Широкополосный КВ усилитель мощности

15168
0
29 апреля 2009
В этой статье описывается широкополосный КВ усилитель мощности, а также даны основы теории сборки подобных усилителей. Цель статьи — представить пару несложных основных конфигураций, а также практические примеры линейных усилителей для маломощных любительских радиостанций.

Весь материал подаётся в простой, возможно, даже чрезмерно упрощенной, форме! Мы не будем вдаваться в математические тонкости и перегружать статью обилием формул. Однако читателю всё–таки придётся воспользоваться до некоторой степени своими познаниями из области алгебры.

Методы модуляции

«Линейный усилитель» это усилитель, не создающий значительного искажения, и использующийся для усиления предварительно модулированного сигнала, при этом характеристик этого модулированного сигнала не изменяются. Его можно использовать для усиления сигналов большинства режимов передачи, например:

CW Незатухающие колебания — немодулируемый сигнал, обычно интерпретируемый как код Морзе.

AM Амплитудная модуляция — CW–сигнал, информация которого заключена в амплитуде.

DSB Двухполосная модуляция — Амплитудная модуляция с подавлением несущей (неиспользуемого компонента).

SSB Однополосная модуляция — Амплитудная модуляция с подавлением несущей и одной из боковых полос.

FM Частотная модуляция — Сигнал с постоянной амплитудой и управлением частотой несущего колебания.

Существует множество других режимов передачи и типов волн, но вышеперечисленные являются пожалуй самыми распространёнными. При CW и FM модуляции амплитуда остаётся постоянной, поэтому для работы с подобными сигналами нет необходимости именно в линейных усилителях. Однако, для усиления CW и FM сигналов можно вполне использовать и линейный усилитель. Линейные усилители могут быть достаточно чувствительны к частоте, поэтому их применение исключено для сигналов, при модуляции которых используется такая техника как «скачкообразное изменение частоты» или для усиления видеосигнала. В данной статье речь пойдёт о широкополосных (апериодических) усилителях для усиления сигналов ВЧ–диапазона (1 МГц – 45 МГц).

Другое применение подобного «усилителя мощности» — усиление сигнала эфирных распределительных сетей. Например, вы можете использовать одну антенну для нескольких абонентских точек. Линейный усилитель мощности является превосходным решением при обеспечении работы подобной системы. Усилитель располагается между антенной и пассивным распределителем сигналов. Ещё одним дополнительным применением может быть усиление таких сигналов с антенны, в которых высока вероятность наличия сильных побочных сигналов, находящихся в полосе частот, или сильных сигналов в близлежащих частотах. Такие сигналы могут «заблокировать» работу обычного маломощного предусилителя ресивера.

Классы работы усилителей

Прежде чем мы продолжим, стоит сказать несколько слов о классах работы усилителей. Представленная ниже информация вероятно излишне упрощена, поэтому более искушенные читатели могут сразу перейти в следующий раздел («Усилитель класса А»).

Класс А

Когда сигнал подаётся на транзистор, то этот сигнал содержит как положительный так и отрицательный полупериод тока или напряжения. К сожалению, транзисторы не могут выдерживать отрицательный ток, поэтому необходимо добавить ток покоя. К этому току будут добавляться или отниматься токи сигнала, поэтому этот ток должен превышать максимальный сигнал в отрицательной полуволне сигнала. Такова работа в классе А. Такой режим работы применяется в однокаскадных усилителях, однако КПД подобных усилителей очень низок, практически не превышает 45%.

Класс В

При работе в классе В в устройстве очень низкий постоянный ток покоя и следовательно усиливается положительная полуволна подаваемого сигнала. Из-за невысокого постоянного тока покоя, КПД такого усилителя гораздо выше. Если такой класс работы выбран для однокаскадного усилителя, то создаётся большое количество искажений, но в двухтактных усилителях или в системах на дополняющих транзисторах, искажений будет гораздо меньше. Действительный КПД может достигать 80%.

Класс АВ

Такой режим работы усилителя, при котором работа каскадов занимает промежуточное положение между классом А и классом В и, когда используется в двухтактных системах усиления или системах на дополняющих транзисторах, на выходе будут несильные искажения или же будут практически отсутствовать.

Класс С

Есть и другой тип усиления: класс С. Скажем вкратце и об этом классе, хотя в статье этот случай не разбирается отдельно. При режиме работы в классе С ток покоя отсутствует, поэтому слабые сигналы усилитель просто игнорирует. При этом возникает огромное количество искажений и гармоник, как чётного так и нечётного порядка. Такой режим усиления может использоваться только для усилителей с очень высоким КПД, для сигналов у которых не содержится информации, закладываемой при амплитудной модуляции, например для CW и FM сигналов. Усилители класса С не применяются для AM– и SSB–модуляции. Из-за обилия гармоник, класс С используется в усилителях–умножителях частоты.

Усилитель класса А

rf_pa_cct1a.gif

На рисунке показан типичный однокаскадный усилитель класса А. Резисторы R1 и R2 делят напряжение питания, которое затем подаётся на базу транзистора, через вторичную обмотку трансформатора Т1. Обычно ток базы при этом устанавливается на уровне 25% от напряжения питания. Резистор эмиттера устанавливает ток покоя транзистора. Посредством трансформатора T2 производится согласования коллектора и нагрузки.

Однокаскадная схема может вполне выдавать несколько ватт радиочастотной мощности, при условии корректного выбора компонентов. Серьёзным недостатком такой схемы является то, что транзистор ТR1 имеет очень высокий постоянный ток покоя, что обычно приводит к необходимости использования радиатора. Другой слабой стороной такой конструкции является то, что коэффициент усиления по постоянному току транзистора падает по мере увеличения тока. Это означает, что по мере того, как уровень РЧ сигнала изменяется в ходе одного цикла, в такой же степени изменяется и коэффициент усиления транзистора TR1. По мере того как растёт ток, коэффициент усиления падает. Этот эффект виден достаточно ясно на следующей диаграмме, изображающей выходной радиочастотный сигнал.

rf_pa_cct1c.gif

Кривая 1 представляет желаемую форму, однако если у транзистора не слишком занижен номинал, то форма полученной кривой будет соответствовать рисунку 2. Как вы можете видеть при этом в сигнале появляется МНОГО третьих гармоник. На самом деле всё может обстоять не так плохо как показано на диаграмме, и может быть вам удастся получить гармоники на 20 или 30 дБ ниже. Однако у ваших соседей может быть другая точка зрения, особенно если они хотят посмотреть свой любимый сериал. Если номинальные характеристики транзистора будут завышены (например вы будете использовать транзистор 10 Вт для того, чтобы обеспечивать всего 1 ватт мощности) и будете использовать хороший фильтр нижних частот, то всё будет в порядке.

Усилитель класса АВ

rf_pa_cct1b.gif

Это более приемлемое решение. Транзисторы TR1 и TR2 по отдельности усиливают противоположные полуволны радиочастотного сигнала и каждая полуволна объединена с T2, который согласует транзисторы TR1 и TR2 с нагрузкой. И вновь, резисторы R1 и R2 делят напряжение питания, которое затем подаётся на базу транзисторов, через вторичную обмотку трансформатора Т1. Обычно её напряжение составляет примерно 1 вольт, поэтому транзисторы TR1 и TR2 проводят лишь незначительное количество тока. Если в сигнале присутствует некий минимальный уровень, который приводит к тому, что транзистор перестаёт проводить, то это не вызывает никакой проблемы, потому что работу будет совершать второй транзистор. Резистор эмиттера ограничивает ток и улучшает линейную зависимость.

Поскольку такой усилитель будет симметричным, третьи гармоники будут существенно сокращены, потому что в каждый момент времени один из транзисторов находится в рабочем состоянии. Таким образом один транзистор усиливает положительную полуволну +ve, а второй — отрицательную полуволну -ve.

rf_pa_cct1d.gif

Кривая 3 — идеальная синусоидальная волну, которая приведена для сравнения, а кривая 4 представляет собой то, что произойдёт при переходе с класса работы АВ на класс В. КПД подобной схемы достаточно высок, обычно примерно 80%, и значительное количество тепло рассеивается только во время радиочастотной активности. Подобный усилитель может использоваться для обеспечения радиочастотной мощности от 100 мВт до свыше 100 Вт, при условия правильного подбора компонентов.

Номиналы компонентов

Компоненты для усилителя класса А

Ток покоя усилителя, работающего в классе А, должен превосходить максимальный ток входного сигнала. Поэтому давайте начнём с параметров выходной мощности, поскольку именно этот параметр обуславливает величину тока покоя. Предположим, что мы хотим получить на выходе 100 мВ мощности, а напряжение питания равно 12 В (13,8 В). Схема, которую мы будем использовать:

rf_pa_cct1a.gif

При питании 12 В (13,8 В), полный размах сигнала может изменяться от примерно 2 вольт до примерно 13 вольт, то есть полный размах будет составлять чуть более 10 В. Следовательно, среднестатистическое значение напряжения равно 10?0,3535 = 3,5 вольта. Это будет максимальная амплитуда нашего выходного напряжения на коллекторе транзистора TR1. Чтобы обеспечить 100 мВ мощности, имея лишь 3,5 вольта, нам необходим ток, равный W / E = I или 0,1 / 3,5 = 0,028 ампер = 28 мА. Поскольку это значение является среднеквадратическим, то максимальный ток будет составлять 28?1.414 = 40 мА. Следовательно выходной сигнал на коллекторе TR1 должен колебаться от -40 мА до +40 мА на пиках. Таким образом, нам необходимо создать ток покоя, который был бы выше 40 мА, скажем 50 мА. Теперь ток будет варьироваться от 10 мА до 90 мА со средним значением равным 50 мА.

Таким образом, мы можем выбрать такой транзистор как BC547, коэффициент усиления по постоянному току (hFE) которого, примерно равен 200. При токе покоя коллектора 50 мА, ток базы равен Ic / hfe = 50 мА / 200 = 0,25 мА. Это означает, что резисторы R1 + R2 должны «поглощать» по меньшей мере 2,5 мА (10 х ток базы), поэтому R1 + R2 должно быть равно примерно 5520 Ом. R1 = 4,7 кОм, а R2 = 820 Ом, — неплохой вариант разделения для получения нужного сопротивления. Теперь на базе транзистора TR1 будем иметь примерно 2,05 В, что даст 1,3 В на эмиттере транзистора TR1. R3 = Ve / Ie = 1,3 В / 50 мА = 26 Ом. Значение 27 Ом будет достаточно близко, поскольку в предыдущих расчётах я некоторые числа были округлены.

Номиналы конденсаторов C1 и C2 должны быть довольно высокими. Вполне подойдут электролитические конденсаторы 22 нФ, применение которых является обычной практикой в устройствах для обработки радиочастотных сигналов. Конденсаторы 47 мкФ — тоже неплохо. С помощью конденсатора С3 коэффициент усиления будет увеличен, что к сожалению также приведёт к усилению искажений.

Компоненты для усилителя класса АВ

Для работы усилителя класса АВ нет необходимо создавать смещение, при котором бы обеспечивался ток покоя, превосходящий максимальный ток входного сигнала. Небольшой ток покоя 5 мА вполне адекватен для обеспечения примерно 1 ватта мощности; 20 мА — для мощности 10 Вт и 80 мА — для мощности до 100 Вт. Но мы будем собирать усилитель мощностью 5 ватт, с использованием выходного транзистора 2SC2078, обычно применяемого для радиоаппаратуры гражданского диапазона. Вы можете использовать и другие транзисторы, например, 2SC3781, используемый обычно в выходных каскадах телевизоров. Предположим, что мы хотим получить на выходе 5 В мощности, а напряжение питания равно 12 В (13,8 В). Схема, которую мы будем использовать:

rf_pa_cct1b.gif

Поскольку каждый из транзисторов работает с полуволной сигнала, максимальное напряжение коллектора одного транзистора будет примерно 12 В, а СКЗ напряжения коллектор–коллектор будет составлять примерно 8 вольт. Чтобы обеспечить 5 ватт: СКЗ тока будет будет равно W / E = I или 5 / 8 = 0,625 A = 625 мА. Поскольку это значение является среднеквадратическим, то максимальный ток будет составлять 625?1,414 = 885 мА. Следовательно, каждый транзистор будет проводить почти 1 ампер на пиках сигнала. При использовании мощного транзистора с коэффициентом усиления по постоянному току равным 80 ток базы будет составлять примерно 11 мА. R1 + R2 = 13,8 В / 11 мА = 1254 Ом. В этой схеме ток будет несколько выше и в ней используются резисторы R1 = 1 кОм и R2 = 100 Ом. Это означает, что напряжение на эмиттерах TR1 и TR2 будет равно примерно 0,5 В постоянного тока. Падение напряжения на R3 не должно быть выше, чем 1 вольт при максимальном токе (900 мА), поэтому здесь вполне можно обойтись резистором 1 Ом, ОДНАКО номинал резистора 100 Ом следует уменьшить для того, чтобы задать ток покоя на уровне 10 мА или примерно на таком уровне. Следовательно, в качестве R2 должен использоваться предварительно установленный резистор переменного сопротивления.

rf_pa_cct1e.gif

Можно использовать и другую конфигурацию, при которой резистор R2 заменяется обычным кремниевым диодом. В этом случае необходимо выбрать другой резистор R1, при использовании которого ток покоя TR1+TR2 был бы равен 10 мА и исчезла бы необходимость в регулировке, даже при изменении напряжения питания.

Трансформаторы

Как основное «практическое допущение» вы можете считать полное входное сопротивление каскада равным номиналу резистора эмиттера. Возможно совпадение не будет стопроцентным, но вы будете в нужной области значений и очень близко к обмотке катушки. Во всех примерах использовался тороидальный трансформатор. Они состоят из ферритового сердечника с двумя отверстиями. Вы можете расположить рядом два сердечника и рассматривать эту систему как единый сердечник, при этом можно добиться удешевления компонента. На фотографии ниже представлен метод объединения двух сердечников.

rf_pa_2.jpg

T1 —100 мВ

Т1 сконструирован так, чтобы согласовывать входное напряжение, подаваемое на базу транзистора. В нашем однокаскадном усилителе класса А мощностью 100 мВ, полное сопротивление базы транзистора несколько ниже 25 Ом, а сопротивление на входе составляет 75 Ом. При соотношении сопротивлений (для упрощения подсчёта) 80:20 = 4:1 соотношение витков является квадратным корнем из соотношения сопротивлений и следовательно равно 2:1. Восемь витков в первичной обмотке и четыре витка во вторичной. Можно также порекомендовать создание на транзисторах более низкого полного сопротивления. В этом случае поведение устройства становится более предсказуемым, даже при использовании различных транзисторов. Выбор количества витков (восемь) при соотношении 50/75 Ом обусловлен тем, что обычно при этом значении обеспечивается хорошая работа на частотах от 1 МГц до 40 МГц с большей частью ферритовых сердечников.

T2 — 100 мВт

Т2 устанавливается для согласования нагрузки коллектора транзистора. При работе над полным сопротивлением коллектора забудьте о напряжении смещения постоянного тока. В данный момент нас интересует только сам сигнал. В усилителе с выходной мощностью 100 мВт, у нас имеется 3,5 В (СКЗ) при 28 мА, следовательно полное сопротивление коллектора составляет 3,5/0,028 = 125 Ом. Для согласования 125 Ом с 75 Ом нам необходимо соотношение 125:75 = 1,7:1, иначе говоря, коэффициент понижения 1,3:1. Для Т2 могут применяться две конфигурации: восемь витков с выводом на двух витках от коллектора или восемь витков на первичной обмотке с шестью витками на вторичной.

T1 — 5 Вт

Пятиваттная версия обладает намного меньшим полным сопротивлением базы. В данном случае оно равно примерно 1 Ом на каждый транзистор. Если на входе имеем соотношение 50/75 Ом, то соотношение можно привести к виду 64:1+1, при этом получаем хорошую круглую цифру 8:1+1 для соотношения витков. Восемь витков на первичной обмотке и 1+1 витков на вторичной обмотке. Это означает два витка с отводом от средней точки. Используйте немного более тонкий провод для обмоток с меньшим полным сопротивлением.

T2 — 5 ватт

Выходной трансформатор 5 Вт должен соответствовать 8 В (СКЗ) при 625 мА = 12,5 Ом на выход 50/75 Ом. Интересно, что для 50 Ом, соотношение сопротивлений составляет 1:4, а следовательно, соотношение чисел витков равно 1:2 (2:4). На первичной обмотке есть отвод, поэтому 1+1:4 является корректным отношением витков. На первичной обмоке четыре витка с отводом от средней точки (два витка + два витка), а на вторичной — восемь витков.

T1/T2 — межкаскадная связь

Вы можете собрать подобный трансформатор, пользуясь вышеописанным способом — предположим, что отношение 8 витков к 12 виткам равно соотношению 50/75 Ом и сделаем соответствующую обмотку. Если у вас было, например, 100 мВ версия, питающая 5 Вт версию 3-транзисторного усилителя мощности, то трансформатор межкаскадной связи будет «Т2 100 мВ на первичной обмотке» и «Т1 5 Вт на вторичной». То есть на первичной обмотке 4 + 4, а на вторичной 1 + 1, как показано ниже:

rf_pa_3.jpg

T1/T2 — ферритовые сердечники

Для рабиочастот используются СЕРЫЕ ферритовые сердечники. Их диаметр составляет примерно 3 мм, а диаметр отверстиея — 1 мм. Длина равна примено 4 мм. Эти ферритовые сердечники работают отлично при мощности до 1 ватта. Одна из частых ошибок при монтаже трансформаторов — использовнание слишком больших ферритовых сердечников. Чем больше сердечник, тем хуже их добротность на высоких частотах. Описанные сердечники работают без проблем на частоте до 150 МГц. Однако, вам потребуются ферритовые сердечники для мощности выше 1 Вт. Если вы хотите самостоятельно высверливать отверстия в ферритовых шайбах, то заморозьте их предварительно, положив на большой кусок льда, а затем просверливайте ответстия вольфрамовым перьевым сверлом, используя высокоскоростную дрель.

Прототипное устройство

Попробуем собрать прототипный линейный усилитель 250 мВт для маломощной любительской радиостанции, работающий в классе АВ и, в состав которого входит фильтр нижних частот. На плате достаточно места для добавления более крупных ферритовых сердечников и зазор между штырьковыми выводами транзистора позволяет ввести мощный транзистор в корпусе ТО220, если вы хотите увеличить мощность до уровня более 5 ватт. Элемент в корпусе TO220 может крепиться и с нижней стороны платы, его можно отгибать и на него можно поставить радиатор. Вы можете немного переработать топологию платы и использовать пару транзисторов BC547 при этом добиться выходной мощности 600 мВт (вторичная обмотка Т2 = 5 витков).

Но в данном случае мощность устройства будет оставаться 250 мВт при использовании той же пары транзисторов BC547.

Ниже показана схема несложного усилителя. Ему требуется всего 5 мВт при 1,8 МГц, чтобы обеспечить на выходе 300 мВт, следовательно это будет отличное дополнение к генератору с модуляцией амплитуды для генерирования AM–сигналов или SSB-сигналов гражданского диапазона.

rf_amp_1c_show.gif

Вот схема этого устройства:

rf_pa_cct1f.gif

Как вы видите, схема полностью соответствует тому, что обсуждалось выше.

Номиналы компонентов будут следующими:

1) R1 — 4,7 кОм;

2) R2 — 1 кОм;

3) R3 — 47 Ом;

4) C1 — 10 нФ + 22 нФ + 10 мкФ;

5) C2 — 22 нФ;

6) T1 — 8 витков на первичной обмотке плюс четыре витка на вторичной с отводом от средней точки;
7) T2 — 8 витков на первичной обмотке с отводом от центральной точки плюс 4 витка на вторичной обмотке.

 

Компоненты, номиналы которых зависят от частоты

 

 

1,8 МГц

 

3,5 МГц

 

7 МГц

 

10 МГц

 

14 МГц

 

21 МГц

 

28 МГц

 

C4

 

1800

 

1000 пФ

 

470 пФ

 

350 пФ

 

150 пФ

 

100 пФ

 

91 пФ

 

C5

 

2700 пФ

 

1800 пФ

 

820 пФ

 

610 пФ

 

330 пФ

 

220 пФ

 

180 пФ

 

C6

 

1800 пФ

 

1000 пФ

 

470 пФ

 

350 пФ

 

150 пФ

 

100 пФ

 

91 пФ

 

L1

 

4,80 мкГн

 

2,75 мкГн

 

1,40 мкГн

 

1,05 мкГн

 

0,70 мкГн

 

0,46 мкГн

 

0,35 мкГн

 

L2

 

4,80 мкГн

 

2,75 мкГн

 

1,40 мкГн

 

1,05 мкГн

 

0,70 мкГн

 

0,46 мкГн

 

0,35 мкГн

 


Когда всё собрано, схема должна выглядеть приблизительно как на фотографии ниже. Здесь вы можете ясно видеть конструкцию катушки, а также то, что есть много места для установки более крупных ферритовых сердечников по сравнению с установленными в схеме на фотографии. На остальной части платы также достаточно места на тот случай, если вы решите использовать более крупные компоненты по сравнению с использованными в данной конкретной схеме. На следующей фотографии показана такая же плата, только двухтактный каскад соединён с дополнительным двухтактным каскадом для получения выходной мощности 5 ватт.

rf_pa_1.jpg

Заключение

Для описания применялся известный всем закон Ома и математика «счёта на пальцах». Например, выходное полное сопротивление коллектора усилительного каскада описывается посредством выражения «возведённая в квадрат Vcc, делённая на выходную мощность в ваттах». Однако, это будет МАКСИМАЛЬНЫМ значением. Сопротивление может быть немного ниже, но никогда выше. В этом отношении, возможно, что краткого объяснения и «счёта на пальцах» более чем достаточно для конструктора–любителя. Если вы хотите узнать предмет поглубже, то изучайте специализированную литературу.

Теги


    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.3673 s