Усилитель мощности 144 МГц на двух лампах ГУ34Б

Л. Вербицкий, UR5LAK, М. Вербицкий, US4LP
Радиоаматор, 1, 2007

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. 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;
• следует 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. Последовательное включение входной и выходной емкостей лампы к соответствующим контурам уменьшает начальную емкость контура. 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.

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, требующее подбора близких по параметрам ламп.

Были 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].

Рис 1

Имеется несколько проблем, связанных с популярным киловаттным усилителем [1]:

• трудность получения хорошо работающего винто-ползункового механизма;
• критичность настройки выходной цепи;
• очень большие токи текут через винтовой контакт конденсатора, которые приводят к коррозии и порче ползунков;
• пластины ротора и статора в местах пайки нагреваются до очень высокой температуры, плавится припой, и конденсатор разрушается. Проблема решается путем использования полностью изолированного ротора конденсатора настройки анода.

Основные технические данные усилителя мощности

Классы работы усилителя	АВ1-SSB и С-CW
Входное и выходное сопротивления	50...75 Ом
Напряжение анода	1500 В с изменением ступенями через 250 В
Мощность, отдаваемая УМ в антенну	1000 Вт
КПД усилителя	60...65%
Мощность возбуждения	30…40 Вт

После многих экспериментов конструкция приобрела схемное решение, показанное 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 С2, С4 цепи сеточной линии. Конденсатор С3 дифференциальный, с его помощью линии L2-1, L2-2 настраиваются 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. 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. Смещение на каждую лампу УМ регулируют отдельно. Подстроечными резисторами R3 и R8 точно устанавливают рабочее смещение на первых сетках ламп. Это сделано для того, чтобы 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 выбирают тумблером SA1 в блоке УМ.

Резисторы R4 и R9 установлены в цепи измерения тока первой сетки, состоящей также из измерительного прибора РА1 и переключателя SA2.1, SA2.2.

Питание на экранирующую сетку подается со стабилизатора экранного напряжения +500 В. Электролитические конденсаторы большой емкости С1–С4 и дроссель Др1 образуют фильтр. Резистор R14 установлен в цепи измерения тока второй сетки, а резисторы в цепях катодов R12 и R13 служат для контроля (при наладке) тока каждой лампы.

Применена схема защиты ламп VL1, VL2 от перегрева, который возможен при повышенном тепловыделении на анодах ламп. Над анодами ламп размещены биметаллические датчики SF1, SF2. Если температура воздуха, превысит максимально допустимую температуру анода, контакты термодатчиков разрывают цепь, срабатывает реле К2, которое контактами К2.1 блокирует передачу.

Реле К3 переключает антенну с приемника на выход УМ. Для охлаждения ламп служат вентиляторы BL1, BL2. В режиме передачи на вентиляторы подается напряжение сети 220 В. При работе на прием часть напряжения сети падает на гасящем резисторе R15, который включается 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 мощности УМ, превосходящей паспортную, придется обеспечить форсированный обдув ламп, добавив еще пару вентиляторов, осуществляющих дополнительную принудительную вентиляцию 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 [2].

Рис 2

Блок питания
(БП) выполнен в отдельном корпусе. Размещение 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 показана на рис.2. В БП применены три трансформатора Т1–Т3, в сетевые обмотки включены предохранители FU1–FU3. Имеется возможность ступенчатого изменения анодного напряжения. Для упрощения анодный выпрямитель построен по схеме с последовательным включением выпрямителей, что выполняется с помощью переключателей 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.

Контрольные лампочки HL1–HL3 служат для контроля включения трансформаторов Т1–Т3 соответственно. Напряжение накала ~12,6 В, напряжение смещения –82 В и экранное напряжение +500 В получены от трансформатора Т1. С трансформатора Т2 снимается 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. Миллиамперметр РА1 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 также для питания усилителя мощности КВ, выполненного на двух лампах ГК71. 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.

 При включении БП тумблером SА1 сначала включают обдув, а затем тумблером SA2 подают накальное, запирающее и экранное напряжения. Выдерживают пятиминутную паузу и только после этого тумблером SA3 включают анодное напряжение. При выключении снятие напряжений производится в обратном порядке. Обдув выключается через 5 мин после снятия напряжения накала. Не все напряжения БП используются с данным УМ.

Конструкция
Внешний вид УМ показан на рис.3. Гнезда XW1–XW3 предназначены для подключения предварительного УМ, антенны и разъема входа приемника. Режим "Обход" в УМ отсутствует, так как он не предназначен для проведения местных связей. На реле К3 РЭВ15 непосредственно одним концом подключена катушка связи L4.

Рис 3

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.

Через разъем ХP2 по 20-жильному кабелю с БП на УМ подаются необходимые напряжения. Для накальных цепей жилы кабеля запаивают в параллель. На провод высокого напряжения дополнительно надет поверх основной изоляции еще полихлорвиниловый кембрик соответствующего диаметра. Правда, более предпочтительным вариантом, который применяется во многих радиолюбительских разработках, является подача анодного напряжения от внешнего БП на высокочастотный разъем СР50 по отрезку коаксиального кабеля РК-50 или РК-75 диметром 7...12 мм. При этом в целях повышения безопасности экранную оплетку кабеля соединяют с корпусами УМ и БП.

Боковая и нижняя крышки УМ съемные. Размеры УМ 270х270х210 мм без выступающих элементов, масса 9,36 кг.

В БП находятся три трансформатора: Т1 мощностью 200 Вт, Т2 мощностью 20 Вт и промышленный трансформатор Т3 мощностью 1000 Вт, в котором намотаны вторичные обмотки. Предусмотрен еще один вывод от сетевой обмотки для перехода на повышенное анодное напряжение (переключается внутри БП). Этот вывод можно использовать в полевых (сельских) условиях при заниженном напряжении питающей сети.

На лицевой панели корпуса БП находятся выключатели сети SA1–SA3, переключатели напряжения SA4, SA7, переключатель предела измерения тока анода SA6, держатели предохранителей FU1–FU3, а на задней стенке – разъемы XS1–XS3, XP1 и XP2.

Внешний вид БП показан на рис.4. Надписи на передней панели выполнены с помощью переводного шрифта. Перед нанесением слоя цапонлака их закрепляют лаком для волос. БП имеет габариты 360х250х300 мм, подвал шасси 50 мм, массу 29,2 кг.

Рис 4

Настройка
Правильно собранный УМ в сложной настройке не нуждается. Настройка усилителей мощности неоднократно описывалась в доступной литературе [5], поэтому специально этот вопрос в данной статье не освещается. Настройка сводится к установке тока покоя ламп подстроечными резисторами R3, 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
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 их проверить и ввести в работу. Вначале подают напряжение накала при включенном обдуве. Тренируют лампы одним накалом, что приводит к улучшению вакуума и электрической прочности ламп. Также 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 хорошо прогреть. Применение ГУ-34Б в данной схеме вызвано тем, что она уже стоит в конструкции. Эти лампы обладают 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 длиной 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, получают дополнительную возможность расширять диапазон перестройки по частоте выходного контура. Петля связи L6 изготовлена из посеребренной трубки диаметром 5 мм длиной 100 мм.

Дроссели L3, 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. Катушка L7: диаметр каркаса 20 мм, число витков 7, диаметр провода 1,1 мм, намотка в один слой прогрессивной намоткой с шагом 1 мм. Дроссели, включенные в цепь накала ламп (на схеме не показаны): диаметр 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 нужно сделать шлиц для настройки диэлектрической отверткой или насадить изолированную ручку.

Подстроечные конденсаторы С1, С2, С4 и С13 типа КПВ, КПВМ 40 пФ. Конденсатор С3 типа "бабочка" 2...25 пФ. XW1 – ВЧ разъем CP-50-73ф. Подстроечные резисторы R3, R8 типа СП2-2-1.

Реле К1, К2 – РЭС9 с рабочим напряжением обмотки 24 В, реле К3 – коаксиальное ВЧ реле РЭВ15 или РЭВ14, выдерживающие напряжение на контактах до 300 В и ток до 5 А. Параллельно обмоткам реле включены блокировочные конденсаторы емкостью 47 нФ и диоды КД103 (на схеме не показаны). Вентиляторы BL1, BL2. типа ВН-2 на 220 В производительностью 118 м³/ч.

БП
Разъемы: XS1 – сетевой разъем типа ШР20У4НШ8; XS2 – сетевая розетка; Х1 – клемма-зажим; ХР1, ХР2 – 30-контактные разъемы типа РП14-30Л0 или РП3-30.

Подстроечные резисторы R1–R4 типа ПЭВР мощностью 5...15 Вт, R5, R6 – шунты к конкретному примененному прибору РА1.

Электролитические конденсаторы С1–С5, С8–С12 – К50-7 емкостью 50...250 мкФх450/495 В, С7 – ЭТО-2. Применение более современных или импортных конденсаторов 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–КЦ405 или собраны из диодов КД202, КД209. Не забывайте про выравнивающие резисторы и конденсаторы емкостью 10...47 нФ (защита от возможного пробоя кратковременными импульсами). VD3 – стабилитрон Д817В, VD4–VD8 – Д817Г или набор из других с общим напряжением стабилизации 500 В. VD9–VD11 – КС650 или набор из других с общим напряжением стабилизации 450 В, 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. Кроме того, не разбирая обмотки трансформатора, сделан дополнительный вывод от первичной обмотки между 220 В и 380 В. Таким образом, получилась еще одна ступень дискретной регулировки напряжения. Пользоваться этими переключателями возможно только при отключенной нагрузке. Все трансформаторы должны быть качественно пропитаны лаком, чтобы 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
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 высокими напряжениями и частотами!

Авторы не ставили себе цель конкурировать по параметрам и внешнему виду УМ с известными фирмами-изготовителями подобной электронной техники. Тем не менее, опыт показал, что наша радиостанция с самодельной техникой [6, 7] на равных работает со станциями, оснащенными дорогой покупной аппаратурой производства известных фирм.

Данный УМ длительное время работает совместно с трансивером UR5LAK [6] 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 о данной конструкции. Интересовалось много радиолюбителей, работающих на УКВ. 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 г. Руссе, подарившим две части книги [5] (перевод американского издания The radio amateur’s handbook).

Литература

1. New Ideas for the 2-Meter Kilowatt//QST. – 1971. – February. – P.24–30.
2. Вербицкий Л., Вербицкий М. Усилитель мощности на 50 и 144 МГц//Радиохобби. – 2005. – №5. – С.33–36.
3. Сафонов С. О некоторых особенностях конструирования и эксплуатации мощных ламповых РА//РАДИО-Дизайн. – №16. – С.54–58.
4. Modifications to the144-MHz “Plumber’s special” amplifier//QST. – 1980 – Deсember. – P.56–58.
5. 1kW усилвател за 144 MHz// Наречник на радиолюбителя. Часть 1. – София: Техника, 1976, С.268–273.
6. Вербицкий Л., Вербицкий М. Коротковолновый трансивер UR5LAK//Радиохобби. – 2005. – №1. – С.32–37; №2. – С.32–34; №3. – С.35–37.
7. Вербицкий Л. ЦАПЧ для трансивера//Радiоаматор. – 2004. – №3. – С.47.