HELLORADIO.RU — интернет-магазин средств связи
EN FR DE CN JP

Усилитель мощности диапазона 140..150 МГц

Усилитель мощности диапазона 140...150 МГц

Титов Александр Анатольевич
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Россия, 634050, Томск, пр.. Ленина, 40
Тел. 51-65-05

E-mail: titov_aa (at) rk.tusur.ru

Радиомир, 2004, № 4, 5

Основные технические характеристики УМ:

  • максимальная выходная мощность - 40 Вт;
  • полоса рабочих частот - 140...150 МГц;
  • коэффициент усиления - 30 дБ;
  • напряжение питания - 13,8 В;
  • потребляемый ток в режиме молчания - 0,25 А;
  • максимальное значение потребляемого тока - 7 А;
  • при коротком замыкании либо отключении нагрузки потребляемый ток уменьшается до - 1...2 А;
  • сопротивление генератора и нагрузки - 50 либо 75 Ом;
  • габаритные размеры корпуса усилителя - 205х105х40 мм

Рис. 1 Принципиальная схема усилителя мощности (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 1 Принципиальная схема усилителя мощности (щелкните мышью для увеличения)

В [1] описан усилитель мощности (УМ) диапазона 140...160 МГц с защитой от перегрузок. Однако, не зная особенностей конструктивного изготовления мощных усилителей на эти частоты и методики их настройки трудно осуществить реализацию УМ с требуемыми параметрами.

Рассмотрим особенности изготовления и настройки трехкаскадного УМ, в котором использованы доступные комплектующие изделия, имеющего полосу пропускания 140...150 МГц, выходную мощностью 40 Вт и коэффициент усиления 30 дБ. Принципиальная схема УМ приведена на рис 1, на рис. 2 приведен чертеж печатной платы с расположением элементов, на рис. 3 – чертеж основания усилителя, на рис. 4 – чертеж крышки усилителя, на рис. 5 – чертеж держателя низкочастотного разъема, на рис. 6 и 7 – фотографии внешнего вида усилителя.

Усилитель содержит входной резистивный делитель напряжения, три каскада усиления, трансформатор сопротивлений, стабилизатор напряжения базового смещения, защиту от перегрузки по входу, термозащиту, защиту от холостого хода и короткого замыкания нагрузки, защиту от превышения напряжением питания номинального значения.

Резистивный делитель напряжения, стоящий на входе усилителя и выполненный на резисторах R2 и R3, обеспечивает согласование УМ с сопротивлением генератора.

Все каскады УМ, выполненные на транзисторах VT2, VT3 и VT5, работают в режиме с отсечкой коллекторного тока. Стабилизация угла отсечки обеспечивается стабилизатором напряжения базового смещения [1] на транзисторах VT4 и VT6. Требуемый угол отсечки устанавливается подбором номинала резистора R12, стоящего в цепи базы транзистора VT6. При отсутствии резистора R12 коллекторные токи каждого из транзисторов VT2, VT3 и VT5 составляют 10...40 мА. При подключении R12 напряжение на базе транзистора VT6 уменьшается и его выходное сопротивление по постоянному току растет, что приводит к увеличению базового смещения транзисторов VT2, VT3, VT5 и увеличению их коллекторных токов.

Стабилизатор напряжения базового смещения используется также в качестве элемента управления коэффициентом усиления УМ. Срабатывание любой из защит усилителя приводит к открыванию транзистора VT1 и уменьшению напряжения смещения на базе транзистора VT4 стабилизатора напряжения базового смещения. Угол отсечки транзисторов VT2, VT3 и VT5 в этом случае уменьшается, уменьшая, тем самым, коэффициент усиления УМ. В случае полного открывания транзистора VT1 напряжение базового смещения оказывается равным нулю и коэффициент усиления УМ уменьшается до 2...5 дБ.

В УМ использованы полосовые межкаскадные корректирующие цепи третьего и пятого порядков [2], обеспечивающие высокие технические характеристики усилителя и обладающие простотой конструктивной реализации и настройки.

Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы Ом [3]. Поэтому на выходе усилителя включен трансформатор импедансов с коэффициентом трансформации 1:25, выполненный в виде фильтра нижних частот шестого порядка [4] и состоящий из элементов C18, C19,C21, L11, L12, L13.

С целью сохранения работоспособности УМ при подаче на его вход сигналов с амплитудой больше номинального значения, в усилителе установлен детектор с удвоением напряжений на диодах VD1 и VD2, выходное напряжение которого пропорционально уровню входного воздействия. При превышении входным сигналом определенного значения выпрямленное детектором напряжение открывает транзистор VT1, уменьшая коэффициент усиления УМ. Порог срабатывания защиты по входу устанавливается выбором номинала резистора R1.

С увеличением рассогласования нагрузки усилителя с его выходным сопротивлением увеличивается напряжение, снимаемое с выхода отраженной волны направленного ответвителя HO1. Это напряжение детектируется детектором на диоде VD4 и, открывая транзистор VT1, приводит к уменьшению коэффициента усиления УМ. Поэтому мощность сигнала на выходе усилителя падает пропорционально росту рассогласования нагрузки. Направленный ответвитель HO1 выполнен из двух проводов марки МГТФ 1х0,35 длиной 40 мм, намотанных вплотную друг к другу на цилиндрический изолятор диаметром 7 мм, который помещается затем в заземленный металлический цилиндрический экран [1]. В рабочем диапазоне частот усилителя переходное затухание HO1 равно 30 дБ. Порог срабатывания схемы защиты от рассогласования усилителя по выходу устанавливается выбором резистора R15 . В качестве изолятора HO1 может быть использован деревянный цилиндр, который виден на фотографии, приведенной на рис. 7.

Защита от превышения напряжением питания номинального значения выполнена на стабилитроне VD3. Установка схемы термозащиты, выполненной на транзисторе VT7, на заданную температуру срабатывания осуществляется с помощью резистора R20. Описание работы используемых схем защиты и методика их настройки приведены в [1]. Диод VD8 установлен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе полярности напряжения питания.

Изготовление и настройка усилителя мощности состоит из следующих этапов.

Рис. 2 Печатная плата усилителя мощности (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 2 Печатная плата усилителя мощности (щелкните мышью для увеличения)

Печатная плата (рис. 2) размером 205х105 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 2...3 мм. Пунктирной линией на рис. 2 обозначены места металлизации торцов, что может быть сделано с помощью металлической фольги, которая припаивается к нижней и верхней части платы. Металлизация необходима для устранения паразитных резонансов и заземления нужных участков печатной платы. После металлизации торцов напильником выравнивается нижняя часть платы, и она прикручивается к дюралевому основанию, чертеж которого приведен на рис. 3. При многочасовой работе усилителя дюралевое основание необходимо устанавливать на радиатор размером 300х400 мм, либо использовать принудительную вентиляцию.

Рис. 3 Чертеж основания усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 3 Чертеж основания усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 4 Чертеж крышки усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 4 Чертеж крышки усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 5 Чертеж держателя низкочастотного разъема усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 5 Чертеж держателя низкочастотного разъема усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Транзисторы VT2, VT3 и VT5 крепятся к основанию с использованием теплопроводящей пасты. При креплении транзисторов VT4 и VT6 также используется теплопроводящая паста. Однако между транзисторами и основанием следует устанавливать слюдяную прокладку и перед настройкой усилителя следует с помощью тестера убедиться в том, что не нарушена изоляция между коллекторами транзисторов VT4, VT6 и земляной шиной.

Элементы L11, L12, L13 трансформатора импедансов выполнены в виде дорожек на печатной плате. Каждый из конденсаторов 18, C19, C21 (см. рис. 1) трансформатора импедансов представляет собой параллельное соединение нескольких дисковых керамических конденсаторов (см. рис. 6, 7) включенных параллельно. Такое включение позволяет использовать трансформатор импедансов при выходной мощности усилителя до 40 Вт. Для получения большей выходной мощности необходимо использовать импортные конденсаторы с большой допустимой реактивной мощностью, которых, к сожалению, нет в продаже. Другим возможным вариантом является изготовление части печатной платы, на которой расположены элементы L12, L13, на основе 1...2 мм керамической подложки, прижимаемой к основанию с использованием теплопроводной пасты для отвода тепла от конденсаторов C18, C19, C21.

Терморезистор R21 схемы термозащиты устанавливается в отверстии печатной платы и приклеивается к основанию эпоксидным клеем.

Направленный ответвитель HO2 выполнен в виде отрезка провода диаметром 0,5...1 мм и длиной 15 мм, который расположен на расстоянии 3...5 мм над полоском длинной линии идущей от HO1 к выходу усилителя. Загорание светодиода VD2 свидетельствует о работе усилителя в штатном режиме.

Вначале производится настройка входного каскада усилителя. Для этого нагрузка усилителя через разделительный конденсатор подключается к коллектору транзистора VT2 . Вместо резистора R7 устанавливается двухваттный резистор номиналом 10 Ом и с помощью резистора R12 ток покоя транзистора VT2 устанавливается равным 0,1...0,2 А. Двухваттный резистор необходим для защиты транзистора VT2 от выгорания при возможном самовозбуждении схемы во время настройки. С помощью изменения номинала конденсатора C3 изменяется центральная частота полосы пропускания каскада, изменением номинала конденсатора C2 регулируется ширина полосы пропускания каскада. Чем больше номинал конденсатора C2, тем больше полоса пропускания каскада, чем больше номинал конденсатора C3, тем меньше его центральная рабочая частота.

После настройки входного каскада к нему подключается предоконечный каскад, в котором предварительно вместо индуктивности L5 впаивается двухваттый резистор номиналом 10 Ом и производится его настройка аналогично настройке входного каскада. Однако в отличие от входного каскада, в предоконечном каскаде, после его настройки, устанавливается дополнительный конденсатор C11, позволяющий на 2...4 дБ повысить коэффициент усиления каскада. Индуктивность выводов конденсатора C11 приводит к значительному ухудшению характеристик усилителя. В тоже время безындуктивные конденсаторы типа К10-17 не допускают перепайки. Поэтому конденсатор C11 реализован в виде параллельного соединения двух дисковых керамических конденсаторов примерно одинакового номинала с минимально короткими ножками. Оконечный каскад усилителя настраивается аналогично предоконечному. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к коллектору транзистора, а к выходу трансформатора импедансов, состоящему из элементов C18, C19, C21, L11, L12, L13. При неизменном резисторе R12токи покоя транзисторов VT3 и VT5 должны находиться в пределах 0,1...0,5 А. В противном случае следует изменить номинал резистора R12.

После формирования амплитудно-частотной характеристики УМ, которое ведется в режиме малого сигнала, резистор R12 выпаивается из схемы, на вход усилителя подается амплитудно-модулированный сигнал и проверяется отсутствие самовозбуждения усилителя при различных уровнях входного воздействия. В случае самовозбуждения усилителя следует параллельно индуктивностям L4 и L8 подключить резисторы, сопротивление которых выбирается равным 24-30 Ом. Это приводит к некоторому уменьшению выходной мощности усилителя, однако значительно повышает надежность его работы. На фотографиях, приведенных на рис. 6 и 7, видны индуктивности L4 и L8 намотанные на резисторы сопротивлением 27 Ом и номинальной мощностью 0,5 ватта. Затем 10-омные резисторы в коллекторных цепях транзисторов VT2, VT3и VT5 заменяются элементами R7, L5, L9 и осуществляется измерение максимальной величины выходной мощности настраиваемого усилителя. Варьируя в небольших пределах величинами элементов трансформатора импедансов C18, C19 и C21 необходимо подстроить усилитель на минимум потребляемого тока при выходной мощности 40 Вт. Правильно настроенный усилитель при выходной мощности 40 Вт должен потреблять ток равный 5...7 А. Изменением номиналов элементов C18, C19 и C21 можно повысить выходную мощность усилителя до 70...80 Вт. Однако в этом случае практически неизбежно выгорание конденсаторов C18, C19 и C21 через 1...2 минуты непрерывной работы УМ.

Теперь, изменяя сопротивление резистора R1 , устанавливается порог срабатывания схемы защиты от перегрузки по входу. К примеру, уменьшение сопротивления резистора R1 должно приводить к резкому падению выходной мощности УМ при неизменном уровне входного воздействия.

При работе на стандартную нагрузку 50 либо 75 Ом и уровне выходного сигнала равном 40 Вт на выходе детектора, выполненного на диоде VD4 , напряжение должно быть не более 0,1...0,2 вольта. В противном случае следует так подобрать балластное сопротивление R18 направленного ответвителя HO1, чтобы это напряжение было минимальным. Далее при уровне выходного сигнала равном 40 Вт параллельно стандартной нагрузке 50 Ом периодически подключается двухваттный резистор 50 Ом и с помощью изменения номинала резистора R15 устанавливается порог срабатывания схемы защиты от холостого хода и короткого замыкания нагрузки. В случае правильного выбора резистора R15 подключение дополнительного двухваттного резистора 50 Ом к выходу усилителя должно приводить к небольшому уменьшению потребляемого усилителем тока. В этом случае короткое замыкание нагрузки или ее холостой ход будут сопровождаться уменьшением тока потребления в 4...8 раз.

Изменяя напряжение питания в пределах 13...16 вольт, следует убедиться, что в определенный момент происходит резкое падение выходной мощности и потребляемого усилителем тока, связанные со срабатыванием защиты от превышения напряжением питания номинального значения.

В последнюю очередь необходимо выбором резистора R20 установить схему термозащиты на заданную температуру срабатывания. Чтобы во время настройки усилителя термозащита не мешала работе, диод VD7 следует припаивать перед настройкой схемы термозащиты.

Рис. 6 Фотография внешнего вида усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 6 Фотография внешнего вида усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 7 Фотография внешнего вида усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Рис. 7 Фотография внешнего вида усилителя (щелкните мышью для увеличения)

Настроенный описанным выше способом УМ имеет следующие технические характеристики: максимальный уровень выходной мощности 40 Вт; полоса пропускания 140...150 МГц; неравномерность амплитудно-частотной характеристики ±2 дБ; коэффициент усиления 30 дБ; напряжение питания 13,6...15 В; потребляемый ток в режиме молчания 100...300 мА; максимальное значение потребляемого тока 5...7 А; при коротком замыкании или отключении нагрузки и работе усилителя в режиме максимальной выходной мощности потребляемый ток уменьшается до 1...2 А; сопротивление генератора и нагрузки 50 либо 75 Ом; габаритные размеры корпуса 205х105х40 мм; при длительной эксплуатации усилитель устанавливается на радиатор с использованием принудительной вентиляции.

Литература

  1. Титов А.А. УКВ-усилитель мощности с защитой от перегрузок. // Радиомир КВ и УКВ. – 2002. № 10. – С. 17–18.
  2. Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности // Радиотехника. – 1987. – №1.– С. 29–31.
  3. Широкополосные радиопередающие устройства. / Под ред. О.В. Алексеева. – М.: Связь. 1978. – 392 с.
  4. Знаменский А.Е. Таблицы для расчета трансформаторов сопротивлений в виде фильтров нижних частот. // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. – 1985. – №1. – С. 99–110.

Советую попробовать, не пожалеете! Удачи и 73 !!!

Другие схемы в этом разделе

Усилитель мощности диапазона 10-1050 МГц Усилитель мощности на 432-435 МГц с защитой от перегрузок

Партнеры