Современная элементная база позволяет радиолюбителям создавать приемопередающие устройства, трансиверы коротковолнового диапазона, обладающие высокими техническими параметрам - в частности, с хорошо сформированным однополосным сигналом. Сформированный сигнал перед его подачей, а антенну необходимо усилить до требуемого уровня, причем так, чтобы при этом сохранились неизменными все основные характеристики однополосного сигнала и не возникли дополнительные нелинейные искажения. Для усиления сигнала до необходимого уровня можно использовать транзисторные или ламповые усилители, как правило, многокаскадные, ибо одного каска­да усиления оказывается недостаточно. Чем больше каскадов усиления, тем больше вероятность получить искаженный сигнал. Уменьшить же количество каскадов усиления за счет увеличения коэффициента усиления каждого из них не удается из-за создания условий для самовозбуждении.

В радиолюбительской практике используются выходные каскады усилителей мощности радиопередающих устройств, выполненные по каскодной схеме транзистор + лампа, так называемые - гибридные” каскады.

Существует мнение, что в таких усилителях невозможно получить линейное усиление сигнала. Такого же мнения на протяжении длительного времени был и автор статьи, но более двух лет тому назад после дискуссий на техническом круглом столе - провел серию экспериментов с усилителями по каскодной схеме и пришел к выводу, что идея имеет право на существование, а качество работы усилителя зависит от правильного выбора элементов и тщательности настройки самого усилителя.

В усилителях, собранных по каскодной схеме, внутренняя обратная связь между выходом и входом осуществляется через последовательную цепь, благодаря чему проводимость внутренней обратной связи значительно уменьшается (от 100 до 2000 раз), а устойчивое усиление возрастает соответственно от 10 до 100 раз, причем без применения дополнительных мер по нейтрализации. Биполярные транзисторы малопригодны для работы в каскодной схеме с мощными лампами из-за плохой линейной характеристики, здесь необходимы полевые транзисторы - имеющие большое напряжение исток-сток, хорошую линейность, малую входную емкость, достаточно большой ток стока Среди известных автору транзисторов отечественного производства в настоящее время полевых транзисторов, обладающих всеми перечисленными требованиями, нет, а среди зарубежных есть достаточно мощные, но. к сожалению, они обладают значительными входными емкостями (600-1000 пф). Как выход из создавшегося положения разработана необычная - многоэтажная - каскодная схема усилителя.

По мнению автора для реализации такой схемы наиболее подходят пленарные полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа КП901А (напряжение сток-исток 70 В, входная емкость 10-50 пф, ток стока 4 А, обладает хорошей линейной характеристикой начиная с тока 10-20 мА).

Вниманию читателя предлагается разработанный и испытанный на практике “Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности однополосных сигналов. Схема позволяет использовать одну или две лампы ГК-71, ГУ-1Э и им подобные или одну ГУ-80. ГУ-81М.

Основные характеристики усилителя на двух лампах ГУ-13:

- диапазон частот.....от 1,4 до 30 МГц;

- подводимая мощность в режиме несущей........ 580 Вт;

- выходная мощность в режиме несущей.............360 Вт

......(320 Вт на 30 МГц);

- уровень комб. искажений 3-го порядка не хуже .... минус 32 дБ;

- входное сопротивление.....75 Ом;

- выходное сопротивление.....50-75 Ом;

- мощность возбуждения.......0,33 Вт;

- ВЧ напряжение на входе....-5 В;

• усиление по мощности ....30,4 дБ.

В усилителе (рис-1) используются три транзистора КП901А и две лампы ГУ-13.

Блок питания анодной цепи должен обеспечить необходимую мощность, иметь низкое динамическое сопротивление, т.е. емкость фильтра должна быть в пределах 50 - 100 мкФ, Анодное напряжение 2000 -3000 В. Для питания экранных сеток ламп необходимо иметь стабилизированное напряжение 250 - 300 В. Стабилизированный регулируемый источник напряжения смещения выполнен на VD1, VD2. УТ1.ТранзисторыКП901А(2П901А) перед установкой в схему желательно подобрать по начальному току стока 0-30 мА, а за­тем по совпадению характеристик в точках 20-30 мА и 500-600 мА с точностью “10%. ГУ-13 также должны быть с близки­ми параметрами.

Для защиты VT2-VT3 от перенапряжения и пробоя предусмотрена схема защиты, состоящая из цепочки диодов (VD5-VD9) и стабилитронов (VD10-VD11), включенной параллельно транзисторам.

Несколько необычно выглядит и колебательная система усилителя, т.к. автор применил комбинированное (последовательно-параллельное) питание генератора, На диапазонах 28; 24; 21 МГц - комбинированная, а на остальных - параллельная схема питания, В реальной конструкции при использовании параллельной схемы питания анодной цепи ламп и высоком выходном сопротивлении каскада практически невозможно изготовить П-контур с оптимальными параметрами для работы на высокочастотных диапазонах - сказываются емкости ламп, монтажа, анодного дросселя и начальная емкость анодного конденсатора. Схема двойного П-кoнтура. примененная в усилителе, устраняет указанные недостатки и эффективно подавляет гармоники.

На рис.2 приведена эквивалентная схема колебательной системы усилителя для работы в диапазоне 28 МГц, из которой видно, что на этом диапазоне используется катушка L8 "28", образующая совместно с выходными емкостями ламп Сл и конденсатором С25 П-конгур для диапазона 28 МГц. Этот KDHTVD подключен к общему (основному) П-контуру усилителя, состоящему из С25. L (L12, L13, а положение S1 - 28) и С26.

При переходе на диапазоны 24 и 21 МГц в П-контуре задействованы часть витков катушки 112, а анодный конденсатор С25 фактически подключается к отводу катушки, образованной последовательным соединением катушек L8 -28- и L12. Такое включение снижает влияние емкостей ламп и дросселя на контур и позволяет получить хорошие результаты при работе на диапазонах 24 и 21 МГц.

На более низкочастотных диапазонах. 18 МГц и ниже, влияние индуктивности катушки 1_8 “28” незначительно, и схема приобретает вид классического П-контура при параллельном питании ламп.

Недостатком схемы двойного П-контура является повышенная сложность его настройки. При желании можно использовать обычное включение П-контура с последовательным питанием для диапазона 28 МГц. В этом случае при работе на диапазоне 28 МГц необходимо использовать отвод, обозначенный на принципиальной схеме как "28", а отвод, обозначенный как 28, не задействуется.

Предусмотрена система повышения надежности работы антенного реле при переключении антенны на прием. В этом режиме даже реле с контактами, содержащими драгоценные металлы, не всегда обеспечивает надежный контакт. Для устранения этого явления через контакты в режиме приема протекает ток 2-3 мА, т.е. при переключении присутствует так называемый эффект “микросварки” и тем самым обеспечивается надежный контакт.

Транзисторная часть усилителя выполнена в виде отдельного блока размером 80 х130 х 50 мм (рис.3).

 

 

Транзисторы укреплены на радиаторе размером 80 х 130 х 25 мм, монтаж навесной и закрыт в коробку, прикрепленную к радиатору.

Блок установлен с внешней стороны усилителя на задней стенке (рис.4 - эскиз расположения основных деталей усилителя).

Для устранения передачи тепла от задней стенки усилителя мощности на радиатор транзисторной части между ними имеется воздушный зазор 10 мм.

Детали. Дроссели:

LI, L2, L10, L11 -по 10 витков ПЭВ-2 0.15 мм на МЛТ-0.5 4,7 кОм; L3-7 витков в два провода ПЭВ-2 1,5 мм на двух сложенных вместе кольцах 2000 НМ “40x25x7,5;

L4 - 50 витков ПЭЛШО 0,25 мм на фарфоровом стержне 010 мм; L6, L9 - по 4 витка ПЭВ-2 0.5 мм поверх R5. R15 МЛТ-2 33. .51 Ом;

L7-185 витков (секционированная рядовая намотка 100 + 50 + 20 витков, 2 мм между секциями, + 15 вит­ков с шагом 0,5 мм) ПЭЛШО 0.25 мм на фарфоровом стержне 010-15 мм;

L14 - 4 секции по 50 витков ПЭЛШО 0,2 мм (расстояние между секциями 2 мм) на диэлектрическом стержне 08 мм.

Трансформатор Т1 -6 витков в 4 провода ЛЭЛШО 0,25 мм (одна скрутка на сантиметр длины для обеспечения входного сопротивления 75 Ом) на двух сложенных вместе кольцах 2000НМ К12х8х2.

L8 “28” - 4 витка, бескаркасная 050 мм. посеребренная трубка 05 мм (длина катушки подбирается при настройке контура).

L12 - 18 витков, бескаркасная 065 мм, посеребренная трубка 05 мм, длина намотки 130 им Отводы от: 1 витка (24 МГц), 2 витка (21 МГц), 3 витка (28 МГц). 7 витка (18 МГц), 9.5 витков (14 МГц). 12 витка (10 МГц), 16 витка (7 МГц].

L13 -23 нитка, отвод от 9 витка (3,5МГц]. намотана на каркасе 070 мм (используется каркас катушки от радиостанции РСБ-5), одна треть катушки намотана с шагом I 5 мм проводом 01,7 мм. остальная - обычная рядовая намотка.

Порядок наладки усилителя.

Для определения режима работы ламп и наладки усилителя понадобится отдельный регулируемый источник с Uмакс = 60 В и током до 75 мА.

1. Соединить один из выводов накала ламп на корпус, обеспечив протекание анодного тока по дет: плюс источника анодного напряжения - анод - катод - минус источника анодного напряжения.

2. Подключить регулируемый источник минусом на дроссель в цепи управляющих сеток ламп (предварительно отключив сеточную цепь), установить напряжение (-60 В>.

3. Включить последовательно напряжения накала, смещения первой сетки (-60 В), анодное, экранирующей сетки.

4. Регулируя напряжение смешения на управляющей сетке, установить ток покоя лампы (анодный ток) в пределах 10 - 20 мА для одной лампы. Для двух ламп в рассматриваемой схеме он будет составлять 20 - 30 мА.

5. Замерить вольтметром напряжение смешения на управляющей сетке [в авторском варианте при напряжении на аноде 2000 В, напряжении на второй сетке 27С В напряжение смещения на первой сетке Ес1 = -32 В).

Рассматривая анодно-сеточными характеристики ГУ-13, видим, что эта лампа со средней характеристикой работает с сеточными токами и достигает максимальной мощности при напряжении на управляющей сетке 80 В. Отсюда напряжение возбуждения на управляющей сетке составит: Umc= 80 - (-32) = 112 В. Точно также определяется напряжение возбуждения и дм других ламп. Напряжение возбуждения и ток покоя для: ГК-71 (одна лампа) 130-140 В (! покоя 10-15 мА), ГУ-81М (одна лампа) 170-190В (I покоя 25-30 мА). В целях повышения надежности работы усилителе исполненного на лампе ГУ-81М, можно применить четыре транзистора КП-Э01А,

Для обеспечения линейного режима усиления принимаем остаточное падение напряжения на одном открытом транзисторе КП901А равным 10 В Для трех транзисторов оно. соответственно, равно 30 В (Ет). Отсюда падение напряжения на трех транзисторах (на катоде ламп! составит; Ел = Ет+Umc = {30 + 112) = 142 В. Принимаем Еп мах = 150 В. На одном транзисторе Еп мах =150:J = 50В. что не превышает данных на транзистор (постоянное напряжение сток-исток 70 В).

6. Для равномерной нагрузки на каждый транзистор необходимо подобрать цепи смещения каждого и; транзисторов в отдельности. Это можно выполнить, составив цепь изображенную на рис.5.

 

Порядок работы следующий:

- Установить на опорном источнике напряжение, равное 50 В.

- Потенциометром R3 установить ток 20 - 30 мА

- Измерить получившееся сопротивление ПЗ,

- Вычислить по формуле R-R2+R3 и заменить цепочку R2fR3 од­ним постоянным резистором. Точно так же подобрать цепи смещения для двух остальных транзисторов. Токи при этом должны быть одинаковыми, например 25 (±1. .2) мА. При заранее подобранных транзисторах резисторы в цепи смещения также практически одинаковые.

Определяем необходимое положительное напряжение на управляющей сетке лампы, оно будет равно: Eис1 = Еп + Ес1 = 150 + 1 (-32) = 118 В. Для подстройки режимов работы усилителя необходимо иметь возможность изменения напряжения на управляющей сетке в пределах ±15% (перед регулировкой установить минимальное значение).

7. После проведения измерений и предварительной установки параметров восстанавливается полная схема усилителя. Без подачи напряжения возбуждения на схему устанавливаем начальный анодный ток (ток покоя ламп) в пределах 25 мА.

Заключение.

Усилитель обладает высокой устойчивостью к самовозбуждению. При правильно выполненных монтаже и расположении элементов его устойчивость выше, чем в схеме с общим катодом.

При изменении ШПТЛ и нагрузочных резисторов можно обеспечить входное сопротивление усилителя в пределах 10-100 Ом.

Усилитель испытан с одной и двумя ГУ-13. одной ГУ-81M на любительских KB диапазонах и показал высокие результаты. Во время испытаний усилитель подключался к антеннам типа “Дельта, IV,. Диполь, а также к другим - случайным' антеннам с высоким КСВ, при этом он не искажал сигнал и не проявлял склонность к самовозбуждению, При длительной работе на передачу в режиме полной мощности (излучение несущей частоты) усилитель работал без перегрева до 10 часов, не выключаясь (на более длительное испытание не хватило терпения)

Следует напомнить, хороший линейный усилитель не украшает сигнал, а лишь усиливает его не внося при этом искажений

Автор выражает благодарность радиолюбителям-конструкторам UT5TC. UA1FA UA6YA и другим участникам технического круглого стола за содействие в измерениях при испытании усилителя.

С вопросами, возникающими при наладке усилителя, можно обращаться к автору на частоте 3704 практически ежедневно с 22 00 до 24.00 киевского времени, а также на других диапазонах.

Алексей Дудов (UR5ZD)

Радиохобби №5/2001

материал подготовил А. Манойленко (UN9LK)