Бестрансформаторный широкополосный двухтактный линейный усилитель мощности
Первое упоминание о возможности широкополосного усиления в любительских усилителях мощности относится к 1987 году, когда в 11 номере журнала РАДИО [Л1] были опубликованы заметки о самых интересных конструкциях 32-ой Всесоюзной РадиоВыставки. Там была приведена неполная схема моей конструкции усилителя на двух лампах 6П42С.
Статья:
Широкополосный двухтактный усилитель мощности
Сложность получения средних уровней мощности (около 100 Вт) в транзисторных ШПУ заставляет искать другие решения. Оно может быть и таким, как предложил москвич В. Крылов (RV3AW) . Он создал двухтактный усилитель на двух лампах 6П42С, работающих при напряжении питания всего 300 В. Выходная мощность усилителя — 130 Вт при входной мощности около 5 Вт.
Двухтактное включение ламп позволяет значительно (до 20 дБ) уменьшить излучение на второй гармонике по сравнению с обычным усилителем. В анодной цепи ламп установлен широкополосный трансформатор Т1 с коэффициентом трансформации 4. В результате в два раза уменьшается амплитуда ВЧ напряжения на выходном П-контуре и становится возможным использование стандартного КПЕ от радиовещательного приемника.
Простота устройства и доступность элементной базы позволяют рекомендовать этот усилитель мощности для повторения. Схема приведена на рис.
Катушка L2 выполнена на пластмассовом кольце (типоразмер К64х60х30) проводом МГТФ с сечением жилы 0,5 мм . Отводы сделаны от 2, 4, 8, 12 и 20 витков.
Трансформатор Т1 изготовлен на магнитопроводе из двух колец типоразмером К40х25х25 из феррита 2000НН. Обмотки содержат по 12 витков провода МГТФ с сечением жилы 0,5 мм2.
Трансформатор Т2 выполнен на двух сложенных вместе ферритовых (2000НН) кольцах типоразмером К16х8х6. Каждая обмотка состоит из 8 витков провода МГТФ с сечением жилы 0,15 мм2. Намотка Т1 и Т2 велась одновременно тремя проводами.
В. Крылов (RV3AW)
"Радио" №11-87г.
Так как схема была опубликована
обозревателем, а не автором, естественно, объяснения особенностей её работы
отсутствовали. После этого разными авторами было опубликовано на эту тему
достаточно много различных вариантов, отражающих их стремление дополнить и
улучшить приведённую ранее схему.
Все они, на мой взгляд, отражают тенденцию радиолюбителей следовать путём,
указанным конструкторами промышленных передатчиков, несут в себе заложенные в
них технические решения и указывают на недостаточную самостоятельность
технической мысли, связанной инерцией мышления. Возможно, что некоторые
рассуждения на заданную тему помогут лучше разобраться в особенностях лампового
широкополосного усиления мощности и дадут толчок к развитию в этом направлении.
Прежде всего - сочетание слов, вынесенных в заголовок, отражает комплексный
характер технического решения, где каждый из элементов существует во взаимосвязи
с другими и только так способен дать новое качество.
1.Бестрансформаторный.
На самом деле трансформаторы есть. Это высокочастотные ферритовые
трансформаторы, разделяющие цепи входа-выхода и собственно усиления. Они
обладают очень важным свойством - гальванической развязкой при очень малой
емкостной связи. А поскольку радиочастоты значительно отличаются от частоты
промышленной сети, развязка получается идеальной. Первое положительное качество
подобных усилителей - они лёгкие, второе - они малогабаритные. Отсутствует
тяжелый силовой трансформатор для питания анодно-экранных цепей. Вместо него
развязку осуществляют лёгкие ВЧ трансформаторы. Несмотря на то, что выбор
напряжения питания ограничен фиксированными значениями, кратными напряжению
питающей сети, это ограничение не имеет существенного значения. Гораздо важнее
другое - выбор правильного напряжения анодного питания. Как-то так сложилось,
что чем Большую мощность необходимо получить от усилителя, тем выше принимается
напряжение питания. Даже в усилителях с лампами типа 6П45С нет ни одной схемы,
где бы напряжение анодного питания было меньше, чем двойное сетевое, то есть 600
Вольт. Нигде, кроме одной схемы - авторской [Л1], где оно равно 300 Вольт.
Странно, что никто не задавался вопросом - почему? Может быть, автору не хватило
выпрямительных диодов для удвоения напряжения или конденсаторы попались не той
системы?
Правильный ответ лежит на поверхности и увидеть его мешает только инерция
мышления, о которой писалось выше. Для примера можно привести очень неудачную
схему так называемого широкополосного" двухтактного усилителя автора
Е.Мананкова.[ Л2 ].(Пример того, как не надо делать).
Е.Мананков, совершенно правильно рассуждая об уменьшении эквивалентного
сопротивления анодной цепи, всё же установил анодное напряжение равным шестистам
вольтам и, при этом, совершенно не принял во внимание то, что для лампы 6П45С
предельным эксплуатационным анодным напряжением является напряжение 400 Вольт.[
Л3]. Видимо поэтому, у него при попытке реализовать их (усилители) - ничего
путного не получается" [Л2, стр.15]. И не должно получаться - для этой лампы при
установленном анодном напряжении широкополосный трансформатор не обеспечивает
перекрытие по частоте, достаточное для усиления на всех любительских диапазонах.
Конструирование, по сути своей, является задачей синтеза и, как любой синтез,
оно неоднозначно, то есть, имеет бесчисленное множество решений. Из них
правильным решением является самое целесообразное. Так вот, приведённый пример -
это пример нецелесообразного решения.
2. Широкополосный.
Трансформаторы с ферритовыми сердечниками обладают стабильными параметрами в
широком диапазоне частот. Достаточно простые конструкции позволяют обеспечить
перекрытие по частоте в пределах всех КВ диапазонов от 1,5 МГц до 30 МГц. Есть
одно НО, сталкиваясь с которым некоторые авторы разочаровываются в возможностях
ВЧ трансформаторов. Трансформаторы эффективно работают только при низких
нагрузочных сопротивлениях, поэтому они часто используются в многочисленных
схемах транзисторных усилителей.
Таким образом, задача широкополосного усиления на лампах сводится к получению
низкого сопротивления выходной - т.е. анодной цепи.
Не надо ходить дальше закона Ома, чтобы приблизительно оценить выходное
сопротивление анодной цепи:
RA=UA / 2IA1,
Где: RA - выходное сопротивление анодной цепи,
UA - значение переменного напряжения на аноде, близкое к напряжению питания (
для двухтактной схемы - удвоенное значение),
IA1 - значение первой гармоники анодного тока (для двухтактной схемы -
половинное значение).
При напряжении питания 600 Вольт - 1200 В / 0,4 А
= 3000 Ом.
При напряжении питания 300 Вольт - 600 В / 0,8 А = 750 Ом
Очевидно, что во втором случае обеспечить широкополосность трансформатора
гораздо легче, чем в первом, хотя тоже требует определённых усилий.
3. Двухтактный.
Двухтактное построение лампового усилителя обеспечивает важное положительное
свойство - высокую степень подавления чётных гармоник. Поскольку разброс
характеристик ламп существенно меньше, чем транзисторов, удаётся получить
подавление чётных гармоник до 40 дБ (при подборе ламп), что соответствует
уменьшению мощности гармоник в 10.000 раз. Грамотно выбранная рабочая точка
соответствует углу отсечки анодного тока равному 90 градусам, при котором
коэффициенты нечётных гармоник при разложении косинусоидального импульса
теоретически равны нулю [ Л4, стр.12,
рис.1-6 ], а практически могут быть подавлены на 30-36 дБ.
Это позволяет по другому посмотреть на роль П-контура, без которого невозможно
представить ни одного лампового усилителя мощности. Задача П-контура в
традиционном усилителя двойная - фильтрация гармоник и трансформация выходного
сопротивления анодной цепи к унифицированному сопротивлению фидера - 50 Ом.
Но в двухтактном усилителе нет нужды бороться с мощными гармониками, а
ферритовый трансформатор прекрасно справляется с трансформацией выходного
сопротивления анодной цепи, так как трансформация - это его задача, можно
сказать - служебная обязанность. К тому же, уровни мощности, на которых работают
современные усилители таков, что говорить об использовании антенн со случайным
волновым сопротивлением не приходится. Поэтому, заманчиво было бы вообще
отказаться от фильтрации в выходной цепи, и если бы не другие внеполосные
излучения, помимо гармоник, реальная схема усилителя могла бы заканчиваться
широкополосным трансформатором. Но+ Современные требования к электромагнитной
совместимости радиотехнических средств стали значительно выше, насыщенность
бытовой радиоэлектроникой также возросла и отказаться от резонансного контура не
удастся. Тем не менее, свести органы настройки усилителя с трёх ручек до одной
вполне реально.
4.Линейный.
Внутреннее сопротивление цепи питания определяется суммой внутренних
сопротивлений элементов этой цепи. В традиционных усилителях это - сопротивление
сетевой и анодной обмоток трансформатора. А оно весьма значительное. Как пример,
можно привести один из технических параметров усилителя CENTURION всеми весьма
уважаемой американской фирмы TenTec.(www.tentec.com/model422.htm)
Анодное напряжение: на холостом ходу - 3100 Вольт, при полной нагрузке - 2600
Вольт. То есть, под нагрузкой напряжение падает на 16%, что не способствует
высокой линейности усилителя.
Напротив, развязка анодно-экранных цепей усилителя ВЧ трансформаторами
обеспечивает очень важное положительное качество - минимальное внутреннее
сопротивление анодной цепи, определяемое только падением напряжения на диодах.
Поэтому анодное напряжение стабильно. Этот фактор обеспечивает
бестрансформаторному" усилителю очень высокую линейность.
5.Усилитель мощности.
Если представить себе усилитель, как чёрный ящик, то что должен делать этот
чёрный ящик, чтобы выполнить свою полезную функцию усиления мощности? Он должен
иметь линейный коэффициент К, представляющий собой его коэффициент усиления по
мощности. При этом, естественным и гармоничным было бы пропорциональное усиление
напряжения и тока с сохранением их соотношения, то есть с сохранением
сопротивления.
Когда речь идёт об усилителе мощности, подразумевается, что он пропорционально
усиливает как напряжение, так и ток. Однако, большинство усилителей
конструируются с очень высоким анодным напряжением. Необходимым компонентом
такого усилителя становится трансформатор сопротивлений, который выполнил бы
обратную задачу - уменьшил уже усиленное напряжение и увеличил недоусиленный
ток. В качестве такого трансформатора во всех усилителях используется
трёхэлементный резонансный колебательный контур - П-контур. Таким образом,
внутри чёрного ящика происходит двухкратная необоснованная трансформация
сопротивлений, свидетельствующая о неоптимальном конструировании. Мало того,
авторы некоторых публикаций настаивают на увеличении анодного напряжения [Л6],
что напоминает широко известный призыв М.Жванецкого: Давайте наши радости
раздуем до размеров неприятностей, а потом научимся извлекать из них
удовольствие".
На самом деле, всё очень просто. При анодном напряжении 300 В не составляет
труда получить не менее двести пятьдесят Вольт амплитудного значения ВЧ
напряжения на аноде. Этому ВЧ напряжению на сопротивлениии нагрузки 50 Ом
соответствует 1250 Ватт PEP. Это означает, что до уровня мощности,
соответствующего максимальной мощности уже упоминавшегося усилителя CENTURION от
TenTec, нет побудительных причин питать аноды ламп усилителя мощности
напряжением более, чем 300 Вольт!
Не нами, а гораздо раньше и очень верно определено, что критерием истины
является практика. Поэтому, прежде, чем писать эти заметки и для того, чтобы их
можно было, хотя бы для себя, подтвердить, был построен усилитель, близко
отвечающий критериям, приведённым выше.
Теперь хотелось бы, в виде тезисов, изложить - каким получился
бестрансформаторный" широкополосный двухтактный линейный усилитель мощности.
Прежде всего - что отличает традиционный усилитель мощности ?
Ламповый усилитель - высокое анодное напряжение, дорогие изоляторы высокого
качества, высоковольтные компоненты и, вследствие этого - тяжелый корпус больших
размеров и высокая цена.
Транзисторный усилитель - огромное потребление тока, громадные радиаторы с
принудительным охлаждением, сложные схемы защиты для очень дорогих транзисторов
и, вследствие этого - тяжелый корпус больших размеров и высокая цена.
Я нашёл свой путь в вопросе питания усилителя мощности и получил поразительные
результаты. Напряжение питания выбрано не таким большим, как в усилителях на
генераторных лампах, но не таким маленьким, как в транзисторных усилителях. Это
позволило построить усилитель на широко применимых компонентах. Удалось добиться
очень малого внутреннего сопротивления источника питания анодной цепи, поэтому
питающие напряжения очень стабильны, несмотря на импульсный характер работы
усилителя (CW, SSB). Существенно улучшилась линейность усилителя. Значительное
уменьшение внеполосных излучений достигнуто двухтактной схемой включения.
Оптимальная схема согласования выходной цепи с антенной позволила свести к
минимуму потери мощности, а гальваническая связь с антенной позволила избежать
помех статического электричества.
Нет смысла приводить схему сделанного усилителя - она неоднократно повторялась
другими авторами и в разных вариантах и мало чем отличается от схемы,
напечатанной в [Л1], кроме того, что в каждом плече использовано по две
параллельные лампы.
Его технические параметры:
- Диапазон усиливаемых частот: 1,5 - 30 МГц
- Входное сопротивление: 50 Ом
- Входная мощность до начала ограничения: 50 Ватт РЕР
- Выходное сопротивление: 50 Ом
- Максимальная выходная мощность: 570 Ватт РЕР
- Анодное напряжение: 300 Вольт
- Размеры: 300 х 260 х 180 мм
- Вес: 8 кГ
Виталий Крылов (RV3AW), e-mail:
alfawega@bk.ru
январь 2005 г.
Литература.
Л1. "Конструкторы связной аппаратуры отчитываются" -
Широкополосный двухтактный
усилитель мощности В.Крылова (RV3AW) - статья С.Казакова, журнал РАДИО, 11,
1987г.
Л2. Ламповый двухтактный ШПУ мостового типа" Е.Мананков RA3QBV , сборник
РАДИОДИЗАЙН 20
Л3. Отечественные приёмно-усилительные лампы и их зарубежные аналоги. Б.В.Кацнельсон,А.С.Ларионов, Москва, изд-во Энергоиздат, 1981 г. стр.331.
Л4. Д.П.Линде Радиопередающие устройства, Москва, изд-во Энергия, 1974 г.
Л5. www.tentec.com/model422.htm
Л6. Ламповые КВ усилители мощности с ОС" A.Jankowski(SP3PJ) Радиолюбитель КВ и
УКВ" 9-11 за 2000 г.
