Усилитель мощности диапазона  140...150 мгц

А.ТИТОВ, А.СТЕРХОВ, В.НЕЧАЕВА.                                                                                                                                                                                                  E-mail: titov_aa@rk.tusur ru

В [1] был описан усилитель мощнос­ти (УМ) с защитой от перегрузок, пред­назначенный для работы в диапазоне 140...160 МГц. Однако не зная особен­ностей конструктивного исполнения мощных усилителей на эти частоты и методики их настройки, трудно реали­зовать УМ с требуемыми параметра­ми. Поэтому в настоящей статье сде­лан акцент на особенностях изготовле­ния и настройки трехкаскадного УМ, в котором использованы доступные ком­плектующие.

Основные технические характеристики усилителя:

-    максимальная выходная мощность....... 40 Вт

-    полоса рабочих частот.................. 140...150 МГц

-    неравномерность амплитудно-частотной характеристики +2 дБ

-    коэффициент усиления............................. 30 дБ

-    напряжение питания........................... 13,6...15 В

-    потребляемый ток в режиме молчания    0,1 ...0,3 А

-    максимальный потребляемый ток*........... 7 А

-    сопротивление генератора и нагрузки .... 50 или 75 Ом

-    габаритные размеры корпуса усилителя ... 205x105x40 мм

*  при коротком замыкании в нагрузке или ее отключении потребляемый ток уменьшается до 1...2 А.

Принципиальная схема УМ приведе­на на рис.1

 Усилитель содержит вход­ной резистивный делитель напряже­ния, три каскада усиления, трансфор­матор сопротивлений, стабилизатор напряжения базового смещения, тер­мозащиту, а также защиты от: перегрузки по входу, холостого хода и коротко­го замыкания в нагрузке, превышения напряжением питания номинального значения.

Резистивный делитель напряжения R2-R3, установленный на входе усили­теля, обеспечивает согласование УМ с сопротивлением генератора.

Все усилительные транзисторные каскады (VT2, VT3 и VT5) работают в режиме с отсечкой коллекторного тока. Стабилизация угла отсечки обеспечи­вается стабилизатором напряжения базового смещения [1] на транзисторах VT4 и VT6. Требуемый угол отсечки устанавливается подбором сопротив­ления резистора R12, установленного в цепи базы транзистора VT6. При от­сутствии этого резистора коллектор­ные токи каждого из транзисторов VT2,VT3 и VT5 составляют 10...40 мА. Под­ключение резистора R12 приведет к снижению тока через транзистор VT6, что вызовет повышение напряжения смещения в цепях баз транзисторов VT2, VT3 и VT5 и, соответственно, к увеличению их коллекторных токов.

Стабилизатор напряжения базового смещения используется также в каче­стве элемента управления коэффици­ентом усиления УМ. Срабатывание любой из защит усилителя приводит к открыванию транзистора VT1 и умень­шению напряжения смещения на базе транзистора VT4 стабилизатора напря­жения базового смещения. Угол отсеч­ки транзисторов VT2, VT3 и VT5 в этом случае уменьшается, снижая тем са­мым коэффициент усиления УМ. В слу­чае полного открывания транзистора VT1 напряжение базового смещения оказывается равным нулю, и коэффи­циент усиления УМ уменьшается до 2...5дБ.

В УМ использованы Гюлосовые меж­каскадные корректирующие цепи тре­тьего и пятого порядков [2], обеспечи­вающие высокие технические характе­ристики устройства и обладающие про­стотой конструктивной реализации и настройки.

Оптимальное сопротивление нагруз­ки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, со­ставляет единицы ом [3], поэтому на выходе усилителя включен трансфор­матор импедансов с коэффициентом трансформации 1:25, выполненный в виде фильтра нижних частот С18, С19, С21, L11...L13 шестого порядка [4].

С целью сохранения работоспособ­ности УМ, при подаче на его вход сиг­налов, амплитуда которых больше но­минального значения, в усилителе ус­тановлен детектор с удвоением напря­жения на диодах VD1 и VD2. Выход­ное напряжение детектора пропорци­онально уровню входного сигнала. При превышении входным сигналом опре­деленного значения, выпрямленное детектором напряжение открывает транзистор VT1, уменьшая коэффици­ент усиления УМ. Порог срабатывания защиты по входу устанавливается под­бором сопротивления резистора R1.

С увеличением рассогласования на­грузки усилителя с его выходным со­противлением повышается напряже­ние, снимаемое с выхода отраженной волны направленного ответвителя Н01. Это напряжение детектируется диодом VD4. Напряжение с выхода детектора открывает транзистор VT1, что приводит к уменьшению коэффи­циента усиления УМ. Мощность сигна­ла на выходе усилителя падает про­порционально росту рассогласования нагрузки.

Направленный ответвитель Н01 вы­полнен из двух проводов марки МГТФ 1x0,35 длиной 40 мм, намотанных вплотную друг к другу на цилиндричес­кий изолятор диаметром 7 мм, который помещается затем в заземленный ме­таллический цилиндрический экран [1]. В рабочем диапазоне частот усилите­ля переходное затухание Н01 состав­ляет 30 дБ. Порог срабатывания схе­мы защиты от рассогласования усили­теля по выходу устанавливается под­бором сопротивления резистора R15. В качестве изолятора при изготовле­нии Н01 можно применить деревянный цилиндр, который виден на фотогра­фиях платы усилителя, приведенных на второй странице обложки.

Защита от превышения напряжения питания выполнена на стабилитроне VD3. Установка схемы термозащиты, выполненной на транзисторе VT7, на заданную температуру срабатывания осуществляется с помощью резистора R20. Описание работы используемых схем защиты и методика их настройки приведены в [1]. Диод VD8 установлен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе по­лярности напряжения питания.

Печатная плата (рис.2) размерами 205x105 мм изготавливается из двусто­роннего фолыированного стеклотек­столита толщиной 2 Змм. Пунктирной линией на рисунке обозначены места металлизации торцов, что может быть сделано с помощью металлической фольги, которая припаивается к ниж­ней и верхней частям платы. Металли­зация необходима для устранения па­разитных резонансов и заземления участков печатной платы. После ме­таллизации торцов платы, напильни­ком выравнивается ее нижняя часть, и она прикручивается к дюралевому ос­нованию (рис.3).

 Если предполагает­ся продолжительная работа усилите­ля в режиме максимальной мощности, дюралевое основание необходимо ус­тановить на радиатор размерами 300x400 мм, либо использовать прину­дительное охлаждение с помощью вентилятора.

Транзисторы VT2, VT3 и VT5 (рис 1) крепятся к основанию с использова­нием теплопроводящей пасты. При креплении транзисторов VT4 и VT6 также используется теплопроводящая паста. Однако между корпусами этих транзисторов и основанием следует установить слюдяную прокладку, и перед настройкой усилителя следует с помощью тестера убедиться в том, что не нарушена изоляция между кол­лекторами транзисторов и "земляной" шиной.

Элементы трансформатора импедансов L11... L13 выполнены в виде проводящих проводников на печатной плате. Каждый из конденсаторов С18, С19 и С21 трансформатора импедансов представляет собой параллель­ное соединение нескольких включен­ных параллельно дисковых керами­ческих конденсаторов. Та­кое включение позволяет использовать трансформатор импедансов при вы­ходной мощности усилителя до 40 Вт. Для получения большей выходной мощности необходимо использовать импортные конденсаторы с большой допустимой реактивной мощностью, которые, к сожалению, довольно труд­но приобрести. Другим возможным вариантом является изготовление ча­сти печатной платы, на которой распо­ложены L12 и L13, на основе керами­ческой подложки толщиной 1...2 мм, которая прижимается к основанию с использованием теплопроводной па­сты для отвода тепла от конденсато­ров С18, С19и С21.

Терморезистор R21 схемы термоза­щиты устанавливается в отверстии печатной платы и приклеивается к ос­нованию эпоксидным клеем.

Направленный ответвитель Н02 вы­полнен в виде отрезка провода диамет­ром 0,5...1 мм и длиной 15 мм, кото­рый расположен на расстоянии 3...5 мм над полосковой длинной линией, иду­щей от Н01 к выходу усилителя.

Свечение светодиода VD6 свиде­тельствует о работе усилителя в штат­ном режиме.

Чертеж крышки усилителя приведен на рис.4, держатель низкочастотного разъема — на рис.5.

          

Настройка усилителя начинается с входного каскада. Для этого нагрузка усилителя через разделительный кон­денсатор подключается к коллектору транзистора VT2 (рис 1). Вместо рези­стора R7 запаивается 2-ваттный рези­стор сопротивлением 10 Ом, и подбо­ром сопротивления резистора R12 ус­танавливается ток покоя транзистора, который может составлять 0,1 - 0,2 А. Двухваттный резистор необходим для защиты транзистора VT2 при возмож­ном самовозбуждении схемы во вре­мя настройки. Подбором емкости кон­денсатора СЗ устанавливается цент­ральная частота полосы пропускания каскада, а емкость конденсатора С2 влияет на ширину полосы пропуска­ния. Чем больше емкость этого кон­денсатора, тем шире полоса пропус­кания. Увеличение емкости конденса­тора СЗ приведет к понижению цент­ральной рабочей частоты.

После настройки входного каскада к нему подключается предоконечный каскад, в котором предварительно вместо индуктивности L5 впаивается 2-ваттный резистор сопротивлением 10 Ом. Настройка этого каскада про­изводится аналогично настройке вход­ного каскада. Однако, в отличие от входного каскада, в предоконечном каскаде после его настройки устанав­ливается дополнительный конденса­тор С11, что на 2...4 дБ повышает ко­эффициент усиления. Индуктивность выводов этого конденсатора приводит к значительному ухудшению характе­ристик усилителя. К сожалению, беэындуктивные конденсаторы типа К10-17 не допускают перепайки, по­этому конденсатор С11 реализован в виде параллельного соединения двух дисковых керамических конденсато­ров примерно одинаковой емкости, выводы которых укорочены до мини­мума.

Оконечный каскад усилителя на­страивается аналогично предоконеч- ному Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к коллекто­ру транзистора, а к выходу трансформатора импедансов С18, С19, С21, L11 ..L13. Токи покоя транзисторов VT3 и VT5 должны находиться в пре­делах 0,1...0,5 А. Если они отличают­ся от указанных, следует изменить сопротивление резистора R12.

После формирования амплитудно- частотной характеристики УМ, кото­рое ведется в режиме малого сигна­ла, резистор R12 выпаивается из схе­мы, и на вход усилителя подается амплитудно-модулированный сигнал. На этом этапе следует убедиться в отсут­ствии самовозбуждения усилителя при различных уровнях входного сиг­нала. В случае самовозбуждения сле­дует параллельно индуктивностям L4 и L8 подключить резисторы сопротив­лением 24...30 Ом. Это приведет к не­которому уменьшению выходной мощ­ности усилителя, однако значительно повысит надежность его работы. На фотографиях, приведенных на первой странице обложки, можно видеть, что индуктивности L4 и L8 намотаны на резисторах сопротивлением 27 Ом и мощностью 0,5 Вт.

На следующем этапе настройки УМ 10-омные резисторы в коллекторных цепях транзисторов VT2, VT3 и VT5 за­меняются элементами, указанными на схеме (R7, L5, L9), и измеряется мак­симальная выходная мощность усили­теля. Варьируя в небольших пределах емкости конденсаторов С18, С19 и С21 трансформатора импедансов, не­обходимо подстроить усилитель на минимум потребляемого тока при вы­ходной мощности 40 Вт. Правильно настроенный усилитель при выходной мощности 40 Вт должен потреблять ток 5 7 А. Изменением емкостей кон­денсаторов С18, С19 и С21 можно по­высить выходную мощность усилите­ля до 70.. 80 Вт, но в этом случае ука­занные конденсаторы через 1...2 мин непрерывной работы неизбежно "вы­горят".

Затем, изменяя сопротивление ре­зистора R1, устанавливают порог сра­батывания схемы защиты от перегруз­ки по входу. Например, уменьшение сопротивления резистора должно при­водить к резкому падению выходной мощности УМ при неизменном уров­не входного сигнала.

При работе на стандартную нагруз­ку 50 либо 75 Ом и выходной мощно­сти 40 Вт на выходе детектора, выпол­ненного на диоде VD4, выпрямленное напряжение должно быть не более 0,1...0,2 В. В противном случае сле­дует так подобрать сопротивление балластного резистора R18 направ­ленного ответвителя Н01, чтобы это напряжение было минимальным.

Далее при выходной мощности 40 Вт параллельно стандартной на­грузке 50 Ом периодически подключа­ется 2-ваттный резистор сопротивле­нием 50 Ом, и подбором сопротивле­ния резистора R15 устанавливается порог срабатывания схемы защиты от холостого хода и короткого замыкания в нагрузке. Если сопротивление рези­стора подобрано правильно, подклю­чение дополнительного двухваттного резистора сопротивлением 50 Ом к выходу усилителя должно приводить к небольшому уменьшению потребля­емого усилителем тока. В этом слу­чае короткое замыкание в нагрузке или ее отсутствие будут сопровож­даться уменьшением тока потребле­ния в 4...8 раз.

Изменяя напряжение питания в пре­делах 13.. 16 В, следует убедиться, что в определенный момент происхо­дит резкое падение выходной мощно­сти и потребляемого усилителем тока, связанное со срабатыванием защиты от превышения напряжения питания.

В последнюю очередь необходимо подбором сопротивления резистора R20 установить температуру срабаты­вания схемы термозащиты. Чтобы термозащита не мешала настраивать усилитель, диод VD7 следует устано­вить только перед настройкой схемы термозащиты.

Литература

1.   Титов А.А. УКВ-усилитель мощно­сти с защитой от перегрузок. — Радио- мир. KB и УКВ. — 2002, N10, С.17-18.

2.   Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавно- го транзисторного усилителя мощно­сти. — Радиотехника, 1987, N1, С.29. .31.

3.   Широкополосные радиопередаю­щие устройства. Под ред. О.В.Алексе­ева. — М.: Связь, 1978.

4.   Знаменский А.Е. Таблицы для расчета трансформаторов сопротив­лений в виде фильтров нижних час­тот. — Техника средств связи Сер. Техника радиосвязи, 1985, N1, С.99...110.