Усилвател на мощност (1,8-30 MHz)
/kn34pc.com/конструкции/седемобхватен cw/ssb трансивер/...


 

Принципната схема на показания краен усилвател на мощност е на първото ми стъпало, функционирало от 2000 до 2007 година. Неоптимален, но работещ вариант, донесъл много емоции и запознанства в ефира. Сглобен беше с налични елементи за това време, с обемна конструкция, без печатна платка, върху транзисторите на радиатора. Независимо от използването на СВЧ транзистори, предназначени за усилване и генериране на сигнали над 100 MHz, предназначени за работа в усилватели в клас С, усилвателят беше стабилен по параметри, без генерации и TVI. С изходен филтър на 30 MHz се използваше с изходна мощност не повече от 40W като драйвер за крайно стъпало първоначално с 2 лампи ГУ-50, а след това с 3 лампи ГУ-50 и като краен усилвател на 28 MHz.

Усилвателят с 2 х КТ931А работи до 09.05.2007 година, до 23:08 часа ... до QSO-то с UA3AEY, op. Дима, Москва, след голямо среднощно прохождение и една изписана страница с връзки в дневника на 28 MHz ... с КСВ около 3 :о)

Следва прегряване на усилвателя и на токоизправителя, дефектиране на регулиращ транзистор в токоизправителя (C-B - термично "късо"), в резултат на което усилвателят се захрани с нестабилизирано напрежение от 34 волта, следва миризма на електролит с гърмеж на електролитен кондензатор и ... дефектиране на единия транзистор КТ931А. След охлаждане от около 10 мин. транзисторът КД503 се възстанови, но КТ931А - не :)

Следващият усилвател работи от 2007 до 2008 година като драйвер с изходна мощност 5W за крайно стъпало с 1 лампа ГУ-50 ОР + 3 лампи ГУ-50 ОР. Това е също временна изработка, на платка с островчета, рязани с макетно ножче и пиличка. Желанието за работа в ефира беше породено от бъдещия Мартенски БГ контест. Но както винаги временните работи при нас остават постоянни - схемата в този си вид просъществува близо година.

Настоящият усилвател на мощност е изпълнен с транзистори BLW83, предназначени за линейно усилване в HF и VHF обхвата при захранващо напрежение 28V. Характеризират се с голямо усилване (Gp > 20 db при 28 MHz), линейност (работа в клас А, d3 = -40 db, работа в клас AB, d3 = -30 db) и устойчивост при високи нива на разсъгласуваност с товара. Практически усилвателят с изходна мощност от 50 вата остана по невнимание няколко пъти за по 5-20 секунди без товар и веднъж с късо съединение в изхода, което считам за проверка на паспортните данни за устойчивост на транзисторите по PDF-a :)

Принципната електрическа схема е често срещана в приемо-предавателната апаратура и се различава единствено по стойностите на елементите, определящи моето конкретно приложение. Стойностите са определени в резултат на изчисления [1,2,3,4,5] и последващо експериментиране първоначално на обемен монтаж на радиатора върху изводите на транзисторите и на крепежни елементи, с последващо уточняване върху готовата печатна платка.

След прехвърляне на схемата на печатна платка (с използване на свободната площ като обща маса и възможно най-дебели медни шини между елементите) усилването се повиши (повече във високочестотната област), компенсационните кондензатори на трансформаторите се наложи да се намалят и АЧХ стана по-равномерна в целия честотен обхват от 1,8 ÷ 30 MHz. Където е възможно съм взел под внимание вероятното проявяване на нестабилност (паразитни резонанси в дросели, развръзка по захранване,  температурна компенсация на тока на покой, защита от обратно свързване на захранването с диоди и др.).

Двата крайни транзистора бяха подбрани при колекторен ток 1А. Добре би било да се подбират при няколко работни точки, последната от които да е при работния ток, но при мен липсваха толкова много транзистори за подбор. Транзисторите са маркирани по корпуса с буква, определяща коефициента на усилване, което спомага за бързото им отсяване от множеството.

Независимо от елементарния подбор, който направих от няколко бройки високочестотони мощни транзистора BLW83, при работеща схема на средни мощности, ВЧ напреженията (на 28 MHz) върху колекторите малко се различаваха едно от друго (напр. 7,16V и 7,31V с разлика 2%). Двата транзистора се загряват до еднаква температура (на пипане), радиаторът се загрява равномерно, ограничението е почти едновременно в горната и долната полувълна на синусуидата при максимална мощност.

Ток на покой на транзисторите:

    Ic0 DR = 350 ma, настройващ се с резистор R4 = 100Ω/1W
    Ic0 PA = 200 ma, настройващ се с резистор R13 = 330Ω/0,5W

Феритни трансформатори:

Тr1: 7 нав. + 7 нав. с бифилярно навит с два усукани проводника ПЕЛ 0,35 мм върху феритен пръстен, марка AMIDON, тип FT-37-43
(при съгласуване с драйверната платка Тr1 се наложи да бъде променен на 4 нав. + 4 нав. с два силно усукани проводника (с 4-5 усуквания на един сантиметър) на същия феритен пръстен марка AMIDON, тип FT-37-43.

=>

Тr2: 4 бр. + 4 бр. феритни пръстени К7х4х2, с проницаемост 1000, 2 нав. към колектора на драйвера + 1 нав. към базите на изходните транзистори. Двете навивки са от сребърен тефлонов проводник Ф0,5 (незадължително, при друг тип проводник няма съществена разлика в параметрите), а обемната намотка е образувана от две медни тръбички, изработени от листова медна ламарина, прокарани през съответните четворки феритни пръстенчета. Възможно е да се използват подходящи феритни двуцевки. Моите налични се оказаха с много ниска магнитна проницаемост.

Тr3: 6 нав. + 6 нав. + 1 нав. - феритен пръстен с измерен Al=600, 25x15x10 мм, неизвестна марка ферит. 6 нав. + 6 нав. се навиват от 6-7 проводника ПЕЛ-0,32, усукани заедно, като се свързват начало-край. Използвал съм готов проводник с подходящ диаметър от коригиращи бобини в развивките на CRT монитор.

Тr4: 1 нав. към колекторите + 2 нав. към товара. Феритните тръбички са от сигнални кабели на CRT монитори. За първична намотка използвам обемна намотка от медни тръбички Ф8 мм с подходяща дължина и парчета стъклотекстолит за оформяне на стените и изводите на трансформатора. Необходимо е феритът да е дебелостенен, с обем, подходящ за изходната мощност. Добре би било да се използват феритни изделия, предназначени за целта, но и с наличните феритни тръбички се получи изненадващо широка АЧХ (3,5-28 MHz) при КПД на усилвателя в рамките на 42÷46%.

За вторична намотка експериментирах с различни типове проводници. Поради това, че трансформаторът се загрява при работа (нормална температура: 35÷50oC) е необходимо изолацията да е термоустойчива. Първият вариант на навиване беше с термоустойчив проводник Ф2,5 мм със силиконова изолация. Втори вариант (само за целите на експеримента) беше с проводник Ф0,7 mm с полиетиленова изолация от FTP кабел за компютърни мрежи. Трети вариант беше с множество проводника с тефлонова изолация МГТФ, запоени начало-край като един. При третия вариант (особено на 28 MHz) КПД беше най-висок, като наблюдавах явна зависимост между броя на проводниците, уплътняването на тръбичките от проводниците, изходната мощност, неравномерността на АЧХ и загубите във вид на топлина. Използвал съм 12 броя проводника, което е в рамките на разумното и изпълнимото. За бъдещи конструкции е възможен и първия вариант с дебел проводник със силиконова изолация с незабележимо спадане на усилването при ВЧ на стъпалото като цяло.

 

Компенсиращите кондензатори при всяка друга изработка е необходимо да се подбират индивидуално според типа на транзисторите, типа на феритите, режимите и печатната платка. Стойностите, посочени на принципната схема са ориентировъчни. Капацитетът е необходимо да се подбере на 28 MHz при максимална изходна мощност.

Експериментално двата 76 ватови транзистора развиха максимална мощност над 100 вата, но за стабилна работа в реална обстановка с товар: антена, изходната мощност не би трябвало да превишава мощността на единия транзистор. В конкретното мое приложение (изходна мощност не повече от 50 вата) запасът е в пъти повече, което за в бъдеще би се отразило на стойността на паричния еквивалент в $ на съответния притежател на усилвателя при вероятен отказ на антенно-фидерната система или работа със случайни антени тип "жичка от изгорял трансформатор", "някаква си там антена" или "балкон-олук" :) Предвиждам да обхвана крайното стъпало след обхватни филтри с верига на ALC, която с помощта на датчик за отразена вълна допълнително ще повиши надеждността и ще изравни изходната мощност по обхвати. Токозахранващият блок е с токоограничаване и максималнонапреженова защита с тиристор.

При голяма изходна мощност някои от резисторите трябва да се подменят с по-мощни, като транзисторите се монтират на радиатор с по-голяма ефективна охлаждаща площ. Конструирането на усилватели за 20 вата и повече е свързано с голямо топлоотдаване, заради което е немислимо (според мен) използването на радиатор без принудително охлаждане. Не че е невъзможно, но тогава размерите на радиаторите биха били огромни, които така или иначе са определящи за обема на целия трансивер.

В случая използвам тих 8 сантиметров, 12 волтов вентилатор от компютър, който се захранва с напрежение 8 волта при всяко натискане на PTT, със задържане около минута и допълнително се управлява от термично реле на максимални обороти с напрежение 12 волта при превишаване температурата на радиатора над 60 oC. Така с работата на елементарна автоматика съм постигнал тих режим при малка изходна мощност и сигурно охлаждане при по-големи натоварвания.

Термичният контакт на компенсиращите диоди в схемата за ток на покой с крайните транзистори е задължителен. Използвам силиконова паста от дефектирали германиеви транзистори SFT308, доказала устойчивостта си на изсъхване на открито, за разлика от съвременната силиконовата паста за компютърни CPU, за която имам лоши спомени ...   

Печатната платка е с размери 145 х 102 mm, изработена по метода ЛЮТ (лазерно-ютийна технология) със запазено медното покритие като екран от долната страна.


145 x 102 mm

Архив с файлове [zip,spl7,lay,pdf,tif,gif][1,2mb]

За избягване на нестабилност и за равномерно усилване и във високочестотната част на работния честотен обхват е необходимо емитерите на крайните транзистори да са замасени нискоомно.

За изходна мощност от 50 вата на входа на усилвателя е необходимо входно напрежение около 3,5V/50ома. С допълнително монтирания съпротивителен атенюатор на входа (чиято цел е и да увеличи развръзката драйвер-крайно стъпало), заедно с локалните обратни връзки, усилването се променя в широки граници. Благодарение на компенсацията на усилването при високи честоти на всяко едно от стъпалата, изходната мощност по целия честотен диапазон от 1,8 до 28 MHz е равномерна и е възможно (както при мен) желано да се завиши в честотния диапазон 21÷28 MHz (примерно с 10÷15%) спрямо усилването при 1,8 MHz.

За драйвер използвам посочения по-долу усилвател.

Драйверът работи изцяло в линеен усилвателен режим "Клас А". При входно напрежение около 150mV/50Ω от диоден двойнобалансен смесител (с последващ широколентов усилвател "Общ гейт" и тризвенни обхватни филтри) изходното напрежение е 5V/50Ω при възможни неизкривени 7-9V/50Ω. При необходимост изходът на драйвера може да се свърже директно към антена за работа на QRPP.
   
    Честотна компенсация е въведена там, където би била необходима, с възможност за последваща настройка. Атенюаторът между отделните усилвателни стъпала служи за развръзка между изход-вход, както и за нагласяване на нужното изходно напрежение с цел универсалност на приложение на схемата при използване на бъдещ по-мощен транзисторен усилвател на мощност.

Tr1: 7 нав. + 7 нав. бифилярно навит с два усукани проводника ПЕЛ 0,35 мм върху феритен пръстен, марка AMIDON, тип FT-37-43.

Tr2: 4 нав. + 4 нав. бифилярно навит с два силно усукани проводника (с 4-5 усуквания на 1 сантиметър) на феритен пръстен, марка AMIDON, тип FT-37-43.

L3, L4 са навити на пръстени от пресовано желязо на прах, марка AMIDON, тип T37-2. Съдържат около 7 нав.

Изпълнението на L1 не е критично. Индуктивността може да се получи от няколко навивки на малък диаметър от извода на кондензатора С4. Задължителна е за поставяне поради това, че транзисторът Т2 (BFR96S) при измерено усилване (17,5-18db/3,5-28MHz с товар 50Ω към Тр1) проявява склонност към генерация на СВЧ и блока като цяло проявява неустойчивост на усилването, влияние на разположението на елементите и др.

При поставяне на миниатюрна СВЧ феритна двуцевка с измерена индуктивност едва 60 nH (с грешката на уреда) посочените ефекти бяха премахнати независимо от прякото въздействие при докосване с пръсти, промяна в стойности на съседни елементи, липса на екрани и др. 


120 x 60 mm

Архив с файлове [zip,spl7,lay,pdf,tif,gif][756kb]

 

 

    Използвана литература:
    1. AN762: Linear Amplifiers for mobile Operation, MOTOROLA SEMICONDUCTOR [pdf][177kb]
    2. AN593: Broadband Linear Power Amplifiers Using Push-Pull Transistors, MOTOROLA SEMICONDUCTOR [pdf][188kb]
    3. BASIC LINEAR AMPLIFIER, TEN WATT LINEAR AMPLIFIER by Harry Lythall (SM0VPO) [zip,htm][339kb]
    4. Understanding broad-band ferrite transformers used in solidstate Power Amplifiers (by LA7MI Stein Torp, 1994) [zip,htm][89kb]
    5. "Справочник радиолюбителя–коротковолновика", Бунин С. Г., Яйленко Л. П., Киев, Технiка, 1984 год.
    6. "Справочное пособие по високочастотной схемотехнике", Э. Ред, 1990 г. [djvu][3,4mb]
    7. Широкополосный усилитель мощности (UT2FW)

24 февруари 2010 г.,
доп. 16 март 2011 г., 17 август 2011 г.
LZ2WSG, KN34PC