Усилители мощности УКВ UR5LAK
Усилитель мощности 144 МГц на двух ГУ34Б
Борис Андрющенко UT5TA подарил частично разобранный блок усилителя мощности (УМ) от радиостанции тропосферной радиорелейной связи Р-122. В нем было две лампы ГУ34Б работающие в параллель с плавно перестраиваемым диапазоном частот от 30 до 70 МГц. Кстати, незаменим на 28 и 50 МГц. На метровых волнах такой усилитель мощности дает наилучшие результаты.
Было решено переделать усилитель мощности на двухтактную схему, используя готовую конструкцию УМ. Общие принципы, которые необходимо соблюдать при построении любительских УМ, следующие: нужно соблюдать паспортный режим, нельзя превышать напряжение на второй сетке, выдерживать напряжение накала. Пониженное напряжение накала уменьшает срок службы лампы.
При двухтактной схеме включения ламп начальная емкость двух ламп не складывается, как при параллельном включении, а последовательное включение входной и выходной емкостей лампы к соответствующим контурам, что уменьшает начальную емкость контура. Если рассмотреть эквивалентную схему, то начальная емкость в двухтактной схеме в четыре раза меньше чем при работе ламп в параллель. Двухтактные УМ имеют более высокую линейность и экономичность, по сравнению с однотактными.
Недостатки – требуются сдвоенные переменные конденсаторы.
Хотя однотактные схемы усилителей мощности проще двухтактных схем, легче согласуются с несимметричными цепями по входу и выходу, но имеют в выходном сигнале четные гармоники. На вторую гармонику бесполезно расходуется мощность.
В двухтактных схемах усилителей эти недостатки выражаются значительно слабее, но при этом требуется симметрирование по входу и выходу, требующие подбор близких по параметрам ламп.
Изучены многие материалы зарубежных публикаций. Получены схемы и описания от ведущих радиолюбителей страны и зарубежья. Изучены двухтактные схемы на лампах 4CX-250B, 4CX150A, 4X250B, 8122, 4CX300A, 4CX250K, ГУ-70Б, ГИ7Б.
За основу части данной разработки была взята схема [1].
Имеется несколько проблем связанных с популярным киловаттным усилителем [1].
Трудность получения хорошо работающего винто-ползункового механизма и критичность настройки выходной цепи. Очень большие токи текут через винтовой контакт конденсатора, ползунки приводят к коррозии и порче. Пластины ротора и статора в местах пайки нагревались до очень высокой температуры, плавился припой и конденсатор разрушался. Проблема решается путем использования полностью изолированного ротора конденсатора настройки анода. Хотя диапазон настройки в этом случае меньше, он вполне достаточен при правильных размерах линии L5. С11 – конденсатор с поворачивающимся изолированным ротором, предложен Ian White G3SEK [2].
Основные технические данные усилителя мощности
- класс работы усилителя — АВ1-SSB и С-CW;
- входное сопротивление — 50...75 Ом;
- выходное сопротивление — 50...75 Ом;
- напряжение анода — 1500 В с изменением ступенями через 250 В;
- мощность, отдаваемая УМ в антенну, составляет 1000 Вт;
- КПД усилителя — 60...65%;
- мощность возбуждения — 30…40 Вт.
После многих экспериментов конструкция приобрела следующее схемное решение.
Схема изображена на рис.1.
Входной сигнал через разъем XW1, петлю связи L1, резонансные линии L2-1, L2-2 подается противофазно на управляющие сетки ламп VL1, VL2. Симметрирование каскада осуществляется подстроечными конденсаторами в цепи сеточной линии С2, С4. Конденсатор С3 дифференциальный, с его помощью линий L2-1, L2-2 настраивается в резонанс на нужную частоту. Дифференциальные конденсаторы имеют два изолированных статора, выводы которых соединяют с резонансной линией и общий ротор, который соединяют с корпусом. Поворот ротора позволяет симметрично изменять емкости обеих половинок конденсатора.
Это типичная схема усилителя мощности с последовательным питанием. В данной схеме применен переменный конденсатор с изолированным ротором в анодном контуре.
Анодное напряжение на лампы VL1 и VL2 подается через дроссель L7 на L5 и далее на аноды ламп.
Данные лампы в УМ зарекомендовали себя, как надежные и устойчивые в работе.
Смещение на каждую лампу УМ регулируется отдельно. Подстроечными резисторами R3 и R8 точно устанавливается рабочее смещение на первых сетках ламп. Это сделано для того, что бы при разбросе вольтамперных характеристик ламп, выставить одинаковый ток покоя каждой лампы.
Напряжение смещения в режиме SSB снимается со стабилитрона VD1, а при CW со стабилитрона VD2. Нужный режим включается тумблером SA1 в блоке УМ.
Резисторы R4 и R9 цепь измерения тока первой сетки. Схема состоит из измерительного прибора РА1 и переключателя SA2.1 и SA2.2.
Питание на экранирующую сетку подается со стабилизатора экранного напряжения +500 В. Фильтр С1-С4, Др1, где электролитические конденсаторы большой емкости. Резистор R14 цепь измерения тока второй сетки. Резисторы в цепях катодов R12 и R13 служат для контроля (при наладке) тока каждой лампы.
Собрана схема защиты ламп VL1 и VL2 от перегрева, который возможен при повышенном тепловыделении на анодах ламп. Для защиты ламп VL1 и VL2 от перегрева при нестандартных ситуациях применяются биметаллические датчики SF1, SF2, которые размещены над анодами ламп. При повышении температуры воздуха, соответствующей максимально допустимой температуре анода, контакты термодатчиков разрывают цепь, срабатывает реле К2, контактами К2.1 блокирует передачу.
Реле К3 переключает антенну с приемника на выход УМ.
Охлаждается каждая лампа вентиляторами BL1, BL2.
В режиме усиления при передаче на вентиляторы подается напряжение сети 220 В.
А во время приема часть напряжения сети падает на гасящем резисторе R15, которое включается в работу контактами реле К1.2. При питании вентиляторов пониженным напряжением, шум заметно меньше.
При работе в CONTESTе на полную мощность вентиляторы обеспечивают запас по воздуху. Вентиляторы BL1 и BL2 расположены на стенке напротив ламп и нагнетают воздух. При работе отключается эконом-режим вентиляторов тумблером SA2 в блоке УМ. Для достижения максимальной мощности УМ, превосходящей паспортную, придется сделать форсированный обдув ламп – добавив еще пару вентиляторов. Сделав дополнительно обдув со стороны катодов ламп.
Максимальную мощность можно получить только подобрав лампы с одинаковыми характеристиками. При работе с максимальной мощностью требуется повышенная мощность возбуждения УМ.
Данный УМ раскачивается двухтактным усилителем мощности на ГУ-29.
Блок питания
БП был выполнен в отдельном корпусе. Конструкция УМ отдельно от БП, позволяет легко модернизировать любой узел блока, не затрагивая другой. БП находится под столом, компактный УМ в удобном месте. БП выполнен по упрощенной схеме без автоматики на включение и выключение.
Принципиальная схема БП изображена на рис.2. В БП применены три трансформатора Т1, Т2, Т3, в сетевые обмотки включены предохранители FU1-FU3. Имеется возможность ступенчатого изменения анодного напряжения. Что делается переключателями SA4, SA7 (переключать без нагрузки!). Кроме того, одна из вторичных обмоток трансформатора Т3 разбита на две отдельные одинаковые обмотки, что также дает возможность изменять анодное напряжение. Для упрощения анодный выпрямитель построен по схеме с последовательным включением выпрямителей.
Контрольная лампочка HL1 служит для контроля включения Т1, HL2 трансформатора Т2 управляющего напряжения, HL3 Т3 анодного напряжения.
Напряжение накала ~12,6 В, напряжение смещения - 82 В и экранное напряжение +500 Вст получены от трансформатора Т1.
От Т2 напряжение управления +24 В.
Диодные мосты VD13-VD17 и сглаживающие конденсаторы С8-С12 служат для получения высокого напряжения от трансформатора Т3.
Каждый электролитический конденсатор БП зашунтирован резистором МЛТ-2 100-300 кОм для их разряда после выключения БП. Для упрощения схемы на рис.2 они не показаны.
Прибор PA1 служит для контроля анодного тока. Он имеет два предела измерения тока 1 А и 0,5 А. Переключаются шунты R5ш и R6ш с помощью тумблера SA6.
БП для данного УМ в авторском варианте используется так же для питания усилителя мощности на КВ выполненного на двух лампах ГК71. Подключены к БП одновременно УМ на УКВ и УМ на КВ. Это позволяет оперативно включать нужный усилитель, используя один БП, одновременно держа оба УМ в дежурном режиме.
Розетки XS2 и XS3 служат для подключения дополнительных устройств.
Порядок подачи напряжений в УМ.
При включении БП тумблером SА1 включается обдув. Затем тумблером SA2 накал ламп, запирающее напряжение и экранное. Делается пятиминутная пауза и только после этого тумблером SA3 включается анодное напряжение. При выключении снятие напряжений производится в обратном порядке. Обдув выключается через пять минут после снятия напряжения накала. Не все напряжения БП используются с данным УМ.
Конструкция
Внешний вид УМ показан на рис.3.
Гнезда XW1, XW2, XW3 предназначены для подключения предварительного УМ, антенны и разъема входа приемника.
Режим «Обход» в УМ отсутствует т.к. он не предназначен для проведения местных связей.
На реле К3 РЭВ15 непосредственно одним концом подключена катушка связи L4.
Во избежание подгорания контактов реле (хотя в авторском варианте этого нет), желательно включать антенное реле на передачу раньше подачи ВЧ сигнала, а на прием немного позже. Одна из подобных схем приводится в [3]. В авторском варианте реле К3 включается непосредственно с трансивера.
В верхней части над анодами ламп через отверстия для выхода тепла укреплены термодатчики FS1 и FS2.
Панельки для ламп ГУ34Б заводские с конструктивными емкостями по второй сетке С8, С9 и катоду С7, С10.
Разъем ХP2 через который с БП подается напряжение на УМ по 20 жильному кабелю. Для накальных цепей жилы кабеля запаиваются в параллель. На провод высокого напряжения дополнительно одет поверх основной изоляции еще полихлорвиниловый кембрик соответствующего диаметра. Правда, во многих радиолюбительских разработках анодное напряжение от внешнего БП подается на высокочастотный разъем СР50 по отрезку коаксиального кабеля РК 50 или 75 Ом 7-12 мм диметра и в целях повышения безопасности экранная оплетка кабеля соединяется с корпусом УМ и БП, что предпочтительнее.
Боковая и нижняя крышки УМ съемные. Поскольку привязаны к уже готовой конструкции, при переделывании в двухтактную схему, получаются следующие размеры 270х270х210 мм
без выступающих элементов, вес 9,36 кг.
В БП находятся три трансформатора Т1, Т2 и Т3.
Т1 мощностью 200 ватт, Т2 мощностью 20 ватт, Т3 промышленный мощностью 1000 ватт, в котором намотаны вторичные обмотки. Предусмотрен еще один вывод от сетевой обмотки для перехода на повышенное анодное напряжение (переключается внутри БП). Можно использовать в полевых (сельских) условиях при заниженном напряжении питающей сети.
На лицевой панели корпуса БП находятся выключатель сети SA1, SA2, SA3, переключатели напряжения SA4, SA7, переключатель предела измерения тока анода SA6, держатели предохранителей FU1, FU2,FU3. На задней стенке разъемы XS1, XS2, XS3, XP1 и XP2 .
Внешний вид БП показан на рис.4. Надписи на передней панели выполнены при помощи переводного шрифта. Перед нанесением слоя цапонлака, их закрепляют лаком для волос.
БП имеет габариты 360х250х300 мм, подвал шасси 50 мм и вес 29,2 кг.
Настройка
Правильно собранный УМ в сложной настройке не нуждается.
Настройка усилителей мощности подробно неоднократно описывалась в доступной литературе[4], поэтому специально этот вопрос в данной статье не освещается.
Настройка сводится к установке тока покоя ламп подстроечными резисторами R3 и R8 смещения на первых сетках ламп.
Методика согласования УМ с нагрузкой не отличается от типовой. Для настройки использовался эквивалент нагрузки типа 39-4, имеющий вывод на разъем напряжения ВЧ 1:100 и ламповый вольтметр В7-15.
Полезно проверить температуру нагрева ламп по температурным меткам и эффективность работы обдува.
Детали и их возможная замена
УМ
Несколько слов об элементной базе. Каких-либо особых требований к элементам схемы нет. Указанные детали и комплектующие не составляют проблемы для запасливого радиолюбителя.
Лампы ГУ-34Б стоят дорого, поэтому необходимо знать, как ее проверить и ввести в работу. Вначале подаем напряжение накала при включенном обдуве. Тренируем лампы одним накалом, что приводит к улучшению вакуума и электрической прочности ламп. Так же тренировку нужно проводить после длительного перерыва в работе. Если лампы хранились очень долго, их надо выдержать несколько суток под напряжением накала в режиме эконом-обдува, чтобы восстановить эмиссию катода и лампа хорошо прогрелась. Применение ГУ-34Б в данной схеме вызвано тем, что она уже используется в конструкции. Лампы с хорошей надежностью и высокими эксплутационными параметрами.
Конденсаторы С14-С16 составлены из трех конденсаторов К15-У 1000 пФ, С5, C6, C12 - КСО, КД и др.
Петля связи L1 изготовлена из посеребренной шины 6х0,8 мм длинной 100 мм. Входные контура L2-1, L2-2 выполнены из медных трубок (желательно посеребренных) диаметром 6 мм и длиной 270 мм, расстояние между осями 25 мм. Выходной контур L5 выполнен из алюминиевой пластины толщиной 12 мм. В конструкции L5 нарезано две пары резьбы для крепления к анодам ламп. Изменяя подключение к анодам ламп, получаем дополнительную возможность расширять диапазон перестройки по частоте выходного контура.
Петля связи L6 изготовлены из посеребренной трубки диаметром 5 мм длинной 100 мм.
Вид контура L5 и размеры показаны на рис.5.
Дроссель L3 и L4 взяты от радиостанции Р-122. Конечно, их можно изготовить самостоятельно: диметр каркаса 7 мм, число витков 13, диаметр провода 1,1 мм, намотка в один слой прогрессивной намоткой с шагом 1 мм. L7 диметр каркаса 20 мм, число витков 7, диаметр провода 1,1 мм, намотка в один слой прогрессивной намоткой с шагом 1 мм. Дросселя включенные в цепь накала ламп (на схеме не показаны) диметр каркаса 13 мм, число витков 13, диаметр провода 1,3 мм.
Подстроечный дифференциальный конденсатор С11 типа «бабочка» применен переделанный от авиационной радиостанции РСИУ-3М (Р-800) с уменьшенным количеством пластин и увеличенным зазором. Ось конденсатора изолирована от корпуса УМ. На оси сделан шлиц для настройки диэлектрической отверткой или на ось насажена изолирующая ручка для настройки.
Подстроечные конденсаторы С1, С2, С4 и С13 типа КПВ, КПВМ 40 пФ. С3 типа «бабочка» 2-25 пФ. XW1 ВЧ разъем CP-50-73ф. Подстроечные резисторы R3, R8 СП2-2-1.
Реле К1, К2 – РЭС9 рабочее напряжение обмотки 24 В, реле К3 – коаксиальное ВЧ реле РЭВ-15, РЭВ 14, выдерживающих напряжение на контактах до 300 В и ток до 5 А. Параллельно обмоткам реле включены блокировочные конденсаторы емкостью 47нФ и диоды КД103. На схеме не показаны.
Вентиляторы BL1, BL2. типа ВН-2 на 220 В производительностью 118 кубов воздуха в час.
Элементы крепежа винты, гайки, шайбы и т.д. латунные.
БП
Разъемы: XS1 - сетевой разъем типа ШР20У4НШ8, XS2 – сетевая розетка, Х1 – клемма-зажим. ХР1 и ХР2 – 30-ти контактные разъемы типа РП14-30Л0 или РП3-30.
Подстроечные резисторы R1, R2, R3,R4-типа ПЭВР мощностью 5-15 Ватт. R5, R6 шунты к конкретному примененному прибору РА1.
Электролитические конденсаторы С1-С5, С8-С12 К50-7 50мк+250мк 450/495 В, С7 ЭТО-2. Применение более современных или импортных на большую емкость и напряжение только пойдет на пользу, увеличит надежность. Конденсаторы С1-С5, С8-С12 установлены через изолирующую шайбу из фольгированного стеклотекстолита. Фольга служит минусовым контактом электролитического конденсатора. Конденсаторы С6, С13 типа КД, КМ, КТ.
Выключатели SA1 - SA5, тумблеры- ТВ1-2 250 ВТ 220 В или В4 250 Вт 220 В, SА6, SA7 - тумблеры типа ТП1-2 220 Вт 220 В 2 А или ТВ2-1 120 Вт 220 В. Диодные сборки VD1, VD2, VD12-VD17 КЦ402, КЦ403, КЦ404, КЦ405. или сбраны из диодов КД202, КД209 - любые выпрямительные диоды на соответствующий рабочий ток и напряжение. Не забывать про выравнивающие резисторы и конденсаторы емкостью 10-47н (защита от возможного пробоя кратковременными импульсами). VD3 – стабилитрон Д817В, VD4-VD8 Д817Г или набор из других с общим напряжением стабилизации 500 Вольт. VD9-VD11 КС650 или набор из других с общим напряжением стабилизации 450 Вольт, установлены на радиаторах и изолированы от корпуса.
Измерительный прибор РА1 с током полного отклонения 1 мА типа М4200, М2003, М4202.
Силовой трансформатор Т3 изготовлен из промышленного, имеющего первичную обмотку
220/380 В. Переключая которые в промежутке от 220 В или 380 В на выходе вторичной обмотки имеем пониженное напряжение. Кроме того, не разбирая обмотки трансформатора, сделан дополнительный вывод от первичной обмотки между 220 В и 380 В. Это получилась еще одна ступень дискретной регулировки напряжения. Пользоваться этими переключателями возможно только при отключенной нагрузке. Все трансформаторы должны быть качественно пропитаны лаком, что бы влажность воздуха и выпавшая роса (особенно в полевых условиях) не стала причиной пробоя обмоток.
Сетевой фильтр Тф БП намотан двойным проводом от сетевого кабеля до заполнения на ферритовом кольце диаметром 40-50 мм. Кольцо желательно предварительно обмотать фторопластовой лентой или лучше применить провод МГТФ. Для упрощения схемы на рис.2 он не показан.
Техника безопасности
Этот материал предназначен для конструкторов, имеющих достаточный опыт обращения с высоковольтными устройствами.
Запрещается производить ремонтные работы со снятым корпусом при включенном напряжении питания. Обязательно убедитесь в полном разряде конденсаторов фильтра и блокировочных конденсаторов. Выполняя любые работы в УМ и БП, необходимо помнить, что Вы работаете с сетью переменного тока напряжением 220 В, с высокими напряжениями и частотами!
Авторы не ставили своей задачей конкурировать по параметрам и внешнему виду УМ с известными фирмами - изготовителями подобной электронной техники.
Опыт показал, что наша радиостанция с самодельной техникой всегда на равных работает со станциями, оснащенными дорогой покупной аппаратурой производства известных фирм.
Данный УМ длительное время работает совместно с коротковолновым трансивером UR5LAK и показал хорошие результаты при проведении полного набора УКВ радиосвязей и при работе в соревнованиях.
После удачной переделки усилителя мощности от Р-122 на диапазон 144 МГц, на VHF NET 14,345 МГц было рассказано много о данной конструкции. Интересовалось много радиолюбителей УКВ-вистов. Данная схема помогала решению рада проблем. Конструкция в целом или отдельные ее узлы нашли применение в разработках радиолюбителей.
Конструкция УМ и БП была повторена неоднократно. Один из УМ сменил нескольких хозяев, при этом замена ламп еще не производилась.
Авторы выражают благодарность Б.Андрющенко UT5TA, В.Баранову UT5DL за оказанную помощь и консультации, а также болгарским радиолюбителям из города Руссе подарившим две части книги «Наречник на радиолюбителя» [4](перевод The radio amateur’s handbook).
Литература
1. New Ideas for the 2-Meter Kilowatt. QST, 1971, February, c.24-30.
2. Modifications to the144-MHz “Plumber’s special” amplifier. QST Desember, 1980, c.56-58.
3. Сафонов С. О некоторых особенностях конструирования и эксплуатации мощных ламповых РА. Сборник РАДИО-Дизайн, №16, с.54-58.
4. 1kW усилвател за 144 MHz, Наречник на радиолюбителя, Техника, София, 1976г, часть 1, с268-273.
Поделитесь этой страницей
|
