых колечек. В мощных каскадах должны быть сначала предприняты все меры по рационализации монтажа, изменению конфигурации монтажной схемы. И только после исчерпания терпения нужно применять антипаразитные резисторы, ибо они поглощают часть полезного сигнала.