Так уж получилось, что автору настоящей статьи пришлось основательно "повозиться" с усилителем мощности по схеме с общей сеткой на четырех лампах Г-811. Опыта изготовления усилителя мощности на таких лампах у автора не было, хотя лет 25 назад, в студенческие времена, он участвовал в изготовлении подобной конструкции для "коллективки". При первом включении (а дело было на "двадцатке" — запомнилось!) у двух из четырех ламп прогорели (!) анодные колпачки.

Промучившись с настройкой усилителя несколько дней и не добившись успеха, конструкцию быстренько разобрали на запчасти. На взгляд автора, это решение оказалось достаточно мудрым и практичным, т.к. тогда не хватило опыта и знаний для доводки усилителя "до ума". Удивительно, но в публикациях об усилителях мощности на лампах Г-811 никогда не упоминалось о проблемах с настройкой таких конструкций.

И вот, спустя годы, автор оказался в похожей ситуации — изготовленный усилитель мощности на четырех лампах Г-811 не хотел нормально работать и настойчиво самовозбуждался на УКВ, о чем свидетельствовал отгоревший токосъем у анодного конденсатора переменной емкости. Анализ схемы усилителя мощности показывает, что основную роль в возникновении самовозбуждения играет индуктивность вывода управляющей сетки лампы (довольно значительная у ламп Г-811), на которой падает достаточное для самовозбуждения напряжение при протекании тока через емкость анод-сетка.

В состав контура УКВ-генератора входят межэлектродные емкости ламп, индуктивность соединительных проводов (от входа усилителя или от входных П-контуров до катода) и индуктивность проводников, соединяющих аноды ламп и анодный конденсатор переменной емкости. Если УКВ-контуры в анодной и сеточной (в данном случае катодной, что не принципиально) цепях окажутся настроенными на одну и ту же частоту (или на близкие друг к другу частоты), или же часть напряжения, просочившаяся из анодной цепи в сеточную, окажется в одной фазе с сеточным напряжением, то самовозбуждения усилителя не избежать.

Что же мы имеем в схеме усилителя мощности с общей сеткой? В такой схеме выходное напряжение находится в фазе с входным напряжением, например, повышение потенциала катода (уменьшение амплитуды возбуждающего напряжения) вызывает увеличение потенциала анода, т.к. при уменьшении анодного тока снижается падение напряжения на сопротивлении анодной нагрузки. Следовательно, необходимые условия для самовозбуждения на УКВ выполняются. Почему на УКВ? На более низких частотах сетка, заземленная по высокой частоте, служит достаточно хорошим электростатическим экраном, и напряжение с выхода усилителя мощности на вход не попадает. На УКВ экранирующего действия сетки оказывается недостаточно.

Окончательная точка в настройке изготовленного усилителя была поставлена после тщательного анализа технических решений, приведенных в книге "HF Amplifiers" [1], которую автору подарил его старый друг Рамиль, UA9JFQ. В [1] хорошо описаны методы создания высокоомных антипаразитных цепочек в анодных цепях и методы борьбы с самовозбуждением на УКВ в усилителях мощности, выполненных на триодах. Для любительских радиостанций РФ максимальная разрешенная выходная мощность составляет 200 Вт, поэтому при работе CW или цифровыми видами связи выходная мощность усилителя может превышать допустимую в 1,5 раза. Для снижения выходной мощности до разрешенной достаточно уменьшить мощность раскачки.

При этом усилитель будет работать в недонапряженном режиме, для которого характерно увеличение мощности, рассеиваемой на анодах ламп, и снижение КПД (как следствие уменьшения полезной мощности). Однако в таком режиме снижается уровень высших гармоник в выходном сигнале. Уменьшение выходной мощности примерно пропорционально уменьшению анодного тока при настроенном П-контуре, поэтому при работе CW анодный ток должен быть около 350 мА.

Параметры усилителя:

• входное сопротивление-----------------------------------------------------------50 Ом
• входная мощность (мощность раскачки)-------------------------------40...50 Вт
• напряжение анодного питания-------------------------------------------------1250 В
• начальный ток ламп----------------------------------------------------------------100 мА
• суммарный анодный ток ламп--------------------------------------------------560 мА
• оптимальное сопротивление нагрузки усилителя---------------------1400 Ом
• подводимая пиковая мощность-------------------------------------------------740 Вт
• пиковая выходная мощность (PEP)-----------------------------------432...500 Вт
• средняя выходная мощность, при которой еще не происходит превышения мощности, рассеиваемой на анодах ламп (мощность в режиме несущей, режим нажатия на ключ), при длительной работе усилителя--------------------300 Вт
• средняя выходная мощность в режиме SSB
• (при отсутствии ограничения или компрессии)------------------------------- 53 Вт
• выходное сопротивление усилителя------------------------------------------50 Ом

Принципиальная схема усилителя

Схема усилителя мощности на четырех лампах Г-811 с заземленными сетками приведена на рис.1. Как видно из рисунка, основное ее отличие от "классических" схем — наличие в анодной цепи "елки" из резисторов и дросселей, выполненных из высокоомного сплава. Это и есть высокоомные антипаразитные цепочки, которые предотвращают самовозбуждение усилителя на УКВ. Буквой F на схеме обозначены ферритовые колечки, приклеенные к торцам резисторов R5...R12.

Верхние (по схеме) выводы резисторов R1 ...R4 соединяются в одной точке, которая подключается к анодному конденсатору П-контура с помощью второй высокоомной цепочки, состоящей из двух параллельно расположенных проводов, выполненных из высокоомного сплава (нихрома, манганина, константана, но можно применить и мягкую нержавеющую сталь; из указанных материалов хорошо паяется только манганин).

Расстояние между проводами — 10 мм. Длина одного из проводов больше длины другого на 25%. Чтобы электрически уравнять их длины, посередине провода большей длины мотается маленькая катушка (1.3 витка), ось которой параллельна двум проводам. При отсутствии этой (второй) высокоомной цепочки подавить самовозбуждение на УКВ на всех диапазонах в усилителе не удавалось. В цепи катода также установлены антипаразитные дроссели Др8...Др10, зашунтированные резисторами R24...R26.

В режиме приема на сетки ламп подается достаточно большое запирающее напряжение отрицательной полярности, а напряжение накала понижается до половины от номинального благодаря подключению первичной обмотки накального трансформатора Т2 к сети переменного тока через конденсатор С21 (рис.2).

В режиме передачи при закорачивании выводов разъема XS1 (рис.1) запускается электронный ключ, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, и срабатывают реле К1...К4. Через контакты реле К4.1 (рис.2) на первичную обмотку накального трансформатора поступает полное сетевое напряжение, и напряжение накала повышается до номинального. Такое решение повышает экономичность усилителя и улучшает его тепловой режим.

В связи с тем что в усилителе применена схема с общей сеткой, его входное сопротивление достаточно низкое. Чтобы получить достаточную амплитуду возбуждающего напряжения, необходимо затратить некоторую входную мощность (т.н. мощность раскачки), приблизительно равную 1/10 от выходной мощности усилителя. Входная мощность не пропадает, а складывается с выходной мощностью усилителя. Амплитуда возбуждающего напряжения с схеме с общей сеткой — такая же, как и в схеме с общим катодом.

Лампы Г-811 имеют т.н. "правую" характеристику, т.е. анодный ток протекает практически только при положительном напряжении на управляющей сетке. Кроме того, в этих лампах применяется катод прямого накала, который нагревается очень быстро. Уже через три секунды лампы готовы к работе, что очень удобно при эксплуатации усилителя. Хотя лампы Г-811 были разработаны еще в сороковые годы XX века, линейность этих приборов почти не уступает лампам, специально разработанным для усиления однополосных сигналов. Кроме того, Г-811 не требуют принудительного охлаждения.

Вообще, по мнению автора, усилители мощности по схеме с общей сеткой следует применять только в том случае, когда выходной каскад трансивера собран на лампе. Если используется транзисторный выходной каскад, он должен выдерживать высокие значения КСВ без снижения выходной мощности (т.е. мощности раскачки усилителя). Дело в том, что у усилителя мощности, собранного по схеме с общей сеткой, характерна большая реакция входной цепи на изменение настройки выходной цепи.

Так, при изменении КСВ антенно-фидерного тракта, например, на краю диапазона или под влянием атмосферных условий, анодный П-контур усилителя мощности расстраивается, что автоматически ведет к некоторому изменению входного сопротивления усилителя. Если вследствие рассогласования снизится мощность раскачки, то, соответственно, уменьшится выходная мощность усилителя. Для компенсации расстройки в состав входных П-контуров введены конденсаторы переменной емкости С24 и С25 (рис.1), максимальная емкость которых может быть 250...350 пФ.

Изготавливать девять переключаемых входных П-контуров (по числу любительских КВ-диапазонов) — небольшое удовольствие, поэтому автором была предпринята попытка рассчитать и изготовить один общий ФНЧ, выходное сопротивление которого уменьшается с ростом частоты (аналогично тому, как изменяется с ростом частоты входное сопротивление усилителя на четырех лампах Г-811). Схема ФНЧ приведена на рис.3.

Рис.3.

Несмотря на явно "лишние" конденсаторы С1...С4, которые распаяны прямо на панельках ламп и служат для устранения самовозбуждения на УКВ, ФНЧ работал на всех диапазонах (кроме 14 МГц). КСВ входной цепи был менее двух, и трансивер, подключенный к усилителю, легко согласовывался с помощью встроенного антенного тюнера. Если ввести режим обхода ФНЧ (например, с помощью реле) при работе в диапазоне 14 МГц, на котором усилитель хорошо согласуется с трансивером, то можно было бы поставить точку в разработке схемы входной цепи.

Однако автор посчитал задачу конструирования усилителя выполненной не до конца и установил на входе усилителя классические П-контура. С учетом трудоемкости их изготовления и настройки, данное решение не имело большого практического смысла, особенно если удалить конденсаторы С1...С4, и цепь нейтрализации выполнить согласно рис.4 (такое решение применено в усилителе мощности "HAMMARLUND" и практически проверено Александром, UA4FOG). Вполне возможно, что удовлетворительное согласование можно получить и в диапазоне 14 МГц. Но что сделано, то сделано.

Рис.4.

Коммутация диапазонов — релейная (рис.1), и осуществляется переключателем S1. Тем не менее, ничто не мешает применить для коммутации анодного П-контура галетный переключатель, а для коммутации входных П-контуров — еще один, размерами поменьше. Анодная цепь усилителя выполнена по схеме последовательного питания. Около выходного разъема XW2 (на расстоянии 50 мм от него) установлен КСВ-метр [2], который на схеме обозначен как SWR (рис.1). В П-контуре диапазон 25 МГц совмещен с 28 МГц, 18 МГц — с 21 МГц, 10 МГц — с 14 МГц. Подстройка П-контура производится вариометром.

Блок питания

Схема блока питания приведена на рис.2. Конструктивно блок питания выполнен в отдельном корпусе, т.к. дроссель Др3 при работе издает не очень приятное гудение с частотой 100 Гц. Схема стабилизатора анодного напряжения опубликована в [3]. Разумеется, можно не применять стабилизацию анодного напряжения — для этого достаточно удалить конденсатор С17 и резистор R15. Работать, не издавая лишнего шума, такой выпрямитель будет очень неплохо. А можно удалить и дроссель Др3, и использовать выпрямитель только с конденсаторным фильтром.

Схема блока питания резко упростится, но анодное напряжение будет нестабилизированным. Следует заметить, что стабилизация анодного напряжения очень желательна даже для триодов, работающих в схеме с общей сеткой. Чем стабильнее анодное напряжение, тем меньше искажения огибающей усиливаемого сигнала, а следовательно, и линейность усилителя мощности. Измерение линейности усилителя мощности при питании анодной цепи стабилизированным и нестабилизированным напряжением не проводилось, но субъективно, на слух, разница в качестве сигнала ощутима.

Индуктивность регулирующего дросселя Др3 зависит от силы постоянного тока, протекающего через него. С увеличением силы тока индуктивность уменьшается. На этом принципе основана работа стабилизатора анодного напряжения. Стабилизатор постоянно нагружен на резистор R15, который задает начальный ток через стабилизатор и определяет величину анодного напряжения при отсутствии нагрузки. При начальном токе нагрузки дроссель Др3 и конденсатор С17 образуют контур, настроенный в резонанс на частоте 100 Гц.

Блок питания подключается к сети переменного тока через сетевой фильтр, выполненный на Др1, Др2 и С2, С3. Включается блок питания ступенчато — после замыкания тумблера В1 срабатывает реле К1. Сопротивление резистора R1 подбирается максимальным, при котором реле К1 четко срабатывает (т.е. не наблюдается дребезга контактов). Разумеется, включать блок питания можно и дистанционно (при помощи реле, управляемого из высокочастотной части усилителя). Однако в авторском варианте собственно усилитель мощности и блок питания размещены недалеко друг от друга, поэтому было решено не усложнять конструкцию.

Напряжение питания на ВЧ-часть усилителя подается из блока питания через разъемы и соединительные кабели. Во избежание путаницы с 50-омными входным и выходным разъемами анодное напряжение подается через коаксиальный 75-омный разъем XW1. К законам Мэрфи надо относиться с уважением, потому что если можно что-то перепутать, то рано или поздно это случится. Ток накала ламп достигает солидного значения — 8А, поэтому провода, идущие к ВЧ-блоку от накального трансформатора, должны быть достаточного сечения, чтобы на них не происходило заметного падения напряжения.

Если применять обычный нестабилизированный блок питания, вся конструкция усилителя мощности может быть выполнена в одном корпусе. Разумеется, можно изготовить усилитель в одном корпусе и в случае применения стабилизированного источника анодного напряжения, но придется акустически изолировать регулирующий дроссель, что не так просто. Для индикации включения в сеть переменного тока и перехода в рабочий режим применены импортные светодиоды VD2 (рис. 1) и VD17 (рис.2) соответственно зеленого и красного свечения. Светодиоды имеют диаметр 8 мм. Разумеется, можно применить и светодиоды АЛ307Б, но они намного меньше.

Резисторы R20 и R21 — это вторая разрядная цепочка для бумажного конденсатора С18, через которую в случае обрыва резистора R15 произойдет разряд конденсатора. Процесс разряда контролируется вольтметром РА2. На задней стенке ВЧ-блока закреплен небольшой вентилятор, работающий на вытяжку и включаемый тумблером В2. Скорость вращения вентилятора дополнительно снижена при помощи конденсатора С23.

Конструкция и детали

Собственно усилитель мощности и блок питания выполнены в одинаковых корпусах размерами 350x200x350 мм. Разумеется, можно применить корпуса и поменьше, но хороший усилитель легким и маленьким не бывает, — любое уменьшение его габаритов ведет к ухудшению параметров, например, к снижению КПД П-контура или к перегреву силового трансформатора.

Входной и выходной разъемы ВЧ-блока— 50-омные. Шаровый вариометр L1 (рис. 1) имеет наружный диаметр 80 мм, при параллельном соединении двух обмоток индуктивность изменяется от 3,8 до 14 мкГн. Катушка L2 — бескаркасная, диаметром 50 мм, и содержит 12 витков посеребренной медной трубки 05 мм; длина намотки — 90 мм; индуктивность — 3,2 мкГн. Отводы — от 6,5 и 4,5 витков.

Дроссели Др1...Др4 содержат по 4 витка и намотаны манганиновым проводом 01,0 мм поверх резисторов R1 ...R4. Чтобы устранить взаимное влияние дросселей друг на друга, Др1 и Др3 намотаны по часовой стрелке, Др2 и Др4 — против часовой стрелки. Аналогично, намотка дросселя Др9 осуществляется в направлении, противоположном намотке дросселей Др8 и Др10, между которыми он установлен.

Накальный дроссель Др5 намотан в три провода до заполнения каркаса на ферритовом стержне 010 мм и длиной 170 мм, диаметр крайних проводов — 1,5 мм, диаметр среднего провода, по которому протекает постоянная составляющая анодного тока ламп — 0,5 мм.

Перед намоткой стержень следует обмотать несколькими слоями лакоткани, чтобы его диаметр увеличился на 20%. Такая мера позволит увеличить добротность накального дросселя. Не стоит сразу наматывать провода на ферритовый стержень, т.к. велика вероятность его поломки. Лучше намотать их на оправку подходящего диаметра, а затем надеть обмотку на стержень.

Дроссели Др5 и Др6 намотаны на каркасе диаметром 30 мм проводом ПЭЛШО-0,5 и содержат по 40 витков, намотанных в один слой. Резистор R16 — ТВО. С6 — переделанный КПЕ от радиостанции Р-104, С10 — трехсекционный КПЕ от радиоприемника ТПС-54 (15...510 пФ). Реле К2...К5 — П1Д, К3 — В1В-1Т, К1 — РЭС-9, К5...К11 — Торн, К12...К29 — РПВ2/7. Блок входных П-контуров изготовлен навесным монтажом на плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 70x200x40 мм. Данные входных П-контуров приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Диапазон, м	Число витков	Диаметр провода, мм	С1, пФ	С2, пФ
160	25	0,5	1362	893
80	14	0,5	1082	693
40	8	0,5	862	673
30	6	0,8	582	453
20	5	1,3	322	183
17	4,5	1,3	222	133
15	4	1,3	182	73
12	3.5	1,3	152	53
10	3	1,3	128	23

Примечания к таблице 1:

1. Диаметр каркаса катушек — 9 мм.
2. Подстроенный сердечник — СЦР-1.
3. Емкость конденсатора С1 указана с учетом длины соединительного кабеля (90 см) от трансивера к усилителю.
4. Емкость конденсатора С2 указана с учетом того, что на панельке каждой лампы с сетки на катод распаян конденсатор емкостью 51 пФ (в сумме — 204 пФ), емкость монтажа принята равной 10 пФ, а конденсаторы С24 и С25 находятся в среднем положении.
5. Настройка входных П-контуров производится при хорошо прогретых лампах.
6. Каждый из конденсаторов (С1 и С2) составлен из двух трех конденсаторов типа КТ на 250...500В для увеличения суммарной реактивной мощности.

Реле РПВ2/7 торцами припаяны к плате, а весь монтаж ведется на их выводах. Это, конечно, более трудоемко, чем монтаж на печатной плате, но в случае выхода из строя реле их удобно заменять. Кроме того, навесной монтаж имеет намного меньшую собственную емкость по сравнению с печатным монтажом и вносит меньшие потери. Сверху блок закрыт экраном, который крепится к шасси.

Рис.5.

Регулирующий дроссель Др3 (рис.2) изготовлен из силового трансформатора ТС-200К, у которого сетевая и повышающие обмотки соединены последовательно (индуктивность — 50 мкГн). Выводы "0" и "0-1" (на рис.2 не отмечены) перед монтажом необходимо отключить от корпуса.

Дроссель крепится на стеклотекстолитовой пластине, хорошо изолированной от корпуса усилителя, через резиновые прокладки.

Желательно обеспечить максимально мягкую подвеску. Начальный ток через дроссель — 28 мА. Для настройки контура, образованного обмотками дросселя и конденсатором С2, в резонанс на частоте 100 Гц можно воспользоваться схемой, приведенной на рис.5.

Анодный трансформатор Т1 (рис.2) намотан на сердечнике ШЛ 40x50, первичная обмотка содержит 352 витка провода ПЭВ-2 01,35 мм, вторичная — 2000 витков провода ПЭВ-2 00,58 мм. Накальный трансформатор Т2 — стандартный, ТН-55. Трансформатор ТЗ намотан на сердечнике ШЛ 16x32, первичная обмотка содержит 1364 витка ПЭВ-2 00,27 мм, вторая обмотка — 124 витка ПЭВ-2 00,85 мм, третья обмотка — 373 витка ПЭВ-2 00,1 мм.

Резистор R15 набран из 9 штук резисторов ПЭВ-10 сопротивлением по 5,1 кОм каждый. Реле К1 — РП-21. Разъемы ХР1 и ХР2 могут быть любыми, рассчитанными на соответствующий ток. Вид снизу (со стороны ламповых панелек) на монтаж цепей накала схематически показан на рис.6.

Настройка усилителя

Как всегда при настройке радиоэлектронной аппаратуры, в первую очередь следует проверить правильность монтажа и убедиться в отсутствии ошибок и коротких замыканий. Затем следует проверить наличие всех необходимых питающих напряжений. После этого убеждаются в работе электронного ключа и правильном порядке срабатывания реле при отключенном (для безопасности) источнике анодного напряжения. Источник анодного напряжения представляет повышенную опасность, т.к. прикосновение к высоковольтным цепям может оказаться смертельным.

Рис.6.

Поэтому при работе с ним необходимо принимать меры предосторожности и не быть беспечным. Под ноги следует всегда класть резиновый коврик, изоляция шнуров измерительных приборов должна быть в полном порядке, а корпуса приборов и блоков усилителя — надежно заземлены. Одну руку (лучше левую) при настройке усилителя мощности следует держать за спиной, и работать одной рукой, чтобы второй не создавать путь для тока на корпус или заземление!

На всякий случай в помещении должен находиться второй человек, чтобы в случае необходимости оказать первую медицинскую помощь. Мощного высоковольтного источника питания следует опасаться, и не трогать руками — как большую чужую собаку. Перед настройкой усилителя необходимо оттренировать лампы и подобрать четыре из них с близкими характеристиками. Для проведения этой процедуры можно использовать усилитель. У ламп должен быть примерно одинаковый начальный ток и равный ток при подаче 30 и 85% мощности раскачки.

Затем следует произвести "холодную" настройку П-контура, после чего проверить работу усилителя на эквиваленте нагрузки. Настройку П-контура следует начинать с подбора (проверки) индуктивности, которая подключается параллельно вариометру на 14 МГц. Затем следует подобрать отводы при работе на диапазонах 21 и 28 МГц. Мощность раскачки подается на усилитель от трансивера, который может работать на рассогласованную нагрузку (например, трансивер с ламповым выходным каскадом).

Настройка П-контура производится при номинальном анодном токе усилителя мощности. Следует отметить положения ручек элементов П-контура в настроенном состоянии на всех диапазонах. После этого опять усилитель нагружают на эквивалент нагрузки, и при номинальном анодном токе производят настройку входных П-контуров.

При использовании импортного транзисторного трансивера, подключенного к усилителю, вполне реальна ситуация, когда мощность раскачки "сбрасывается" вследствие большого КСВ на входе усилителя. В этой ситуации настраивать П-контура при пониженной мощности раскачки бесполезно, т.к. при подаче на усилитель номинальной мощности раскачки он вновь окажется рассогласован.

А. Кузьменко, (RV4LK)

Литература

1.И. Зельдин и др. HF Amplifiers: Теория и практика — Харьков: Торнадо, 2001.

2. И. Гончаренко. КСВ-метр для усилителя мощности. — Радиолюбитель. KB и УКВ, 1999, N11.

3. Блок питания усилителя мощности.—Радио, 1977, N6.