РАДИОМИР.КВ и УКВ №9-2001 от RW1QU

     А.ДУДОВ, UR5ZD,
     г.Первомайск, Николаевской обл.
     
     "МНОГОЭТАЖНЫЙ" КАСКОДНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
     
     Сформированный  трансивером (передатчиком)  высокочастотный
сигнал  перед подачей в антенну необходимо усилить  до  заданной
мощности,  причем  усилитель не должен  вносить  искажений,  что
особенно актуально при усилении однополосных сигналов.
     Как   правило,   для  получения  выходной  мощности   около
200...300  Вт  требуется иногда применять  до  четырех  и  более
усилительных  каскадов. Соответственно, большое  число  каскадов
снижает устойчивость работы схемы и повышает вероятность  излуче
ния  искаженного сигнала. Уменьшить количество каскадов за  счет
увеличения  коэффициента  усиления каждого  из  них  удается  не
всегда - велика вероятность самовозбуждения.
     
     Удачным  решением при конструировании устойчивого линейного
усилителя с высоким коэффициентом усиления по мощности  является
применение каскодной схемы, в которой внутренняя обратная  связь
значительно  уменьшается  (примерно от  100  до  2000  раз),  и,
соответственно, возрастает коэффициент усиления (в 10...100 раз)
без   необходимости  применения  нейтрализации.  Известно,   что
коэффициент  усиления по напряжению 8 каскодной схеме  равен  ко
эффициенту   усиления   по   напряжению   второго   каскада,   а
коэфффициент  усиления  по мощности - коэффициенту  усиления  по
мощности  первого  каскада. Таким образом,  очень  удачна  схема
построения  гибридного каскодного усилителя мощности  -  полевой
транзистор плюс генераторная радиолампа.
     Разумеется,   в   такой   схеме  можно   применять   широко
распространенные лампы 6П45С, ГУ-50 или ГМИ-11, но каждая из них
имеет  определенные  недостатки, а вот конструировать  гибридный
усилитель на лампах ГУ-74Б, ГУ-43Б и т.д., на мой взгляд, нецеле
сообразно - не используется высокий коэффициент усиления по  мощ
ности  этих  ламп, да и необходимость применения принудительного
воздушного  охлаждения создает не очень комфортные  условия  для
работы оператора.
     Тем  не  менее,  можно изготовить очень  хороший  гибридный
усилитель  на популярных генераторных лампах ГК-71,  ГУ-13,  ГУ-
81М.  Однако  указанные  лампы  требуют  значительной  амплитуды
возбуждающего  напряжения,  т.е. в  гибридной  схеме  необходимо
применять  полевой транзистор, выдерживающий большое  напряжение
между  стоком  и  истоком  и имеющий хорошую  линейность,  малую
входную  емкость  и большой ток стока. Среди зарубежных  полевых
транзисторов  существуют  мощные высокочастотные  высоковольтные
приборы,  но их входная емкость достигает 1000 пФ! Отечественных
транзисторов, удовлетворяющих указанным требованиям, отыскать не
удалось, но как выход из создавшегося положения была разработана
необычная  "многоэтажная"  каскодная схема  усилителя  мощности.
Наиболее подходящими для работы в этой схеме оказались пленарные
полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным ка
налом  n-типа КП901А, имеющие максимальное напряжение сток-исток
-  70  В,  входную  емкость - 10...50 пФ, ток  стока  -  4  А  и
удовлетворительную линейность проходной характеристики начиная с
тока  покоя 10...20 мА. Применять в данной схеме другие  полевые
транзисторы нежелательно. В зависимости от требований к выходной
мощности гибридного усилителя, можно использовать одну  или  две
лампы ГК-71, ГУ-13, ГУ-80, ГУ-81 М и т.д.
     
     При   изменении  намоточных  данных  ШПТЛ  и  сопротивлений
m`cpsgnwm{u   резисторов   в  его  вторичных   обмотках,   можно
обеспечить  любое  значение входного сопротивления  усилителя  в
диапазоне 10...100 Ом.
     Необходимо  сразу  предупредить  радиолюбителей,   желающих
повторить данный усилитель, что изготовление и наладка гибридных
схем требуют понимания принципов их работы и знания определенных
"хитростей", о которых будет рассказано ниже.
     Схема усилителя приведена на рис.1.

     Следовательно,  при указанном токе покоя и, соответственно,
напряжении   смещения   амплитуда  напряжения   возбуждения   на
управляющей сетке должна составлять:
     Umc=80 - (-32) = 112В.
     Аналогично   определяются   электрические   параметры   при
использовании  других радиоламп (ГК-71, ГУ-80, ГУ-SIM  и  т.д.).
Так, для лампы ГК-71 напряжение возбуждения составит 130...140 В
при  анодном  токе покоя 10...15 мА, а для ГУ-81М - 170...190  В
при  токе  покоя  25...30  мА. Для повышения  надежности  работы
усилителя при использовании ламп ГУ-81 М можно применить  четыре
последовательно включенных транзистора КП901А.
     С   целью  обеспечения  гарантированного  линейного  режима
работы  полевых  транзисторов  примем,  что  остаточное  падение
напряжения  на  открытом транзисторе равно 10 В. Таким  образом,
для трех последовательно включенных полевых транзисторов оно  со
ставит  30 В, следовательно, катодное напряжение, приложенное  к
этим транзисторам, должно быть не менее
     Ек= 30 - (-112) = 142 В.
     Принимаем, что максимальное катодное напряжение может иметь
величину около 150 В, т.е. около 50 В на каждом транзисторе.
     Однако,  как указывалось выше, при токе покоя 10...  15  мА
напряжение смещения лампы ГУ-13 составляет -30...-35 В,  поэтому
на    управляющую   сетку   необходимо   подать    положительное
(относительно   общего  провода)  напряжение  для   формирования
требуемой  разности  потенциалов  между  катодом  и  управляющей
сеткой:
     Еис1=Ек+Ес1=150+(-32)=118В.
     
     Для  дальнейшей подстройки режима работы гибридного каскада
необходимо    иметь   возможность   регулировки   положительного
напряжения  на  управляющих сетках ламп в пределах  +15%  (перед
началом налаживания необходимо установить минимальное значение).
     Стабилизатор   положительного   напряжения   для    питания
управляющих сеток ламп собран на транзисторе VT1, а  для  защиты
полевых транзисторов от перенапряжения при пробоях в лампах  при
менена  классическая  схема,  состоящая  из  цепочки  импульсных
диодов, подключенных к стабилитронам VD3 и VD4.
     Блок  питания  анодной цепи усилителя  должен  обеспечивать
необходимую  мощность и иметь низкое динамическое сопротивление,
т.е. емкость конденсатора фильтра выбирается в пределах 50...100
мкФ.  Величина анодного напряжения - 2000...3000 В. Блок питания
цепи  экранирующей сетки желательно изготовить стабилизированным
m` напряжение 250...300 В.
     В  усилителе  применена  несколько необычная  колебательная
схема.  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 монтажа, анодного  дросселя  и
начальная   емкость  анодного  конденсатора.  Схема   П-контура,
примененная  в  усилителе,  устраняет  указанные  недостатки   и
эффективно   подавляет  гармоники.  На  рис.3  приведена   схема
колебательного контура для работы в диапазоне 28 МГц, из которой
видно,  что  на  этом диапазоне используется катушка  L"28",  об
разующая совместно с выходными емкостями ламп и конденсатором С1
П-контур для этого диапазона. Этот контур подключен к общему  П-
контуру усилителя (C1-L-C2). При переходе на диапазоны 24  и  21
МГц  в П-контуре задействованы часть витков катушки L, а анодный
конденсатор переменной емкости фактически подключается к  отводу
катушки   L"24/21",  образованной  последовательным  соединением
катушек  L"28"  и L (рис.4). На более низкочастотных  диапазонах
(18   МГц   и   ниже)   влияние  катушки   индуктивности   L"28"
незначительно,  и схема работает как классический  П-контур  при
параллельном  питании анодной цепи. Определенным недостатком  та
кой  схемы является повышенная сложность настройки колебательной
системы усилителя, т.к. конденсатор переменной емкости С1 входит
в   состав  двух  П-контуров.  При  желании  можно  применить  и
традиционный П-контур, но потребуется анодный конденсатор с мини
мальной   начальной   емкостью,  и,  тем  не   менее,   добиться
эффективной  работы  усилителя в диапазонах 21/24/28  МГц  будет
нелегко.

Транзисторная  схема собрана в виде отдельного  блока  размерами
80x130x50  мм  (рис.5)  на основе пластины радиатора  (80x130x25
мм).  Монтаж  закрыт  коробкой, которая  крепится  к  радиатору.
Собственно  блок укреплен на расстоянии 10 мм от  задней  панели
усилителя  мощности во избежание нагревания от корпуса усилителя
(рис.6).  Дроссели  Др1,  Др2, Др7 и  Др8  (рис.1)  намотаны  на
резисторах  МЛТ-0,5  сопротивлением 4,7 кОм  проводом  ПЭВ-2  ди
аметром 0,15 мм и содержат по 10 витков рядовой намотки,  ДрЗ  -
на  фарфоровом стержне 010 мм и содержит 50 витков провода ПЭЛШО
0,25.  Анодный  дроссель Др4 мотается секционирование  на  фарфо
ровом  стержне  010...15 мм проводом ПЭЛШО 0,25.  Первая  секция
содержит 100 витков рядовой намотки, затем сделан пробел шириной
2  мм,  и  аналогично наматываются последующие 50 витков,  затем
вновь  пробел  2 мм, и очередные 20 витков рядовой намотки  плюс
последние  15  витков  мотаются  "вразрядку",  через   0,5   мм.
Накальный дроссель Др9 намотан в два провода ПЭВ-2 диаметром 1,5
мм  на  двух  сложенных  вместе кольцах  2000  НМ  К40х25х7,5  и
содержит  7  витков. Антистатический дроссель  Др10  намотан  на
каркасе 08 мм проводом ПЭЛШО 0,25 и имеет 4 секции по 50  витков
намотки  "универсаль". ШПТЛ Т1 намотан на двух сложенных  вместе
кольцах 2000 НМ К12x8x2. Его обмотка представляет собой линию из
четырех  проводов ПЭЛШО 0,25, имеющую одну скрутку на  сантиметр
длины линии.
     
     
     Катушка L"28" - бескаркасная диаметром 50 мм и имеет  3...4
витка  посеребренной  трубки 05 мм. Длина катушки  и  количество
витков  подбираются  при  наладке.  Катушка  L1  -  бескаркасная
диаметром 65 мм также изготовлена из посеребренной трубки 05  мм
и  содержит  18 витков. Длина этой катушки - около 180  мм.  Для
диапазона 24 МГц отвод делается от 1-го витка; 21 МГц - от 2-го;
18  Мгц - от 3,5-4; 14 МГц - от 9,5; 10 МГц - от 13; 7 МГц -  от
16-го   витка.  Катушка  L2  намотана  на  каркасе  070  мм   от
радиостанции  РСБ и содержит 13 витков провода  01,7  мм.  Часть
обмотки  укладывается  через  канавку  (6  витков,  используемых
совместно с L1 для диапазона 3,5 МГц). Количество витков катушек
и  положение отводов подбираются при настройке в зависимости  от
выходного сопротивления каскада и сопротивления нагрузки.
     
     Налаживание усилителя
     
     Транзисторы  КП901А  (2П901 А)  перед  установкой  в  схему
необходимо  подобрать с начальным током в  пределах  0...30  мА.
Кроме  того,  их проходные характеристики должны  совпадать  при
токах стока 20...30 и 500...600 мА с точностью +10%. Лампы ГУ-13
также необходимо подобрать с близкими параметрами.
     Далее приступают к определению режима работы ламп, для чего
понадобится регулируемый источник постоянного напряжения  0...60
В, допускающий ток нагрузки не менее 50...75 мА.
     Порядок работы следующий:
     -  соединить один из выводов накала ламп с общим  проводом,
обеспечив  протекание  анодного тока  по  цепи  анод-катод-минус
источника анодного напряжения;
     -  подключить  регулируемый источник питания  отрицательным
выводом  на дроссель, соединенный с управляющей сеткой лампы,  и
установить  выходное  напряжение  -60  В  (сеточную  цепь   пред
варительно отключить от реле К1);
     -  последовательно подать напряжение накала,  отрицательное
напряжение  смещения первой сетки (-60 В), анодное напряжение  и
напряжение экранирующей сетки;
     - изменяя величину отрицательного напряжения на управляющей
сетке,  необходимо  установить  анодный  ток  покоя  в  пределах
10...15  мА  для каждой из ламп, т.е. при применении  двух  ламп
суммарный ток должен быть 20...30 мА;
     -  измерить  напряжение, при котором достигается  указанный
анодный ток покоя.
     В  авторском  варианте  при анодном напряжении  +2000  В  и
напряжении экранной сетки +270 В, напряжение смещения  составило
-32 В.
     Далее  следует подобрать цепи смещения отдельно для каждого
из транзисторов, установив их в схему, приведенную на рис.7.

     Рекомендуется   проводить  процедуру   подбора   напряжения
смещения в следующем порядке:
     - установить напряжение источника питания +50 В;
     - потенциометром R3 установить ток стока 20...30 мА;
     - измерить величину сопротивления потенциометра R3;
     -   заменить   резисторы   R2  и   R3   одним   постоянным,
сопротивление  которого  равно  сумме  сопротивлений   указанных
резисторов.
     Аналогично  подбираются цепи смещения  для  остальных  двух
транзисторов.  Токи  стока  всех трех транзисторов  должны  быть
одинаковыми,  например,  25  мА +1 мА.  Если  подобраны  полевые
транзисторы    с    близкими    проходными,    характеристиками,
qnopnrhbkemh   резисторов,  установленных  в   цепях   смещения,
практически равны.
     Как  указывалось выше, необходимое положительное напряжение
на управляющей сетке лампы равно +118 В (при Ес1=-32ВиЕк=150В).
     После  проведения  всех  указанных  измерений  окончательно
собирается кас-кодная схема согласно рис. 1.
     Без  подачи напряжения возбуждения на усилитель,  регулируя
положительное  напряжение на управляющих  сетках,  устанавливают
ток покоя гибридного каскада. Для двух ламп ГУ-13 он должен быть
около 20...30 мА.
     При грамотном изготовлении усилитель устойчив в работе и не
склонен  к самовозбуждению. Усилитель был испытан с лампами  ГУ-
13,  2хГУ-13, ГУ-81 М на всех любительских диапазонах и  показал
высокие результаты. Корреспондентами отмечалось высокое качество
сигнала   и   низкий  уровень  внеполосных  излучений.   Следует
отметить,  что  качественный линейный  усилитель  не  "украшает"
сигнал, а усиливает его, не внося дополнительных искажений.
     Данный   усилитель  был  умышленно  испытан  со  случайными
антеннами,  имеющими  высокий  КСВ,  и  работал  устойчиво,  без
искажений. Кроме того, он способен длительное время работать без
перегрева в режиме передачи несущей.
     Выражаю  благодарность радиолюбителям UT5TC, UT6IB, UT5UVM,
UT5IR, U5LH, UA1 FA, UA6YA и многим зарубежным коротковолновикам
за содействие при испытаниях усилителя в эфире.
     По  всем вопросам можно обращаться к автору статьи на "Круг
лый  стол  3704" с 22.00 до 00.00 украинского времени,  или  при
проведении QSO на других диапазонах.