Широко распространенное мнение о невозможности или больших трудностях построения широкополосного транзисторного усилителя мощности для радиостанции первой категории отталкивает большинство коротковолновиков от этой затеи.
Задача, поставленная автором, состояла в том, чтобы на примере действующего и находящегося в эксплуатации линейного усилителя мощности показать возможность построения, привести описание схемы и методики настройки высоконадежного транзисторного усилителя мощности, обеспечивающего выходную мощность не менее 150 Вт при безотказной работе выходных транзисторов в различных неблагоприятных условиях, таких как: работа на несогласованную нагрузку, обрыв или замыкание кабеля в антенно-фидерной системе, ошибки коммутации диапазонных фильтров, перегрев радиатора охлаждения транзисторов усилителя и другое.
При построении усилителя предпочтение было отдано биполярным транзисторам по ряду причин:
Доступностью и распространенностью биполярных транзисторов по сравнению с полевыми.
Большей температурной стабильностью и устойчивостью к перегрузкам и паразитным возбуждениям.
Простотой построения и согласования входных цепей. В состав усилителя входят: схема защиты в виде электронно-управляемого аттенюатора Г-образного типа, двухтактный широкополосный усилитель мощности с перекрытием по частоте от 1,8 до 30 МГц, выполненный на биполярных транзисторах КТ957А, рефлектометр схемы защиты, источник питания с защитой от перегрузок по току и диапазонные фильтры нижних частот.
Основные характеристики широкополосного усилителя мощности:
Рис.1
Сигнал с трансивера поступает на Г-образное звено электронно-управляемого аттенюатора схемы защиты усилителя мощности при рассогласовании с нагрузкой. Аттенюатор построен на мощных pin-диодах VD5 и VD6. На транзисторах VT1 - VT4, VT6 собрана схема управления. Характерной особенностью этой схемы является поддержание постоянной величины суммарного тока, протекающего через диоды VD5 и VD6.
В рабочем состоянии усилителя транзистор VT2 схемы управления аттенюатора открыт, a VT3 закрыт. Через открытый pin-диод VD5 протекает ток порядка 120 мА. Падение напряжения на резисторе R9 является запирающим напряжением для второго pin-диода VD6. Максимальное ослабление мощности радиосигнала в последовательной цепи С5, VD5, С9 Г-образного аттенюатора составляет 0,ЗдБ.
При возникновении рассогласования усилителя мощности с нагрузкой, напряжение, вырабатываемое рефлектометром, через диод VD15 схемы "ИЛИ" поступает на базу транзистора VT6 дифференциального усилителя. Происходит перераспределение тока, протекающего через диоды VD5 и VD6, в результате чего увеличиваются потери радиосигнала по цепи С5, VD5, С9 до 30 дБ. Параллельная цепь С7, VD6, R8 и С10 Г-образного звена аттенюатора служит для стабилизации входного сопротивления усилителя мощности и обеспечивает постоянство сопротивления нагрузки трансивера. Так, при полностью открытом pin-диоде VD6 активная составляющая сопротивления цепи С7, VD6, R8 и С10 равна 50 Ом. В этом случае на резисторе R8 рассеивается вся мощность сигнала, поступающего на вход усилителя. С помощью резистора R1 производится регулировка порогового напряжения переключения электронно-управляемого аттенюатора. Светодиод H1 является индикатором рассогласования усилителя мощности с нагрузкой. Свечение светодиода импульсное. Частота свечения 25 - 30 Гц, определяется постоянной времени разряда конденсатора С12 через резистор R17 и входное сопротивление транзистора VT6.
Двухтактный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT11 и VT12 типа КТ957А. Автономное напряжение смещения каждого транзистора усилителя мощности задается с помощью двух стабилизаторов, собранных на транзисторах VT7, VT9 и VT8, VT10.
Наличие автономных источников начального напряжения смещения выходных транзисторов, работающих в режиме В, позволяет устранить разброс коэффициентов усиления транзисторов и получить линейную амплитудную характеристику усилителя мощности. Регулировка начального напряжения смещения транзисторов осуществляется переменными резисторами R18 и R19. Стабилизаторы осуществляют одновременно температурную стабилизацию тока покоя выходных транизисторов усилителя мощности. В качестве температурных датчиков используются транзисторы VT7 и VT8 типа КТ904А, размещаемые рядом с транзисторами КТ957А.
Симметрирующий трансформатор Т1 с коэффициентом трансформации 4:1 согласует несимметричный 50-омный вход усилителя мощности с входными сопротивлениями транзисторов VT11 и VT12, активная составляющая которых равна 1,3...1,8 Ом.
Трансформатор Т2 обеспечивает подачу питания на коллекторные цепи транзисторов VT11 и VT12, симметрирование формы напряжения на коллекторах транзисторов с целью снижения уровня четных гармоник в коллекторной цепи, а также создание частотно-зависимой отрицательной обратной связи. Симметрирующий трансформатор Т3 с коэффициентом трансформации 1:3 обеспечивает переход от низкого выходного сопротивления транзисторов к несимметричному выходу с сопротивлением, равным 50 Ом.
Корректирующие цепи R20, С20 и R21, С21 обеспечивают согласование входных сопротивлений усилителя и уменьшение коэффициента усиления на низких частотах. Контур, образованный вторичной обмоткой трансформатора Т 1 и конденсатором С15; цепь, состоящая из резисторов R26 и R27 и контура, образованного вторичной обмоткой трансформатора Т2 и конденсатором С27; в также контур, образованный первичной обмоткой трансформатора ТЗ и конденсатором С36, обеспечивают подъем амплитудно-частотной характеристики усилителя на верхних частотах (20 - 30 МГц).
Цепи коррекции АЧХ усилителя мощности позволяют получить неравномерность коэффициента усиления по мощности менее 2 дБ в частотном диапазоне от 1,8 до 30 МГц.
Диоды VD11, VD13 и VD12, VD 14 служат для защиты транзисторов VT11 и VT12 от перенапряжения в коллекторной цепи.
В состав рефлектометра схемы защиты усилителя мощности входят: датчик отраженной волны, выполненный на трансформаторе тока Т4, конденсаторах С43, С44 и выпрямителе на диоде VD17; усилитель постоянного тока на транзисторах VT13, VТ14 и схема "ИЛИ" на диодах VD15 и VD16. Переменным резистором R37 устанавливается необходимый порог срабатывания схемы защиты по КСВ. Питание дифференциального усилителя электронно-управляемого аттенюатора осуществляется нестабилизированным напряженим +18 В. Питание цепей смещения выходных транзисторов усилителя мощности и УПТ рефлектометра осуществляется от стабилизатора напряжения, выполненного на микросхеме DA1 и регулирующем транзисторе VT5. Максимальный ток потребления но цени +12 В - не более 0,5 А. Регулировка выходного напряжения стабилизатора осуществляется резистором R15.
Источник питания коллекторной цепи усилителя мощности состоит из двухполупериодного выпрямителя, собранного по мостовой схеме на диодах VD7...VD10 и компенсационного стабилизатора на транзисторах VT15, VT16, VT17 и микросхеме DA2, имеющего защиту от перегрузок по току и КЗ. Для получения тока в нагрузке до 13 А применено параллельное включение двух регулирующих транзисторов VT15 и VT16 типа 2Т827А с выравнивающими сопротивлениями в цепях эмиттеров. Величина падения напряжения на одном из этих резисторов служит управляющим напряжением для схемы защиты по току. Регулировка выходного напряжения стабилизатора осуществляется переменным резистором R38. Падение напряжения на резисторе R46 используется для контроля тока усилителя мощности микроамперметром РЛ1 со шкалой не более 200 мкА. Светодиод Н2 служит для индикации режима перегрузки источника питания коллекторной цепи усилителя мощности. Светодиод Н2 служит для цепи усилителя, мощности. Светодиод Н2 гаснет, если ток нагрузки превысит пороговое значение.
В целях повышения надежности усилителя в цепях +12 В и +25 В включены предохранители на ток соответственно 0,5 А и 15 А.
Для фильтрации гармонических составляющих радиосигнала на выходе усилителя мощности установлены шесть диапазонных фильтров нижних частот 5-го порядка (рис.2) с чебышепской характеристикой, имеющие максимальный коэффициент отражения в полосе пропускания 10%, что соответствует КСВ < 1,2 и потери мощности - 0,2 дБ. Входные и выходные нагрузочные сопротивления 50 Ом. В таблице приведены номиналы элементов фильтров и их частоты среза (fcp).
Рис.2
Реактивная мощность конденсаторов фильтров - 200 ВАр. Допустимо параллельное включение одинаковых конденсаторов с меньшей единичной величиной реактивной мощности, но суммарной - не менее 200 ВАр.
| Диапазон, МГц | fcp, МГц | С1,СЗ, пф | С2, пф | L1.L2, мкГн | Число витков | d/Д, мм |
| 1,8 | 2,5 | 1300 | 2300 | 4,37 | 22 | -/22 |
| 3,5 | 4,6 | 680 | 1300 | 2,37 | 17 | -/22 |
| 7,0 | 8,7 | 360 | 620 | 1,25 | 10 | -/22 |
| 10;14 | 16,0 | 200 | 360 | 0,68 | 12 | 22/12 |
| 18;21 | 25,0 | 120 | 240 | 0,44 | 9 | 20/12 |
| 24,9;28 | 35,0 | 91 | 160 | 0,31 | 6 | 10/12 |
Здесь:
d - длина намотки. Д - внешний диаметр катушки.
Диаметр и тип провода ПЭВ-2 1,2. Для диапазонов 1.8; 3.5 и 7,0 МГц катушки выполняются со сплошной намоткой. Закрепление витков осуществляется клеем БФ2.
Усилитель мощности собран на двух печатных платах, установленных на радиаторах охлаждения транзисторов усилителя. На первой печатной плате собран сам усилитель мощности, Г-образный аттенюатор, схема защиты и стабилизаторы напряжения смещения. Печатная плата установлена на радиаторе, на котором размещены транзисторы VT11, VT12, VT7, VT8 и pin-диоды VD5, VD6. Размеры радиатора 120х250х60 мм. Высота ребер - 45мм, расстояние между ними - 15 мм.
На второй печатной плате собраны стабилизаторы напряжений +12 В и +25 В. Печатная плата, регулирующие транзисторы VT5, VT15, VT16, диоды VD7 - VD10 и микросхема DA2 установлены на втором радиаторе охлаждения усилителя мощности.
Размеры этого радиатора 120х200х60 мм. Высота ребер и расстояние между ними такие же, как у первого радиатора.
Регулирующие транзисторы и диоды выпрямителей установлены на радиаторе на электроизолирующих прокладках, выполненных из алюминия с анодным оксидированным изоляционным покрытием.
Радиаторы охлаждения являются несущими элементами конструкции усилителя мощности. Так, первый радиатор с выходными транзисторами, ВЧ- и ПЧ-разъемами усилителя мощности является задней стенкой шасси, а второй радиатор выполняет роль боковой стенки.
Внутри корпуса шасси размещены диапазонные фильтры нижних частот с галетным переключателем диапазонов, электролитические конденсаторы С3 и С39 и трансформатор питания с габаритной мощностью не менее 350 Вт (на электрической схеме не показан).
В усилителе мощности применены следующие типы радиоэлементов: постоянные резисторы С2 - 33Н, МЛТ, С5-1 б MB; переменные резисторы - СПЗ или СП5; конденсаторы С5 - С10, С32, С34, С33, С35-КМ-4, остальные - КМ-5, КМ-6 КТ-3, К 10-17; электролитические конденсаторы К50-6, К50-18; дроссели L1, L2, L3, L4, L5, L10 - ДМ0,6 или подобные.
Дроссели L6 - L9 намотаны на кольцевом магнитопроводе из материала 1000 НМ типоразмера К18х8х5 и содержат по 7 витков провода ПЭЛ-2 0,8.
Трансформатор Т1 выполнен из трех склеенных Ш-образных замкнутых магнитопроводов марки М2000 HМ типоразмера Ш5х5. Первичная обмотка содержит 4 витка провода марки МПО 0,35, пропущенного внутри паяных латунных прямоугольных каркасов, плотно вставленных в окна Ш-образного магнитопровода. Прямоугольные каркасы, соединенные между собой с одной стороны перемычкой, образуют объемный виток вторичной обмотки трансформатора Т1.
Трансформатор Т2 выполнен на кольцевом магнитопроводе марки 1000 НМ типоразмера К32 х 20 х 6. Трансформатор содержит 7 витков скрутки из 8 проводов марки ПУЛ-2 0,8 с шагом одна скрутка на сантиметр. Четыре провода скрутки образуют первичную обмотку, другие четыре - вторичную обмотку трансформатора. Виток связи выполнен проводом МПО 0,35, пропущенным через магпитопровод.
Трансформатор Т3 выполнен аналогично трансформатору Т1 из четырех склееных Ш-образных замкнутых магнитопроводов марки М2000 НМ типоразмера Ш7х7.
Первичная обмотка трансформатора представляет собой объемный виток, вторичная выполнена из трех витков провода МПО 0,35, продетых внутри объемного витка.
Токовый трансформатор Т4 датчика отраженной волны выполнен на кольцевом магнитопроводе марки М20В42 типоразмера К20х10х5. Первичная обмотка представляет собой монтажный провод, пропущенный через магнитопровод, вторичная обмотка содержит 20 витков провода ПЭЛШО 0,15.
Настройка усилителя мощности производится в следующем порядке. Вначале настраиваются все входящие устройства: стабилизаторы, рефлектометр, дифференциальный усилитель и другие, затем проводится комплексная настройка усилителя в целом.
Для настройки необходимы приборы: авометр, осциллограф с полосой рабочих частот до 50 МГц, анализатор спектра или измерительный приемник с диапазоном частот до 80 - 100 МГц, КСВ-метр, нагрузочный безиндуктивный резистор на мощность до 100 - 200 Вт, генератор стандартных сигналов Г4-118 или вседиапазонный трансивер с выходной мощностью не менее 20 Вт.
Налаживание усилителя мощности начинают с автономной проверки работы выпрямителей и стабилизаторов напряжения +12 В и +25 В.
Переменными резисторами R15 и R38 устанавливают требуемые по схеме значения напряжений.
Испытание стабилизатора напряжения +12 В производится при подключении нагрузочного сопротивления 15 Ом к эмиттеру транзистора VT5, при этом изменение выходного напряжения стабилизатора должно быть не более 0,1 В, а величина пульсаций на выходе - не более 50 мВ.
Проверка работы стабилизатора напряжения +25 В, определение порога срабатывания защиты по току производятся при подключении нагрузочного сопротивления величиной 1,5 - 4 Ом. Нагрузка выполняется в виде катушки с отводами из нихромовой проволоки диаметром 1 мм, навитой на керамическом каркасе с шагом 2 - 3 мм. Испытание стабилизатора проводится при помещении описанной нагрузки в трехлитровую банку с холодной водой. Величина тока контролируется амперметром со шкалой не менее 15 А. Стабилизатор должен устойчиво работать при токах нагрузки до 13 А. Пороговое значение тока, при котором выходное напряжение стабилизатора падает до 2...3 В, должно быть не более 14... 14,5 А.
Регулировку порога срабатывания защиты по току (1э) можно осуществить подбором резисторов R41 и R42.
Значение Ia может быть определено по формуле
Ia=1,4/R41=1,4/R42
Уменьшение выходного напряжения стабилизатора +25В при максимальном токе нагрузки должно быть не более 1 В, а величина пульсаций не более 400мВ.
Выбором величины резистора R30 можно установить максимальную температуру разогрева кристалла микросхемы DA2, установленной" на едином радиаторе усилителя мощности. При температуре радиатора выше +90°С срабатывает тепловая защита микросхемы DA2, сбрасывающая напряжение на выходе стабилизатора до нуля.
Настройка стабилизаторов напряжения смещения производится при отключенных базах выходных транзисторов VT11, VT12. В процессе настройки проверяется возможность регулировки выходного напряжения в пределах 0,5...0,65 В при максимальном токе нагрузки до 0,2 А.
Настройку стабилизаторов заканчивают установкой минимального значения выходного напряжения.
Настройка датчика отраженной волны традиционна и многократно описана в литературе. УПТ на транзисторах VT13, VT14 обеспечивает формирование напряжения на коллекторе VT13, равное +(0-0,7) В при отсутствии и +(10 - 11,5) В при наличии рассогласования нагрузки. Резистором R37 производится установка порога срабатывания схемы защиты по величине КСВ нагрузки более 3.
Работа дифференциального усилителя, являющегося схемой управления Г-образного звена аттенюатора на pin-диодах, проверяется при подаче на вход схемы "ИЛИ" (гнездо XS6) постоянного напряжения Uk, изменяющегося в пределах от 0 до 12В. При Uk=0 В на коллекторе VT2 должно быть напряжение +17 В, а на коллекторе VT3 - 0 В. Падение напряжения на резисторе R9 должно быть не менее 10 В. При Uk=7B регулировкой резистора R 1 добиваются переключения выходных транзисторов VT2, VT3 дифференциального усилителя и свечения светодиода H1. Интервал изменения Uk, при котором происходит переключение транзисторов VT2 и VT3, должен быть не более 0,7В. Проверка правильности работы pin-диодного аттенюатора проводится при продаче на вход XS1 ВЧ-сигнала ГСС или трансивера и измерении ВЧ-сигнала осциллографом на нагрузочном резисторе сопротивлением 51 Ом, включенном вместо первичной обмотки трансформатора Т1. При Uk=0 В ВЧ-напряжение на нагрузочном резисторе должно быть таким же, как на входе
XS1 во всем диапазоне рабочих частот усилителя и мощности ГСС или трансивера не более 20 Вт. При Uk=10 В и прочих равных условиях ВЧ-напряжение на нагрузочном резисторе должно быть в 30 и более раз меньше, чем на входе XS1.
Предварительно перед настройкой усилителя мощности цепь обратной связи, состоящая из R26, С25, R27, С26 и витка связи на симметрирующем трансформаторе Т2, должна быть разомкнута. Настройка усилителя мощности должна проводиться при постоянно включенной нагрузке сопротивлением 50 Ом, которая может быть выполнена как описано в [2]. В целях защиты мощных транзисторов при первых включениях усилителя мощности рекомендуется поставить предохранитель на ток 5 А.
Начальный ток транзисторов VT11, VT12 усилителя мощности выставляется вначале резистором R18 до значения 150... 200 мА, затем резистором R19 суммарный ток коллекторной цепи усилителя увеличивается до 300...400 мА.
Правильность включения витка связи проверяется на устойчивость усилителя мощности к ВЧ возбуждению при подаче на вход XS1 сигнала мощностью не более 0,5 - 1,0 Вт. При возбуждении усилителя, которое проявляется в резком возрастании коллекторного тока при плавном увеличении сигнала на входе, концы витка связи трансформатора Т2 меняются местами. При комплексной настройке усилителя в качестве генератора сигналов желательно использовать ГСС Г4-118, максимальное значение выходной мощности которого равно 3 Вт, а диапазон рабочих частот - 0,1 ...30 МГц. Подавая на вход усилителя мощности амплитудно-модулированный сигнал ГСС с глубиной модуляции не менее 50 % и амплитудой не более 10 В, переменными резисторами R18 и R 19 добиваются симметричной формы огибающей сигнала, наблюдаемой на экране осциллографа, подключенного к нагрузке. В процессе этой регулировки необходимо контролировать начальный ток коллекторной цепи усилителя мощности, который не должен превышать 300...400 мА. Конденсаторами С15, С27 и С36 добиваются подъема АЧХ усилителя мощности на частотах 25... 30 МГц. Контроль уровня мощности гармонических составляющих выходного сигнала усилителя, наличия высокочастотной или низкочастотной паразитной модуляции осуществляется с помощью анализатора спектра или измерительного приемника.
При возникновении паразитной модуляции в усилителе необходимо увеличить величины блокировочных конденсаторов в коллекторных и базовых цепях выходных транзисторов VT11 и VT12.
Окончательная проверка работы усилителя мощности производится совместно с трансивером, подключенным ко входу РА, при измерении величины напряжения на нагрузке на всех любительских диапазонах. Так как выходная мощность усилителя при этом будет достигать 200 Вт, а испытания могут носить длительный характер, необходим принудительный обдув радиатора усилителя мощности, обязательный при длительной работе.
Предварительная настройка системы защиты усилителя проводится регулировкой резистора R37 до появления свечения светодиода Н1 при уровне выходной мощности не более 30 - 40 Вт и сопротивлении нагрузки усилителя равном 200 Ом (КСВ-4).
Отключением нагрузки или ее замыканием проверяется срабатывание системы защиты усилителя. При правильной работе системы защиты ее окончательная доводка осуществляется при номинальной мощности усилителя.
Необходимо отметить, что уменьшая выходную мощность усилителя можно добиться нормальной его работы на сильно рассогласованную нагрузку. Измерение основных параметров настроенного усилителя мощности осуществляется с включенными диапазонными фильтрами нижних частот, настройка которых заключается в проверке соответствия частот среза значениям, приведенным в таблице 1.
Современные транзисторы для широкополосных усилителей мощности, здесь!!!
