Суббота, 26.01.2019, 00:58



Приветствую Вас Заглянувший | RSS
[ Главная ] [ Каталог статей ] [ Регистрация ] [ Вход ]
Меню Сайта
   

Категории раздела
 
Мои статьи [58]
конструкции радиолюбителей, кв и укв антенны, кв усилители мощности,
 

Статистика
 

Онлайн всего: 4
Гостей: 4
Пользователей: 0
 

Главная » Статьи » Мои статьи [ Добавить статью ]

PA без силового трансформатора

Легкий и мощный PA
Введение

В этой статье речь пойдет о PA без силового трансформатора. Подобные PA в радиолюбительской среде называют "бестрансформаторными" (термин, на мой взгляд, не точен — нет только силового трансформатора, а высокочастотные трансформаторы за редким исключением есть), и они окружены стойкими предрассудками об их электрической опасности. Возникли эти предрассудки по двум реальным причинам:
по усвоенному со школьной скамьи принципу: "Все, что имеет гальванический контакт с сетью, опасно!". Замечу, что этот принцип часто понимается неверно - гальванический контакт с сетью через землю (которая суть второй провод в розетке) имеет практически все, даже читающий эти строки - через обувь);
Самые первые, описанные в [1] бестрансформаторные PA, при определенных условиях действительно могли быть опасны.

Окрепшие на этой почве предрассудки уже не смогли поколебать более поздние публикации о бестрансформаторных PA [2,3,4], в которых проблема развязки от сети (и соответственно, безопасности) была решена.

За годы, прошедшие с момента первого выхода в свет этой статьи (1999 год) миф об опасности бестрансформаторных PA изрядно поколебался. Но все же, как любой миф, и слух он живуч.... Технических проблем нет (в этом убедится всякий непредвзятый читатель, у которого хватит терпения дочитать статью до конца), но остается инерция мышления...

Читателей, уверенных в опасности PA без большого и тяжелого силового трансформатора прошу поверить (пока на слово, а дочитав до конца: надеюсь и на деле), что развязка от сети грамотно сконструированного усилителя мощности ничуть не хуже (а можно сделать даже лучше), чем у обычного трансформаторного..
Развязка от сети

Для начала давайте вспомним, что термин "гальваническая связь" означает соединение по постоянному току: непосредственно или через резистор, диод, обмотку трансформатора и т.п. Чем же опасна гальваническая связь корпуса PA и всех его разъемов (кроме сетевого, естественно) с сетью 220 В?

Может, высоким напряжением? Возможно, для кого-то 220 В и покажется очень высоким напряжением, но не HAM-у. В ламповых PA с сетевым трансформатором используются во много раз большие переменные напряжения - несколько kV, причем источник этого высокого напряжения — высоковольтная анодная обмотка - соединен с корпусом либо непосредственно, либо через диоды моста. И никто этого не боится, ибо это действительно не представляет опасности.

На самом же деле опасность гальванической связи с сетью корпуса прибора и всех его разъемов, как ни парадоксально, состоит в том, что один из проводов сети (нулевой) соединен с землей. А следовательно, через проводимость земли, пола, обуви и т.д. — всегда гальванически соединен с телом человека.

Легко понять, что будет при такой схеме PA, когда второй провод сети (фаза) может оказаться на корпусе прибора — прикосновение человека к корпусу устройства замыкает цепь (второй провод сети — земля, с человеком уже соединен по определению). Как минимум, удар током обеспечен. Печальная ситуация будет также, если фазный провод сети будет иметь гальванический контакт с одним из разъемов PA. При подключении к этому разъему нормально заземленного устройства (антенны, TRX, компьютера) ток короткого замыкания сети будет протекать через подключенное к этому разъему устройство. Очень повезет, если первым успеет сгореть сетевой предохранитель, а не трансивер или компьютер. Тот факт, что антенна не сгорит (хотя кабель антенны может и прогореть) утешит вряд ли.

Таким образом, гальваническая связь с сетью корпуса PA и всех его разъемов недопустима. Даже если, как в [1], использовать тот факт, что один из проводов сети — это земля, и разбираться с "полярностью" включения разъёма PA в сеть с помощью пускового устройства, усилитель [1] совершенно безопасен лишь до тех пор пока все работает нормально. Но стоит нарушить работу пускового устройства (например "навсегда" замкнутся контакты реле) и вставить вилку в розетку в неверной "полярности"— все вышеописанные неприятности гарантированы.

Но действительно ли ситуация такая безнадежно плохая, и никаких контактов с сетью лучше не иметь?

Попробуем разобраться. Надеюсь, никто не против (в смысле безопасности) импульсных источников питания, которые повсеместно используются в телевизорах, компьютерах и т.д.? Прекрасно, следовательно, вы не против, что гальванический контакт с сетью могут иметь сетевой фильтр помех, выпрямитель, высокочастотный генератор. К примеру, на рисунке 1 приведена упрощенная схема импульсного источника питания, где красным цветом показаны цепи и узлы, которые имеют гальванический контакт с сетью (и соответственно, представляют опасность), а черными — безопасные, развязанные от сети цепи. Таким же образом будут показаны гальванически связанные с сетью цепи и на всех последующих рисунках.

Рис. 1

Выходные цепи источника гальванически отделены от сети трансформатором на феррите — развязка в данной цепи очень хорошая. Но есть еще одна цепь связи с сетью (но не гальванической, а емкостной) — это конденсаторы фильтра помех С1, С2, соединенные с шасси. Связь шасси устройства с сетью через эти конденсаторы (вернее, через один из них – тот, который подключен к фазному проводу сети) очень слабая, и не гальваническая, а емкостная.

В любом грамотно выполненном трансформаторном PA на сетевых проводах тоже установлены конденсаторы фильтра помех. Например на рисунке 2 приведен фрагмент схемы широко распространенного среди зарубежных радиолюбителей усилителя "Alpha 91в", где конденсаторы емкостью по 0,022 uF запаяны с выводов сетевого разъема на шасси еще до сетевого выключателя.

Итак, в хорошо зарекомендовавших себя профессиональных схемах используются следующие (проверенные и безопасные) решения:
Гальванический контакт с сетью фильтра помех, выпрямителя, высокочастотного генератора.
Соединение обоих (в том числе и самого опасного — фазного) проводов сети с шасси через конденсатор емкостью 0,01...0,047 uF.
Развязка с помощью трансформаторов на феррите.

Запомним их - все это нам еще пригодится...

Сравнительный анализ известных бестрансформаторных PA

Исключив из рассмотрения схему [1], имеющую гальванический контакт шасси с сетью, обратимся к тем бестранформаторным PA, в которых имеется удовлетворяющая всем правилам техники безопасности развязка от сети как шасси усилителя, так и его входных/выходных цепей и всех разъёмов.



Начнем с конструкции UA1FA на двух лампах 6П45С [2]. Во входной цепи используется высокочастотный трансформатор, что обеспечивает идеальную гальваническую развязку. Выходная цепь (уже после П-контура) тоже развязана таким трансформатором, но изготовить качественный широкополосный (1,9...30 MHz) трансформатор для большой мощности совсем не просто. Кроме того, требуется дорогостоящий ферритовый сердечник значительных размеров. Однако ферриты (особенно отечественные) очень неважно работают на нагрузку с реактивностью, а на краях диапазона любая антенна, даже согласованная, вносит заметную реактивность. Если же использовать какой-нибудь не согласованный LW, то выходной ферритовый трансформатор будет работать совсем плохо.

На мой взгляд, в данной конструкции не стоило во что бы то ни стало стремиться установить выходной трансформатор, ибо есть иные способы развязки выходной цепи (подробнее ниже). Тем более, что в схеме все равно присутствует емкостная связь фазного провода сети с шасси — в конструкции установлен сетевой фильтр, аналогичный показанному на рисунке 2.

Не очень удобно, что гальванический контакт с сетью имеют и детали П-контура — это приводит к необходимости изолировать их от шасси и использовать изолированные оси и ручки настройки.

Кроме того, указанные в [1] 400 Wt выходной мощности без перегрузки ламп можно получить только в кратковременном, пиковом режиме. При непрерывном излучении лампы будут перегружены, и надежность усилителя заметно снизится. В самом деле, при Рвых = 400 Wt подводимая мощность должна быть не меньше 700 Wt, следовательно Ррасс=300 Wt — по 150 Wt на аноде каждой лампы. Это более чем трехкратная перегрузка по мощности и более чем двукратная - по току анодов. В таких ответственных узлах как PA не стоит использовать элементы с превышением их паспортных параметров.



Обратимся теперь к более поздней конструкции — усилителю RV3LE [3] на лампе ГУ-29. Это хорошо сбалансированная конструкция на 75...100 Wt выходной мощности. По входу используется ферритовый трансформатор. На выходе также используется ферритовый трансформатор (при такой мощности он небольшой, и, в отличие от [2] включен между анодами ламп и П-контуром). Это решает сразу две проблемы — исключает работу трансформатора на реактивность и позволяет использовать обычный удобный П-контур с заземленными на шасси КПЕ.

Но данное схемное решение, увы, порождает другую проблему —трансформатор работает с высокими значениями сопротивлений ( выходной импеданс лампы) и поэтому имеет неустранимый завал на высокочастотных диапазонах.

Как и в [2], лампа перегружена, но справедливости ради заметим, что меньше — в полтора раза, как по мощности на аноде, так и по току анодов. Кроме того, в PA [3] отсутствует фильтр подавления помех по сети, поэтому вполне возможно попадание радиочастотных сигналов в электрическую сеть.


Последняя конструкция в нашем обзоре — RA6LFQ [4]. Три ГУ-50 в схеме с общими сетками дают около 150 Wt выходной мощности. Здесь использован иной принцип развязки от сети, чем в [2, 3] — соединение гальванически связанных с сетью частей усилителя с шасси и входными/выходными разъемами через конденсаторы малой емкости. На радиочастотах эти конденсаторы являются практически разделительными, а для частоты сети 50 Гц они представляют очень большое сопротивление (смотри пункт 2 в предыдущем разделе).

В данной конструкции в борьбе за чистоту идеи вообще отсутствуют любые трансформаторы. Хотя, на мой взгляд, небольшой накальный трансформатор можно было бы и установить. Во всяком случае, размеры такого трансформатора не больше бумажного конденсатора 10 uF х 400 V, посредством которого в [4]обеспечивается накал. По входу усилителя развязка от сети осуществлена конденсатором 1000 pF х 2 kV, на выходе — соединением общего провода усилителя с шасси через конденсатор 2200 pF х 2 kV. В связи с отсутствием ферритовых трансформаторов удается избежать завала на высоких частотах и пропускать большую мощность на любую ( в том числе реактивную) нагрузку.

Однако если в выходной цепи при сопротивлении анодной нагрузки в несколько сотен Ом конденсатор 2200 pF используется практически как разделительный (его реактивное сопротивление на частоте 1,8 MHz составляет 40 Ом менее 1/10 от сопротивления нагрузки), то при входном сопротивлении усилителя 50 Ом емкость разделительного конденсатора 1000 pF мала (на 1,8 MHz его сопротивление 80 Ом — почти вдвое больше входного сопротивления PA). Казалось бы достаточно увеличить емкость этого конденсатора. Но с этим не все так просто, и об этом - в следующем разделе.
Снова о развязке от сети

О гальванической связи с сетью мы уже говорили. Вспоминали, что кроме гальванической, существует еще и емкостная. В конечном итоге, абсолютно все равно, по какому пути проникает на корпус PA ток питающей сети (с частотой 50 Hz).

Для дальнейшего обсуждения введем для любого прибора с питанием от сети переменного тока такой   параметр как ток утечки с частотой 50 Hz между незаземленным корпусом прибора и хорошей электротехнической землей — Iут.

Для измерения Iyт используют схему, показанную на рис.3. Все разъемы PA, кроме сетевого, замыкают на корпус. Между корпусом усилителя и заземлением

включают резистор Rэ = 30 кОм (номинал достаточно произволен и примерно соответствует сопротивлению тела человека). Ток, протекающий через Rэ, и будет представлять собой Iyт, а падение напряжения на этом резисторе Uyт будет соответствовать напряжению, приложенному к телу хорошо заземленного человека (например, стоящего мокрыми босыми ногами на металлическом полу) при касании им корпуса незаземленного PA. Для корректности измерений выбирают такое положение сетевой вилки в розетке, когда Iyт максимален.

Конечно, при реальной работе в эфире корпус PA должен быть заземлен, и даже не столько из соображений безопасности, сколько для исключения помех от передатчика. Но для корректного определения Iyт мы сознательно берем самый худший случай — отсутствие заземления корпуса PA.

Посмотрим, по каким цепям на корпус проникает Iyт и сравним разные конструкции по этому показателю.

1. В обычном PA с силовым трансформатором ток Iyт протекает по двум параллельным цепям — через один из входных конденсаторов фильтра подавления помех (тот, который соединен с фазой, рис.2) и емкость между обмотками силового трансформатора.

Последней обычно пренебрегают, а она не очень мала. Так, для силового трансформатора с Р = 1,6 кВт (для питания РА на ГУ74Б) эта емкость составила 1200 pF (tnx за измерения EW1EA), для трансформатора с Р = 500 Вт (для РА на трех ГУ50) — около 500 pF.

Для дальнейших подсчетов полезно знать, что конденсатор емкостью 1000 pF, включенный между фазой и корпусом РА, дает Iyт = 0,06 mA и соответственно Uyт = 1,8 В.

Итак, за счет емкости между обмотками протекает Iyт = 0,03...0,08 mA, а за счет конденсатора фильтра (рис.2) при его величине 0,01..0,047 uF — 0,6...2,8 mA. Общий Iyт = 0,66...2,9 mA, что соответствует Uyт = 19,8..87 В. Это довольно большие значения.

Впрочем, всем известно, что незаземленный корпус любого прибора с фильтром помех изрядно "покусывает". Кстати, в промышленном трансформаторном блоке питания Б5-7 используются проходные конденсаторы сетевого фильтра по 0,1 uF! При этом Iyт=6 mA, a Uyт = 180 В! Кто работает с данными блоками, знают, какой сильный удар током можно получить от его незаземленного корпуса.

Вывод: усилители мощности с силовым трансформатором имеют заметную емкостную связь с сетью, которую в первую очередь определяет конденсатор сетевого фильтра подавления помех, во вторую — емкость между обмотками силового трансформатора.


2. Прибор с импульсным источником питания (телевизор, например) также связан с сетью через конденсатор фильтра помех (рис.1). Желающие убедиться в наличии такой связи могут подключить антенну с внешним заземлением к телевизору в затемненной комнате. Искра, проскакивающая между разъемом антенны и гнездом TV при подключении, должна убедить.

Значения Iyт и Uyт, в принципе, такие же, как и в предыдущем пункте. Ёмкость между обмотками выходного высокочастотного трансформатора на феррите мала, и ею можно пренебречь.



3. Обратимся к PA UA1FA [2]. Межобмоточная емкость входного и выходного ферритовых трансформаторов очень мала. Uyт полностью определяется конденсаторами сетевого фильтра емкостью 0,022 uF. Iyт = 1.3 mA; Uyт = 40 В. Как видим, параметры ничем не хуже, чем у обычного трансформаторного PA.



4. PA RV3LE [3]. Абсолютно развязан от сети, Iyт практически отсутствует. Именно подобную схемотехнику я имел в виду, когда во введении говорил, что развязка от сети у бестрансформаторного PA может быть даже лучше, чем у трансформаторного. Емкости входного и выходного трансформаторов очень малы, а сетевой фильтр помех отсутствует.

При установке фильтра по схеме рис. 2 Iyт будет таким же, как и в предыдущем случае.



5. В PA RA6LFQ [4]. Iyт протекает через два конденсатора — входной 1000 pF и выходной 2200 pF. Итого 3300 pF, Iyт = 0,2 mA и Uyт = 6 В. Очень хорошая развязка, но уже указывалось, что входная емкость 1000 pF мала для разделительной во входном тракте 50 Ом. Если ее увеличить до необходимых 0,015...0,022 uF, то Iyт возрастет до 1...1.3 mA, a Uyт — до 30...40 В.

Это хотя и неприятно, но вполне допустимо и соответствует любому трансформаторному PA и конструкциям [2, 3]. В данном PA использован иной сетевой фильтр помех (рис.4).

За счет наличия дросселей L1, L2 помехи, идущие от PA в сеть, он. подавляет даже лучше, чем простейший фильтр на рисунке 2. Очень важным достоинством фильтра на рис.4 является отсутствие контакта с шасси, поэтому он не проводит ток Iyт. В бестрансформаторных конструкциях PA следует использовать только такие фильтры подавления помех.

Питание анодной цепи

Все PA [1, 2, 3, 4] имеют один общий недостаток—для питания анода используется удвоение сетевого напряжения. Получаемого в результате напряжения 580...600 V недостаточно для питания мощного лампового усилителя. Приходится "разгонять" ток анодов до предельных паспортных величин. А в большинстве случаев и далеко за их пределы.

Результат плачевен — уменьшение надежности PA и срока службы ламп. Тем не менее, полученные выходные мощности не впечатляют — 100...200 Wt (имеется в виду, что PA UA1FA работает без особой перегрузки). Кроме того, низкое анодное напряжение Еа приводит к низкому коэффициенту передачи по мощности усилителя, который при неизменной входной мощности прямо пропорционален Еа. В общем, Еа необходимо увеличить.

Напрашивается вывод — если недостаточно удвоения, надо использовать утроение или умножение на 4 напряжения сети. Но здесь мы сталкиваемся еще с одним предубеждением, что умножители напряжения пригодны только для малых токов и имеют большое внутреннее сопротивление и, соответственно, большое падение напряжения под нагрузкой.

Я долго разделял это мнение, но затем, собрав схему, показанную на рисунке 5, получил результаты, которые убедили в обратном.

ьзовались диоды Д248Б, и для первого эксперимента— шесть конденсаторов К50-31 100,0 uF/350 V. В качестве сопротивления нагрузки использовались пять последовательно включенных ламп освещения 220 V/40 Wt. При таких условиях были получены следующие параметры:
напряжение холостого хода Ехх — 1220 V;
напряжение на нагрузке 200 Вт Ен — 1100 V;
амплитуда пульсации при нагрузке 200 Wt, Uпульс - 50 V.

Т.е. просадка напряжения под нагрузкой всего 10%, а пульсации — 5%. Это лучше, чем у многих трансформаторных блоков питания.

При нагрузке этой же схемы на пять ламп 220 V/60 Wt Ен = 1050 V и Uпульс = 80 V. Тоже очень неплохие параметры. При этом блок питания мощностью 200...300 Wt имел вес около 300 грамм!

В следующем эксперименте при тех же диодах использовалось шесть конденсаторов 220,0 uF х 350 V (от телевизионных блоков питания). Нагрузкой также были лампы накаливания общей мощностью 600 Wt. Eхх, конечно, не изменилось, Eн = 1100 V, Uпульс = 65 V.

Таким образом можно делать блоки питания на Еа = 1100 V мощностью 200...300 Wt (при использовании конденсаторов 100,0 uF/ 350 V), 500...600 Wt (при 220,0uF/350 V) и даже 1000...1200 Wt (при 440,0 uF/350 V — т.е. каждый из шести конденсаторов составлен из двух 220,0 uF/ 350 V).

Необходимую емкость каждого из шести конденсаторов можно оценить так: его емкость в микрофарадах должна быть равна выходной мощности PA в ваттах. При этом "просадка" анодного источника под нагрузкой составит примерно 100...120 V. Конечно, можно использовать конденсаторы большей емкости, "просадка" при этом будет меньше.

Такие параметры позволяют применять подобные блоки питания со многими лампами как в одиночном включении, так и с включенными параллельно:

3хГУ50 при Ia = 0,4...0,5 A и Pвых = 250...300 Wt;

4хГ811 при Ia = 0,6...0,65 А и Pвых = 300…350 Wt; 2(3)xГИ7Б при Ia= 0,6...0,7 (0,9...1) A и Pвых = 400(600) Wt.

Если у вас совсем другие конденсаторы и токи, и\или вам хочется повнимательнее изучить как работает умножитель, то можно для анализа и экспериментов воспользоваться моделью умножителя в формате программы моделирования электронных схем Electronics Workbench .

Часто возникающий вопрос: "Как же так — полярные конденсаторы C1, C2 включены прямо в сеть переменного тока? Через них протекает переменный ток и они взорвутся!".

Ничего подобного. Переменного напряжения на C1 и C2 нет и не будет, т.к. цепи сеть-VD2-C1 и сеть-VD3-C2 представляют собой обычные однополупериодные выпрямители, поэтому напряжение обратной полярности ни к C1, ни к C2 не прикладывается. Если подключить осциллограф (кто решится - обязательно изолируйте осциллограф и его щуп от земли - в этой точке есть гальванический контакт с сетью!) прямо на C1 (или C2), можно увидеть постоянное напряжение 300 В с пульсациями амплитудой 15...20 В.

Переменный ток (и значительный — до нескольких ампер) протекать через С1 и С2, конечно, будет, но это их паспортный режим. Вспомним, во многих транзисторных усилителях низкой частоты на выходе стоит разделительный конденсатор значительной емкости, через который в громкоговоритель протекает переменный ток, до нескольких ампер.
Бестрансформаторный, с умножением на 4

С учетом всего сказанного выше, предлагается бестрансформаторный усилитель мощности с умножением напряжения сети в 4 раза, несколько упрощенная схема которого показана на рисунке 6.

Для примера показан триод, включенный по схеме с общей сеткой, что, впрочем, совершенно не принципиально - может быть и тетрод, и пентод, и схема с общим катодом (экранное напряжение легко может быть получено стабилизатором, подключенным к средней точке выходных конденсаторов умножителя - напряжение в этой точке составляет + 600 В относительно катода).

Принципиальными в схеме на рис.6 являются следующие особенности:
анодное напряжение — 1200...1100 В;
подача входного сигнала — через широкополосный ферритовый трансформатор;
подача выходного сигнала на П-контур — через два разделительных конденсатора C1 и C2 по 2000 pF х 2 kV.

Входной сигнал удобно подавать через ферритовый трансформатор, поскольку он:

имеет крайне малую (единицы pF) емкость между обмотками, и поэтому не вносит вклад в ток Iут.
не дает завала на высоких частотах так как работает на постоянную нагрузку без реактивности — входное сопротивление PA;
заменяет катодный дроссель, а также (за счет изменения числа витков) может использоваться для согласования входного сопротивления усилителя с драйвером.

Высокочастотный сигнал с лампы на П-контур подается через два разделительных конденсатора: С1 отделяет Ea от горячего конца П-контура, а С2 обеспечивает развязку по сети 50 Hz, замыкая по радиочастоте общий электрод лампы (сетку в данном случае) с шасси усилителя. Подобный способ передачи сигнала (без ферритового трансформатора, используемого в [2, 3]) позволяет пропускать любую мощность, работать с реактивными нагрузками и исключить завал на высоких частотах.

Как и на всех предыдущих рисунках, на рисунке 6 цепи, гальванически связанные с сетью, выделены красным цветом, а развязанные от сети показаны черным.

Схему рисунка 6 любопытно рассмотреть и как вариант импульсного блока питания. В самом деле, выпрямитель и высокочастотный генератор (лампа) непосредственно подключены к питающей сети 50 Hz.

Только в данном случае это не автогенератор, а генератор с внешним возбуждением через входной трансформатор (кстати в старых книгах по передающей технике усилители мощности так и назывались — генераторы с внешним возбуждением).

Выходной сигнал генератора снимается не через ферритовый трансформатор, как в импульсном блоке питания, а через конденсаторы C1, C2. Такое решение вполне логично, ибо низшая частота генератора (1,8 MHz) более чем в 30000 раз выше частоты питающей сети, и во столько же раз отличаются сопротивления конденсаторов C1, C2 на этих частотах (важный момент их ёмкость не должна быть большой, увеличивать её как у обычного разделительного конденсатора не надо.

Еще одно отличие схемы рисунка 6 от обычного импульсного блока питания состоит в том, что генератор работает не в ключевом, а в линейном (по огибающей) режиме, поэтому КПД преобразования напряжения сети в высокочастотный сигнал (иными словами, КПД усилителя) составляет не 85%...90%, а 55...60%. На выходе включен обычный П-контур.

Ток утечки сети на корпус (при использовании фильтра помех по схеме рисунка 4) определяется только конденсатором C2 и составляет Iут= 0,12 mA, при этом Uут = 3.6 В . Это лучше, чем у многих трансформаторных PA.

Некоторые требования к деталям схемы. Диоды должны быть рассчитаны на Uoбp > 600 В и средний ток не менее 4 Ia. Допустимый импульсный ток перегрузки диодов должен быть в 2...3 раза больше. Хорошо подходят КД202Р, Д248Б.

Конденсаторы блока питания должны быть на напряжение > 350 В, их емкость должна быть не менее 100 uF на каждые 250 mA анодного тока.

Емкости C1 и C2 выбираются такими, чтобы на низшей рабочей частоте их реактивное сопротивление было бы менее 1/10 Rое П-контура. Для Rое > 500 Ом достаточно C1 и C2 по 2000 pF. Напряжение на C1 и C2 не превышает 900 В, но поскольку они обеспечивают безопасность, имеет смысл взять их с большим запасом — на 2 kV и более. С точки зрения безопасности, требования к пробивному напряжению C1 и C2 точно такие же, как в обычном силовом трансформаторе к пробивному напряжению между сетевой и вторичными обмотками.

Цепи катода и сетки могут иметь пиковый потенциал до 900 В (600 В постоянного с наложенными пульсациями 50 Hz и амплитудой 300 В) относительно заземленного шасси. На такую величину должны быть рассчитаны изоляция этих цепей, межобмоточная изоляция входного трансформатора (достаточно использовать провод с изоляцией из фторопласта) и изоляция между обмотками трансформатора накала (подходит любой унифицированный серии ТН). Перейдем теперь к описанию практических схем.
Выходной каскад TRX

На рис. 7 показана принципиальная схема PA для TRX с выходной мощностью 100...200 Wt.

Не спешите скептически усмехаться, утверждая, что для получения подобной мощности еще с прошлого тысячелетия давно используются транзисторные PA. Давайте непредвзято сравним типовой двухтактный транзисторный PA с выходной мощностью 100 Вт с ламповым PA такой же мощности (рисунок 7) по основным параметрам.
Надежность

Здесь и сравнивать нечего - ламповый PA вне конкуренции. Часто ли встречаются транзисторы с Ррас = 350 Wt и устойчивостью к десятикратным импульсным перегрузкам? А для ГИ7Б это типовые параметры.

О работе на не согласованную нагрузку и устойчивости к статическим зарядам на антенне и говорить не стоит - ламповый PA практически не требует никаких систем защиты. Чего не скажешь о транзисторном, и все равно даже со всеми защитами вышедший из строя транзисторный PA несравненно более частое явление, чем ламповый.
Коэффициент передачи по мощности

Примерно одинаков, для обеих схем около 10. Но это только для схемы включения лампы с общей сеткой. При схеме с общим катодом лампа (конечно не триод, а тетрод или пентод) легко даст усиление по мощности в несколько десятков.

Каскад по аналогичной схеме (но с общим катодом) на паре ламп ГУ50 легко "раскачивался" до полной мощности драйвером на одном транзисторе небольшой мощности.
Согласование с нагрузкой

П-контур на выходе лампового PA обеспечивает согласование практически с любыми нагрузками. В транзисторном PA для этой цели после выходного фильтра придется использовать отдельное согласующее устройство.
Размеры

Транзистор (даже пара в двухтактном каскаде), конечно, меньше лампы. Но если установить их на радиатор, эта разница практически исчезает. Дело в том, что радиатор лампы может спокойно иметь температуру 140...150° C, для транзисторов же такая высокая температура недопустима.

В самом деле, мощность, отдаваемая радиатором в окружающую среду прямо пропорциональна как площади радиатора, так и разнице температур между ним и окружающей средой.

Поэтому сильнее нагретый радиатор лампы эффективнее отдает тепло, и следовательно, чтобы рассеять одинаковую мощность, радиатор для транзисторов должен быть больше анодного радиатора лампы.
КПД

На первый взгляд, лампа должна проигрывать — мощность в цепи накала теряется бесполезно, а для ГИ7Б это немало — 25 Wt.

Но давайте подсчитаем. КПД двухтактного транзисторного PA в лучшем случае 40% (как по данным [5], так и по практическим измерениям параметров многих фирменных трансиверов). Для лампового РА, с учетом потерь в П-контуре, КПД по анодной цепи составляет 50...60%, т.е. при Рвых = 100 Wt, подводимая мощность составит 180...200 Wt. Даже если сюда прибавить 25 Wt по цепи накала, то общий КПД составит 45%...50%, т.е. выше, чем у транзисторного PA.

Правда все эти расчеты справедливы для режима передачи. В режиме же приёма мощность накала лампы уходит впустую, и это пожалуй единственный параметр в котором данная схема проигрывает.
Цена

В настоящее время цена пары мощных высокочастотных транзисторов практически равна цене лампы.
Вес

Что касается собственно усилителя, то здесь справедливо все, что говорилось в пункте 4 о размерах. Блок питания для транзисторного PA c выходной мощностью 100 Wt должен обеспечивать более 250 Wt выходной мощности, габаритная мощность его силового трансформатора (с учетом потерь на стабилизаторе) должна быть не менее 300 Wt. В целом вес такого блока получается в районе 10 кг.

Вес же блока питания (сетевой фильтр + умножитель + трансформатор накала ) усилителя мощности, показанного на рисунке 7, чуть более 1 кг.

С полностью транзисторными TRX ( особенно старыми моделями, без встроенного тюнера) получается довольно парадоксальная ситуация. Сам TRX — маленький и легкий. Но чтобы работать в эфире на реальные антенны, необходимо еще иметь антенный тюнер и сетевой блок питания (по весу и размерам нередко превосходящие сам трансивер).

В этом плане PA, показанный на рисунке 7, полностью завершен - он включает в себя и блок питания, и цепь согласования с антенной.

Обратимся теперь к принципиальной схеме (рис.7). Диоды VD1...VD4 и конденсаторы СЗ...С8 — умножитель сетевого напряжения. C1, L1, C2 — сетевой фильтр помех. Трехпозиционный переключатель S1 и ограничивающий резистор R1—элементы двухступенчатой системы включения и уменьшения броска тока при включении. T1 — накальный трансформатор. С9 —блокировка по радиочастоте источника анодного питания. C12, C13—разделительные по высокой частоте и развязывающие по сети. Lдр — анодный дроссель. VD5 обеспечивает начальное смещение лампы. C10, C11 — блокировочные. T2—входной развязывающий трансформатор. C14, C15, C16, L3, L4—обычные элементы выходного П-контура. Коммутация RX-ТХ в данной схеме для лампы не предусмотрена, начальный ток составляет 5...10 mA, и мощность рассеивания на аноде в паузах и в режиме приема невелика — 6...11 Wt.

Если потребуется запирать лампу в режиме приема, достаточно последовательно с VD5 включить резистор 100 кОм (или стабилитрон Д817 с любым буквенным индексом) и замыкать его контактами реле RX/TX при переходе на передачу. Контакты реле RX/TX, коммутирующего режим работы лампы, находятся (как и вся катодная цепь) под потенциалом до 900 В относительно корпуса. Для коммутации требуется реле, которое выдерживает более 900 В между контактной группой и обмоткой, а также между контактной группой и корпусом реле. Абсолютно непригодны герконовые реле - в данной схеме их контакты очень быстро выходят из строя. Кардинально решает данную проблему оптическая развязка (см. ответы на ЧаВо в конце статьи)
Детали

C1, C2 — типа К73-17 (или аналогичные для сетевых фильтров) на напряжение не менее 400 В, C3...C8—К50-31, К50-27, К50-29 (конденсаторы типа К50-35 лучше не применять из-за их низкой надежности) при возможности применяйте импортные - они и меньше и надежнее.

C9, C12, C13 — КСО-11, К15-У1 на напряжение не менее 2 kV, C10, С11 — КМ-5 или аналогичные; C15, C17 — К15-У1 на реактивную мощность не менее чем в 10 раз больше выходной мощности PA; C16 — КПЕ от транзисторных приемников с тремя секциями. C14 сделан из стандартного КПЕ 2х12/495 pF прореживанием роторных и статорных пластин через одну с последующей центровкой статорных секций перепайкой их крепления к основанию.

L1 —дроссель фильтра помех, содержит 2х20 витков сетевого провода на ферритовом кольце марки 2000HH подходящих размеров. Конструкции анодного дросселя Lдр и катушек П-контура L3, L4 описывались неоднократно в литературе.

T1 — подойдет любой с хорошей изоляцией между обмотками, например из серии TH, Сердечник T2 состоит из двух расположенных рядом ферритовых трубок, каждая из которых склеена из трех колец 400НН К10х5х5. Обмотки, подключенные к лампе, содержат 2х4 витка провода МГТФ 0,5.

Число витков и конструкция первичной обмотки Т2 зависят от типа драйвера и его выходного сопротивления. Если первичная обмотка будет содержать 4 витка, то Rвх составит 100 Ом; если 2, то Rвх — 25 Ом. У меня первичная обмотка содержит 1+1 виток провода МГТФ 0,5 и своими выводами подключена непосредственно к коллекторам транзисторов драйвера, а на средний вывод подано напряжение питания драйвера. Еще раз отмечу, что первичная обмотка Т2 должна быть очень хорошо изолирована.

Если есть необходимость ввести ALC, то сигнал можно снять с дополнительной обмотки, намотав ее на Т2, как это сделано в TRX RA3AO. Получить же сигнал ALC с самой лампы в данной схеме нельзя - она связана с сетью.
Конструкция

Детали П-контура размещены у передней панели TRX (удобно настраивать и переключать). Позади них горизонтально расположена лампа. Выходной отсек (анод лампы, C12, Lдр, П-контур) отделен заземленным П-образным экраном.

Лампа закреплена за анодный радиатор стойками из фторопласта на винтах-саморезах. При необходимости замены лампы она выкручивается из анодного радиатора, который закреплен "навсегда".

В П-образном экране сделано отверстие диаметром на 6...8 мм больше диаметра вывода сетки лампы (чтобы избежать замыкания сетки на корпус). На вывод сетки надета дюралевая пластина размерами 70х70 мм, изолированная от шасси (в пластине вырезается отверстие диаметром на 5..10 мм меньше диаметра сетки, потом делаются радиальные надрезы по 5...10 мм через 10..15 мм и полученные лепестки отгибаются плоскогубцами - полученная конструкция плотно и надежно одевается на сетку).

Через четыре фторопластовые прокладки пластина прикреплена саморезами с обратной стороны П-образного экрана. Между этой пластиной и экраном размещен конденсатор C13.

Позади лампы (у задней панели трансивера) установлен трансформатор накала T1. C10, C11 монтируются на выводах лампы и T1. Трансформатор T2 расположен на кронштейне под выводом катода лампы.

Все детали блока питания, включая R1 и VD5 (с небольшим радиатором), размещены на отдельной плате из стеклотекстолита. Плату надо расположить так, чтобы исключить подогрев C3...C8 от лампы VL1. Очень не любят полярные конденсаторы перегрева - снижается пробивное напряжение и надежность. При плотной компоновке может потребоваться установка тепловых экранов, например из тонкого асбеста, наклеенного на стеклотекстолит.
Настройка

Как ни банально это прозвучит, но при правильном монтаже настройка не требуется. Поэтому основное внимание уделите проверке правильности и качества монтажа. Иногда может потребоваться иной стабилитрон в катоде лампы. Проверьте любым, хорошо изолированным от корпуса прибором (хорошо подойдет простой пластмассовый тестер) ток покоя анода. Он должен быть в пределах 8...15 mA , если меньше - значит стабилитрон имеет чрезмерно высокое напряжение. Чтобы не мучиться с подбором стабилитронов лучше воспользоваться схемой, приведенной на рисунке 11.

Полезно также проверить линейность увеличения тока анода в зависимости от уровня входного сигнала, она должна быть плавной, без скачков. Последние говорят о паразитном возбуждении (если конструкция соответствует вышеописанной, то скорее всего дело в неудачном выполнении П-контура).
Результаты

В данной схеме лампа легко "раскачивается" до тока Ia = 200...250 mA при Рвх = 8...12 Wt (2 х КТ913В). При более мощном драйвере можно получить Ia = 0,38...0,4 A (не забудьте при этом увеличить емкость каждого из конденсаторов умножителя до 200 uF).

Однако для TRX рекомендуется ограничиться током Ia = 200 mA и, соответственно, Pвых = 100 Wt. При такой мощности лампа может работать без принудительного охлаждения даже при непрерывном излучении - получаетс

Категория: Мои статьи | Добавил: импульс (21.08.2009)
Просмотров: 6731 | Рейтинг: 4.5/2
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма Входа
 
 

Поиск
 
 

Друзья Сайта
   

зеркало сайта   радиолюбительские сайты © 2019