Оконечный КВ усилитель на ГУ-50 без силового трансформатора
«Читателей, уверенных в опасности PA без большого и тяжёлого силового трансформатора прошу поверить (пока на слово, а дочитав до конца: надеюсь и на деле), что развязка от сети грамотно сконструированного усилителя мощности ничуть не хуже (а можно сделать даже лучше), чем у обычного трансформаторного». Слова эти хоть и вселяют тонкий оттенок сомнения, однако принадлежат И. В. Гончаренко – вполне себе уважаемому инженеру, конструктору, а также автору многочисленных изданий, посвящённых вопросам анализа, расчёта, проектирования и применения КВ и УКВ техники. Полное обоснование приведённого выше постулата приведено на авторской странице – https://dl2kq.de/pa/1-1
Примером удачной реализации такого похода к проектированию мощных ламповых КВ усилителей является конструкция В. Гладкова (RW4HDK) из славного города Чапаевск. Вот что пишет автор:
Лёгкий и мощный КВ-усилитель УМ-300-М1 без силового трансформатора
К созданию этого усилителя мощности для КВ трансивера меня побудили небезызвестные публикации таких известных авторов, как Я. Лаповок (UA1FA) и И. Гончаренко (DЛ1TT). Задачей ставилось изготовление лёгкого, малогабаритного и мощного РА, но использование общепринятой методики не позволяет выполнить все эти требования. Кроме этого, РА с параллельным питанием требует очень тщательного выполнения анодного дросселя, и его «отдача» на ВЧ диапазонах сильно зависит от его собственной ёмкости и от ёмкости монтажа, т.е. его КПД снижается. Схема с последовательным питанием во многом свободна от этих недостатков, правда предъявляет повышенные требования к качеству монтажа и к электрической прочности применяемых радиоэлементов. Но согласитесь: лучше немного больше, чем обычно, затратить времени, сил и средств, но в итоге получить добротное изделие, над которым не придётся всё время трястись с паяльником или надрывать живот, пытаясь его сдвинуть с места по мере надобности.
Самые распространённые лампы – ГУ-50, вот на них и остановимся, хотя можно использовать что-то другое, но соотношение «затраты-результат» оптимально всё-таки именно в этом варианте.
Рис.1 Принципиальная схема лампового КВ усилителя без силового трансформатора
Питание анодных цепей осуществляется утроением напряжения сети. Это составит около 930 вольт, что вполне достаточно, т.к. такое явление, как «просадка» напряжения на пиках сигнала в этой схеме отсутствует, тогда как в «классической» схеме от него не избавиться, и обычно именно эти 900 вольт присутствуют на анодах ламп вместо необходимых 1000…1200.
Ёмкость конденсаторов С11…С14 должна быть не менее 200мкФ на рабочее напряжение не менее 350 вольт. Кроме этого, они должны иметь одинаковое напряжение утечки. С этой стороны как нельзя лучше подходят конденсаторы фирмы “Samsung”, которые не требуют подбора, как впрочем, и любые другие импортные. Резисторы R4…R7 – МЛТ-2 150к (200к).
Конденсатор переменной ёмкости С1 – строенный КПЕ на 15…500пф, у которого через одну «продёрнуты» подвижные и неподвижные пластины. Его статор подключён к отводу от первого витка катушки L1. Точно такой же КПЕ используется на «холодном» конце П-контура, но пластины у него не удаляются.
Все намоточные данные приведены на рисунке, за исключением П-контура. L1 – 9 витков МГ-2,0 на оправке 40мм и длиной намотки 65мм. Отводы: от 3-го витка (диапазон 10м), от 3,5 витков (диапазон 12м), от 4,5 витков (диапазон 15м), от 5-го витка (диапазон 17м), вся катушка – 20м диапазон. L2 – 46 витков ПЭВ-1,2 на фторопластовом кольце К70*30*15мм. Отводы: от 18-го витка (диапазон 30м), от 20-го витка (диапазон 40м), полностью L1 и L2 – диапазон 80м. L3 (160м диапазон) на усилитель не изготавливалась.
Резистор R1 должен быть обязательно, т.к. в момент включения происходит мощный импульс зарядного тока электролитических конденсаторов, что рано или поздно выведет их из строя, со всеми вытекающими из этого печальными последствиями.
S1 можно включать практически сразу после включения S3, а S2 только после 5…7 минут прогрева ламп на «холостом» ходу.
К катодам ламп подпаивается оплётка РК-75 трансформатора Т2, а на центральную жилу через С31 подаётся сигнал от трансивера. С31 необходим на тот случай, если по какой-либо причине произойдёт межвитковое замыкание у Tr2. Благодаря ему трансивер не пострадает.
К строенному КПЕ тоже подключается оплётка кабеля РК-75 трансформатора Т1, а выходной сигнал снимается с центральной жилы, и далее через КСВ-метр поступает в антенну.
Благодаря использованию микросхемы DA2 ток покоя каждой лампы составляет около 25…30мА. Это позволяет несколько поднять КПД усилителя и немного улучшить его линейные характеристики, но можно пойти и по более простому пути, соединив экранные сетки ламп с минусом 930вольт. Ток покоя каждой лампы в этом случае будет около 10…15мА.
Что касается технологии: оптимальный вариант – выполнение всего монтажа на цельном куске одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Рис.2 Вид усилителя сверху
Рис.3 Вид усилителя снизу
Все монтажные дорожки выфрезерованы, а остальная фольга служит общим проводом. В местах крепления к корпусу фольга тоже удаляется на ширину не менее 5мм от металлических деталей. Все КПЕ крепятся на этот же текстолит с удалением фольги вокруг болтов крепления, а ручки через пластмассовые втулки выводятся на переднюю панель.
Рис.4 Выпрямитель 930v (вид со стороны дорожек)
Рис.5 Стабилизатор +12v DA2 крепится к корпусу усилителя через слюдяную прокладку
На Рис.6 показано расположение органов управления на передней панели усилителя и расположение разъёмов на задней панели.
Рис.6 Передняя и задняя панели КВ усилителя
Размеры РА соответствуют размерам корпуса трансивера «Урал-84М» (310*300*140мм), вес – около 3.5кг, что позволило разместить его поверх радиостанции, создав своеобразную «стойку» и сэкономив место на рабочем столе.
Усилитель показал прекрасные результаты. Усиление ВЧ сигнала происходит в соотношении 1:10 на ВСЕХ(!) диапазонах, отметая расхожее утверждение о снижении усиления на 21 и 28 мегагерц. Подавая на вход 30 ватт – получим 300 ватт; 20 ватт – 200, и никак не иначе. (Измерения проводились ВЧ-вольтметром на нагрузке 50 ом).
Без радикальной переделки усилителя можно увеличить анодное напряжение до 1200 В. Принципиальная схема учетверителя сетевого напряжения показана на Рис.7.
Рис.7 Схема учетверителя сетевого напряжения
▍ Схема с однотактным выходным каскадом
Проведём анализ схемы школьного радиоузла, в качестве выходных ламп рассмотрим канонические 6П3С. Схемы, описания и графики возьмём из пятого издания, как наиболее проверенные несколькими поколениями радиолюбителей.
Выходной каскад собран по схеме с автоматическим смещением. Напряжение на выводе 3 лампы Л3 (анод) указано +270 В, напряжение на выводе 8 (катод) указано +14,5 В. Эти напряжения измерены относительно общего провода. Относительно же катода получаем напряжение анода UА = 270 – 14,5 = +255 В, а напряжение смещения на управляющей сетке лампы UС = 0 – 14,5 = –14,5 В. Номинал катодного резистора R15 = 200 Ом. Ток через катодный резистор 14,5 / 200 = 72,5 мА. Блокировочный конденсатор C12 служит для предотвращения отрицательной обратной связи по переменному току.
Сравним с паспортными данными лампы 6П3С. При напряжении на аноде и экранной сетке +250 В ток анода лампы 6П3С должен быть в пределах (72 ± 14) мА, а ток экранной сетки не должен превышать значения 8 мА. Рекомендуемое значение напряжения смещения на управляющей сетке – минус 14 В. При токе анода IА = 72 мА и токе экранной сетки IЭ = 8 мА номинал катодного резистора должен быть UС / (IА + IЭ) = 14 / 0,08 = 175 Ом.
Режим работы лампы выходного каскада, в принципе, соответствует указанному в паспорте. Заявленная выходная мощность усилителя – 5 Вт, что тоже соответствует паспортным характеристикам 6П3С. Схема выходного каскада – каноническая однотактная «класса А» на пентоде с автоматическим смещением.
Принципиальная схема
Конвертер состоит из преобразователя частоты на полевом транзисторе VT1 и гетеродина на полевом транзисторе VT2. Конвертер сам не имеет органов настройки, — настройка на станцию осуществляется органами настройки средневолнового приемника. Входной сигнал от антенны поступает на входной контур L1-C2.
Этот контур настроен на середину КВ диапазона «31 метр» (на частоту 9,65 МГц). С него сигнал поступает на затвор полевого транзистора VТ1. Гетеродин на транзисторе VТ2 с кварцевой стабилизацией частоты.
Рис. 1. Принципиальная схема КВ конвертера на транзисторах КП303.
Частота стабилизирована кварцевым резонатором на 8,86 МГц. Причины применения такого резонатора две. Во-первых, этот резонатор применяется в видеотехнике, и потому весьма распространен и доступен.
Во-вторых, при частоте гетеродина 8,86 МГц на шкалу стандартного приемника с СВ-диапазоном попадает участок КВ-диапазона в пределах 9,38 — 10,48 МГц, что охватывает наиболее густонаселенный КВ-диапазон «31 метр», в котором отлично принимаются очень дальние радиостанции как днем, так и ночью (ночью все же лучше).
На выходе преобразователя частоты -дроссель L2, с него сигнал суммарных и разностных частот через конденсатор С4 подается на антенное гнездо СВ-радио-приемника.
Если у приемника нет антенного гнезда, его придется сделать, подключив его к его входному контуру (к не заземленному концу катушки магнитной антенны).
▍ Схема с двухтактным выходным каскадом
Мощности 5 Вт для усилителя радиоузла может быть недостаточно. Поднять выходную мощность предлагается заменой однотактного выходного каскада (SE) на двухтактный (PP). Для этого из исходной схемы исключается выходной каскад, и вместо него подключается одна из схем, приведённых ниже:
Схема стала значительно сложнее: вместо одного каскада на одной лампе теперь включено два каскада на трёх лампах.
На лампе Л1 собрана схема фазоинвертора, преобразующая входной аналоговый сигнал в два выходных противофазных. На «верхнее плечо» выходного двухтактного каскада подаётся сигнал с фазой 0°, а на «нижнее плечо» – сигнал с фазой 180°.
В выходном каскаде теперь две лампы 6П3С. Заявленная выходная мощность усилителя 15-20 Вт. По идее, добавление в выходной каскад второй лампы мощностью 5 Вт дало бы прирост мощности усилителя на эти 5 Вт, т.е. в два раза. Почему выходная мощность выросла в три-четыре раза, разберём позже.
Изменилась конструкция выходного трансформатора: сечение магнитопровода увеличилось, чтобы увеличить габаритную мощность, а первичная обмотка имеет отвод от середины.
Аноды выходных ламп подключены к крайним выводам первичной обмотки, источник анодного напряжения подключён к средней точке. Половины первичной обмотки включены таким образом, чтобы противофазные токи в половинах первичной обмотки вызывали токи одного направления во вторичной обмотке выходного трансформатора. Соответственно, синфазные анодные токи во вторичной обмотке друг из друга вычитаются.
Номинал катодного резистора на схеме – 220 Ом. По постоянному току лампы в двухтактном каскаде включены параллельно, соответственно, через этот резистор протекает значительно больший ток, чем протекал бы через катодный резистор того же номинала в однотактной схеме, следовательно, и модуль напряжения смещения на управляющих сетках рассматриваемого двухтактного каскада будет больше.
