ГУ74Б в КВ усилителе мощности. Эксперименты, идеи.
Давно собирался поэкспериментировать с использованием ГУ74Б в КВ усилителе мощности. Статья Анатолия, UR5CX [1] подтолкнула к новым экспериментам. Давно закончилось обсуждение этой статьи, а хотелось бы выяснить некоторые неочевидные моменты.
Внимательно изучив материалы по данному вопросу, взялся за паяльник. Целью было проверить технические решения, которые вызвали у меня сомнение, а также, возможно, предложить что-то взамен. На сегодняшний день проведено только макетирование узлов и их отработка. Окончательно на все вопросы можно будет ответить только после сборки и испытания всего РА. Но это будет не так скоро. Сейчас же спешу поделиться результатами экспериментов и идеями, так как многие, наверное, находятся на аналогичной стадии.
За основу взята принципиальная схема КВ усилителя мощности [1] . Я не буду объяснять все с самого начала, агитировать за необходимость применения в РА жесткой стабилизации режима и защиты, а постараюсь коротко аргументировать свои предложения.
Начнем с цепи управляющей сетки лампы.
Идея автоматической регулировки тока покоя лампы по огибающей SSB-сигнала мне кажется привлекательной. Однако, ничего не могу возразить против до момента испытания РА по уровню интермодуляционных искажений. Поэтому идею принимаю с возможностью отключать такую регулировку.
На рисунке 1 приведена предлагаемая схема принципиальная электрическая узла управляющей сетки. (Схема взята из общей схемы РА и не удивляйтесь позиционным обозначениям элементов.)
Из-за необходимости устанавливать оптимальное напряжение смещения для каждого экземпляра лампы предлагаю вместо стабилитрона в схеме стабилизатора смещения использовать переменный резистор (R44, R45). Так как на VT2 собран стабилизатор тока, то напряжение на R44, R45 будет стабилизированным при полностью открытом VT3. В качестве операционных усилителей лучше использовать сдвоенный операционный усилитель с полевым входом (например, TL082). Это позволило исключить некоторые лишние резисторы и выиграть немного места на плате. Для возможности отключения автоматической регулировки тока покоя введена перемычка Х3. При установке ее в нижнее по схеме положение VT3 полностью открывается (в режиме ТХ К3.1 - разомкнуты) и автоматическая регулировка, таким образом, отключается. В режиме RX VT3 закрывается заземлением затвора и напряжение на коллекторе VT2 становится равным входному напряжению стабилизатора (около минус 95 В).
Рисунок 1.
Предварительную настройку схемы автоматической регулировки тока покоя лампы следует производить в «холодном» режиме. При настройке контакты реле К3.1 отключались. На плату подавались напряжения питания, питание на лампу и напряжение раскачки не подавались. Проверялись напряжения питания 20 В, 12 В и напряжение 6.2 В на VD24, а также минус 50 В на С44 и минус 100 В на С45. Далее вольтметр подключался к коллектору VT2, резисторы R37 и R41 устанавливались в среднее положение. Перемычка Х3 устанавливалась в нижнее положение и резистором R45 устанавливалось напряжение на коллекторе VT2 минус 28 В (при окончательной настройке это напряжение устанавливается соответствующим номинальному току покоя лампы). Далее, снимается перемычка Х3 и резистором R37 устанавливается напряжение смещения минус 45 В (при окончательной настройке это напряжение устанавливается соответствующим току покоя лампы 40 – 50 мА). Снова устанавливается перемычка Х3 в нижнее положение и резистор R41 устанавливается в положение, при котором напряжение смещения становится равным минус 28 В. Регулировки резисторами R37 и R41 взаимозависимы и необходимо их повторить несколько раз.(Замечание. Величина сопротивления резистора R87 подобрана такой, что бы напряжение на входе DA2.1 при установке перемычки в нижнее положение соответствовало напряжению автоматической регулировки с VD18 при нормальном уровне напряжения раскачки. Напряжение автоматической регулировки на входе DA2.1 без раскачки примерно 6,2 В, а при нормальной раскачке – 9,5 В.) Вообщем, идея такая: необходимо установить смещение ОУ DA2.2 (R37) и его усиление (R41) такими, чтобы при изменении уровня раскачки РА от нуля до максимального ток «покоя» лампы изменялся от уровня 40 – 50 мА до номинального паспортного (300 мА).
Предлагаю для контроля уровня раскачки РА ввести контроль тока управляющей сетки. Использование для этой цели миллиамперметра не обязательно. Более наглядно использовать светодиод. Для этого необходимо установить в цепи управляющей сетки оптрон U1. Светодиод HL1 (см. рис.1, рис.2), индицирующий наличие тока сетки включен в коллектор VT1. При указанных на схеме номиналах светодиод начинает светиться при токе сетки 0.5 мА.
Источник напряжений питания и управление реле RX/TX (K3) построено таким образом (см. рис.1), исходя из возможностей в моем РА.
Макетирование входного согласующего устройства по схеме [1] дало неудовлетворительный результат. КСВ на 30 МГц составлял 1.8. Пришлось провести серию экспериментов для определения оптимального варианта. При этом использовались трансивер Icom 728, КСВ-метр SX100 и характериограф Х1-50. Начал я с самого простого: резистора. Использовал резистор типа ТВО 10 Вт 51 Ом. АЧХ равномерная до частот более 60 МГц, КСВ = 1 на всех КВ диапазонах. Подключил параллельно конденсатор 68 пф (входная емкость лампы плюс емкость монтажа). АЧХ после 30 МГц начала плавно заваливаться, а КСВ на 30 МГц стал равным 1.1. (Вполне приемлемый вариант!) Рассчитал и собрал однозвенный П-образный ФНЧ с частотой среза 35 МГц. Обнаружил, что вблизи частоты среза входное сопротивление резко возрастает при идеальной АЧХ. И КСВ, естественно, на верхних диапазонах достигал величины 1.6. Поскольку вопрос ослабления побочных излучений решается в трансивере, такой задачи перед входным согласующим устройством не стоит, и можно частоту среза фильтра значительно поднять. Используя известные формулы для ФНЧ, просчитал частоту среза при С = 68 пф, R = 50 Ом. Это около 47 МГц. Катушка индуктивности должна иметь индуктивность около 0.34 мкГн. Собрал, проверил. КСВ = 1.0 в диапазоне от 2 до 30 МГц.
Еще одна проблема. Нужна мощность для раскачки РА 8–9 Вт. Фирменные трансиверы обеспечивают минимальную мощность 5–10 Вт, что не позволит снизить выходную мощность РА до уровня 0.3 – 0.5 ,скажем, для настройки. Придется уменьшить напряжение, подаваемое на сетку лампы, в 1.5 – 2 раза, а входную мощность увеличить до 25 – 30 Вт. Это можно сделать, поделив напряжение на резистивном делителе (R12 составить из двух резисторов) или подать напряжение на сетку от части витков обмотки I трансформатора T3 (от 8-го витка, увеличив число витков в 1.5 – 2 раза).
Предлагаю также несколько упростить схему формирования напряжения ALC для трансивера и напряжения автоматической регулировки тока покоя. Трансформатор Т3 можно выполнить на ферритовом кольце (данные см. на схеме). При нормальной раскачке РА напряжение ALC минус 7 В, а напряжения автоматической регулировки 3.5 В.
Рассмотрим схему питания экранной сетки и защиты.
Физику процессов, происходящих в лампе, не рассматриваем. Исходными условиями считаем то, что ток экранной сетки в рабочем режиме может быть положительным (прямым, втекающим в лампу) и отрицательным (обратным, вытекающим из лампы). А также то, что в лампе случаются прострелы. Лампу и схему необходимо защитить от выхода со строя в аварийных ситуациях. Идеология защиты следующая. При перекачке РА только индицируется момент появления тока управляющей сетки и никаких отключений не производится. При превышении тока экранной сетки (как положительного, так и отрицательного) предельного (заданного) значения РА должен перейти из режима передачи в режим приема. После устранения причины можно продолжить работу. При прострелах в лампе необходимо перейти из режима передачи в режим приема и как можно быстрее снять анодное напряжение с лампы для прекращения разряда.
Предлагаемая схема узла питания экранной сетки и защиты приведена на рисунке 2.
Стабилизатор напряжения питания экранной сетки (DA4, VT4, VT5) предлагаю применить последовательно-параллельный, что позволит использовать преимущества как одного, так и другого. При положительном токе сетки регулирующим элементом является VT4, при отрицательном - VT4 отключается при помощи диодов VD32, VD42 и регулирующим элементом становится VT5. Предел стабилизации положительного тока более 50 мА, а отрицательного – около 50 мА. В остальном схема стабилизатора аналогична [1].
Рисунок 2.
Рассмотрим схему контроля тока сетки и защиты.
Предлагаю разделить контроль положительного и отрицательного тока сетки и использовать при этом светодиоды (красный и синий, 5мм, супер яркие). Для этого использовано два оптрона U2, U3. Напряжение, пропорциональное току сетки, снимается с резистора R52. Стабилитроны VD34 (для положительного тока) и VD33 (для отрицательного тока) ограничивают напряжение на R52. При положительном токе работает оптрон U3, светится светодиод HL3. При отрицательном токе работает оптрон U2 и светится светодиод HL2. Яркость свечения зависит от тока сетки. При номиналах, указанных на схеме, обеспечивается контроль положительных токов от 5 до 50 мА и отрицательных – от 5 до 25 мА. При токах до ± 5 мА светодиоды не светятся (напряжение на R52 ниже прямого напряжения светодиода оптрона). Преимущество в таком контроле и в том, что, в отличие от стрелочного миллиамперметра, мы будем видеть не усредненное значение тока, а мгновенное.
Защита по току сетки построена на тиристоре VS1. Напряжение на тиристор подается с резисторов R57, R58, при помощи которых устанавливается порог срабатывания защиты отдельно для положительного (R58) и отрицательного (R57) тока. При срабатывании тиристора загорается светодиод HL4 и открывается транзистор VT7. Напряжение 12 В подается на затвор VT11 (см. рис.1), что приводит к закрыванию VT11 и выключению реле К3. Таким образом РА блокируется в режиме RX до момента выключения тиристора нажатием кнопки SB4 СБРОС.
При простреле в лампе напряжение на экранной сетке резко увеличивается, срабатывает схема на транзисторе VT8 и включается тиристор VS2. При номиналах, указанных на схеме, тиристор срабатывает при токе около 250 мА. При срабатывании тиристора выключается реле К2 (использовано В1В), которое отключает анодное напряжение (заметьте, не трансформатор анодного питания, а анодное напряжение после фильтра). Загорается также светодиод HL5, который сигнализирует об аварии. Время срабатывания защиты при простреле не более 10 мс. При простреле сработает также и защита по току экранной сетки. В эту же цепь защиты включен таймер на DA5. Таймер обеспечивает задержку включения анодного напряжения до разогрева катода (примерно 3 мин.) при включении РА.
Настройку платы следует производить до установки ее в РА. Устанавливают подстроечные резисторы R57, R58 и R69 в среднее положение, а R73 - в правое (по схеме) положение. К плате подключают плату индикации, кнопку SB4 и реле К2. Подают напряжения питания 20 и 12 В. Проверяют работу таймера. Должен светиться светодиод HL5, а реле К2 должно быть выключенным. Через 3 – 3.5 минуты светодиод должен погаснуть, а реле – включиться. При нажатии кнопки SB4 должны загораться светодиоды HL5, HL4 и выключается реле К2, а при отпускании – светодиоды гаснут и реле включается. Далее проверяют работу схемы защиты по току сетки. Для этого от отдельного источника питания (использовался Б5-44) через миллиамперметр 0 – 100 мА подают напряжение на резистор R52. Полярность: плюс на нижний (по схеме) вывод. Изменяя напряжение от нуля до 15 В, определяют ток, при котором начинает светиться светодиод HL3, и наблюдают изменение его яркости при увеличении тока до 50 мА. При необходимости подбирается резистор R54. Диапазон индикации тока должен быть, примерно, от 5 до 50 мА. Устанавливают ток 40 мА. Резистором R58 добиваются срабатывания тиристора VS1 (загорается светодиод HL4). Если тиристор сработал при проверке индикации тока, то установите R58 в нижнее положение, нажмите и отпустите кнопку SB4. Медленно вращая R58, добейтесь срабатывания тиристора. Аналогично проведите проверку и настройку схемы при отрицательном токе. Полярность подключения источника питания обратная, максимальное напряжение 7 – 7.5 В. Диапазон индикации тока от 5 до 25 мА. Ток срабатывания защиты устанавливают (R57) равным 20 мА. Токи срабатывания защиты выбраны на основе литературных данных. При испытаниях РА они могут быть откорректированы.
После настройки схемы индикации и защиты приступают к настройке стабилизатора напряжения питания экранной сетки. Дополнительный блок питания (Б5-44) отключают. На коллектор VT4 подают (желательно через предохранитель 0.25 – 0.5 А) напряжение 380 – 400 В (использовался УИП-1). Проверяют величину напряжения на выходе (XS8). Резистором R69 устанавливают его равным 300 В. При помощи осциллографа убеждаются в отсутствии генерации на выходе DA4 при изменении входного напряжения от 340 до 440 В. Если генерация появляется, увеличивают емкость конденсатора С52.
Отключают все напряжения питания и подают напряжение 350 В (тот же УИП-1) на выход стабилизатора (XS8). Вольтметр подключают к стоку VT6 и резистором R73 находят точку начала открывания VT6 – уменьшение напряжения на стоке на 3 – 5 В. Отключают напряжение. На плату подают напряжения 12 и 20 В. После срабатывания таймера на резистор R74 через дополнительный резистор 3 – 5 Ом подают напряжение от источника питания (Б5-44). Увеличивают напряжение от нуля ступенями по 0.1 В и фиксируют момент срабатывания тиристора VS2. Срабатывание тиристора должно происходить при напряжении на R74 около 0.8В.
На этом предварительную настройку плат заканчивают.
Немного о конструкции. Схема питания управляющей сетки собрана на плате размером 110х80 мм. Схема незначительно изменена. Реле К3 с платы вынесено и добавлены элементы, относящиеся к антенному реле. На транзисторы VT2 и VT3 установлены радиаторы из отрезка алюминиевого уголка 25х25 мм длиной 20 мм. Схема питания экранной сетки собрана на плате размером 130х60 мм. Блок транзисторов собран на отрезке алюминиевого уголка 25х25 мм длиной 130 мм. Монтаж навесной с использованием керамических стоек. На этом же уголке закреплена плата. Весь узел устанавливается на шасси РА с использованием теплопроводящей пасты, обеспечивая отвод тепла от транзисторов.
В заключение, привожу фотографии плат.
Литература:
- 1. А.Каракоця / UR5CX /. Коротковолновый усилитель мощности с защитой.
- (www.cqham.ru)
- 2. В.Беседин / UA9LAQ /. Перевод статей G3SEK (www.ifwtech.co.uk/g3sek) :
- Тетрод для усилителя мощности. Ток экранной сетки, нагрузка, утечки…
- Питание и защита современных тетродов.
- Эксплуатация тетродов при различных экранных напряжениях и токах.
- Раскачка тетродов и способы их заземления.
- Усилители на тетродах: управление и защита.
- (www.cqham.ru).
- 3. www.ifwtech.co.uk/g3sek.
Бутенко Василий, UR5YB, г. Черновцы.
E-mail: butyur@rambler.ru
.
