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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Amplificatori d'antenna SWA. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / TV Nell'articolo pubblicato qui, il nostro autore abituale analizza i circuiti degli amplificatori d'antenna di fabbricazione polacca e conferma il suo approccio consapevole alla loro scelta in termini di rumore e guadagno. Fornisce anche raccomandazioni per la riparazione di tali dispositivi, che molto spesso si guastano a causa di scariche di fulmini e per l'eliminazione dell'autoeccitazione. Ciò consentirà / si spera a molti radioamatori non solo di scegliere l'amplificatore necessario, ma anche di migliorarne le prestazioni. Le antenne attive della società polacca ANPREL e alcune altre sono ampiamente utilizzate in Russia e nei paesi della CSI. Con un leggero guadagno intrinseco, specialmente nell'intervallo MB, i parametri di tale antenna sono in gran parte determinati dall'amplificatore dell'antenna installato su di essa. È questo blocco che presenta una serie di svantaggi: è soggetto all'autoeccitazione, ha un livello del proprio rumore piuttosto elevato, è facilmente sovraccaricato da potenti segnali della gamma MB ed è spesso danneggiato da scariche di fulmini. Questi problemi sono familiari a molti proprietari di tali antenne. I problemi di funzionamento degli amplificatori di antenna SWA e simili sono trattati molto poco in letteratura. Possiamo solo notare la pubblicazione [1], dove è indicato che l'amplificatore è sovraccarico di segnali MB. I proprietari di antenne devono affrontare il resto delle carenze in modo noto: sostituire gli amplificatori, scegliere quello migliore. Tuttavia, questo metodo richiede molto tempo e fatica, poiché l'amplificatore, di regola, è di difficile accesso: si trova insieme all'antenna su un albero alto. Sulla base dell'analisi dei circuiti, della mia esperienza e di alcuni materiali di ANPREL, propongo un approccio più consapevole alla scelta degli amplificatori, nonché un metodo di riparazione che consente di ripristinare un'unità danneggiata e, in alcuni casi, migliorarne i parametri . Il mercato è pieno di molti modelli intercambiabili di amplificatori d'antenna prodotti da ANPREL, TELTAD e altri con vari marchi e numeri. Nonostante questa diversità, la maggior parte di essi è assemblata secondo uno schema standard e rappresenta un amplificatore aperiodico a due stadi basato su transistor bipolari a microonde collegati secondo lo schema OE. A supporto di ciò, consideriamo modelli di diverse aziende: un semplice amplificatore SWA-36 di TELTAD, il cui diagramma schematico è mostrato in Fig. 1, e l'amplificatore comune SWA-49 (simile a SWA-9) da ANPREL - fig.2.
L'amplificatore SWA-36 contiene due stadi di amplificazione a banda larga basati sui transistor VT1 e VT2. Il segnale dall'antenna attraverso un trasformatore di adattamento (non mostrato nel diagramma) e il condensatore C1 entra nella base del transistor VT1, che è collegato secondo il circuito OE. Il punto di funzionamento del transistor è impostato dalla tensione di polarizzazione determinata dal resistore R1. La retroazione di tensione negativa (NFB) che agisce in questo caso linearizza la caratteristica del primo stadio, stabilizza la posizione del punto di lavoro, ma ne riduce leggermente l'amplificazione. Non c'è correzione di frequenza nella prima fase. Anche il secondo stadio è realizzato su un transistor secondo lo schema con OE e con feedback di tensione attraverso i resistori R2 e R3, ma ha anche un feedback di corrente attraverso il resistore R4 nel circuito dell'emettitore, che stabilizza rigidamente la modalità del transistor VT2. Per evitare una grande perdita di guadagno, il resistore R4 viene deviato in corrente alternata dal condensatore C3, la cui capacità è scelta relativamente piccola (10 pF). Di conseguenza, alle frequenze più basse dell'intervallo, la capacità del condensatore C3 risulta essere significativa e il feedback CA risultante riduce il guadagno, correggendo così la risposta in frequenza dell'amplificatore. Gli svantaggi dell'amplificatore SWA-36 includono perdite passive nel circuito di uscita sul resistore R5, che è collegato in modo tale che sia la tensione di alimentazione costante che la tensione del segnale cadano attraverso di esso. L'amplificatore SWA-49 è costruito in modo simile (Fig. 2), che ha anche due stadi assemblati secondo lo schema OE. Si differenzia dall'SWA-36 per un migliore isolamento di potenza grazie ai filtri a forma di L L1C6, R5C4 e un aumento del guadagno dovuto alla presenza del condensatore C5 nel circuito OOS (R3C5R6) del secondo stadio e del condensatore di transizione C7 all'uscita. Un circuito simile è inerente alla maggior parte degli altri amplificatori SWA (vedi, ad esempio, il circuito dell'amplificatore SWA-3 mostrato in [1]). Piccole differenze si trovano più spesso nel secondo stadio, che può essere dotato di diversi circuiti di correzione della frequenza, avere una diversa profondità di feedback e, di conseguenza, il guadagno. Per alcuni modelli, ad esempio SWA-7, il primo e il secondo stadio sono collegati direttamente: il terminale di collettore del transistor VT1 è collegato direttamente al terminale di base del transistor VT2. Ciò consente di coprire entrambi gli stadi con un circuito di retroazione in corrente continua e quindi di migliorare la stabilità termica dell'amplificatore. Nelle cascate sui transistor collegati secondo il circuito OE, l'influenza delle connessioni interne e delle capacità delle giunzioni dei transistor è la maggiore. Si manifesta nella limitazione della larghezza di banda e nella tendenza dell'amplificatore all'autoeccitazione, la cui probabilità è maggiore, maggiore è il guadagno. Per valutarlo, è noto il concetto di soglia di stabilità: il valore limite del guadagno, al di sopra del quale l'amplificatore si trasforma in un generatore. Molti amplificatori di antenna SWA ad alto guadagno funzionano vicino alla soglia di stabilità, il che spiega la loro frequente autoeccitazione. Come misure per migliorare la stabilità degli amplificatori, ANPREL utilizza diverse topologie di circuiti stampati (che influenzano la capacità di montaggio), bobine di superficie e bulk, induttanze, ecc. Un metodo più radicale: accendere i transistor in un circuito cascode con OE-OB - per qualche motivo non viene utilizzato. Con lo stesso circuito per la commutazione dei transistor con OE-OE, per risolvere il problema della stabilità, l'azienda preferisce produrre alimentatori regolabili. Riducendo la sua tensione, è possibile eliminare l'autoeccitazione dell'amplificatore mantenendo un guadagno sufficiente. I parametri principali (figura di rumore Ksh e guadagno Ku) dei modelli base di amplificatori SWA secondo il catalogo ANPREL sono riportati in Tabella. uno. Consideriamo la relazione dei parametri principali con i circuiti degli amplificatori e la loro influenza sulla qualità di ricezione. Come è noto, il guadagno alle alte frequenze in cascata con OE è fondamentale per i parametri dei transistor utilizzati, in particolare per la frequenza di taglio frp. Gli amplificatori SWA utilizzano transistor bipolari a microonde della struttura npn, contrassegnati come T-67, meno spesso - 415, che determinano il massimo coefficiente di guadagno ottenibile Ku di un amplificatore a due stadi di circa 40 dB. Naturalmente, in una banda di frequenza operativa così ampia, il guadagno non rimane costante: le sue modifiche raggiungono 10 ... 15 dB a causa della risposta in frequenza irregolare alle frequenze più alte della gamma e della correzione a quelle più basse. Ai valori massimi del coefficiente di amplificazione Ku, è difficile garantire la stabilità degli amplificatori, pertanto in un certo numero di modelli è limitato a valori fino a 10...30 dB, il che è abbastanza sufficiente in molti casi (vedi tabella 1).
Contrariamente alla credenza popolare, va notato che il guadagno non può essere considerato il parametro principale dell'amplificatore di antenna. Dopotutto, i televisori stessi hanno un margine molto ampio del proprio guadagno, ovvero hanno un'elevata sensibilità limitata dal guadagno. Hanno una sensibilità leggermente peggiore, limitata dalla sincronizzazione. Infine, la sensibilità più bassa è limitata dal rumore [2]. Pertanto, il fattore che determina la ricezione a lungo raggio dovrebbe essere il livello di rumore intrinseco del percorso elettronico e non il guadagno. In altre parole, la limitazione della ricezione è principalmente dovuta all'influenza dell'interferenza del rumore e non alla mancanza di amplificazione del segnale. L'influenza del rumore è valutata dal rapporto segnale/rumore, il cui valore minimo è preso pari a 20 [2]. Con questo rapporto si determina la sensibilità al rumore, che è uguale alla tensione del segnale di ingresso, che è 20 volte maggiore della tensione del rumore intrinseco. Per i televisori dalla terza alla quinta generazione, la sensibilità limitata dal rumore è di 50 ... 100 μV. Tuttavia, con un rapporto segnale-rumore di 20, si osserva una qualità dell'immagine molto scarsa e sono intelligibili solo i dettagli più grandi. Per ottenere un'immagine di buona qualità, è necessario applicare un segnale utile all'ingresso TV, circa 5 volte più grande, ovvero fornire un rapporto segnale/rumore di circa 100 [2]. L'amplificatore dell'antenna deve aumentare il rapporto segnale-rumore e per questo è necessario amplificare il segnale, non il rumore. Ma ogni amplificatore elettronico ha inevitabilmente il proprio rumore, che amplifica insieme al segnale utile e degrada il rapporto segnale/rumore. Pertanto, il parametro più importante dell'amplificatore dell'antenna dovrebbe essere considerato la sua figura di rumore Ksh. Se non è abbastanza piccolo, aumentare il guadagno è inutile, poiché sia il segnale che il rumore vengono amplificati allo stesso modo e il loro rapporto non migliora. Di conseguenza, anche con un livello di segnale sufficiente all'ingresso dell'antenna del televisore, l'immagine sarà influenzata da un'intensa interferenza di rumore (la famosa "neve"). Per una valutazione unificata del rumore di un percorso multistadio, esiste un indicatore del fattore di rumore ridotto all'ingresso Ksh, che è uguale al livello di rumore in uscita diviso per il guadagno totale, ovvero Ksh=Ksh.out/Ku . Poiché il livello di rumore in uscita Ksh.out dipende in massima misura dal livello di rumore del primo transistor, amplificato da tutti gli stadi successivi, il rumore degli stadi rimanenti può essere trascurato. Quindi Ksh.out = Ksh1Ku, dove Ksh è il fattore di rumore del primo transistor. Pertanto, otteniamo Ksh = Ksh1, ovvero la figura di rumore ridotta del percorso di amplificazione non dipende dal numero di stadi e dal guadagno totale, ma è uguale solo alla figura di rumore del primo transistor. Ciò porta a un'importante conclusione pratica: l'uso di un amplificatore di antenna può dare un risultato positivo quando la cifra di rumore del primo transistor dell'amplificatore è inferiore alla cifra di rumore del primo stadio della TV. Nei selettori di canale dei televisori di quinta generazione viene utilizzato un transistor ad effetto di campo KP327A con una cifra di rumore di 4,5 dB a una frequenza di 800 MHz [Z]. Pertanto, nel primo stadio dell'amplificatore dell'antenna, dovrebbe funzionare un transistor con Ksh1 <4,5 dB alla stessa frequenza. Inoltre, minore è questo valore rispetto al coefficiente Ksh1 del televisore, più efficiente è l'uso dell'amplificatore e maggiore è la qualità di ricezione. La cifra di rumore dipende anche dalla qualità dell'adattamento all'ingresso dell'amplificatore e dalla modalità operativa del primo transistor. Per gli amplificatori SWA, il tipo di transistor VT1, la sua modalità di funzionamento e la qualità dell'abbinamento determinano il coefficiente ridotto Ksh = 1,7 ... 3,1 dB (vedi Tabella 1). Da quanto sopra, è chiaro che la scelta di un amplificatore di antenna secondo il principio - maggiore è il guadagno, meglio è - non è corretta. Ecco perché molti proprietari, cambiando amplificatori, non possono ottenere un buon risultato. La ragione di un fatto così paradossale, a prima vista, è che la cifra del rumore è solitamente sconosciuta (non è nelle informazioni commerciali delle aziende), ma in realtà differisce solo leggermente per molti modelli con guadagni diversi (vedi Tabella 1) . ). Aumentare il guadagno con la stessa cifra di rumore non dà un guadagno nel rapporto segnale/rumore e, di conseguenza, un miglioramento della qualità di ricezione. Un raro successo si ottiene solo quando si incontra accidentalmente un amplificatore a basso rumore. Pertanto, quando si sceglie un amplificatore per antenna, è necessario concentrarsi principalmente sul livello di rumore minimo. Un amplificatore con Ksh <2 dB può essere considerato abbastanza buono. Dal tavolo. 1, i migliori modelli possono essere considerati SWA-7, SWA-9, con Ksh = 1,7 dB. Informazioni sulla figura di rumore dei nuovi amplificatori possono essere trovate nei cataloghi ANPREL o su Internet. Per quanto riguarda il guadagno, ovviamente, è importante anche, ma non per la massima amplificazione di segnali deboli, ma, prima di tutto, per compensare perdite nel cavo di collegamento, dispositivi di diramazione di corrispondenza, ecc. A causa di queste perdite Se il guadagno non è sufficiente, il livello del segnale all'ingresso TV può scendere al di sotto della soglia, tempo limitato o addirittura guadagno, rendendo impossibile la ricezione. Pertanto, per la corretta scelta del fattore di guadagno, è necessario conoscere l'attenuazione del segnale nell'intero percorso di collegamento. E il suo valore approssimativo è facile da calcolare. L'attenuazione specifica del segnale nel cavo diffuso marca RK-75-4-11 è 0,07 dB/m dal primo al quinto, 0,13 dB/m dal sesto al dodicesimo e 0,25 ... 0,37 dB/m dal 21 - Sessantesimo canale televisivo [60]. Con una lunghezza dell'alimentatore di 2 m, l'attenuazione sui canali 50-21 sarà di 60...12,5 dB. Se è installato uno splitter passivo industriale, introduce perdite aggiuntive su ciascuna delle sue uscite, il cui valore, di regola, è indicato sulla custodia. Calcolando l'attenuazione nel cavo e sommando ad essa l'attenuazione nello splitter (se presente), si ottiene il guadagno minimo dell'amplificatore d'antenna. Viene aggiunto un margine di 12 ... 14 dB per amplificare i segnali deboli, il che è necessario a causa della bassa efficienza delle antenne riceventi a banda larga di piccole dimensioni. In base al valore ottenuto di Ku, viene selezionato un amplificatore di antenna. Il valore ottenuto del guadagno non deve essere superato di molto, poiché ciò aumenta la probabilità di autoeccitazione e sovraccarico da parte di potenti segnali di stazioni ravvicinate. La riparazione degli amplificatori d'antenna si riduce principalmente alla sostituzione degli elementi attivi danneggiati dalle scariche dei fulmini. Va notato che la presenza di un diodo all'ingresso in alcuni modelli non garantisce una protezione completa dai fulmini: con una potente scarica atmosferica, si rompono sia il diodo di protezione che, di regola, entrambi i transistor. Gli amplificatori di antenna SWA sono assemblati utilizzando la tecnologia dell'assemblaggio automatico della superficie sui microelementi, che richiede precisione durante le riparazioni. La saldatura deve essere eseguita con un saldatore di piccole dimensioni con una punta affilata. In un amplificatore non funzionante, con attenzione, cercando di non danneggiare i sottili conduttori stampati, saldare i microtransistor VT1, VT2 e il diodo di protezione (se presente). I parametri principali dei transistor domestici adatti per l'installazione in amplificatori SWA sono riportati in Tabella. 2 [Z]. Ne consegue che l'uso dei transistor KT391A-2, KT3101A-2, KT3115A-2, KT3115B-2, KT3115V-2 nel primo stadio non peggiora le caratteristiche di rumore della maggior parte dei modelli di amplificatori e l'uso dei transistor 2T3124A- 2, 2T3124B-2, 2T3124V-2, KT3132A-2 riduce Ksh a 1,5 dB, migliorando i parametri dell'amplificatore. Questa circostanza consente di consigliare di sostituire il primo transistor dell'amplificatore con quelli indicati dagli ultimi, anche in amplificatori funzionanti, ma "rumorosi" per migliorare la qualità del loro lavoro. Si precisa che nella tabella. Vengono forniti 2 limiti, i parametri tipici sono generalmente migliori [XNUMX].
I transistor a microonde a basso rumore della serie 2T3124, KT3132 sono relativamente costosi e a bassa corrente, quindi è meglio installarli solo nel primo stadio e nel secondo utilizzare transistor più economici e potenti KT391A-2, KT3101A-2 (vedi Tabella 2) e anche le serie KT371, KT372, KT382, KT399 e altre con una frequenza di taglio di circa 2 GHz [XNUMX]. Tuttavia, in quest'ultimo caso, il guadagno alle frequenze superiori della gamma sarà leggermente inferiore. Le dimensioni del corpo dei microtransistor importati sono 1,2x2,8 mm con lunghezze dei cavi di 1...1.5 mm. Di conseguenza, le distanze sulla scheda tra i pad stampati per le uscite dei transistor sono piccole. L'installazione di transistor domestici con un diametro della cassa di 2 mm dal lato del montaggio superficiale, sebbene possibile, è difficile: possono danneggiarsi durante la saldatura. È meglio installare nuovi transistor sul lato opposto della scheda, avendo precedentemente praticato i fori per i cavi con un trapano con un diametro di 0,5 ... 0,8 mm. È meglio perforare non il conduttore stampato stesso, ma in modo che il foro tocchi il bordo del pad. Se è presente uno strato di lamina sul lato opposto al montaggio superficiale, i fori al suo interno devono essere svasati con un trapano con un diametro di 2 ... 2,5 mm (ad eccezione del foro per l'uscita dell'emettitore del transistor VT1) . Quindi vengono installati nuovi transistor in modo che il supporto del cristallo o la custodia del dispositivo tocchino la scheda. Se i cavi sporgono in modo significativo dall'altro lato, dovrebbero essere staccati dopo la saldatura. I transistor a microonde sono sensibili all'elettricità statica, quindi è necessario adottare adeguate precauzioni di sicurezza durante la saldatura. Tempo di saldatura - non più di 3 s [З]. Il diodo di protezione può essere omesso. La migliore protezione contro l'elettricità atmosferica è una buona messa a terra dell'antenna. Negli amplificatori SWA, entrambi i transistor funzionano con una corrente di collettore di 10 ... 12 mA. Dopo la sostituzione, tale corrente è accettabile per il secondo transistor (ad esempio KT3101A-2), ma supera quella permanentemente consentita per il primo se sono installati transistor delle serie KT3115, KT3124 e KT3132A-2 (vedere Tabella 2). La corrente del collettore dipende dal parametro h21e, in cui i transistor hanno una diffusione significativa. Pertanto, dopo aver montato un'istanza specifica, è necessario impostare il punto di lavoro del transistor VT1. Per fare ciò, saldare la microresistenza R1 e invece collegare temporaneamente una resistenza di sintonia (SPZ-23, SPZ-27, ecc.) Con una resistenza di 68 ... 100 kOhm. Prima di dare tensione, il cursore del resistore deve trovarsi nella posizione di massima resistenza per non danneggiare il transistor. L'amplificatore viene alimentato con la tensione 12 8 dall'alimentatore e viene misurata la caduta di tensione attraverso il resistore R2 (vedere Fig. 1 e 2). Dividendo la tensione misurata per la resistenza del resistore R2, viene rilevata la corrente del collettore. Regolando la resistenza del resistore di sintonia verso il basso, si ottiene una corrente di collettore di circa 5 mA, che corrisponde ad un rumore minimo secondo la caratteristica dei transistor [0,125]. Questo completa l'impostazione e invece di un resistore di sintonia, viene saldata una costante della stessa resistenza (MLT-XNUMX o importata), dopo aver ridotto al minimo le sue conclusioni. Successivamente, il circuito stampato e i transistor senza pacchetto vengono ricoperti da uno strato di vernice o composto di ingegneria radio. L'aspetto dell'amplificatore SWA-36 restaurato è mostrato in fig. 3. Utilizza transistor (Fig. 3a) 2T3124B-2 (VT1) e KT3101A-2 (VT2). In connessione con il design più semplice dell'amplificatore, sono state prese misure per eliminare l'autoeccitazione: un microring di ferrite viene inserito sull'uscita del collettore del transistor VT1 (viene utilizzato nei selettori di canale SK-M dei televisori ZUSCT e 4USCT ). La corrente di collettore del transistor VT1 è impostata dal resistore R1 (Fig. 3,6) con un valore nominale di 51 kOhm (era 33 kOhm).
Nella seconda fase sono stati testati i transistor della serie KT372, KT399, con i quali sono state mantenute stabilità e un guadagno sufficiente. Allo stesso tempo, è stata verificata la possibilità di installare un condensatore aggiuntivo Cd con una capacità di 150 pF (Fig. 3,6), resistore di shunt R5 (vedere Fig. 1), per aumentare il guadagno. Quando si installa un condensatore, l'autoeccitazione dell'amplificatore viene eliminata abbassando la tensione di alimentazione. Nella versione principale (con transistor 2T3124B-2 e KT3101A-2), l'amplificatore ha fornito una migliore qualità di ricezione rispetto a prima della riparazione, che è stata stimata visivamente approssimativamente come la ricezione con il nuovo amplificatore SWA-9. Letteratura
Autore: A. Pakhomov, Zernograd, regione di Rostov; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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