АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Часть 1. Блоки УКВ аппаратов.

Статья 9. Усилители мощности УКВ-передатчиков

При создании транзисторных усилителей мощности для УКВ необходимо всегда помнить о существовании следующих проблем.

1. Перед тем, как включать подачу питания на выходной каскад УМ, необходимо проверить правильность подключение антенны к выходу УМ. Если вы забыли подключить антенну или подключили антенну с другой величиной вход­ного сопротивления, то выходной транзистор моментально выйдет из строя. Для выходных каскадов УМ, выполненных на радиолампах, этой проблемы не существует.

2. Любительским радиостанциям всех категорий на УКВ диапазонах разрешено работать с выходной мощностью не более 5 Вт. Работать на УКВ с выходной мощностью более 5 Вт можно только при наличии специального разрешения.

  Диапазон 145 МГц

  Классическая схема УМ

  Приведенная на рис. 9.1 принципиальная схема УМ на диапазон 145 МГц названа мною «класси­ческой» по той причине, что в этой схеме нет ничего лишнего, она легко настраивается и удобна для изготовления. УМ по этой или анало­гичных схемах применены во многих радиолю­бительских конструкциях. Единственный, на мой взгляд, недостаток этой схемы в том, что отсутствуют элементы защиты транзистора выходного каскада.

Усилитель обладает хорошей линейностью, без искажений усиливает AM и SSB сигналы.

   Сформированный в предварительном смеси­теле телеграфный, AM или SSB сигнал через переходный конден­сатор С16 поступает на полосовой фильтр, состоящий из контуров L8C15 и L7C13, настроенный на час­тоту 145 МГц. Дальнейшее усиле­ние отфильтрованного сигнала осуществляется трехкаскадным линейным усилителем с общим коэффициентом усиления около 33 дБ.

   Первый каскад усиления собран на транзисторе VT3, работающем в режиме класса А. Для улуч­шения фильтрации побочных излучений тран­зистор слабо связан со входным контуром L7C13 и с выходным контуром L6C10. Повышение нагруженной добротности контуров получено за счет снижения коэффициента передачи, поэтому усиление первого каскада невелико.

   Основное усиление обеспечивается вторым каскадом, выполненным на транзисторе VT2 типа КТ911Б. В данном каскаде также исполь­зован режим класса А, что позволило при хоро­шей линейности получить высокий коэффициент усиления, около 20 дБ. Для согласования предоконечного и оконечного каскадов служит П-образный контур L4C5C6C7.

   Оконечный каскад работает в режиме класса АВ. Необходимое смещение на базу транзистора VT1 типа КТ907 поступает с делителя напряже­ния R2, R3 через дроссель L3. Для уменьшения опасности самовозбуждения (так называемых дроссельных автоколебаний) вывод этого дрос­селя, подключенный к делителю напряжения, не заблокирован емкостью. Согласование оконеч­ного усилителя с антенной обеспечивает контур L1C1C2. В усилителе мощности отсутствует какое-либо специальное устройство защиты выходного транзистора, поэтому следует избе­гать случаев работы выходного каскада на сильно рассогласованную нагрузку.

   При подборе деталей для УМ полезно учесть, что номиналы большинства конденсаторов не­критичны. Это прежде всего относится к блоки­ровочным конденсаторам, стоящим в цепях пи­тания. Все эти конденсаторы работают на час­тотах выше частоты собственного резонанса, где определяющую роль играет не емкость конден­сатора, а его паразитная индуктивность. Поэто­му емкость этих конденсаторов можно менять в пределах от 500 до нескольких тысяч пикофа- рад. Некритичны также емкости разделительных конденсаторов, осуществляющих связь транзис­торов с резонансными контурами. Их значение можно без ущерба изменять по крайней мере в пределах от -50 до + 100%.

   Дроссели L2, L3 и L5 бескаркасные, изготовле­ны из провода ПЭВ-2 0,3 длиной 150 мм. Провод намотан на оправку диаметром 2,5 мм. Катушки LI, L4, L6, L7 и L8 бескаркасные, намотаны на оправке диаметром 9 мм посеребренным про­водом диаметром 0,8 мм. Катушки L1 и L4 имеет три витка, длина намотки 7 мм. Катушки L6, L7 и L8 имеют по четыре витка при длине намотки 13 мм. Места для отводов у катушек L7 и L8 нужно выбрать как можно ближе к заземленному концу катушки. У катушки L6 отводы делаются пример­но от середины, У всех этих катушек точные расположения мест отводов выбираются при настройке.

В УМ применены конденсаторы типов КМ и КТ, резисторы МТ и МЛТ.

   УМ должен монтироваться в корпусе с экран­ными перегородками. Если в схеме УМ вместо катушек L6, L7 и L8 использовать специальные четвертьволновые резонаторы, предложенные С. Жутяевым [1], то перегородки не нужны.

Настройка УМ 145 МГц

Настройку любой конструкции рекомендуется начинать с проверки правильности монтажа.

   При настройке УМ сначала необходимо уста­новить режимы транзисторов по постоянному току. С помощью резистора R8 устанавливается режим транзистора VT3. Напряжение на коллекторе VT3 должно быть равно +9 В (ток коллектора 20 мА). При регулировке начального тока предоконечного и оконечного транзис­торов лучше измерять постоянное напряжение на коллекторе не относительно земли, а относительно плюсового провода. Падение напряжения на резисторе R4 должно равняться 4 В (100 мА), а на резисторе R1—0,2 В (40 мА).

    После этого напряжение питания от транзисторов VT1 и VT2 необходимо временно отключить.

    Теперь можно приступить к настройке резо­нансных контуров. При этом резонансные конту­ра L8C15, L7C13 и L6C10 настраиваются на час­тоту 145 МГц. Настройка осуществляется с помощью высокочастотного вольтметра (или пробника), поочередно подключаемого к данным контурам.

   В последнюю очередь нужно перейти к настройке двух последних каскадов усилителя мощности. Перед этим, во избежание выхода из строя транзистора VT1, выход УМ необходимо подключить к нагрузке, соответствующей волно­вому сопротивлению фидера. Такую нагрузку можно изготовить самостоятельно, соединив параллельно несколько двухваттных резисторов типа МЯТ. Это могут быть, например, четыре резистора по 300 Ом, если предполагается использовать фидер с волновым сопротивлением 75 Ом, или шесть резисторов по 300 Ом, если сопротивление фидера 50 Ом. Схема эквива­лента нагрузки будет описана в статье, посвя­щенной описанию измерительной аппаратуры. Эквивалент нагрузки снабжен диодным детек­тором, позволяющим контролировать выходную мощность передатчика.

   Нагрузочные резисторы и детектор поме­щаются в небольшую металлическую коробочку, снабженную высокочастотным разъемом. Резис­торы, составляющие эквивалент нагрузки, рас­полагаются в виде звезды относительно разъема и должны иметь минимальную длину выводов. Если детектор снабдить собственным стрелоч­ным индикатором, то мы получим автономный прибор -простейший измеритель мощности.

   После того как эквивалент нагрузки подключен к выходу УМ и подано напряжение питания на последние два каскада, приступают к настройке контура L4C6. Настройка производится по максимуму коллекторного тока транзистора VT1. Перед этим транзистор VT1 надо максимально связать с нагрузкой, т.е. конденсатор С1 установить на максимум емкости, а конденсатор С2 - на минимум. Коллекторный ток транзистора VT1 может достигать 500 мА и более. Если напряжение возбуждения недостаточно, то полезно еще раз подстроить все предварительные каскады, а также несколько уменьшить емкости конденсаторов С5 и С7. Настройка выходной цепи производиться по максимуму показаний индикатора мощности. При этом надо учесть, что чем больше емкость конденсатора С2, тем слабее связь с нагрузкой. При слабой связи и максимальном уровне возбуждения возможен переход транзистора в сильно перенапряженный режим, при котором возникает опасность выхода транзистора из строя. Поэтому таких режимов следует избегать.

Двухтактный УМ

   Непривычная схема двухтактного усилителя мощности на диапазон 145 МГц была опубли­кована в одном из зарубежных радиолюбительских журналов.

На рис. 9.2 показана принципиальная схема этого экономичного оконечного усилителя люби­тельского передатчика диапазона 145 МГц. Уси­литель собран по двухтактной схеме и работает в режиме класса В, но не содержит, как обычно, на входе и выходе трансформаторов с отводом от середины обмотки (бестрансформаторная двухтактная схема).

   Объясняется это тем, что усилитель собран на комплементарных транзисторах, подобно око­нечным узлам усилителей НЧ. Начальное сме­щение на базах транзисторов VTI и VT2 отсут­ствует (по постоянному току базы соединены с эмиттерами через дроссели Др1 и Др2.

   Катушки индуктивности L1 и L2 совместно с конденсаторами С2 и С4 образуют резонансные контуры, настроенные на частоту 145 МГц. Конденсатором С1 устанавливают оптимальную связь с предварительным усилителем.

   На выходе оконечного усилителя катушки L5, L6 и конденсатор С7 образуют выходной колеба­тельный контур, настроенный на частоту 145 МГц. Конденсатором С8 устанавливают опти­мальную связь усилителя с антенной.

   Катушки L1 и L2 должны содержать по 3,5 витка медного посеребренного провода диамет­ром 1 мм. Диаметр намотки — 8 мм, шаг — 1 мм. Катушки L5 и L6 — по 5 витков того же провода и выполнены аналогично. Каждый из дросселей Др1...ДрЗ выполнен из куска провода ПЭЛ 0,3 длиной 30...35 мм. Провод наматывается на резистор с величиной сопротивления более 100 кОм или на пластмассовую трубочку диамет­ром 4...6 мм.

   При повторении усилителя можно использовать отечественные транзисторы КТ914А (VTI) и КТ904 (VT2).

Амплитудная характеристика усилителя при подводимой мощности от 50 до 250 мВт практи­чески линейна. Выходная мощность при этом изменяется от 0,48 до 2,24 Вт.

УМ с защитои

   В городе Томске живет Александр Анатоль­евич Титов, который разработал много различных схем и конструкций усилителей мощности для УКВ диапазонов. Описание этих разработок можно найти и в Интернете, и в радиолюбительских журналах. Особен­ностью разработанных им УМ является то, что все они снабжены защитой от раз­личных видов перегрузок [2].

    Ниже располагается немного сокращенное описание конструкции и принципиальная схема разработанного А. Титовым УМ на диапазон 142...148 МГц.

Изготовление УМ для УКВ диапазонов в любительских условиях требует большого внимания и знание особенностей, характерных для УМ этих диапазонов.

   Не зная особенностей изготовления и настройки транзисторных усилителей мощности на частоты 144... 146 МГц трудно осуществить их реализацию без того, чтобы не сжечь массу мощных дорогих транзисторов, и таким образом приобретая дорогой опыт работы с ними.

Основные технические характеристики УМ:

•  максимальная выходная мощность 40 Вт;

•  полоса рабочих частот        140... 150 МГц;

•  коэффициент усиления           30 дБ;

•  напряжение питания     13,8 В;

•  потребляемый ток в режиме молчания 0,25 А;

•  максимальный потребляемый ток 7 А;

*  при коротком замыкании либо отключении нагрузки потребляемый усилителем ток уменьшается до    1...2 А;

•  входное сопротивление и сопротивление нагрузки          50 либо 75 Ом;

•  габаритные размеры корпуса усилителя......... 205x105x40 мм

   Рассмотрим особенности изготовления и настройки трехкаскадного УМ, в котором исполь­зованы доступные комплектующие изделия, имеющего полосу пропускания 140...150 МГц, выходную мощностью 40 Вт и коэффициент усиления 30 дБ. Принципиальная схема УМ приведена на рис. 9.3. Усилитель содержит входной резистивный делитель напряжения, три каскада усиления, трансформатор сопротивлений, стабилизатор напряжения базового смещения, защиту от перегрузки по входу, термозащиту, защиту от холостого хода и короткого замыкания нагрузки, защиту от превышения напряжением питания номинального значения.

   Резистивный делитель напряжения, стоящий на входе усилителя и выполненный на резисторах R1 и R3, обеспечивает согласование УМ с сопротивлением генератора. Все каскады УМ, выполненные на транзисторах VT2, VT3 и VT5,

   работают в режиме с отсечкой коллекторного тока. Стабилизация угла отсечки обеспечивается стабилизатором напряжения базового смещения на транзисторах VT4 и VT6. Требуемый угол отсечки устанавливается подбором номинала резистора R12, стоящего в цепи базы тран­зистора VT6. При отсутствии резистора R12 коллекторные токи каждого из транзисторов VT2, VT3 и VT5 составляют 10...40 мА. При подключении R12 напряжение на базе транзис­тора VT6 уменьшается и его выходное сопротив­ление по постоянному току растет, что приводит к увеличению базового смещения транзисторов VT2, VT3, VT5 и 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, уменьшая, тем самым, коэффициент усиления УМ. В случае полного от­крывания транзистора VT1 напряжение базового смещения оказывается равным нулю и коэф­фициент усиления УМ уменьшается до 2...5 дБ.

   В УМ использованы полосовые межкаскадные корректирующие цепи третьего и пятого порядков, обеспечивающие высокие технические характеристики усилителя и обладающие простотой конструктивной реализации и настройки.

   Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает макси­мальную мощность, составляет единицы Ом. Поэтому на выходе усилителя включен трансформатор импедансов с коэффициентом трансформации 1:25, выполненный в виде фильтра нижних частот шестого порядка и со­стоящий из элементов C18,C19,C21,L11,L12,L13.

   С целью сохранения работоспособности УМ при подаче на его вход сигналов с амплитудой боль­ше номинального значения, в усилителе уста­новлен детектор с удвоением напряжений на диодах VD1 и VD2, выходное напряжение кото­рого пропорционально уровню входного воз­действия. При превышении входным сигналом определенного значения выпрямленное детек­тором напряжение открывает транзистор VT1, уменьшая коэффициент усиления УМ. Порог срабатывания защиты по входу устанавливается выбором номинала резистора R1.

   С увеличением рассогласования нагрузки уси­лителя с его выходным сопротивлением увели­чивается напряжение, снимаемое с выхода отра­женной волны направленного ответвителя Н01. Это напряжение детектируется детектором на диоде VD4 и, открывая транзистор VT1, при­водит к уменьшению коэффициента усиления УМ. Поэтому 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. В рабо­чем диапазоне частот усилителя переходное затухание Н01 равно 30 дБ. Порог срабатывания схемы защиты от рассогласования усилителя по выходу устанавливается выбором резистора R15. В качестве изолятора Н01 может быть исполь­зован деревянный цилиндр. Защита от превы­шения напряжением питания номинального зна­чения выполнена на стабилитроне VD3. Уста­новка схемы термозащиты, выполненной на транзисторе VT7, на заданную температуру срабатывания осуществляется с помощью резистора R20.

    Диод VD8 установлен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе полярности напряжения питания.

Тяпичев Г.А.

Продолжение следует...

Литература:

1. С.Жутяев «Любительская УКВ радиостанция»,

   Москва, «Радио и связь», 1981 год.

2. Титова. "Усилитель мощности диапазона 140...150МГц", 

    ж. "Радиомир. KB и УКВ" №4 за 2004 год, стр. 18.