Наибольшее распространение среди радиолюбителей получила схема анодной колебательной системы усилителя мощности (УМ) с параллельным питанием. В этой схеме элементы П-контура, установленного на выходе передатчика, изолированы от анодного напряжения. При работе УМ к анодному дросселю приложено полное переменное ВЧ-напряжение, поэтому если в дросселе возникает последовательный резонанс на рабочей частоте, то происходит шунтирование колебательной системы УМ, нарушающее его нормальную работу.

Индуктивность дросселя должна быть в 10...20 раз больше индуктивности катушки П-контура [1], а индуктивное сопротивление, естественно, в несколько раз больше Roe лампы УМ. Дроссель, изготовленный с учетом этих требований, может иметь довольно низкую частоту последовательного резонанса, которая может попасть в область рабочих частот УМ. Для борьбы с этим явлением необходимо знать причину возникновения последовательного резонанса в анодном дросселе.

Рис.1.

Довольно часто в публикациях дроссель отождествляют с однородной длинной линией. Однако такой подход не очень корректен — даже при равномерной намотке витков, индуктивные связи отдельных витков на равных расстояниях различны, т.е. дроссель является неоднородной длинной линией. В [2] показано, что процессы в равномерной обмотке имеют существенное отличие от процессов в длинной линии. Не вдаваясь в математические "дебри", покажем на простом примере причину этих отличий.

Входное сопротивление схемы, показанной на рис.1, определяется по формуле: где w — круговая частота. Из выражения (1) следует, что на частотах возникает резонанс токов, и входное сопротивление контура на этих частотах очень велико. Приводя выражение (1) к общему знаменателю, находим, что на частоте

в контуре возникает последовательный резонанс, при котором zвх = 0. Если, например, L2 > L1, то с увеличением частоты вначале возникает параллельный резонанс в катушке II, затем — последовательный, и потом вновь параллельный, но в контуре I.

На рис.2 показана зависимость реактивного сопротивления х от частоты w. Последовательный резонанс возникает при х1+ х2 = 0.

Рис.2.

В данном случае контур I имеет емкостный характер, а контур II — индуктивный, их сопротивления должны быть равны по модулю и противоположны по знаку.

На рис.3 представлена схема обмотки дросселя, условно разбитого на 4 укрупненные части, процессы в которых качественно сходны с процессами в одиночном дросселе (для получения количественных результатов необходимо разбиение на большее количество частей).

Здесь M1 — коэффициент взаимоиндукции между соседними частями, М2 — между частями через одну и М3 — между крайними частями. Отметим, что срединные части имеют более сильную магнитную связь с другими частями, чем крайние, т.е. М1 > М2 > М3.

Вследствие симметрии относительно концов обмотки, можно рассматривать процессы в ее первой половине, к которой приложена половина входного напряжения. Электромагнитные процессы в этой половине аналогичны процессам, происходящим в схеме, показанной на рис.1.

Рис.3.

Таким образом, последовательный резонанс возникает вследствие неоднородности системы с распределенными параметрами, в то время как длинная линия является однородной системой с распределенными параметрами.

Теоретический расчет процессов в дросселе сложен, поэтому был исследован дроссель, изготовленный на каркасе диаметром 25 мм, намотанный виток к витку проводом Ж 0,46 мм (длина намотки — 10 см).

При питании от источника тока (через резистор сопротивлением 470 кОм) первый параллельный резонанс был обнаружен на частоте f1 = 6,25 МГц. Никаких последовательных резонансов до этой частоты, естественно, не было. При параллельном подключении конденсатора емкостью 200 пФ, с помощью резонансного метода была определена индуктивность дросселя (Lдр = 197 мкГн). Индуктивность дросселя, рассчитанная по известной формуле

где w — число витков, D и L — диаметр и длина намотки в миллиметрах, совпала с экспериментальным значением. Следовательно, собственная емкость дросселя Сo = 3,97 пФ.

Измерения проводились при минимально возможной связи с ВЧ-вольтметром. Более того, резонанс можно было обнаружить при размещении ВЧ-головки прибора ВК7-9 на расстоянии несколько сантиметров от исследуемого участка дросселя. Очевидно, что при такой большой добротности дросселя его контурный ток велик, а сам дроссель является излучающей антенной, что, по крайней мере, не может повышать устойчивость работы УМ. Размещение параллельно оси дросселя на расстоянии D до его поверхности металлического листа, соединенного с общим проводом, приводит к понижению резонансной частоты fpeз, что эквивалентно увеличению емкости Со до 5 пФ.

Чем выше f1, тем выше и fpeз. При этом fpeз могла бы выйти за пределы верхней рабочей частоты УМ. Емкость Со зависит от расстояния между витками и от диэлектрической проницаемости среды, в которой располагается обмотка. Поэтому при изготовлении дросселя нежелательно применять каркас из гетинакса, радиофарфора и т.п. Намотку рекомендуется вести с небольшим шагом (меньше диаметра провода). Больший шаг намотки увеличивает длину обмотки, которая становится очень чувствительной к расстоянию до заземленных частей конструкции УМ.

При равномерной намотке описанного выше дросселя с шагом, обеспечивающим длину намотки 14 см, первый параллельный резонанс был отмечен на частоте f1 = 6,8 МГц, что свидетельствует о возможности смещения вверх частоты fpeз. Часто в литературе встречаются советы по намотке проводом в шелковой изоляции с целью разрядки плотности. Вряд ли такой способ эффективен — межвитковое пространство, заполненное диэлектриком с повышенной диэлектрической проницаемостью, а возможно, и с повышенной влажностью, может даже ухудшить положение дел. Целесообразно наматывать анодный дроссель на ребристом каркасе. Намотка на фторопласте - 4, электрокартоне и т.п. не улучшает работу дросселя.

Очень хорошее решение — это изготовление дросселя из двух конструктивно одинаковых, но не связанных магнитными полями катушек с общим числом витков приблизительно на 40% больше одиночной. При этом общая индуктивность дросселя останется прежней, а его частотные характеристики сместятся вверх.

Рис.4.

Тем не менее, огромное количество УМ прекрасно работает с анодными дросселями, выполненными без особых ухищрений.

На рис.4 показана зависимость полного сопротивления z от частоты сложного параллельного контура при наличии активных потерь, в котором при w1 имеет место резонанс токов, а при w2 - резонанс напряжений в одной из ветвей.

Если сопротивление z на частоте w2 больше (3...4) Roe, или эта малая величина не попадает в область рабочих частот, то никаких проблем в работе УМ не возникает.

Если же поведение дросселя вызывает подозрения, его результирующую частотную характеристику можно снять в холодном режиме (без анодного напряжения) при подаче ВЧ-напряжения на анод УМ через безындуктивный резистор сопротивлением 400...500 кОм.

По мнению автора статьи, перспективным решением является применение обмотки тороидальной формы, в которой индуктивные связи между витками практически не зависят от расстояния до концов катушки.

Рис.5.

Такую обмотку можно назвать слаборезонирующей. Она принадлежит к однородной системе с распределенными параметрами и поэтому легче поддается расчету. Проведенный расчет показал, что fpeз тороидальной катушки находится за пределами 30 МГц.

При изготовлении тороидальной катушки удобно применить способ, предложенный А.Г. Зиновьевым. Цилиндрическая катушка проклеивается с одной стороны эластичным непроводящим лаком (рис.5а) и затем сворачивается в кольцо (рис.56), после чего может быть скреплена лентой, наклеенной по внешней стороне тороидальной катушки.

При выборе и расчете конструкции анодного дросселя для радиолюбителей существует еще широкое поле для творчества, а задача автора этой статьи состояла в том, чтобы по возможности сузить его.

П. Белоусов (RA3VFN)

Литература:

1. А. Кузьменко. Анодный дроссель — за и против. — Радиомир. KB и УКВ, 2001, N3.

2. А. Бунин, П. Белоусов. К расчету импульсных градиентов в обмотках трансформаторов. — Электромеханика, 1971, №7.

Материал подготовил А. Кищин (UA9XJK).