Автоматическая настройка П-фильтра выходного каскада усилителя мощности трансивера

Принцип работы

Предлагаемая система позволяет автоматизировать настройку выходного каскада радиопередатчика собранного на лампе по традиционной схеме, т.е. согласованного с антенной при помощи П-фильтра. Схема изменяет емкость "горячего" конденсатора П-фильтра "Резонанс" и поддерживает его постоянно настроенным в резонанс на частоту излучаемой несущей в любом режиме работы (SSB, FM) . Практически устройство простое, но предполагает электромеханическое управление: электродвигатель и редуктор, которые необходимо предусмотреть при конструировании нового усилителя или встроить в используемый усилитель как модернизацию.

Основной узел устройства - фазовый детектор. Его входным сигналами являются сигналы одной частоты, но с некоторым сдвигом фаз, поэтому его выходной сигнал постоянный ток. Опорным сигналом, подаваемым на ФД является входной сигнал усилителя, подаваемый на сетку выходной лампы. Сравниваемый сигнал снимается с анода. Из теории работы электронных ламп известно, что лампа , включенная по схеме с общим катодом инвертирует входной сигнал, т.е.. измеряет его фазу на 180*.Т.о. в ФД сравниваются фазы сеточного и анодного напряжений. Т.к в анодную цепь лампы включена резонансная система-П-фильтр, то при расстройке последнего фазы входного и выходного напряжений будут иметь некоторый фазовый сдвиг отличный от 180 градусов. Напряжение сигнала рассогласования (ошибки) с выхода фазового детектора через усилитель подается исполнительный элемент-электродвигатель, который через редуктор вращает конденсатор, компенсируя расстройку. В момент резонанса, когда переменное напряжение на сетке и переменное напряжение на аноде будет сдвинуто точно на 180*,что соответствует настройке, напряжение на выходе ФД стремится к "0"и двигатель останавливается.

Принципиальная схема устройства приведена на Рис 1.Фазовый детектор собран на диодах VD7-VD14 и трансформаторахTV1,TV2.Как видно это "классическая схема кольцевого балансного смесителя на диодах" В каждое плечо включено по два диода, т.е. смеситель повышенного уровня мощности. Это сделано для усреднения параметров диодов, т.е. балансировки, увеличения надёжности-запаса по максимальному прилагаемому напряжению. Здесь правый (по схеме) вход смесителя подключается к аноду лампы через резистор R2 очень большого номинала -1мом, т.к. здесь запас мощности очень высок. Второй вход смесителя подключен к сетке лампы через R1 ,C1-этот вход является "опорным". Говорить о согласовании, принятом при применении подобных схем, конечно, не приходится. Да здесь это и не требуется т.к. выходной сигнал смесителя постоянный ток, т.е. практически он очень узкополосный. Сигнал с выхода ФД в зависимости от того, какая фаза опережает другую, имеет положительную или отрицательную полярность. Именно это свойство использовано в описываемом устройстве для реверса электродвигателя.

Предварительный усилитель сигнала рассогласования собран на операционных усилителях DA1.1и DA1.2.На его входе включена очень важная цепь: диоды VD1,VD2 и конденсатор C5.Это демпфер, "успокоитель, глушитель". Применение его позволило избавиться от такого неприятного явления как "рыскание" (термин из авиации). Т.е. при подходе к точке резонанса система "проскакивала" ее, происходил реверс и так без конца. Включение этой цепи, [подобранной "интуитивно-эксперементально"], сделало работу всей системы практически возможной: ведь она "исключает" даже все люфты в механизме. Как видно из схемы усилитель, собранный на DA1.1.инвертирует входной сигнал. Это сделано для того, чтобы активные выходные сигналы предварительного усилителя были всегда положительной полярности. Это позволило обойтись однополярным питанием выходного усилителя и электродвигателя. Входы обоих каналов усилителя зашунтированы конденсаторами С6,C9 для предотвращения перегрузки вч-наводками. По этой же причине, что от усилителя не требуется усиление высоких частот - увеличена емкость С10,C11.

На выходе каждого канала усилителя включен индикатор полярности: пары светодиодов VD3,VD4 и VD5,VD6.Это делает работу схемы очень показательной. Cветодиоды разного цвета, например:VD3иVD5зеленого(голубого)цвета,VD4иVD6-красного(положительная полярность).Они показывают какое плечо в режиме настройки работает, а какое "заперто".Светодиоды запаяны прямо на печатной плате. При установке их на лицевую панель усилителя желательно применить трёхвыводные, двухцветные. Когда они все погашены это говорит о точной настройке. В некоторых случаях они могут заменить измерительный прибор.

С предварительного усилителя сигналы подстройки подаются на выходной, ключевой усилитель мощности который осуществляет включение, реверс и остановку двигателя (Рис2.) Принцип действия его понятен и не требует особых пояснений. При отсутствии сигналов на базах VT1и VT4все транзисторы заперты и двигатель остановлен. При подаче сигнала на первый вход отпираются VT1,VT2,VT8,VT9. Остальные транзисторы заперты следовательно на левый(по схеме)вывод двигателя подается "+",а на правый "-" При подаче положительного отпирающего сигнала на Вход2 отпираются VT4,VT5,VT6,VT10 и полярность напряжения на выводах двигателя меняется на противоположную .Подача сигналов сразу на два входа принципиально невозможна. ДиодыVD1-VD4-защитные.

Конструктивные особенности и детали

Блок фазового детектора выполнен на печатной плате помещенной в экранирующий корпус размерами 25*50*15(мм). Расположен он недалеко от выходной лампы, крепится к боковой стойке шасси усилителя и с анодом лампы соединяется непосредственно только цепочкой R2,C4.Детали:R1,C1,C2 расположены в "подвале"шасси и подключается ФД при помощи короткого (9см) ВЧ-кабеля. Предварительные усилители (DA1,DA2) собраны на отдельной плате, которая помещена в корпус размерами 120*85*20мм. Выходной усилитель собран в отсеке размерами180*140*30(мм) который располагается над конденсаторами П-фильтра. Детали, применяемые в устройстве самые распространенные.ДиодыVD1-VD8 любые кремниевые, импульсные. Магнитопровод TV1-TV2-кольца К7*4*4 из неизвестного феррита(от "памяти" на ферритовых кольцах старинных ЭВМ.) Количество витков 6*3 ПЭВ-2 0,2,намотка тремя проводами количество скруток на 1см -1,5-2.Подстроечный конденсаторС2-КПК-2.C5-неполярный К73-17 4,7мкф*63в.РезисторR2-МЛТ-2 1мом. Редуктор исполнительного механизма малогабаритный, шестеренчатый применен от списанной авиационной техники(рулевых машинок) передаточное число i=740.Находящийся там 400герцовый "ДИД" удаляется и вместо него по габаритам и креплению очень хорошо подходит двигатель постоянного тока типа ДПМ-20.Подобные узлы, по-видимому, еще можно найти на радиорынках .Но это не принципиально. На выходном валу редуктора крепится подходящий шкив от лентопротяжного механизма магнитофона. На оси переменного конденсатора "Резонанс" П-контура-тоже .Это принципиально т.к. шкивы соединяются резиновым пассиком, и это позволяет произвести и ручную подстройку при отключенной автоматике. Но такой необходимости не возникало. Компоновка устройства выполнена с учетом применения его в относительно мощном ВЧ-усилителе (Рпик.=200w).Это следует учитывать при размещении и соединении узлов т.к. в противном случае трудно будет избавиться от наводок. Чертежи печатных плат не приводятся т.к. они очень просты и зависят от каждого конкретного случая.

Настройка

При грамотной компоновке, исправных деталях и отсутствии ошибок в монтаже, устройство практически не нуждается в налаживании. Следует указать лишь несколько основных пунктов проверки. Т.к. работа устройства основана на сдвиге фаз, то и следует правильно включить обмотки трансформаторов и выводов питания двигателя. Иначе, при работе устройства, сдвиг фаз, естественно, будет не компенсироваться, а еще больше увеличиваться. При номинальной выходной мощности усилителя следует подобрать резистивно-емкостные делители напряжения на входе ФД-R1,C1,C2 и R2,C4при выходном напряжении смесителя примерно равному 0,5в положительной или отрицательной полярности. Это когда первый конденсатор П-фильтра расстроен, но ФАПЧ находится на краю "ширины захвата". Эта операция проводится при подключенной на выход усилителя эквиваленте антенны и поданной "несущей".Далее следует подстроить второй конденсатор П-фильтра -"Связь с антенной".Настраивая первый конденсатор "Резонанс",контролируют осциллографом напряжение на выходе ФД(точка соединения VD1,VD2 и C5) и в то же время следят за уровнем выходной мощности усилителя и анодным током лампы. Допустим "+0,5в" плавно переходит через "0"(в этот момент она максимальна, ток лампы минимален) и опять повышается, но уже до "-0,5в". Влияние конденсатора "Связь с антенной" на описанную операцию не большое. Как видно настройка автоматической системы, в некоторой степени, захватывает и настройку П-фильтра. Но у автора она была встроена в уже настроенный, работоспособный усилитель, и здесь никаких трудностей не возникло: "ноль" фазового детектора" соответствует максимальной мощности и малому К.С.В. на всех любительских диапазонах. Если этого не происходит, значит, произошел "непредвиденный" сдвиг фаз. Это может проявиться при переключении диапазонов с большим разносом частот. Для подстройки и усреднения фазового сдвига в самом ФД служит C2(Рис1).Т.к. совместно с C1 он является емкостным делителем напряжения, то при регулировке следует подобрать и R1.

Собранную и отлаженную систему можно проверить и следующим образом: в режиме передачи попытаться немного повернуть ручку управления конденсатора "Резонанс"-система немедленно отреагирует и вернет его на место.

Приложение и заключение

Предложенное устройство встроено в самодельный усилитель мощности 1-й категории. Там уже была механизирована, но не автоматизирована настройка П-фильтра, так же драйвера собранного на лампе 6Э6П. Сам усилитель собран на ГС-36б по схеме с последовательным питанием.

Все три КПЕ настраиваются при помощи электропривода на середину выбранного любительского диапазона по сигналам сравнения с цифрового фазового дискриминатора. Т.е. на каждом диапазоне длительность импульса циопорного генератора разная. Ось каждого КПЕ связана с переменным резистором сопротивление которого определяет длительность импульса второго генератора. При вращении КПЕ вращение передается переменному сопротивлению и при достижении равной длительности импульсов двигатель останавливается. Но такая система не связана с частотой передатчика, и назвать ее в полной мере автоматической нельзя, что, и вызвало появление описанной выше схемы. Теперь настройка конденсатора "Резонанс" происходит в два этапа: при переключении диапазонов система грубой настройки выводит его примерно на середину полосы захвата ФАПЧ. Это происходит без включения передатчика и излучения несущей частоты, далее включается режим TX "нажатие", причем не обязательно максимальной мощности, и примерно за 0,5сек. произойдет точная настройка. Точности настройки КПЕ драйвера и "Связь с антенной" хватает.

Вышеизложенное приводится не для того, чтобы убедить в необходимости строить еще и систему "грубой" настройки. А наоборот-основная идея как раз фазовая настройка и можно обойтись ей одной т.к. на полосу захвата ФАПЧ можно подвести КПЕ и вручную: для этого хватит шкалы и рисок на передней панели усилителя. Точность предлагаемой системы очень высока: она отслеживает даже перестройку по диапазону.

Литература.
1.И.М.Воробьев. Оборудование и эксплуатация радиостанций. М: Радио и связь,1988.

Ю.Дайлидов EW2AAA
223610 БЕЛАРУСЬ г. СЛУЦК ул. ЗЕЛЕНАЯ д.9 кв.115
ТЕЛ. ДОМ.6-35-66 ТЕЛ. РАБ. 5-74-82 КОД ГОРОДА 8-01795
EW2AAA@TUT.BY