Коротковолновый усилитель мощности с защитой

Предлагаемый усилитель позволяет получить 550Вт в нагрузке при отсутствии тока управляющей сетки лампы. При этом входная мощность составляет 17-18Вт. Максимальная выходная мощность, развиваемая усилителем, может достигать 800Вт, при входной-25Вт. Вес конструкции 25кГ.

Популярность мощного металлокерамического тетрода ГУ-74Б заставляет постоянно совершенствовать конструкции любительских усилителей. Серьезной переменой в конструировании усилителей мощности является публикация Георгия Сокола (UA6CL), где применена оригинальная схема стабилизатора напряжения управляющей сетки, в котором напряжение стабилизации зависит от уровня входного высокочастотного напряжения. Применение автоматической регулировки тока покоя лампы по огибающей SSB-сигнала позволяет значительно снизить его и приблизить режим работы каскада к идеальному. Второй, не менее важный узел в усилителе -это стабилизатор напряжения экранной сетки, которому в любительском конструировании уделяется недостаточно внимания. Жесткий контроль за цепями экранной сетки и, происходящими в них процессами, позволяет видеть нам, что требует лампа для правильной работы . По поведению тока экранной сетки мы можем судить как настроен П-контур, найти оптимальное согласование усилителя с нагрузкой и избавиться от многих проблем при эксплуатации усилителя. Ток сетки стремится в отрицательную сторону при сильной связи с нагрузкой, т.е. когда конденсатор С2 имеет меньшую емкость и в положительную – при слабой связи, когда С2 имеет большую емкость. Для лампы ГУ-74Б при оптимальной связи с нагрузкой ток экранной сетки составляет +30мА. В этом случае выходная мощность будет максимальной. Поэтому рассмотрим подробно все процессы, которые происходят в цепи экранной сетки тетрода.

Прежде всего – это динатронный эффект. При обычной работе лампы, часть электронов, идущих от катода к аноду, перехватываются экранной сеткой и поступает в цепь питания ее, образуя положительный ток. Часть этих электронов выбивает из поверхности сетки так называемые вторичные электроны, которые образуют отрицательный ток сетки, который, попадая во внешнюю цепь питания сетки, увеличивает ее напряжение. Увеличившееся напряжение сетки приводит к еще большему появлению вторичных электронов и к еще большему увеличению напряжения экранной сетки. Этот процесс развивается значительно быстрее, чем наш мозг сообразит, что происходит, а рука дотянется до нужного выключателя. Поэтому, лучшим решением этой проблемы будет применение быстродействующей электронной защиты, исходными данными для которой является ток экранной сетки и его поведение в процессе работы усилителя в целом. Цепь питания экранной сетки содержит резистор утечки R7, варистор R8, дроссель L3 и предохранитель FU1. В первый момент, при возникновении динатронного эффекта, R7 пытается спасти ситуацию и снизить увеличивающееся напряжение в цепи сетки. Иногда он справляется с этим, но крайне редко. Теперь в работу вступает варистор R8, он открывается при достижении напряжением величины 320В и соединяет цепь сетки с корпусом. При этом перегорает предохранитель FU1. С целью уменьшения вероятности возникновения динатронного эффекта применена коммутация напряжения экранной сетки, которая осуществляется с помощью вакуумного реле К11. Реле подает напряжение на сетку в режиме передачи и замыкает цепь сетки на корпус в режиме приема.

В последнее время распространилось крайне ошибочное мнение о применении в цепи сетки последовательно включенного диода, или даже цепочки диодов, которые, якобы препятствуют проникновению увеличивающегося при динатронном эффекте напряжения в стабилизатор и полностью решают все возникающие в этом случае проблемы. Знающие люди посмеиваются, а «конструкторы» продолжают публиковать «современные» усилители с кучей диодов в цепи сетки. А как же быть в этом случае с отрицательным током сетки, который мы обязаны контролировать и который должен обязательно иметь место при слабой связи с нагрузкой?

Кроме того, в усилителях SSB-сигналов ток экранной сетки постоянно меняется, переходя из отрицательного в положительный и наоборот. В результате отрицательный полупериод тока обрезается диодами и ситуация выходит из-под контроля. Вывод: применение диодов в цепи экранной сетки совсем не полезно, а даже опасно, поскольку они создают предпосылки для аварийных ситуаций. Разрешением этой задачи есть применение в цепи сетки диодного моста, который не препятствует прохождению прямого и обратного токов, а позволяет их контролировать и отключать «опасные» напряжения в аварийных ситуациях.

Для этого в усилителе построена быстродействующая электронная защита (Рис.2) на оптопаре АОТ128, тиристоре КУ101 и трех транзисторах КТ203, КТ209 и КТ816. Она работает при помощи измерения тока экранной сетки и при превышении установленного порога отключает анодное напряжение +2200В и напряжение коммутации +24VTX. При этом загорается светодиод “FAULT” на передней панели усилителя. После аварийного отключения достаточно нажать кнопку “RESET” для восстановления системы защиты в исходное состояние, устранив сначала причину срабатывания защиты. Мостовой выпрямитель BR позволяет схеме реагировать как на положительный, так и на отрицательный токи сетки. Оптопара передает сигнал, соответствующий величине тока сетки в схему управления на тиристореVS1, который , через транзисторы VT6 и VT7 включает реле К5. Реле коммутирует напряжение +24В, которым при помощи реле К1 включается и выключается высокое напряжение +2200В.

Теперь рассмотрим стабилизацию напряжения экранной сетки и сам стабилизатор. Проводить агитацию за стабилизацию напряжения сетки, я думаю, неуместно, но все же минимальные требования изложу. Самое главное, к чему приводит нестабилизированное, или плохо стабилизированное напряжение сетки – это значительное повышение коэффициента интермодуляции. Как в приемниках мы применяем всевозможные меры для расширения динамического диапазона, так и в передатчиках мы должны предъявлять самые жесткие требования для сужения полосы излучаемых частот. Частично решить эту задачу мы можем путем установки в усилитель хорошего стабилизатора экранного напряжения. Кроме этого, стабилизатор защитит весь усилитель мощности в аварийной ситуации, т.к. это сразу же отразится на токе экранной сетки.

Использование современной элементной базы позволяет сконструировать достаточно эффективный стабилизатор напряжения. В данном случае применены операционный усилитель UA748 и мощный полевой транзистор IRF840 (many thank`s G3SEK).

Выходное напряжение стабилизатора определяется опорным напряжением 12В с выхода 78L12, которое сравнивается с частью выходного напряжения, подаваемого с R38. Управляющее напряжение величиной около 4В через делитель подается на затвор VT2, который непосредственно управляет величиной выходного напряжения стабилизатора. При увеличении выходного напряжения стабилизатора транзистор открывается и уменьшает напряжение, при снижении - закрывается и выходное напряжение увеличивается. Измерение тока экранной сетки происходит на резисторе R40, к которому подключается измерительный прибор. Входное напряжение стабилизатора должно быть выше выходного на 50-60В, т.е. необходимо дать некоторый запас на стабилизацию.

Система защиты и стабилизатор напряжения экранной сетки смонтированы на печатной плате размером 140*90мм. Транзистор IRF840 размещен на радиаторе.

Остальные узлы блока питания (Рис.2) также размещены на печатных платах такого же размера и расположены друг над другом в отсеке блока. Это касается стабилизатора напряжения управляющей сетки (плата 3), источников питания +38В, +24В(плата 5), -80В,+340В(плата 6).

В источнике питания используются два тороидальных трансформатора TV2-мощностью 1200Вт и с напряжением на вторичной обмотке ~1800В, TV3-мощностью 200Вт и с напряжениями на вторичных обмотках 235В, 70В, 20В, 29В и 13В переменного напряжения. Трансформатор TV1 работает в сетевом фильтре, который препятствует проникновению ВЧ напряжений в сеть ~220В. Трансформатор TV2 включается в сеть с помощью реле К1, которое также отключает его от сети в случае аварии.

На транзисторе VT1 собран формирователь напряжения +24VTX. При замыкании контактов 1 и 2 срабатывает реле К2 и напряжение +24В подается на все реле, которые обеспечивают режим передачи. Ток в цепи замыкания контактов не более 10мА, что позволяет коммутировать усилитель любым трансивером.

Охлаждение всей конструкции осуществляется тремя вентиляторами, один из которых нагнетает воздух в отсек выпрямителей, второй - вытягивает из отсека выпрямителей и нагнетает воздух в ламповый отсек, третий – вытягивает горячий воздух со стороны анода лампы. Первый и третий вентиляторы, компъютерные, расположены на задней стенке усилителя, второй – типа «улитка», установлен на перегородке, разделяющей блок выпрямителей и усилителя.

Распространенное мнение о том, что достаточно одного вытяжного вентилятора, является ошибочным и вводящим в заблуждение многих радиолюбителей. В этом случае охлаждается только анод лампы и происходит сильный перегрев ножки. В результате провисают сетки и лампа очень быстро приходит в негодность.

Третий вентилятор лучше всего располагать над анодом горизонтально. В этом случае он обеспечит наилучшее охлаждение лампы при его минимальной мощности. Вентилятор возможно расположить сбоку анода, но в этом случае его мощность необходимо увеличить примерно в два раза. Конструкция лампового отсека изображена на Рис.3.

Под субшасси размещены все элементы, обеспечивающие работу экранной сетки, управляющей и катода. Необходимые для лампы напряжения подаются через проходные конденсаторы (на схеме не показаны). Таким образом, все элементы защищены электрическим экраном от анодных цепей, что обеспечивает необходимую развязку.

Конденсаторы С26-С34(Рис.1) конструктивные, они вмонтированы в панель лампы ГУ-74Б. Однако встречаются панели, где такие конденсаторы отсутствуют, поэтому перед установкой панели необходимо убедиться в наличии этих конденсаторов, установить их в случае отсутствия равномерно по кольцу экранной сетки. Общая емкость должна быть не менее 20000пФ.

Резисторы R10-R11 в цепи управляющей сетки – антипаразитные, они должны быть обязательно безиндукционными, т.е. непроволочными. R3-R6 – токоограничивающие резисторы, также безиндукционные и расположены по кругу в соответствии с количеством выводов катода лампы. На них же, с помощью измерительного прибора РА1, осуществляется измерение анодного тока лампы. При необходимости более точного измерения тока анода, прибор можно установить на резисторе R11 (Рис.2).

Входная цепь управляющей сетки включает в себя трансформатор TV1, катушки индуктивности L4 и L5, конденсаторы С36 и С37, а также нагрузочный безиндукционный резистор R12, сопротивлением 50 Ом и мощностью 20-25Вт. Применение такой упрощенной, по сравнению с полосовыми входными контурами, схемы вполне оправданно, т.к. в этом случае снижаются жесткие требования к входной мощности усилителя. В этом варианте она составляет 15-18Вт. В случае применения входных полосовых контуров входная мощность снижается до 4-5Вт и устанавливать ее необходимо очень точно, ориентируясь на появление тока управляющей сетки. В противном случае неизбежны интермодуляционные искажения, расширение полосы излучаемого сигнала и другие неприятности. Кроме того, установка такой мощности в большинстве трансиверов невозможна. Трансформатор TV1 выполнен на двух склеенных между собой ферритовых кольцах К20*10*5 М2000НМ бифилярной линией (две скрутки на 1см длины)проводом МГТФ-0,12 и содержит 4 витка с отводом посередине одного из проводов линии.

Катушки L4 и L5 бескаркасные, содержат по 8 витков посеребренного провода диаметром 1мм на оправке диаметром 8мм и расположены взаимно перпендикулярно.

Цепи коммутации выполнены на вакуумных реле типа П1Д и вакуумных замыкателях В1В. Применение таких реле обусловлено, прежде всего, их высокой надежностью и быстродействием.

Замыкатели К1-К5 осуществляют переключение диапазонов. WARC-диапазоны совмещены с обычными с целью уменьшения габаритов усилителя. При аккуратной и тщательной настройке П-контура удалось получить практически такую же мощность в нагрузке, как и при разделенных диапазонах.

Выходная мощность измеряется вольтметром PV1 посредством измерения напряжения на вторичной обмотке трансформатора TV3, первичной обмоткой которого является антенный провод продетый сквозь ферритовое кольцо, на котором намотана вторичная обмотка. Она содержит 10 витков провода ПЭЛШО-0,3. Подбором R2 осуществляется калибровка шкалы измерительного прибора.

Узел, собранный на плате 1 (Рис.1), обеспечивает работу системы ALC, подачу напряжения смещения на лампу, а также управление стабилизатором напряжения управляющей сетки. Плата расположена в подвале лампового отсека. Трансформатор TV2 выполнен в виде «бинокля» на ферритовых кольцах К10*5*4 М2000НМ по пять колец в столбике. Первая обмотка имеет 4 витка провода МГТФ-0,07 и через нее подается напряжение смещения управляющей сетки. Вторая – один виток такого же провода, через нее подается напряжение ALC . Третья обмотка – 1 виток медной трубки, через нее подается напряжение смещения на операционный усилитель, а также переменное напряжение, пропорциональное высокочастотному входному сигналу, которое в дальнейшем управляет всем стабилизатором напряжения смещения управляющей сетки.

Сам стабилизатор расположен на печатной плате 3, которая установлена в отсеке блока питания. При налаживании необходимо подбором резистора R27 установить ток через стабилитрон VD12 равным 30мА. При вращении движка резистора R21 напряжение на коллекторе VT3 должно изменяться в пределах –70 –30В. Измерения проводятся в режиме передачи, т.е. на обмотку реле К3 подано напряжение +24VTX. В дальнейшем переменным резистором R21 устанавливается начальный ток лампы равным 40-50мА.

Резистором R19 устанавливается скорость изменения напряжения смещения. Обычно он установлен в среднем положении.

Конструктивно усилитель размещается в прямоугольном корпусе с габаритными размерами 360*170*380мм. Корпус разделен внутри пополам экранирующей перегородкой. В правой части расположены источники питания, в левой – усилитель.

Настройку усилителя проводят после полной проверки всех источников питания и цепей коммутации. Прежде всего необходимо настроить входные цепи усилителя. Для этого необходим трансивер и КСВ-метр, который включается между выходом трансивера и входом усилителя. Изменением величин индуктивностей L4 и L5 и емкостей С36 и С37 добиваются КСВ на всех диапазонах не более 1,5. Это можно проводить при пониженной выходной мощности трансивера до 5-10Вт. После этого можно приступать к проведению настройки главного узла усилителя П-контура. Если вы собираетесь сделать это при помощи лампочки накаливания, то лучше не надо было собирать этот усилитель, выбросьте все в мусор вместе с этой статьей и спокойно работайте на трансивере.

Для правильной настройки П-контура необходим трансивер с регулируемой выходной мощностью, высокочастотный вольтметр и эквивалент нагрузки. Эквивалент нагрузки представляет собой набор безиндукционных сопротивлений, соединенных последовательно-паралельно таким образом, чтобы общее сопротивление равнялось 50-ти омам.

Лампочка накаливания не может заменить эквивалент нагрузки по той простой причине, что ее сопротивление сильно меняется при изменении степени накала нити. Она может только служить плохим индикатором наличия, или отсутствия высокочастотного напряжения на выходе усилителя.

Катушка L1 П – контура содержит 9 витков посеребренной медной трубки диаметром 6мм, диаметр намотки 40мм. Отводы от 3-го и 5-го витков. Катушка L2 содержит 20 витков посеребренной шины 3*1мм на каркасе диаметром 50мм. Отводы от 4-го, 6-го и 11-го витков. Ориентировочные значения индуктивностей и емкостей П-контура приведены в таблице 1.

Диапазон, мГц	L,мкГ	С1, пФ	С2,пФ
1.9	17	500	3000
3.6	8.8	260	1550
7	4.5	150	800
10	3.1	90	550
14	2.3	70	400
18	1.7	50	300
21	1.5	40	260
24	1.3	35	220
28	1.1	30	190

Таблица 1.

Подключаем выход трансивера ко входу усилителя, а к выходу усилителя – эквивалент нагрузки и высокочастотный вольтметр. Для более корректной настройки П-контура необходимо также контролировать токи управляющей и экранной сеток. Наличие тока управляющей сетки свидетельствует о превышении входной мощности, а ток экранной сетки величиной 30мА говорит о правильно выбранной связи с нагрузкой. Если ток экранной сетки меньше 30мА, или даже заходит в отрицательную область – это свидетельствует о том, что емкость конденсатора С2 недостаточна, если ток больше 30мА, значит емкость С2 велика. Вращая С1 и С2 добиваемся максимальных показаний высокочастотного вольтметра, при необходимости изменяя количество витков катушки. Так, как П-контур состоит из двух катушек начинать настройку удобно с диапазона 20м.

Мощность на выходе усилителя вычисляем разделив квадрат выходного напряжения на сопротивление нагрузки. Номинальная выходная мощность лампы ГУ-74Б равна 550Вт при отсутствии тока управляющей сетки. Такую мощность получаем на всех диапазонах в случае правильной настройки П-контура.

Описание и схема данного усилителя опубликованы в журнале «РАДИОАМАТОР» №11 за ноябрь 2005г.

Литература:

1. Сокол Г.Г. Усилитель мощности с автоматической регулировкой тока покоя лампы по огибающей SSB-сигнала. /www.cqham.ru/
2. Ian White . PS boards and kit for Tetrode PA control and protection. www.ifwtech.co.uk/g3sek.

А. Каракоця UR5CX
тел. моб.8-097-124-65-91
тел.дом.8-0472-66-16-27