Усилитель на лампе ГУ74Б.
Усилитель на лампе ГУ74Б.
Выбор на эту лампу пал по соображениям получения выходной мощности до 1 кВт при небольших габаритах. Лампа включена по схеме с заземленными сетками, поэтому не используется ее высокая крутизна. Это связано с тем, что усилитель проектировался под трансивер с транзисторным выходным каскадом мощностью 100...120 Вт. В типовом варианте включения с общим катодом используется режим АВ, выходная мощность составляет 600 Вт. Этот режим можно рекомендовать, если выходная мощность трансивера составляет 25...30 Вт. КПД такого усилителя невысок (ток покоя - до 300 мА), что связано с обеспечением линейного режима усиления. Недостатки этого варианта, помимо низкого КПД - необходимость жестко стабилизировать напряжения экранной и управляющей сеток. Если используется трансивер с выходной мощностью не менее 70...80 Вт, целесообразно включить лампу по схеме с общими сетками. В такой схеме вносимые каскадом искажения мало зависят от выбора рабочей точки на характеристике лампы. Это позволяет уменьшить ток покоя при том же уровне искажений. Лампа при этом работает почти в режиме В, нагрев анода в паузах значительно уменьшается, и можно получить большие мощности и КПД. Прибавьте сюда отсутствие необходимости стабилизации напряжений управляющей и экранной сеток - преимущества налицо. Единственный недостаток такого усилителя небольшой коэффициент усиления (10...15 дБ) и соответственно большая, нежели в усилителях с общим катодом, мощность возбуждения, но почти вся эта мощность нигде не теряется, а поступает в нагрузку. Принципиальная схема усилителя показана на рис.1.
Основные технические характеристики усилителя:
входное сопротивление в зависимости от рабочей частоты - 47... 140 Ом;
эквивалентное сопротивление анодного П-контура - 2000 Ом;
напряжение анода - 2100...2400 В;
КПД на различных диапазонах - 62%...70%;
мощность, отдаваемая в нагрузку - до 1000 Вт;
мощность возбуждения - не более 100 Вт (при правильном согласовании трансивер-усилитель - обычно 60...80 Вт).
Ток покоя лампы очень мал, он слабо изменяется в зависимости от анодного напряжения и экземпляра лампы, обычно не превышает 30...50 мА. В экспериментальных целях была получена выходная мощность 1400 Вт (Uа=2200 В, Iа=1,0 А). Конечно, это кратковременный пиковый режим. После 5 лет эксплуатации практически при ежедневной работе в эфире по 1...2 часа заметной потери эмиссии лампы не наблюдалось. Главное преимущество такого усилителя, на мой взгляд, заключает-ся в его простоте. Источник питания (рис.2) упрощен до минимума. Требуется лишь анодное напряжение и напряжение накала. Для питания автоматики используется выпрямленное накальное напряжение.
Конструкция
Усилитель выполнен в металлическом ящике размером 450х380х230 мм, разделенном поперечной перегородкой на два отсека. В одном отсеке располагается силовой трансформатор с высоковольтным выпрямителем. В этом же отсеке на передней панели расположены измерительные приборы и переключатели сети, вентилятора и приборов. Во втором отсеке, разделенном диэлектрической перегородкой, расположены лампа, анодный дроссель и детали П-контура. Переменные конденсаторы и галетный переключатель крепятся к передней панели. Бескаркасные катушки П-контура удерживаются шинами на галетном переключателе, конденсаторах и анодном дросселе. Отсек с лампой сверху закрывается диэлектрической крышкой. Вентилятор расположен на задней стенке в отсеке лампы, откуда он выкачивает воздух. Воздух поступает через отверстия в нижней крышке напротив лампы, проходит через панельку и ребра анода лампы. Лампа установлена вертикально в трубе, выклеенной из стеклоткани на эпоксидной смоле, направляющей воздух через ребра радиатора. Так как все сетки лампы непосредственно соединяются с корпусом усилителя, появляется возможность применения самодельной панельки, которая может служить, помимо анода, дополнительным теплоотводом. Лампа обжимается вокруг вывода экранной сетки мощным хомутом из бронзы, или меди, и хомут плотно прикручивается к шасси. Через этот хомут дополнительно на шасси отводится тепло. На выводы лампы надевается керамическая панелька от старых ламп, например 12Ж1Л или 2Ж27Л. Лампу можно располагать как вертикально, так и горизонтально. Конечно, не исключается применение и "фирменной" панели для ГУ74Б. Очень важно обеспечить эффективный отвод тепла от лампы. Ребра в аноде расположены довольно плотно, поэтому требуется обеспечить достаточное давление воздуха, для того чтобы "протянуть" через анод не менее 30 м\ч. Наиболее эффективны для этих целей вентиляторы типа "турбинка". Но они довольно редко встречаются, и сложно подобрать подходящий вариант по мощности и размерам. С успехом можно применять плоские вентиляторы от старых ЭВМ. Ориентироваться следует на варианты с напряжением питания 220 В и, желательно, металлическими лопастями. В описываемом усилителе применен плоский вентилятор французского производства с пластмассовыми лопастями производительностью 60 м'/ч. В номинальном режиме он используется при пониженном напряжении питания — 160...170 В. В режимах, когда усилитель очень долго используется на передачу, на вентилятор подаётся полное напряжение — 220 В. Плоские вентиляторы плохо работают на подачу воздуха, рациональнее их использовать на "выкачку". Конечно, это не лучший вариант, т.к. горячий воздух проходит через лопасти и нагревает сам вентилятор. Поэтому лучше использовать полностью металлический вентилятор, который проектируют именно для таких тяжелых условий работы. Хотя можно использовать любой с некоторым запасом по производительности, в описываемом усилителе уже пять лет работает вентилятор, бывший до этого в эксплуатации, да еще и с пластмассовыми лопастями.
Детали
Др1 — накальный дроссель на ферритовом стержне (кольце) проницаемостью 1000...2000, стержень - диаметром 8...12 мм. Намотан одновременно двумя проводами ПЭЛ диаметром 1,5...1,8 мм. Количество витков - 10...15.
Др2 — катодный дроссель. Каркас - диаметром 20...25 мм, диэлектрическая трубка. Намотка - виток к витку, провод - ПЭЛ диаметром 0,52...0,62 мм, 100 витков.
Др3 — анодный дроссель. Керамическая трубка диаметром 35 мм. Ближние к аноду витки намотаны с шагом 1 мм — 20 витков, затем 170 витков — виток к витку. Провод - ПЭЛ диаметром 0,52...0,62 мм.
Др4 — высокочастотный дроссель любого типа, выдерживающий напряжение 300 В. Индуктивность -2,5...3 мГн.
L1 —бескаркасная катушка П-контура. Медная трубка диаметром 6 мм, 9 витков, диаметр оправки - 47 мм. Отводы от 4, 5, 6, 8 витков.
L2 — бескаркасная катушка, провод - ПЭЛ диаметром 2,4 мм, диаметр, оправки - 47 мм, 14 витков, отвод от 6 витка.
L3 — катушка-диапазона 1,8 МГц. Керамический ребристый каркас диаметром 60 мм. Провод - ПЭЛ диаметром 1,5 мм, 17 витков.
Катушки L1 и L2 намотаны с шагом, равным половине диаметра применяемого провода.
VD1 — стабилитрон Д817А...Г.
VD2 — высокочастотный кремниевый диод.
VD3, VD4 — любые кремниевые диоды.
VТ1, VТ2 — КТ815 или любые кремниевые транзисторы, выдерживающие рабочий ток К1 и К2.
С1 — керамический, Uр > 300 В.
С2, С3, С4 — блокировочные конденсаторы, Uр > 300 В.
С13, С14, С15, С16—блокировочные конденсаторы, Uр > 50 В.
С5 — 1500...2200 пФ. Высококачественный керамический, Uраб > 5 кВ. Пропускаемая мощность >1,5 кВт.
С6 — 2200... 10000 пФ. Блокировочный высоковольтный конденсатор, Uраб > 4 кВ.
С7 — добавочный конденсатор, подключается контактами, расположенными на С8 для 3,5 и 1,8 МГц. Высококачественный керамический, Uраб > 5 кВ, на реактивную мощность >10 кВар.
С8 — 10/260 пФ. Зазор между пластинами >2,5 мм.
С9 — зазор между пластинами > 0,3 мм.
С10 — керамический или слюдяной. Uраб > 1000 В, на реактивную мощность > 10 кВар.
С11 — керамический, Uраб > 500 В.
РА1 — измерительная головка на 1мА.
К1 — реле РЭН-33 или любое высокочастотное реле, способное пропускать мощность до 100 Вт и ток контактов > 1,5 А.
К2 — реле РЭВ15, высокочастотное реле. Напряжение на контактах - до 300 В, ток - до 5 А.
Напряжение срабатывания всех реле - 12...14 В.
S1 — высокочастотный переключатель, выдерживающий напряжение до 3 кВ и ток до 7А.
В качестве С8 подойдет любой переменный конденсатор с зазором между пластинами не менее 2 мм и мощными пружинящими токосъемами корпуса роторных пластин. Следует обратить внимание на начальную емкость, она не должна быть больше 10 пФ. Для того чтобы перекрыть диапазон 1,8 МГц, максимальная емкость должна быть не менее 500 пф. Для диапазона 3,5 МГц достаточно 300 пФ. Применен конденсатор от радиостанции РСБ5. Для уменьшения начальной емкости выфрезерованы боковые металлические стенки. Подвижный контакт, который есть на этом конденсаторе, использован для подключения дополнительного конденсатора С7 для диапазонов 1,8...3,5 МГц. Если предполагается работать только на низкоомную нагрузку, в качестве С9 можно применить переменный конденсатор от старых ламповых приемников с зазором не менее 0,3 мм. Для диапазона 1,8 МГц суммарная емкость С10 и С9 — не менее 3000 пФ. При выборе S1 следует обращать внимание на мощность и надежность контактов. Контакты должны быть удалены от заземленных элементов конструкции для минимизации вносимой емкости. Если не удается обеспечить общую начальную емкость П-контура менее 35 пФ, С8 можно включить не в начало L1, а отступив 0,5...1 виток от анода. Анодный дроссель Др3 следует наматывать на каркасе с хорошей диэлектрической прочностью (керамика, фторопласт). Его можно выполнить секционированным, т.е. через некоторое количество витков делать зазоры 2...3 мм, что также уменьшает общую емкость и вероятность паразитных резонансов.
Автоматика и индикация.
Контакты К1.2 при переходе на передачу закорачивают стабилитрон VD1, снимая запирающее напряжение. Для управления реле использованы транзисторные ключи на VТ1 и VТ2. Это сделано для того чтобы можно было использовать напряжение +12 В ТХ от трансивера для коммутации усилителя. При включении реле К1 применена временная задержка (R4, С12). Для чего это сделано? В качестве К2 применено мощное реле с большим зазором между контактами, время срабатывания такого реле намного больше, нежели время срабатывания небольшого реле К1. Поэтому в момент перехода с приема на передачу может возникать неустойчивое состояние усилителя, когда К1 уже подключило трансивер к усилителю, а антенна за счет инерционности К2 еще не подключена. Теперь нетрудно догадаться, что же будет происходить в усилителе, если в трансивере нет такой задержки, т.е. в момент перехода на передачу сразу на выходе ТRCVR есть ВЧ сигнал. В лучшем случае, постоянно будут подгорать контакты К2. Худших вариантов намного больше - вплоть до "простреливания" лампы. Если же вы уверены в своем трансивере и точно знаете, что ВЧ сигнал на АNТ разъеме появляется с задержкой (достаточной для срабатывания К2 в усилителе), можете упростить автоматику усилителя, например включить параллельно оба реле и использовать один ключ.
В усилителе применен один трансформатор Т1 габаритной мощностью 1600 Вт. Накальное напряжение дополнительно используется для питания реле автоматики. Об этой обмотке хотелось бы сказать особо. Не нужно закладывать ее с запасом, т.е. использовать с заведомо большим диаметром провода, нежели это требуется для лампы (3,6 А). В момент включения, когда нить накала лампы еще холодная и имеет минимальное сопротивление, в цепи протекает очень большой ток, который может ее разрушить. Чем больший запас имеет обмотка, тем большее разрушение получает нить накала при каждом включении усилителя. Поэтому при расчете диаметра провода накальной обмотки не следует ее рассчитывать на ток более 4 А.
Анодный выпрямитель особенностей не имеет. Он собран по схеме удвоения напряжения. Вторичная обмотка должна обеспечивать 800...900 В при токе до 2 А. Максимальное обратное напряжение цепочки диодов должно быть не ниже 3000 В, максимальный ток - не менее 3 А. Каждый диод зашунтирован резистором для равномерного распределения обратного напряжения. Шунтирующие конденсаторы применены для устранения так называемого "белого шума", который иногда возникает, и для "поглощения" и равномерного распределения мгновенных пиков перенапряжения сети. Эти пики могут возникать вследствие переходных процессов, которые длятся сотые доли секунды, но этого достаточно для пробоя диодов. При использовании трансформатора на П-образном железе следует соблюдать некоторые правила намотки: сетевую и вторичную обмотки делят поровну и располагают на обоих стержнях. Сетевой S1 должен быть рассчитан на ток>12 А, переключатель оборотов вентилятора S2 - на ток>0,5 А. В выпрямителе автоматики VD1...VD4 можно использовать любые кремниевые диоды 25 В/1 А.
Прибор РА1 в источнике питания (рис.2) измеряет Uа и Iа - в зависимости от положения переключателя S3. Для градуировки служат соответственно RЗ и R4.
РА1 в усилителе (рис.1) служит для измерения высокочастотного напряжения на выходе усилителя. Конденсатор С11 служит для выравнивания АЧХ измерителя. При помощи КЗ выставляют показания РА1, нагрузив усилитель на эквивалент нагрузки.
Настройка
Режим лампы при подаче требуемых напряжений устанавливается автоматически. Настройка минимальна и сводится к подбору отводов от катушек L1 и L2 (рис.1), что лучше всего сделать при помощи измерителя частотных характеристик. При отсутствии приборов П-контур настраивают добиваясь максимальной выходной мощности, нагрузив усилитель на эквивалентное сопротивление 50...75 Ом. При правильной настройке провал анодного тока в резонансе не превышает 15... 20% от значения при расстроенном П-контуре.
Стыковка с трансивером
Во многих публикациях об усилителях с подачей возбуждения в катод говорится о входном сопротивлении такого устройства около 50 Ом. К сожалению, это не совсем так. Входное сопротивление колеблется в зависимости от рабочей частоты. Это нужно учитывать при выборе схемы согласования выходного каскада трансивера со входом усилителя. Иначе, как это часто бывает, на некоторых диапазонах усилитель не будет отдавать той мощности, которую он обеспечивает на других.
Входное сопротивление усилителя составляет: на 1,9
МГц — 98 Ом; на 3,5МГц — 77 Ом; на 7 МГц —128 Ом; на 14 МГц — 102 Ом; на 21 МГц
— 54 Ом; на 28 МГц — 88 Ом. Эта проблема не возникает, если в трансивере есть
антенный тюнер, или выходной каскад имеет ручную настройку П-контура на каждый
диапазон. Тогда можно оптимально согласовать вход усилителя с выходом
трансивера. В случае, когда в трансивере нет никаких подстроек выходного каскада
на сопротивление нагрузки, отличное от 50...75 Ом, эту процедуру следует
осуществить в обратном порядке, т.е. входное сопротивление усилителя привести к
50...75 Ом с помощью простейшего согласующего устройства. Это устройство можно
установить в самом усилителе или выполнить его в отдельном корпусе и
использовать как с другими усилителями, так и с антеннами, сопротивление которых
отлично от 50...75 Ом. В нашем варианте требования к такому устройству
минимальные - оно должно пропускать мощность до 100 Вт и приводить входное
сопротивление усилителя (47...140 Ом) к стандартному - 50...75 Ом.
На рис.3
приведен один из вариантов такого устройства. Это обычный П-контур. В качестве
индуктивности можно использовать вариометр или катушку с отводами, конденсаторы
переменной емкости можно заменить на постоянные, предварительно подобрав их на
каждый диапазон. Катушка имеет 17 витков, провод - диаметром 1,0...1,2 мм,
бескаркасная, намотана на оправке диаметром 15...17 мм. Она свернута кольцом по
диаметру галетного переключателя, для того чтобы отводы имели минимальную длину.
С одного конца катушки отводы сделаны от каждого витка, последние - произвольно
через 2...3 витка. Галетный переключатель - на 11 положений. Этого шага
настройки достаточно для оптимального согласования.
Для долголетней и безотказной работы новую лампу необходимо подвергнуть тренировке. Особенно это касается ламп, которые нигде не работали, но пролежали несколько лет. Чем старше лампа - тем дольше ее нужно тренировать. В домашних условиях лампу выдерживают под напряжением накала 10...20 часов. Если лампе больше 10 лет - несколько суток. Затем следует подать анодное напряжение и снова выдержать хотя бы 6...10 часов. Если есть возможность, вначале лучше подать пониженное напряжение. Обдув при этом требуется небольшой, пусть лампа прогреется. После этого лучше работать в эфире несколько дней при пониженной мощности. И только после этого можно выводить усилитель на полный режим. Не нужно забывать перед отключением усилителя давать немного поработать вентилятору, чтобы понизилась температура оболочки лампы.
А.
Тарасов (UT2FW) ut2fw@izmail.uptel.net
68800 Одесская обл. г. Рени а/я 65
Тел. (04840) 2-62-33
Сайт
автора http://www.qsl.net/ut2fw/
