Radiofon

Компания Радиофон

Широкополосный ламповый двухтактный усилитель мощности

E-mail Печать

Первое упоминание о возможности широкополосного усиления в любительских усилителях мощности относится к 1987 году, когда в 11 номере журнала РАДИО [Л1]были опубликованы заметки о самых интересных конструкциях с 32 Всесоюзной РадиоВыставки. Там была приведена неполная схема моей конструкции усилителя на двух лампах 6П42С. Так как схема была опубликована обозревателем, а не автором, естественно, объяснения особенностей её работы отсутствовали. После этого разными авторами было опубликовано на эту тему достаточно много различных вариантов, отражающих их стремление дополнить и улучшить приведённую ранее схему.

Возможно, что некоторые рассуждения на заданную тему помогут лучше разобраться в особенностях лампового широкополосного усиления мощности и дадут толчок к развитию конструкторской мысли в этом направлении.

 

Прежде всего – сочетание слов, вынесенных в заголовок, отражает комплексный характер технического решения, где каждый из элементов существует во взаимосвязи с другими и только так способен дать новое качество.

1. Бестрансформаторный

На самом деле трансформаторы есть. Это высокочастотные ферритовые трансформаторы, разделяющие цепи входа-выхода и собственно усиления. Они обладают очень важным свойством – гальванической развязкой при очень малой емкостной связи. А поскольку радиочастоты значительно отличаются от частоты промышленной сети, развязка получается идеальной. Первое положительное качество подобных усилителей - они лёгкие, второе – они малогабаритные. Несмотря на то, что выбор напряжения питания ограничен фиксированными значениями, кратными напряжению питающей сети, это ограничение не имеет существенного значения. Гораздо важнее другое – выбор правильного напряжения анодного питания. Как-то так сложилось, что чем бОльшую мощность необходимо получить от усилителя, тем выше принимается напряжение питания. Даже в усилителях с лампами типа 6П45С нет ни одной схемы, где бы напряжение анодного питания было меньше, чем двойное сетевое, то есть 600 Вольт. Нигде, кроме одной схемы – авторской [ Л1], где оно равно 300 Вольт. Странно, что никто не задавался вопросом – почему?

Правильный ответ лежит на поверхности и увидеть его мешает только инерция мышления, о которой писалось выше - при высоком анодном напряжении широкополосный трансформатор не может обеспечить перекрытие по частоте, достаточное для равномерного усиления на всех любительских диапазонах.

2. Широкополосный

Трансформаторы с ферритовыми сердечниками обладают стабильными параметрами в широком диапазоне частот. Достаточно простые конструкции позволяют обеспечить перекрытие по частоте в пределах всех КВ диапазонов от 1,5 МГц до 30 МГц. Однако, есть одно НО, сталкиваясь с которым некоторые авторы разочаровываются в возможностях ВЧ трансформаторов. Трансформаторы эффективно работают только при низких нагрузочных сопротивлениях, поэтому часто используются в многочисленных схемах транзисторных усилителей.

Таким образом, задача широкополосного усиления на лампах сводится к получению низкого сопротивления выходной – т.е. анодной цепи.

Не надо ходить дальше закона Ома, чтобы приблизительно оценить эквивалентное выходное сопротивление анодной цепи:

RA=UA / 2IA1,

Где: RA – эквивалентное выходное сопротивление анодной цепи,

UA – значение переменного напряжения на аноде, близкое к напряжению питания

( для двухтактной схемы – удвоенное значение),

IA1 – значение первой гармоники анодного тока (для двухтактной схемы – половинное значение).

При напряжении питания 600 Вольт - 1200 В / 0,4 А = 3000 Ом

При напряжении питания 300 Вольт - 600 В / 0,8 А = 750 Ом

Очевидно, что во втором случае обеспечить широкополосность трансформатора гораздо легче, чем в первом, хотя тоже требует определённых усилий.

3. Двухтактный

Двухтактное построение лампового усилителя обеспечивает важное положительное свойство - высокую степень подавления чётных гармоник. Поскольку разброс характеристик ламп меньше, чем транзисторов, удаётся получить подавление чётных гармоник до 40 дБ (при подборе ламп), что соответствует уменьшению мощности гармоник в 10.000 раз. Грамотно выбранная рабочая точка соответствует углу отсечки анодного тока равному 90 градусам, при котором коэффициенты нечётных гармоник при разложении косинусоидального импульса теоретически равны нулю [ Л4, стр.12, рис.1-6 ], практически уровни гармоник ниже на 30-36 дБ.

Это позволяет по-другому посмотреть на роль П-контура, без которого невозможно представить ни одного лампового усилителя мощности. Задача П-контура в традиционном усилителя двойная – фильтрация гармоник и трансформация выходного сопротивления анодной цепи к унифицированному сопротивлению фидера – 50 Ом.

Но в двухтактном усилителе нет нужды бороться с мощными гармониками, их там нет. Ферритовый трансформатор прекрасно справляется с трансформацией выходного сопротивления анодной цепи, так как трансформация – можно сказать - его служебная обязанность. К тому же, уровни мощности, на которых работают современные усилители таков, что говорить об использовании антенн со случайным волновым сопротивлением не приходится. Поэтому, заманчиво было бы вообще отказаться от фильтрации в выходной цепи, реальная схема усилителя могла бы заканчиваться широкополосным трансформатором. И всё идёт к этому. В последние годы сильно выросло техническое оснащение, появились фирменные

трансиверы, стало разрешено работать с высокими мощностями и появились мощные усилители.

Выросло радиоэлектронное оснащение современного жилища.

Но крыши остались теми же крышами, что были раньше, разве что стало труднее

попасть на крышу, чтобы основательно поставить антенну и тщательно её настроить.

С другой стороны усилители мощности значительно подняли уровень излучаемой мощности.

Малейшее рассогласование линии передачи ведёт к значительному возрастанию уровня помех.

Поэтому тщательное согласование трансивера с линией передачи становится актуальной задачей.

Антенный тюнер становится неотъемлемым элементом радиолюбительского оборудования.

4. Линейный

Внутреннее сопротивление цепи питания определяется суммой внутренних сопротивлений элементов этой цепи. В традиционных усилителях это - сопротивление сетевой и анодной обмоток трансформатора. А оно весьма значительное. Как пример, можно привести один из технических параметров усилителя CENTURION американской фирмы TenTec. (www.tentec.com/model422.htm)

Анодное напряжение: на холостом ходу – 3100 Вольт, при полной нагрузке – 2600 Вольт, что составляет 15% потери анодного напряжения под нагрузкой.

Напротив, развязка анодно-экранных цепей усилителя ВЧ трансформаторами обеспечивает очень важное положительное качество – минимальное внутреннее сопротивление анодной цепи, определяемое только падением напряжения на диодах.

Анодное напряжение: на холостом ходу – 294 Вольта, при полной нагрузке – 289 Вольт, что соответствует 4% потерь. Таким образом, анодное напряжение очень стабильно. Этот фактор обеспечивает “бестрансформаторному” усилителю очень высокую линейность.

5. Усилитель мощности

Если представить себе усилитель, как чёрный ящик, то он должен иметь линейный коэффициент К, представляющий собой его коэффициент усиления по мощности. При этом, естественным и гармоничным было бы пропорциональное усиление напряжения и тока с сохранением их соотношения, то есть с сохранением сопротивления.

Однако, большинство усилителей конструируются с очень высоким анодным напряжением. Необходимым компонентом такого усилителя становится трансформатор сопротивлений, который выполнил бы обратную задачу – уменьшил уже усиленное напряжение и увеличил недоусиленный ток. В качестве такого трансформатора во всех усилителях используется резонансный колебательный контур – П-контур. Таким образом, внутри чёрного ящика происходит необоснованная двукратная трансформация сопротивлений, свидетельствующая о неоптимальном конструировании. Мало того, авторы некоторых публикаций настаивают на увеличении анодного напряжения [Л6 ], ссылаясь на низкий КПД из-за высокого остаточного напряжения на анодах ламп.

На самом деле, всё очень просто. Надо активно использовать лампы по току.

При анодном напряжении 300 В в двухтактной схеме не составляет труда получить не менее двести пятьдесят Вольт амплитудного значения ВЧ напряжения на аноде. Этому ВЧ напряжению на сопротивлении нагрузки 50 Ом соответствует 578 Ватт амплитудного значения выходной мощности. Это означает, что до уровня мощности, сравнимого с максимальной мощностью уже упоминавшегося усилителя CENTURION от TenTec, нет побудительных причин питать аноды ламп усилителя мощности напряжением более, чем 300 Вольт.

Обратите внимание – не три тысячи Вольт, а только триста Вольт!

 

Теперь хотелось бы, в виде тезисов, изложить – каким получился

«бестрансформаторный» широкополосный двухтактный линейный усилитель мощности.

Прежде всего – что отличает традиционный усилитель мощности ?

Ламповый усилитель – высокое анодное напряжение, дорогие изоляторы высокого качества, высоковольтные компоненты и, вследствие этого – тяжелый корпус больших размеров и высокая цена.

Транзисторный усилитель – огромное потребление тока, громадные радиаторы с принудительным охлаждением, сложные схемы автоматической защиты для очень дорогих транзисторов и, вследствие этого – тяжелый корпус больших размеров и высокая цена.

Я пошёл своим путём в вопросе питания усилителя мощности и получил поразительные результаты. Напряжение питания выбрано не таким большим, как в усилителях на генераторных лампах, но не таким маленьким, как в транзисторных усилителях. Это позволило построить усилитель на широко применимых компонентах. Удалось добиться очень малого внутреннего сопротивления источника питания анодной цепи, поэтому питающие напряжения очень стабильны, несмотря на импульсный характер работы усилителя (CW, SSB). Существенно улучшилась линейность усилителя. Значительное уменьшение внеполосных излучений достигнуто двухтактной схемой включения. Оптимальная схема согласования выходной цепи с антенной позволила свести к минимуму потери мощности, а гальваническая связь с антенной позволила избежать помех статического электричества.

Его технические параметры:

Диапазон усиливаемых частот: 1,5 – 30 МГц

Входное сопротивление: 50 Ом

Эффективное значение входной мощности до начала ограничения: 30 Ватт

Выходное сопротивление: 50 Ом

Максимальная подводимая мощность: 510 Ватт.

Анодное напряжение: 300 Вольт

Размеры: 300 х 260 х 180 мм

Вес: 8 кГ

Литература:

Л1.”Конструкторы связной аппаратуры отчитываются” – Широкополосный двухтактный

усилитель мощности В.Крылова (RV3AW) – статья С.Казакова, журнал РАДИО,№11, 1987г.

Л3. Отечественные приёмно-усилительные лампы и их зарубежные аналоги. Б.В.Кацнельсон,

А.С.Ларионов, Москва, изд-во Энергоиздат, 1981 г. стр.331.

Л4. Д.П.Линде Радиопередающие устройства, Москва, изд-во Энергия, 1974 г.

Л5. “Ламповые КВ усилители мощности с ОС” A.Jankowski (SP3PJ) “Радиолюбитель КВ и УКВ”

№9-11 за 2000 г.

Навигация по сайту: Статьи Широкополосный ламповый двухтактный усилитель мощности