А.Федотов ( UA3VFS)
Радио-дизайн №16-17

Транзисторный усилитель мощности 100 Вт

Собирая более десяти лет транзисторные усилители мощности, мне довелось переделать множество конструкций отечественных радиолюбителей. Но большинство из них были либо сложны в изготовлении и настройке, либо были склонны к самовозбуждению, что приводило к мгновенному выходу из строя выходных транзисторов. Прочитав книгу Э.Реда "справочное пособие по высокочастотной схемотехнике" и, опираясь на собственный опыт, я пришел к выводу, что усилитель мощности должен быть максимально прост по схемному построению и, самое главное, он должен иметь минимальное количество радиоэлементов, способствующих к самовозбуждению. К таким элементам относятся дроссели и всевозможные катушки индуктивности.

Два года назад мой товарищ С.Высоких (RX3VA) купил трансивер FT-840 и любезно предоставил мне его схему. Проанализировав увиденное, заинтригованный ее простотой, я понял, — это то, что мне нужно. Конечно, моя схема усилителя значительно отличается от FT-840, между прочим, в сторону еще большего упрощения. Мне также кажется, что это одна из самых простых схем широкополосных усилителей (до 100...150 Вт) на сегодняшний день, но к сожалению примененные в ней транзисторы чрезвычайно дороги.

Схема и конструкция усилителя мощности

Для изготовления усилителя, схема которого приводится на рис.1, не потребуется травления плат, весь монтаж делается по методу С.Жутяева, описанному в его книге "Любительская УКВ радиостанция". В общем случае, этот метод подразумевает монтаж на вырезанных круглых площадках с использованием специального резака. Я очень советую сделать такой резак из плоского надфиля, чтобы он не был слишком длинным рабочую часть нужно сломать пополам. Надфиль хорош тем, что он сделан из очень прочной стали, и его не придется все время затачивать. У меня такой резак работает десять лет, и я ни разу его не точил. Также у надфиля очень удобная форма для изготовления нужного нам резака, и готовый хвостовик для зажима в ручной дрели. Способ изготовления и форму резака я не буду описывать, единственное скажу, что обтачивать его лучше на тонком алмазном круге. Не поленитесь, сделайте себе такой инструмент, потому что с его помощью можно много что делать, и порой он бывает незаменим.

Далее нам потребуется радиатор, обязательно игольчатый, иначе он будет неоправданно большого размера. Радиатор моего усилителя имеет ширину 100 мм, длину 150 мм, высота игл 15 мм. Другая сторона радиатора гладкая. С гладкой стороны радиатора по углам четырьмя винтами МЗ, отступив по 5 мм от краев, приворачивается кусок одностороннего стеклотекстолита, фольгой вверх. Прямоугольник из стеклотекстолита должен быть на 20 мм короче длины радиатора, а по высоте такой же — ширина 100 мм, длина 130 мм. Он приворачивается по центру радиатора, то есть с каждой стороны остается по 10 мм "голого" радиатора. Это нужно для последующего крепления радиатора к корпусу транси-вера. Нужно также нарезать несколько полосок из одностороннего стеклотекстолита шириной 20...25 мм и длиной не менее 150 мм для изготовления боковых стенок платы, чтобы получить форму коробки. Припаивать их пока не нужно.

Следующим этапом нужно намотать все ВЧ-трансформаторы. Для того, чтобы разметить монтажную плату, поскольку четких установок здесь нет - монтаж в общем-то произвольный. Он зависит только от используемых элементов. Еcтественно, монтаж должен быть максимально плотным.

Далее с одной из сторон платы нужно отмерить приблизительно 30 мм. На этом месте будет впаяна внутренняя перегородка. Получившийся отсек предназначен для размещения в нем стабилизатора 5 вольт - микросхема КРЕН5А, стабилизатора 0,7 вольта на КТ817А и автоматики обдува радиатора. В большом отсеке собирается схема самого усилителя мощности.

Монтаж производится следующим образом. Собираются вместе транзисторы, трансформаторы и начинается пробная примерка их расположения на плате с учетом остальных деталей и возможностью доступа к ним при пайке. Самое главное - определить месторасположение транзисторов. После чего сверлятся отверстия под транзисторы КТ610 и КТ920. Диаметр сверла соответствует нарезке резьбы в радиаторе для данных транзисторов, отверстия сверлятся сквозь плату и радиатор по месту установки. Далее размечаются вырезы в плате под выходные транзисторы. Плата отворачивается от радиатора, в ней вырезаются, отмеченные ранее квадраты под выходные транзисторы и просверливаются отверстия большего диаметра под КТ610 КТ920 таким образом, чтобы опорная площадка транзистора свободно вставлялась. Затем плата вновь приворачивается к радиатору, заранее нарезав в нем резьбу под КТ610 КТ920. Транзисторы вворачиваются в радиатор. При затягивании транзисторов они не обязательно совпадут своими выводами в нужную сторону. Поэтому придется подобрать под транзисторы небольшие прокладки, вырезав их из медной фольги.

Очень важный момент: все транзисторы обязательно должны быть посажены на не засыхающую смазку. Никакая полировка радиатора не поможет. Прокладки под транзисторы также должны быть смазаны с обеих сторон. С выходными транзисторами все гораздо проще, они просто вставляются в квадратные отверстия, для их крепления в радиаторе нарезается резьба МЗ, все это затягивается, естественно, также через смазку. Затем по месту приклеиваются к плате ВЧ-трансформаторы. Делать это нужно, подложив кусочек картона от ненужных QSL-карточек, приклеив сначала картон к плате, а потом на него и сам транзистор.

Перед установкой транзисторов, у которых вывод эмиттера по схеме идет на землю. Их нужно укоротить до минимума под последующую пайку к плате.

Теперь о изготовлении ВЧ-трансформаторов. Конечно, об этом было много написано в разной литературе, но я расскажу, как их нужно делать в данном случае. Берется кусочек стеклотекстолита, скальпелем или ножом его нужно расщепить, чтобы образовавшаяся толщина была удобна для резки ножницами. Берутся ферритовые кольца, которые предполагаются к использованию в данном трансформаторе. Два таких кольца прикладываются друг к другу, и по внутренним отверстиям колец на фольге размечаются два отверстия. Кольца убираются, а в стеклотекстолите сверлятся отверстия такого же диаметра, как внутренние отверстия колец. Лучше сделать несколько таких заготовок, так как не всегда удается сразу точно просверлить. Далее потребуется медная тонкая фольга, можно взять с экранов трансформаторов. Берется сверло чуть меньшего диаметра, каким сверлились отверстия в заготовках. На хвостовик этого сверла наматываются 1,5 витка фольги, то есть делаются своеобразные медные трубочки. В одной из стек-лотекстолитовых заготовок прорезается узкая полоска и снимается фольга между отверстиями. В любую из заготовок вставляются обе трубочки, на них надевается нужное количество ферритовых колец, надевается вторая заготовка, плотно сжимается, а края трубочек аккуратно пропаиваются к стеклотекстолиту. Излишки срезаются, края трубочек обрабатываются надфилем. Затем ножницами срезаются излишки стеклотекстолита по размеру колец, также обрабатываются напильником. В конце концов, получается аккуратный ВЧ-трансформатор. Ферритовые кольца, применяемые в трансформаторах, могут быть проницаемостью 400...1500НН. Лучше использовать 600НН.

Размеры трансформаторов

Выходной трансформатор ТЗ состоит из колец диаметром 10...12 мм с высотой общего набора 24 мм. Вторичная обмотка содержит 2 витка провода МГТФ 0,75...1,0 мм. Трансформаторы Т1, Т2 состоят из колец диаметром 7 мм/Т1 содержит по 3-4 кольца в каждом плече, Т2 по 4—5 колец. Первичная обмотка Т1 содержит 8 витков провода МГТФ 0,3 мм. Первичная обмотка Т2 содержит 4 витка МГТФ 0,3-0,5 мм. Вторичная обмотка выходных трансформаторов должна быть намотана обязательно проводом во фторопластовой изоляции. По нему протекает большой ток и трансформатор нагревается. Любой другой провод может просто замкнуть.

Вернемся к усилителю. После установки транзисторов и приклеивания ВЧ-трансформаторов следует припаять стенки платы, иначе потом их будет неудобно припаивать. Далее начинается сам монтаж. Нужные площадки вырезаются по мере необходимости в требуемых местах. Естественно, перед всеми этими действиями вся фольга на стеклотекстолите должна быть зачищена наждачной бумагой и покрыта слоем канифоли, растворенной в спирте или в ацетоне. Теперь об изготовлении дросселей. Для этого берется кусочек провода нужного диаметра, что нужно зачищается и облуживается. Подбирается кусочек полихлорвиниловой изоляции, снятый с многожильного провода, таким образом, чтобы он плотно одевался на подготовленный провод, с тем, чтобы сверху можно было бы плотно одеть ферритовые колечки маленького диаметра. Затем надевается нужное количество и фиксируется клеем - дроссель готов. Маленькие ферритовые колечки берутся от блоков памяти очень старых ЭВМ.

ВЧ-дроссели содержат по 5...7 колец, а диаметр провода берется из расчета протекающего через него тока. На выходной трансформатор подбирается провод диаметром не менее 2 мм, для остальных 1-1,5 мм. В усилителе применен довольно оригинальный способ крепления диодов, осуществляющих термостабилизацию транзисторов выходного и предварительного каскадов. В том месте, где нужно установить данный диод, сверлится отверстие диаметром 4 мм. Аккуратно просверлив плату и, немного углубившись в радиатор, в это отверстие набивается не засыхающая смазка, затем туда вставляется диод земляным выводом внутрь. Естественно его вывод выходит наружу и припаивается сразу же у края отверстия. Так обеспечивается отличный тепловой контакт и простота крепления, поэтому очень удобно применить диоды КД102 и КД103 в форме бусинок.

Сам усилитель мощности - это те элементы, которые находятся на радиаторе, но для подключения его к выходу смесителя транси-вера после полосовых фильтров, где сигнал обычно бывает около 200...500 мВ. Потребуется собрать предварительный широкополосный каскад на транзисторе КТ610А. Он собирается на отдельной плате и соединяется с усилителем отрезком тонкого коаксиального кабеля 50 Ом, рис.2.

Методы защиты данного усилителя от плохого КСВ

Усилитель не требует специальных систем защиты, кроме одной. Он должен быть оснащен системой принудительного обдува радиатора.
Даже не пытайтесь делать усилитель мощностью более 40 Вт без обдува радиатора!
Сделать его конечно можно, но тогда радиатор будет размером с два кирпича. Поэтому мой усилитель оснащен простейшей, но очень эффективной системой обдува, автоматически включающей и выключающей вентилятор. Сам вентилятор берется от процессора компьютера - это уже не дефицит. Около выходных транзисторов, посредине радиатора плоскогубцами выламываются иглы радиатора по контуру вентилятора. Для его крепления сверлятся нужные отверстия, нарезается резьба МЗ и через прокладки снизу, прикручивается сам вентилятор. Его выводы просовываются в просверленное насквозь радиатора и платы отверстие. Вентилятор подсоединяется к устройству автоматики через простейший фильтр, состоящий из дросселя ДМ-01, индуктивностью 50...200 мкГ и электролитического конденсатора 20...100 мкФ на 16 В. Если лень делать автоматику, включите вентилятор постоянно, он совершенно не шумит. Но обязательно через фильтр, иначе будет небольшой шум в режиме приема.

Терморезистор системы автоматики вентилятора ММТ-4. Он установлен со стороны радиатора. Между его иглами выводы резистора проходят сквозь сквозные отверстия в плате и радиаторе, один корпусной вывод запаян на землю внутри платы, другой идет в автоматику. На него надета изолирующая трубочка. Желающим сделать автоматику, следует иметь в виду то, что настраивать включение вентилятора должно происходить при нагреве радиатора чуть больше комнатной температуры в жаркий летний день. Это связано с инерционностью самого прогрева радиатора и терморезистора, поэтому обеспечит упреждающее охлаждение радиатора. Так же это связано с тем, что данный вентилятор не рассчитан для охлаждения такой большой мощности. Как показала полуторогодо-вая практика эксплуатации моего трансивера, с этим усилителем проблем с температурным режимом нет даже при работе в длительных контестах.
Усилитель обязательно требует подключения ФНЧ на каждый любительский диапазон.
Схемы и конструкции ФНЧ могут быть любые. В моем трансивере применены диапазонные двухзвенные ФНЧ, переключаемые реле РЭС-10. Схема и намоточные данные изображены на рис. 3 . При создании ФНЧ ставилась цель сделать его небольших размеров и без применения печатного монтажа. Первое что нужно сделать — приблизительно рассчитать размеры коробки. Почему приблизительно? Да потому, что в последствии можно разместить в ней не 6, а все 9 диапазонов. Ширина коробки равна 8 см, длина для 6 диапазонов - 9 см. Высота 5 см. Коробка спаяна из фольгированного стеклотекстолита. По дну коробки делается предварительная разметка по диапазонам. Обычным карандашом прочерчиваются поперечные линии, размечающие прямоугольные секции по 1,5 см на каждый диапазон, далее их следует продлить с внутренней стороны по боковинкам коробки. По центру каждой секции на дне коробки рассверливаются по одному монтажному пятачку (по методу С.Жутяева).

Затем для распайки нужно подготовить реле РЭС-10. У каждого реле отгибается один контакт обмотки таким образом, чтобы при прикладывании реле узким боком к гладкой поверхности этот контакт прилегал к ней параллельно. На этом контакте с помощью пайки и будет держаться реле на плате ФНЧ. Все реле поочередно припаиваются к боковым стенкам коробки, они устанавливаются контактами вверх посредине секций. При этом реле должны плотно упираться одной (нижней) плоскостью в дно коробки, а другой --- к стенке. Соединительные провода между парами реле проходят изнутри по торцевым стенкам коробки. Для вывода проводов сверлятся 6 отверстий в любом месте на стенке коробки там, где удобнее. Если коробка сделана из двустороннего текстолита, как у меня, то удобно на внешней стороне коробки рассверлить еще шесть дополнительных монтажных пятачков. К ним припаиваются провода, выходящие из отверстий. Каждое реле заблокировано ВЧ конденсатором от 1000 пФ до 0,1 мФ (не принципиально).

Распайка остальных контактов реле производится согласно схеме либо посеребренным, либо просто облуженным медным проводом диаметром 0,8...1,0 мм. Контакты реле изгибаются таким образом, чтобы к ним было удобно подпаиваться.

Катушки впаиваются в самую последнюю очередь. Их концы изгибаются горизонтально дну коробки, высота от дна коробки должна быть не менее 5 мм. Один конец катушки запаивается непосредственно на реле, другой на монтажную площадку, к которой припаивается блокировочный конденсатор.

Для изготовления земляных шин берутся два обпуженных провода диаметром 1,0...1,5 мм и припаиваются поперек коробки к торцевым стенкам. Их удобнее протянуть рядом с контактами для удобства распайки.

Вход и выход ФНЧ делается коаксиальным кабелем не тоньше 4 мм. Кабель пропущен через те же отверстия в боковых стенках. После настройки фильтр закрывается текстолитовой крышкой, которая утапливается внутрь коробки на 2...3 мм и в нескольких местах прихватывается пайкой.

Настройка усилителя

Она чрезвычайно проста. В самом начале закорачивается вход усилителя, снимается питание с выходных транзисторов, питание на предварительные транзисторы КТ920 подается через миллиамперметр и подбором диода Д1 устанавливается ток покоя транзисторов 90...130 мА. Если ток будет очень мал, можно включить последовательно два диода, но лучше подобрать один. Далее снимается питание с предварительного каскада, на эмиттере транзистора КТ817А под-строечным резистором выставляется напряжение около 0,7 вольт.

Через миллиамперметр подается питание на выходные транзисторы и этим же резистором выставляется ток покоя 250...300 мА. Вход усилителя размыкается и соединяется с источником ВЧ сигнала. На выход подключается мощная нагрузка 50 (75) Ом, подаются все напряжения, в том числе и на выходные транзисторы через амперметр с током предельного отклонения не менее 20А. Затем на вход усилителя плавно подается ВЧ сигнал до достижения тока около 20А. В принципе усилитель готов.

Далее следует подстроить ФНЧ. Это можно сделать следующим образом: между усилителем и ФНЧ включается КСВ-метр; на выход ФНЧ подключается нагрузка 50 (75) Ом с измерителем выходного напряжения, это может быть простейший прибор. Подбирая последовательно конденсаторы в ФНЧ, следует добиваться наименьшего КСВ при максимальном напряжении на выходе и минимальном токе потребления. Только не поймите минимальный ток потребления буквально, просто дело в том, что по мере настройки, будут возникать моменты, когда ток будет резко расти, а выходное напряжение оставаться на месте. Вот и нужно настроить емкости так, чтобы номинальный ток соответствовал максимальному напряжению на выходе. Не забывая при этом о хорошем КСВ. В моем трансивере такой усилитель при напряжении питания 13,8В в режиме несущей потребляет максимальный ток 22А.

Подключение к QRP радио

Для владельцев QRP трансиверов мощностью до 5 Вт, например, YAESU FT-817. Можно подключить данный усилитель, зашунтировав его вход 4-ваттным резистором 50 Ом, например, два резистора МЛТ-2 по 100 Ом и подобрать мощность возбуждения, чтобы ток усилителя не превышал 20А. Делать это нужно в самом усилителе, а не в предварительном каскаде, который собран на отдельной плате. Этот каскад вообще не потребуется и делать его не нужно.