E.MAHAHKOB, RA3QBV, г Воронеж

                                                            Ламповыи двухтактный ШПУ

В настоящее время усилительная и приемо-передающая аппаратура кон­струируется, как правило, на полупро­водниковых приборах. Радиолампы применяются в том случае, когда по­требители считают, что параметры лампового устройства лучше, чем по­лупроводникового. По этой причине по сей день разрабатываются конструк­ции аудиотехники, где радиолампы, по­мимо своего прямого назначения, ис­пользуются как декоративное оформ­ление, входящее в дизайн конструкции.

Однако для большинства радиоспор­тсменов-коротковолновиков, когда требуется получить от передатчика вы­ходную мощность более 100 Вт, лам­повые усилители мощности действи­тельно являются оптимальными уст­ройствами, т.к. они просты в изготов­лении, надежны и устойчивы в работе.

Как правило, усилители мощностью 200 Вт и более конструируют по однотактной схеме на лампах средней и большой мощности. Для увеличения выходной мощности лампы часто со­единяют параллельно. А вот симмет­ричные ламповые двухтактные усили­тели конструируют значительно реже.

Разумеется, однотактная схема уси­лителя проще двухтактной хотя бы по­тому, что в ней легче обеспечить со­гласование с несимметричными цепя­ми по входу и выходу. Однако наличие в выходном сигнале четных гармоник (и самой мощной — второй) не дает права говорить, что однотактная схе­ма — это лучший вариант усилителя. На вторую гармонику бесполезно рас­ходуется мощность источника питания, выделяясь в виде тепла в выходных избирательных цепях, и, к тому же, все­гда существует вероятность появления второй гармоники сигнала в нагрузке (антенне). Первая же гармоника "норо­вит" попасть в линию питающей элект­росети, создавая помехи бытовой ап­паратуре. Поэтому требуется тщатель­ная защита как сигнальной, так и электропитающей цепей от ненужных сиг­налов.

В двухтактной схеме усилителя эти недостатки выражены значительно меньше, но требуются два усилитель­ных прибора, а также симметрирова­ние по входу и выходу при работе с несимметричными нагрузками и источ­никами сигнала. Впрочем, достоинства и недостатки однотактной и двухтакт­ной схем усилителей хорошо описаны в любом учебнике по передающим ус­тройствам.

Двухтактную схему лампового КВ-усилителя в ее классическом виде можно построить на один узкий участок КВ-диапазона, но при расширении по­лосы пропускания усилителя приходит­ся сталкиваться с проблемой комму­тации входных и выходных избиратель­ных цепей и со сложностью их опера­тивной настройки.

Многие конструкторы-самодельщики пытаются решить эти проблемы и по­строить широкополосный двухтактный ламповый усилитель, простой и удоб­ный в управлении, похожий по схемо­технике на транзисторный усилитель. Например, в [1] была приведена схе­ма широкополосного двухтактного уси­лителя мощностью 130 Вт на лампах 6П42С, работающих при анодном на­пряжении 300. В Затем в [2 4] были опубликованы аналогичные схемы ламповых двухтактных ШПУ (ШирокоПолосный Усилитель). Все эти схемы, имея небольшие отличия, по сути одинаковы. Однако вряд ли они являются действительно широкопо­лосными и эффективно работают в диапазоне 3,0 30,0 МГц. Эксперимен­тальная проверка перечисленных кон­струкций показала, что они удовлетво­рительно функционируют на частотах не выше 7 МГц, имея при этом доволь­но "грязный" спектр выходного сигна­ла. По видимому, разработчики этих конструкций отнеслись к работе своих детищ излишне оптимистично.

Смешанная индуктивно-емкостная связь выходного широкополосного трансформатора (ШПТ) с П-контуром не дает физической возможности реа­лизовать П-контур на ВЧ-диапазонах при активной 50-омной нагрузке усили­теля. Даже применение в трансформа­торах сердечников из ВЧ-ферритов не обеспечивает требуемой величины связи, которая на высоких частотах хотя и увеличивается, но, тем не ме­нее, недостаточно. Дело в том, что па­раллельно эквивалентному сопротив­лению, характеризующему индуктив­ную связь, на верхних частотах подклю­чается емкостное, поэтому связь на низких частотах получается большой, а на верхних — слишком малой. Увы, это недостаток самой конструкции трансформаторов, предложенных в упомянутых выше схемах. Выходной трансформатор с неуправляемой свя­зью в этих схемах — главная причина неработоспособности ШПУ. На низких частотах для нормальной работы уси­лителя сильная связь анодной цепи ламп с нагрузкой не нужна, тогда как на верхних частотах связь надо увели­чивать.

Кроме того, радиолампы, применя­емые в двухтактных ламповых ШПУ, должны удовлетворять определенным требованиям. Здесь необходимо при­менять токовые радиолампы с боль­шими эмиссионными возможностями катода и с удовлетворительным КПД усилителя при пониженном анодном напряжении. Это необходимо для того, чтобы эквивалентное сопротивление выходной ступени усилителя было как можно меньше, т.к. лампы нагружены на трансформатор с низким волновым сопротивлением, а у двухтактного уси­лителя выходное эквивалентное со­противление ламп при одинаковых ус­ловиях вдвое больше, чем у однотакт- ного. Наиболее подходящими для этой цели являются лампы 6П36С, 6П42С, 6П44С, 6П45С, применяемые в блоках разверток телевизоров, или соответ­ствующие радиолампы в металлокерамическом исполнении.

Методом бесконечных проб и оши­бок было найдено схемотехническое решение, обеспечивающее работоспо­собность лампового двухтактного ши­рокополосного усилителя. В результа­те появилась возможность изготовить компактный, надежный, достаточно мощный широкополосный усилитель (ШПУ), имеющий небольшой вес.

Упрощенная схема усилителя приве­дена на рис.1.

 Выходной трансформа­тор типа ШПТ с индуктивной связью был заменен ШПТЛ с автотрансфор­маторной связью. В ШПТЛ легче вы­полнить отводы для оптимальной свя­зи ламп с нагрузкой. Кроме того, в этом случае можно применить сердечник меньшего размера с большой началь­ной магнитной проницаемостью.

Рабочая конструкция усилителя была выполнена по схеме с ОК на лампах 6П45С как более сложный в реализа­ции (из-за большой емкости управляю­щая сетка — катод) вариант ШПУ. Пред­лагаемый мостовой ШПУ обеспечивает выходную мощность не менее 200 Вт на активной нагрузке 50 Ом и предназ­начен для "стыковки" с трансивером, усилитель мощности которого выпол­нен по однотактной или двухтактной схеме и имеет выходную мощность 20...30 Вт. Усилитель трансивера мо­жет быть ламповым или полупровод­никовым с выходным сопротивлением 50 Ом, выход— несимметричный. Сле­дует иметь в виду, что уровень побоч­ных излучений трансивера не должен превышать установленные нормы для данной мощности. Тем не менее, вход­ная цепь лампового ШПУ сконструиро­вана так, что в определенной степени побочные излучения подавляются.

Сигнал с трансивера поступает в ШПУ (рис.2). на широкополосный трансформатор (ШПТ)типа "Бинокль" Тр1 с малой индуктивностью рассея­ния. На вторичной обмотке ШПТ вы­ходное напряжение в два раза боль­ше относительно входного, и это на­пряжение подается симметрично на схему входного моста переменного тока (мост Уитстона). Такой мост, со­стоящий из двух одинаковых активных сопротивлений и двух равных по ве­личине реактивных (емкостных), есть частный случай мостов переменного тока. Баланс этого моста не зависит от частот нечетных гармоник сигнала, тогда как для четных гармоник мост разбалансирован (мост считается разбалансированным тогда, когда в его короткозамкнутой диагонали появля­ется ток).

Мост переменного тока в данной конструкции ШПУ выполняет роль входного ФНЧ и совместно с фильт­рами выходного усилителя трансиве­ра уменьшает уровень гармоник, по­ступающих на сетки ламп ШПУ. 

В пле­чах моста (рис.3) находятся соответ­ственно активные сопротивления на­грузки R2 и R4 вторичной обмотки входного трансформатора Тр1, кото­рые обеспечивают согласование уси­лителя с трансивером, и реактивные сопротивления входных емкостей ламп Сс1=Сс2=62 пФ. Диагональ это­го моста по переменному току зако­рочена емкостью С=С2+С6=200 нФ. Если применить схему раздельного смещения на сетках ламп, то конден­сатор устанавливать не требуется, т.к. диагональ моста закорачивается галь­ванически.

Как известно, у моста переменного тока имеются две пары точек. В од­ной паре нулевую разность потенциа­лов имеют нечетные гармоники сигна­ла, питающего мост, в другой — чет­ные, т.е. в точках А и В при уравнове­шивании моста стремится к нулю раз­ность потенциалов четных гармоник, а в точках С и D — разность потенци­алов нечетных. Получается, что для первой (основной) гармоники сигнала полное входное сопротивление мос­та переменного тока больше, чем для второй (паразитной) гармоники. Сле­довательно, амплитуда напряжения второй гармоники в точках А и В мос­та будет уменьшена.

В схеме входного моста переменно­го тока происходит разделение конту­ров прохождения мгновенных токов четных и нечетных гармоник входного сигнала. Контур для мгновенных токов основной и всех нечетных гармоник сигнала показан на рис 3.

Для токов основной и нечетных гар­моник сопротивление активной ветви контура: -  R=R2+R4=200 Ом.

Сопротивление реактивной ветви контура:  

где w — круговая частота основной гармоники сигнала.

Сопротивления активной и реактив­ной ветвей контура для токов основ­ной частоты и ее нечетных гармоник включены последовательно.

Из полученного выражения для ре­активной ветви контура видно, что чем выше номер гармоники, тем сильнее входные емкости ламп шунтируют токи высших нечетных гармоник сигнала относительно основной гармоники. Следовательно, на сет­ках ламп ШПУ будет присутствовать напря­жение основной частоты сигнала с подавленными частотами выс­ших нечетных гармо­ник. Кроме того, с трансивера в усилитель поступает сигнал основной частоты с уже ослаб­ленными высшими нечетными гармо­никами. Контуры для мгновенных токов второй и всех четных гармоник сигнала показаны на рис.4, из кото­рого видно, что мгновенные токи чет­ных гармоник будут замыкаться через емкости С_С1, С_С2 и С, причем в точках А и В будет одинаковый потенциал четных гармоник, и плечи моста ока­жутся соединенными параллельно:

 

Очевидно, что сопротивление вет­вей контура для токов четных гармо­ник уменьшается — как для активной, так и для реактивной (вследствие увеличения емкости ветви). Полное входное сопротивление усилителя для второй гармоники в 6 раз мень­ше, чем для основной частоты. Сле­довательно, присутствующие во вход­ном сигнале побочные продукты — вторая и все последующие четные гармоники — ослаблены не менее чем на 15 дБ. К тому же, мгновенные токи четных гармоник через емкости сетка-катод ламп "стекают" на общий провод, доводя общее ослабление этих гармоник до уровня не менее 20 дБ от­носительно основного усиливаемого входного сигнала.

При недостаточной симметрии схе­мы все же токи основной частоты и нечетных гармоник затекают в диаго­наль моста на конденсатор С и на об­щий провод, однако сила этих токов будет невелика и равна разности то­ков плеч моста (рис.3). В итоге, мос­товой симметричный вход двухтактно­го лампового ШПУ обладает опреде­ленными фильтрующими свойствами.

На входе двухтактного усилителя должна быть точка с нулевым потен­циалом, относительно которой пода­ется противофазное напряжение на сетки ламп.

В усилителях низкой частоты для этой цели используют середину вто­ричной обмотки входного трансфор­матора. Во входном ШПТ в середине вторичной обмотки существует точка нулевого потенциала, но ее не следу­ет использовать для организации мо­ста переменного тока в усилителях радиочастот. На высоких частотах из- за конструктивной емкости самого ШПТ электрическая середина вторич­ной обмотки не совпадает с геомет­рической. К тому же, симметричный вход ШПУ при соединении средней точки вторичной обмотки входного ШПТ с общим проводом делится на два несимметричных с неодинаковы­ми напряжениями, и все преимуще­ства симметричного входа нивелиру­ются. По этой причине геометричес­кую середину обмотки нельзя соеди­нять с общим проводом, а определить электрическую — невозможно, и в этом нет необходимости, т.к. среднюю точку можно организовать искусствен­но. Для этого используются резисто­ры R2 и R4 активной нагрузки входно­го трансформатора Тр1 (рис.1 и 2).

К выходным цепям мостового ШПУ предъявляются такие же жесткие тре­бования, как и к входным. В эквива­лентной схеме моста переменного тока выходной цепи активные сопро­тивления R2 и R4 заменяются внут­ренними сопротивлениями ламп, кон­денсатор в диагонали моста — кон­денсатором, блокирующим источник питания 600 В, и дросселем Др1, входные емкости ламп C_c1 и С_с2 — индуктивностями проводов коротко- замкнутой линии выходного ШПТЛ Тр2. Выходной мост переменного тока, как и входной, подавляет побоч­ные продукты, возникающие в про­цессе усиления.

Индуктивное сопротивление линии для высших нечетных гармоник вели­ко, что вызывает относительное ос­лабление их токов. Как и для входно­го ШПТ, блокировать короткозамкнутый конец линии ШПТЛ Тр2 емкостью на общий провод нельзя.

Усиленный сигнал с анодов ламп поступает в короткозамкнутую на кон­це линию ШПТЛ Тр2, а затем через соответствующую группу контактов галетного переключателя он ответвля­ется на симметрирующий трансфор­матор-линию ТрЗ, который осуществ­ляет переход от симметричной линии в несимметричную. Через конденса­тор С8 сигнал подается на П-контур.

Кабель, соединяющий конденсатор С8 с переключающей галетой П-контура — 50-омный с фторопластовой изоляцией. Он имеет минимальную длину (7...10 см). П-контур компенси­рует внесенные реактивности анод­ных цепей ламп, осуществляет допол­нительную фильтрацию сигнала и при­водит выходное сопротивление ШПУ к 50 Ом. Для уменьшения габаритов П-контура низкодобротный ФНЧ сде­лан на дискретных элементах (для каждого КВ-диапазона — свой). ФНЧ настраивается при наладке на актив­ную нагрузку 50 Ом, и в процессе ра­боты в эфире не перестраивается.

С выхода П-контура сигнал посту­пает на встроенный в ШПУ КСВ-метр и через выносное согласующее уст­ройство — в антенну.

Входной трансформатор ШПТ Тр1 типа "Бинокль" выполнен на ферритовых кольцах К10x6x4,5 проницае­мостью 1000 (по 10 колец на "коле­но"). Первичная (входная) обмотка из­готовлена из оплетки коаксиального кабеля, в которую вставлен отрезок 50-омного коаксиального кабеля в по­лиэтиленовой изоляции с внешним диаметром около 4,5 мм. Выводы входной и выходной обмоток выведе­ны с противоположных концов "Би­нокля". "Колена" трансформатора, составленные из ферритовых колец, разделены стеклотекстолитовой изо­ляционной прокладкой и туго стяну­ты лентой из стеклоткани. Централь­ная жила 50-омного кабеля соединя­ется последовательно с экранной оп­леткой этого кабеля. Свободные кон­цы — экранная оплетка и централь­ная жила коаксиального кабеля — яв­ляются выводами вторичной, повы­шающей обмотки входного трансфор­матора.

Применять в качестве входного трансформатора обычный, намотан­ный проводами на ферритовом коль­це, бесполезно. Сравнительно боль­шая индуктивность рассеяния такого трансформатора сильно влияет на его АЧХ. Такие ШПТ хорошо работа­ют на емкостную нагрузку в том слу­чае, когда требуется понизить, а не повысить выходное напряжение (со­противление).

Даже изготавливая "Бинокль", сле­дует придерживаться правила: реак­тивное емкостное сопротивление на самой высокой частоте усиливаемо­го диапазона частот должно быть больше или примерно равно активно­му сопротивлению, на которое нагру­жена вторичная обмотка ШПТ. Ампли­туда напряжения на выходе ШПТ при этом почти не зависит от частоты сиг­нала в пределах КВ-диапазона.

(Окончание следует)