При повторении аналогичных "гибридных"  усилителей мощности многие радиолюбители сталкиваются с такой проблемой, что усилитель мощности на двух лампах ГИ-7Б предложенный, например С. Воскобойниковым, (UA9KG) "не отдает" положенные 600 Вт. Попробуем разобраться на примерах и тех ошибках которые совершает большее количество радиолюбителей в приведенной ниже статье.

Желание изложить свои мысли по такой, в общем, не новой тематике, как гибридный усилитель мощности, появилась после ознакомления со статьей [1] и на основе своего опыта. Эксплуатационные характеристики, приводимые автором этой статьи, к сожалению, не достижимы. В частности, выходная мощность этого каскада, в том варианте, в котором он опубликован, не превысит 360Вт. Получать такую мощность с двух ламп ГИ-7Б, мягко говоря, нерационально. Так почему же этот каскад "не отдает", обещанные автором 600 Вт ? Рассмотрим, вкратце, работу этого каскада, рис. 1.

Рис.1.

Для начала следует напомнить, что лампы ГИ-7Б, кстати, как и большинство металлокерамических СВЧ триодов — это лампы с "средней" анодно-сеточной характеристикой. Для получения тока покоя 30...40 мА на лампу, при рабочем анодном напряжении около 2 кВ, необходимо подать отрицательное смещение на сетку - 25 В или, что одно и тоже, придать положительный потенциал катоду на ту же величину. Напряжение возбуждения, поданное на базу транзистора VT1, открывает его положительной полуволной. Напряжение на коллекторе и, соответственно, на катоде лампы уменьшается, в следствии чего, ток через лампу растет.

Отрицательная полуволна закрывает транзистор, напряжение на коллекторе возрастает, ток через лампу уменьшается, т.к. увеличивается разность потенциалов участка катод-сетка. С точки зрения энергетики каскада нас интересует лишь положительная полуволна возбуждающего напряжения, ввиду того, что отрицательная полуволна при идеализации входной характеристики лампы, не вызывает анодного тока и лежит в области отсечки.

Напрашивается вывод: амплитуда ВЧ напряжения на коллекторе, а, именно она является возбуждающим напряжением для лампы, лежит между двумя граничными условиями. Снизу — это напряжение насыщения на коллекторе (или катоде) в точке покоя, около 25В.

Отсюда понятно, что амплитуда ВЧ напряжения на катоде лампы равна:

(1) U^к _возб. =  Uⁿ _к-э —  U_{к-э нас.}

Напряжение U_{к-э нас.} в зависимости от типа транзистора составляет 0,5...2,5В. На практике его следует выбирать не менее 5В, поскольку при меньших напряжениях на коллекторе, усилительные свойства транзистора стремятся к нулю. Величина U_{к-э нас.} есть напряжение на коллекторе (катоде) для заданного тока покоя в схеме с гальванически заземленной сеткой.

В нашем примере Uⁿ _к-э — 25В. В общем случае эта величина берется по входным характеристикам лампы. Подставив эти величины в формулу (1) получим U^к _возб - 20 В. Далее не трудно вычислить мощность, отдаваемую каскадом. Амплитуда импульса анодного тока:

(2) I^к_{А макс.} = U^к _возб х S = 20 x 46 = 0,92 А, где: 

• S — суммарная крутизна характеристики двух ламп.

Постоянная составляющая анодного тока:

(3) I_ao = I_{а макс} х К_о = 0,92 х 0,33 = 0,3А. где Ко = 0,33 — коэффициент разложения косинусоидального импульса для угла отсечки 90 град, (класс В) и с учетом тока покоя лампы.

Мощность, подводимая к анодной цепи лампы, U_а = 2 кВ:

(4) Р_подв = I_ao x U_а = 0,3 x 2000 = 600 Вт.

Полагая КПД каскада около 60%, получим мощность в нагрузке Р_н = Р_подв х КПД = 600 x 0,6 = 360 Вт.

Понятно, что, полученная мощность в нагрузке, вряд-ли может устроить. Как же повысить мощность? Ведь те же лампы, в классической схеме с общей сеткой, отдают в нагрузку до 1 кВт. Из анализа схемы можно понять, что основным параметром, ограничивающим мощность, является напряжение возбуждения U_возб.  которое, в свою очередь, связано с напряжением смещения лампы.

Ясно, что транзистор работает в очень нерациональном режиме, при коллекторном питании. Повысить это напряжение можно, уменьшив смещение на базе транзистора, но тогда ток покоя недопустимо снизится и каскад перейдете режим С. Вот здесь мы и подошли к основной идее. Рассмотрим несколько видоизмененный вариант схемы, рис.2.

Рис.2.

Как видно, что схема почти такая. Разве, что на сетку подается положительное (!) смещение, а по ВЧ она заземлена через блокировочные конденсаторы С_бл.

Что изменилось для лампы ? Ровным счетом, ничего. Ведь, чтобы получить тот-же ток покоя, разность потенциалов участка катод-сетка должна остаться той-же. Она и осталась таковой, однако, потенциалы катода и сетки относительно общего провода увеличились на величину Uсм. А вот для транзистора произошли весьма существенные изменения. Напряжение на его коллекторе увеличилось на величину Uсм. и стало:

(5) U'_к-э = U_к-э - U_{см. ,} где:  

• U_к-э — напряжение для схемы на рис.1.

Иными словами; нам удалось поднять напряжение на коллекторе (катоде), не изменяя тока покоя лампы. Теперь можно рассмотреть более полную принципиальную схему выходного каскада, рис.3.

Рис.3.

Резистор R1 (в цепи сетки) в работе каскада не участвует и предназначен для обеспечения гальванической связи с "землей" в режиме приема. Номиналы базового делителя R3...R5 не указаны, т.к. напряжение на шине ТХ ??? в различных конструкциях разное.

Ток, протекающий через делитель, для обеспечения нормальной термостабилизации рабочей точки должен быть не менее

(0,01...0,15) * I_{к макс}.= 100 мА.

Несколько слов о выборе величины U_см. Беспредельно поднимать его нельзя> поскольку при неизменном токе покоя растет и напряжение U'_к-э. Эту величину можно определить из неравенства:

Uсм. < Uⁿ _{к-э доп.} - U_к-э , где:

• Uⁿ _{к-э доп.}  —  максимально допустимое напряжение на коллекторе (справочная величина);
• U_к-э — напряжение на коллекторе для заданного тока покоя в схеме с гальванически заземленной сеткой (из входных характеристик лампы).

Стабилитрон предохраняет транзистор от выхода из строя в момент, когда на базе транзистора присутствует! отрицательная полуволна возбуждающего напряжения. Кроме того, в режиме приема каскад закрыт и не "шумит".

Выбор напряжения стабилизации производится из условия:

U_ст  < = Uⁿ _{к-э доп.}

Проведем расчет мощности видоизмененного каскада.

U'_к-э = U_к-э + U_см  = 25 + 35 = 60B < U_{к-э доп.} + 65В;

U^к_возб = U'_к-э  - U_{к-э нас.}  = 60 - 5 = 55В;

 I^к_{а мах} =  U_возб x S = 55 x 46 = 2,53А;

Р_подв =  I_{а мах}  x A_o = 2,53 x 0,33 = 0,84А;

Р_подв = КПД х Р_подв = 1000 Вт;

Р_{а рас} = Р_подв - Р_н = 1680 - 1000 = 680 < Р_{а доп} = 700 Вт.

Таким образом, видим, что по сравнению с первоначальным вариантом мощность повысилась почти втрое. В этом случае практически полностью использован мощностной резерв ламп.

Следует заметить, что данный каскад работает с сеточным током. Из чего следует, что источник сеточного напряжения должен быть стабилизированным и обладать достаточной нагрузочной способностью — 200мА . Среди радиолюбителей почему-то прочно укоренилось мнение, что сеточный ток в лампе выходного каскада чуть ли не катастрофа. Это, конечно же, не так.

Мнение это утвердилось, вероятно, в те времена, когда подавляющее большинство радиолюбителей использовали лампы типа ГУ19, ГУ29, ГУ50 и т.п. Действительно, эти лампы не рассчитаны на работу с сеточным током, поскольку, при заходе сеточных напряжений в положительную область, — линейность анодно-сеточной характеристики резко нарушается. Кроме того, эти лампы развивают паспортную мощность и без сеточных токов. Другое дело металлокерамические лампы СВЧ-серии типа ГИ6Б, ГИ7Б, ГС23Б, ГС35Б и т.п. Эти лампы специально разработаны для работы с сеточным током и развивают паспортную мощность только при его наличии.

В заключении несколько слов о замере выходной мощности "гибрида". Ограничится только контролем анодного тока на пике возбуждения, а затем, с учетом КПД, рассчитать выходную мощность в ряде случаев будет не всегда верно. Вероятно, так и поступил автор упомянутой статьи.

Дело в том, что начиная с некоторого уровня напряжения возбуждения, прирост анодного тока продолжается, а ВЧ напряжение на эквиваленте нагрузки не растет, зачастую, даже падает. Объясняется это тем, что положительные полуволны вводят транзистор в состояние насыщения. Это не появление сеточного тока, как иногда можно услышать в эфире. Например, в усилителе по схеме на рис.1 сеточного тока не может быть в принципе, а тем не менее этот эффект сохраняется.

Чем больше амплитуда напряжения возбужения, тем дольше транзистор находится в состоянии насыщения, сопротивление перехода эмиттер-коллектор все больше уменьшается, ток через лампу растет, а прироста напряжения на эквиваленте нет. Поэтому, в любом случае, следует контролировать ВЧ напряжение на эквиваленте нагрузки. Мощность каскада следует устанавливать на 10...15% ниже максимально достижимой, путем соответствующего снижения возбуждающего напряжения.

Несколько слов о конструкции усилителя. Дополнительных требований к конструкции не предъявляется. Лампы размещены на металлической пластине, которая, в свою очередь, устанавливается на четырех высоковольтных конденсаторах КВИ, имеющих резьбовое крепление.

Конденсаторы расположены по четырем углам пластины. Конструктивно конденсаторы служат опорными стойками и, в то же время, являются блокировочными. Входное сопротивление выходного каскада, приблизительно, 30 Ом. Это обстоятельство, определенным образом, повышает его устойчивость, но требует принятия некоторых мер по согласованию с предыдущим каскадом передатчика или трансивера.

Параметры П—контура, анодный дроссель и прочие конструктивные особенности не приводятся, потому что автор делает акцент на способе каскодного включения усилительного каскада.

Г. Панов, (UA3AUP)

Литература:

1. С.Воскобойников  "Усилитель мощности"  - Радиолюбитель.