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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Amplificatore di potenza a transistor per una stazione radio della prima categoria. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza RF L'opinione diffusa che sia impossibile o molto difficile costruire un amplificatore di potenza transistorizzato a banda larga per una stazione radio di prima categoria respinge la maggior parte degli operatori a onde corte da questa impresa. Il compito assegnato dall'autore era quello di mostrare la possibilità di costruire, descrivere il circuito e i metodi di impostazione per un amplificatore di potenza a transistor altamente affidabile che fornisse una potenza di uscita di almeno 150 W con i transistor di uscita in varie condizioni sfavorevoli usando l'esempio di un condizioni di funzionamento e di funzionamento dell'amplificatore lineare di potenza, quali: funzionamento per un carico ineguagliabile, rottura del cavo o cortocircuito nel sistema di alimentazione dell'antenna, errori di commutazione dei filtri di banda, surriscaldamento del radiatore di raffreddamento del transistor dell'amplificatore, e altro ancora. Durante la costruzione di un amplificatore, è stata data la preferenza ai transistor bipolari per una serie di motivi:
Le principali caratteristiche dell'amplificatore di potenza a banda larga: - gamma di frequenza operativa - 1,8 ... 30,0 MHz; Fig. 1. Schema elettrico dell'amplificatore di potenza Il segnale dal ricetrasmettitore va al collegamento a L dell'attenuatore a controllo elettronico del circuito di protezione dell'amplificatore di potenza in caso di mancata corrispondenza con il carico. L'attenuatore è costruito su potenti diodi pin VD5 e VD6. Il circuito di controllo è assemblato sui transistor VT1 - VT4, VT6. Una caratteristica di questo circuito è di mantenere un valore costante della corrente totale che scorre attraverso i diodi VD5 e VD6. Nello stato operativo dell'amplificatore, il transistor VT2 del circuito di controllo dell'attenuatore è aperto e VT3 è chiuso. Attraverso il diodo a pin aperto VD5 scorre una corrente di circa 120 mA. La caduta di tensione sul resistore R9 è la tensione di blocco per il secondo diodo pin VD6. L'attenuazione massima della potenza del segnale radio nel circuito in serie C5, VD5, C9 dell'attenuatore a L è 0 dB. In caso di mancata corrispondenza tra l'amplificatore di potenza e il carico, la tensione generata dal riflettometro viene alimentata attraverso il diodo VD15 del circuito "OR" alla base del transistor VT6 dell'amplificatore differenziale. C'è una ridistribuzione della corrente che scorre attraverso i diodi VD5 e VD6, a seguito della quale la perdita del segnale radio lungo il circuito C5, VD5, C9 aumenta fino a 30 dB. Il circuito in parallelo C7, VD6, R8 e C10 dell'attenuatore a forma di L serve a stabilizzare l'impedenza di ingresso dell'amplificatore di potenza e garantisce che la resistenza di carico del ricetrasmettitore sia costante. Quindi, con un diodo a pin completamente aperto VD6, il componente attivo della resistenza del circuito C7, VD6, R8 e C10 è di 50 ohm. In questo caso, il resistore R8 dissipa tutta la potenza del segnale all'ingresso dell'amplificatore. Con l'aiuto del resistore R1, viene regolata la tensione di commutazione della soglia dell'attenuatore a controllo elettronico. Il LED H1 è un indicatore della mancata corrispondenza tra l'amplificatore di potenza e il carico. Il bagliore del LED è pulsato. La frequenza di incandescenza è 25 - 30 Hz, determinata dalla costante di tempo della scarica del condensatore C12 attraverso il resistore R17 e dalla resistenza di ingresso del transistor VT6. L'amplificatore di potenza push-pull è realizzato su transistor VT11 e VT12 del tipo KT957A. La tensione di polarizzazione autonoma di ciascun transistor dell'amplificatore di potenza viene impostata utilizzando due stabilizzatori assemblati sui transistor VT7, VT9 e VT8, VT10. La presenza di fonti autonome della tensione di polarizzazione iniziale dei transistor di uscita operanti in modalità B consente di eliminare la diffusione dei fattori di guadagno dei transistor e ottenere una caratteristica di ampiezza lineare dell'amplificatore di potenza. La tensione di polarizzazione iniziale dei transistor è regolata dai resistori variabili R18 e R19. Gli stabilizzatori effettuano contemporaneamente la stabilizzazione della temperatura della corrente di riposo dei transistor di uscita dell'amplificatore di potenza. Come sensori di temperatura vengono utilizzati i transistor VT7 e VT8 del tipo KT904A, posti accanto ai transistor KT957A. Il trasformatore di bilanciamento T1 con un rapporto di trasformazione di 4:1 abbina l'ingresso sbilanciato da 50 ohm dell'amplificatore di potenza con le resistenze di ingresso dei transistor VT11 e VT12, il cui componente attivo è 1,3 ... 1,8 ohm. Il trasformatore T2 fornisce alimentazione ai circuiti di collettore dei transistor VT11 e VT12, bilanciando la forma della tensione sui collettori dei transistor al fine di ridurre il livello delle armoniche uniformi nel circuito del collettore, oltre a creare un feedback negativo dipendente dalla frequenza. Il trasformatore di bilanciamento T3 con un rapporto di trasformazione di 1:3 fornisce una transizione dalla bassa resistenza di uscita dei transistor a un'uscita single-ended con una resistenza di 50 ohm. I circuiti di correzione R20, C20 e R21, C21 forniscono l'adattamento delle impedenze di ingresso dell'amplificatore e una diminuzione del guadagno alle basse frequenze. Il circuito formato dall'avvolgimento secondario del trasformatore T 1 e dal condensatore C15; un circuito costituito da resistori R26 e R27 e un circuito formato dall'avvolgimento secondario del trasformatore T2 e dal condensatore C27; inoltre, il circuito formato dall'avvolgimento primario del trasformatore TK e dal condensatore C36 fornisce un aumento della caratteristica ampiezza-frequenza dell'amplificatore alle alte frequenze (20 - 30 MHz). I circuiti di correzione della risposta in frequenza dell'amplificatore di potenza consentono di ottenere una disuniformità del guadagno di potenza inferiore a 2 dB nella gamma di frequenza da 1,8 a 30 MHz. I diodi VD11, VD13 e VD12, VD14 sono utilizzati per proteggere i transistor VT11 e VT12 dalla sovratensione nel circuito del collettore. Il riflettometro del circuito di protezione dell'amplificatore di potenza comprende: un sensore di onde riflesse realizzato su un trasformatore di corrente T4, condensatori C43, C44 e un raddrizzatore su un diodo VD17; un amplificatore di corrente continua sui transistor VT13, VT14 e un circuito “OR” sui diodi VD15 e VD16. Il resistore variabile R37 imposta la soglia richiesta per il circuito di protezione SWR. L'amplificatore differenziale dell'attenuatore controllato elettronicamente è alimentato da una tensione non stabilizzata di +18 V. I circuiti di polarizzazione dei transistor di uscita dell'amplificatore di potenza e del riflettometro UPT sono alimentati da uno stabilizzatore di tensione realizzato sul microcircuito DA1 e dal transistor di regolazione VT5 . Il consumo di corrente massimo di +12 V non è superiore a 0,5 A. La tensione di uscita dello stabilizzatore è regolata dal resistore R15. L'alimentazione del circuito del collettore dell'amplificatore di potenza è costituita da un raddrizzatore a onda intera, assemblato in un circuito a ponte sui diodi VD7 ... VD10 e uno stabilizzatore di compensazione sui transistor VT15, VT16, VT17 e un chip DA2, che ha protezione contro sovracorrente e K3. Per ottenere una corrente nel carico fino a 13 A, è stata utilizzata una connessione in parallelo di due transistor di controllo VT15 e VT16 del tipo 2T827A con resistenze di equalizzazione nei circuiti dell'emettitore. La quantità di caduta di tensione su uno di questi resistori funge da tensione di controllo per il circuito di protezione da sovracorrente. La tensione di uscita dello stabilizzatore è regolata da un resistore variabile R38. La caduta di tensione attraverso il resistore R46 viene utilizzata per controllare la corrente dell'amplificatore di potenza con un microamperometro RL1 con una scala non superiore a 200 μA. Il LED H2 viene utilizzato per indicare la modalità di sovraccarico dell'amplificatore di potenza del circuito collettore dell'amplificatore di potenza. Il LED H2 serve per il circuito dell'amplificatore, potenza. Il LED H2 si spegne se la corrente di carico supera il valore di soglia. Per aumentare l'affidabilità dell'amplificatore, i fusibili per una corrente di 12 A e 25 A sono inclusi rispettivamente nei circuiti +0,5 V e +15 V. Per filtrare le componenti armoniche del segnale radio all'uscita dell'amplificatore di potenza, sono installati sei filtri passa-basso di banda del 5° ordine (Fig. 2) con una caratteristica Chebyshep, aventi un coefficiente di riflessione massimo nella banda passante del 10% , che corrisponde a SWR < 1,2 e perdita di potenza - 0,2 dB. Resistenze di carico in ingresso e in uscita 50 Ohm. La tabella mostra i valori degli elementi filtranti e le loro frequenze di taglio (fcp).
Potenza reattiva dei condensatori di filtro - 200 VAr. È consentito collegare condensatori identici in parallelo con un valore unitario inferiore della potenza reattiva, ma il totale non è inferiore a 200 VAr. Tabella 1
Qui: d è la lunghezza dell'avvolgimento. D - diametro esterno della bobina Diametro e tipo di filo PEV-2 1,2. Per gli intervalli 1.8; Le bobine da 3.5 e 7,0 MHz sono avvolte in modo solido. Le bobine sono fissate con colla BF2. L'amplificatore di potenza è assemblato su due circuiti stampati montati su radiatori per il raffreddamento dei transistor dell'amplificatore. Sul primo circuito stampato sono assemblati l'amplificatore di potenza stesso, un attenuatore a forma di L, un circuito di protezione e stabilizzatori di tensione di polarizzazione. Il circuito stampato è montato su un radiatore, sul quale sono posizionati i transistor VT11, VT12, VT7, VT8 e i diodi pin VD5, VD6. Le dimensioni del radiatore sono 120x250x60 mm. L'altezza delle nervature è di 45 mm, la distanza tra loro è di 15 mm. I regolatori di tensione +12 V e +25 V sono assemblati sul secondo circuito stampato Il circuito stampato, i transistor di regolazione VT5, VT15, VT16, i diodi VD7 - VD10 e il microcircuito DA2 sono installati sul secondo radiatore di raffreddamento dell'amplificatore di potenza . Le dimensioni di questo radiatore sono 120x200x60 mm. L'altezza delle nervature e la distanza tra loro sono le stesse del primo radiatore. Transistori di regolazione e diodi raddrizzatori sono installati sul radiatore su distanziatori elettricamente isolanti in alluminio con rivestimento isolante ossidato anodico. I radiatori di raffreddamento sono gli elementi strutturali dell'amplificatore di potenza. Quindi, il primo radiatore con transistor di uscita, connettori RF e IF dell'amplificatore di potenza è la parete posteriore del telaio e il secondo radiatore funge da parete laterale. All'interno del telaio sono presenti filtri di banda passa-basso con interruttore a biscotto, condensatori elettrolitici C3 e C39 e un trasformatore di potenza con una potenza complessiva di almeno 350 W (non mostrato nello schema elettrico). Nell'amplificatore di potenza vengono utilizzati i seguenti tipi di elementi radio: resistori fissi C2 - 33N, MLT, C5-1 b MB; resistori variabili - SP3 o SP5; condensatori C5 - C10, C32, C34, C33, C35-KM-4, il resto - KM-5, KM-6 KT-3, K 10-17; condensatori elettrolitici K50-6, K50-18; induttanze L1, L2, L3, L4, L5, L10 - DM0,6 o simili. Gli induttori L6 - L9 sono avvolti su un nucleo magnetico anulare in materiale 1000 NM di dimensione K18x8x5 e contengono 7 spire di filo PEL-2 0,8. Transformer T1 è composto da tre nuclei magnetici chiusi a forma di Sh incollati del marchio M2000 HM, dimensioni Sh5x5. L'avvolgimento primario contiene 4 spire di filo MPO 0,35, passato all'interno di telai rettangolari di ottone saldobrasato, inseriti saldamente nelle finestre del circuito magnetico a forma di W. I telai rettangolari, interconnessi su un lato da un ponticello, formano una spira tridimensionale dell'avvolgimento secondario del trasformatore T1. Il trasformatore T2 è realizzato su un circuito magnetico ad anello del marchio 1000 NM, dimensioni K32 x 20 x 6. Il trasformatore contiene 7 giri di torsione da 8 fili del marchio PUL-2 0,8 con un passo di una torsione per centimetro. Quattro trefoli formano l'avvolgimento primario, gli altri quattro formano l'avvolgimento secondario del trasformatore. La bobina di collegamento è realizzata con filo MPO 0,35, fatto passare attraverso il circuito magnetico. Il trasformatore T3 è realizzato in modo simile al trasformatore T1 da quattro circuiti magnetici chiusi a forma di W incollati del marchio M2000 NM, dimensioni Sh7x7. L'avvolgimento primario del trasformatore è una bobina del volume, il secondario è costituito da tre spire di filo MPO 0,35, filettato all'interno della bobina del volume. Il trasformatore di corrente T4 del sensore di onda riflessa è realizzato su un circuito magnetico anulare del marchio M20V42, dimensione K20x10x5. L'avvolgimento primario è un filo di montaggio fatto passare attraverso il circuito magnetico, l'avvolgimento secondario contiene 20 giri di filo PELSHO 0,15. La configurazione dell'amplificatore di potenza viene eseguita nel seguente ordine. Innanzitutto, vengono configurati tutti i dispositivi in ingresso: stabilizzatori, riflettometro, amplificatore differenziale e altri, quindi viene eseguita una regolazione completa dell'amplificatore nel suo insieme. Per la sintonizzazione sono necessari strumenti: un avometro, un oscilloscopio con banda di frequenza operativa fino a 50 MHz, un analizzatore di spettro o un ricevitore di misura con una gamma di frequenza fino a 80 - 100 MHz, un misuratore di SWR, un carico non induttivo resistore per potenze fino a 100 - 200 W, un generatore di segnali standard G4-118 o ricetrasmettitore a tutte le bande con una potenza di uscita di almeno 20 watt. La creazione di un amplificatore di potenza inizia con un controllo autonomo del funzionamento di raddrizzatori e stabilizzatori di tensione +12 V e +25 V. I resistori variabili R15 e R38 impostano i valori di tensione richiesti dal circuito. Il regolatore di tensione +12 V viene testato collegando una resistenza di carico di 15 ohm all'emettitore del transistor VT5, mentre la variazione della tensione di uscita del regolatore non deve essere superiore a 0,1 V e l'ondulazione di uscita non deve superare i 50 mV . Il controllo del funzionamento dello stabilizzatore di tensione +25 V, la determinazione della soglia per il funzionamento della protezione mediante corrente viene eseguita quando è collegata una resistenza di carico di 1,5 - 4 Ohm. Il carico viene effettuato sotto forma di una bobina con rubinetti in filo di nichelcromo con un diametro di 1 mm, avvolti su un telaio in ceramica con un passo di 2 - 3 mm. Il test dello stabilizzatore viene effettuato ponendo il carico descritto in un barattolo da tre litri di acqua fredda. Il valore della corrente è controllato da un amperometro con una scala di almeno 15 A. Lo stabilizzatore deve funzionare in modo stabile a correnti di carico fino a 13 A. Il valore della corrente di soglia al quale la tensione di uscita dello stabilizzatore scende a 2 ... 3 V non deve essere superiore a 14 ... 14,5, XNUMX A. La soglia di protezione della corrente (1e) può essere regolata selezionando le resistenze R41 e R42. Il valore di Ia può essere determinato dalla formula Ia=1,4/R41=1,4/R42 La diminuzione della tensione di uscita dello stabilizzatore + 25 V alla massima corrente di carico non deve essere superiore a 1 V e l'ampiezza dell'ondulazione non deve essere superiore a 400 mV. Scegliendo il valore della resistenza R30, è possibile impostare la temperatura massima per riscaldare il cristallo del chip DA2 installato "su un singolo dissipatore dell'amplificatore di potenza. Ad una temperatura del dissipatore superiore a +90°C, la protezione termica del DA2 il chip si attiva, portando a zero la tensione all'uscita dello stabilizzatore. La regolazione degli stabilizzatori di tensione di polarizzazione viene effettuata con le basi dei transistor di uscita VT11, VT12 disabilitate. Durante il processo di ottimizzazione, viene verificata la possibilità di regolare la tensione di uscita entro 0,5 ... 0,65 V con una corrente di carico massima fino a 0,2 A. La regolazione degli stabilizzatori si completa impostando il valore minimo della tensione di uscita. La regolazione del sensore d'onda riflessa è tradizionale ed è stata più volte descritta in letteratura. UPT sui transistor VT13, VT14 prevede la formazione di una tensione sul collettore VT13, pari a + (0-0,7) V in assenza e + (10 - 11,5) V in presenza di un disadattamento di carico. La resistenza R37 imposta la soglia per il funzionamento del circuito di protezione in base al valore SWR del carico superiore a 3. Il funzionamento dell'amplificatore differenziale, che è il circuito di controllo del collegamento attenuatore a L sui diodi pin, viene verificato applicando una tensione costante Uk, variabile da 6 a 0V, all'ingresso del circuito "OR" (presa XS12). A Uk \u0d 2 V, la tensione sul collettore VT17 dovrebbe essere +3 V e sul collettore VT0 - 9 V. La caduta di tensione attraverso il resistore R10 deve essere di almeno 7 V. A Uk \u1d 2B, regolando il resistore R 3, i transistor di uscita VT1, VT2 sono amplificatori differenziali commutati e il bagliore del LED H3. L'intervallo per la modifica del Regno Unito, in cui la commutazione dei transistor VT0,7 e VT1, non deve essere superiore a 51 V. La verifica del corretto funzionamento dell'attenuatore pin-diodo viene eseguita quando il segnale RF del GSS o del ricetrasmettitore viene inviato all'ingresso XS1 e il segnale RF viene misurato da un oscilloscopio su un resistore di carico con una resistenza di 0 ohm, che è acceso al posto del primario del trasformatore TXNUMX. Con Uk=XNUMX V, la tensione RF attraverso il resistore di carico deve essere la stessa dell'ingresso XS1 nell'intera gamma di frequenze operative dell'amplificatore e la potenza del GSS o del ricetrasmettitore non supera i 20 watt. Con Uk=10 V e altre condizioni uguali, la tensione RF attraverso il resistore di carico dovrebbe essere 30 o più volte inferiore rispetto all'ingresso XS1. Prima di predisporre l'amplificatore di potenza, il circuito di retroazione, costituito da R26, C25, R27, C26 e la bobina di collegamento sul trasformatore di bilanciamento T2, deve essere aperto. La messa a punto dell'amplificatore di potenza deve essere eseguita con un carico costantemente acceso con una resistenza di 50 ohm, che può essere eseguita come descritto in [2]. Per proteggere i transistor ad alta potenza, si consiglia di installare un fusibile da 5 A la prima volta che si accende l'amplificatore di potenza. La corrente iniziale dei transistor VT11, VT12 dell'amplificatore di potenza viene prima impostata dal resistore R18 su un valore di 150 ... 200 mA, quindi dal resistore R19 la corrente totale del circuito del collettore dell'amplificatore viene aumentata a 300 ... 400 mA. La correttezza dell'accensione del circuito di comunicazione viene verificata per la stabilità dell'amplificatore di potenza all'eccitazione RF quando all'ingresso XS1 viene applicato un segnale con una potenza non superiore a 0,5 - 1,0 W. Quando l'amplificatore è eccitato, che si manifesta in un forte aumento della corrente del collettore con un aumento graduale del segnale di ingresso, le estremità della bobina di connessione del trasformatore T2 vengono invertite. Con la messa a punto complessa dell'amplificatore, è preferibile utilizzare il GSS G4-118 come generatore di segnale, la cui potenza di uscita massima è di 3 W e la gamma di frequenza operativa è 0,1 ... 30 MHz. Applicando un segnale GSS modulato in ampiezza con una profondità di modulazione di almeno il 50% e un'ampiezza non superiore a 10 V all'ingresso dell'amplificatore di potenza, i resistori variabili R18 e R 19 ottengono una forma simmetrica dell'inviluppo del segnale osservato su lo schermo di un oscilloscopio collegato al carico. Durante questa regolazione, è necessario controllare la corrente iniziale del circuito del collettore dell'amplificatore di potenza, che non deve superare 300 ... 400 mA. I condensatori C15, C27 e C36 ottengono un aumento della risposta in frequenza dell'amplificatore di potenza a frequenze di 25 ... 30 MHz. Il controllo del livello di potenza delle componenti armoniche del segnale di uscita dell'amplificatore, la presenza di modulazione parassitaria ad alta o bassa frequenza viene effettuato mediante un analizzatore di spettro o un ricevitore di misura. Se si verifica una modulazione parassita nell'amplificatore, è necessario aumentare i condensatori di blocco nei circuiti di collettore e di base dei transistor di uscita VT11 e VT12. Il test finale del funzionamento dell'amplificatore di potenza viene effettuato insieme al ricetrasmettitore collegato all'ingresso PA, misurando la tensione al carico su tutte le bande amatoriali. Poiché la potenza di uscita dell'amplificatore in questo caso raggiungerà i 200 W e i test possono essere lunghi, è necessario un flusso d'aria forzato al radiatore dell'amplificatore di potenza, obbligatorio per il funzionamento a lungo termine. La messa a punto preliminare del sistema di protezione dell'amplificatore viene eseguita regolando il resistore R37 fino a quando il LED H1 non si accende a un livello di potenza di uscita non superiore a 30 - 40 W e una resistenza di carico dell'amplificatore di 200 Ohm (SWR-4). Disconnettendo il carico o chiudendolo si verifica il funzionamento del sistema di protezione dell'amplificatore. Con il corretto funzionamento del sistema di protezione, la sua messa a punto finale viene effettuata alla potenza nominale dell'amplificatore. Va notato che riducendo la potenza di uscita dell'amplificatore, è possibile ottenere il suo normale funzionamento per un carico fortemente disadattato. La misurazione dei parametri principali di un amplificatore di potenza sintonizzato viene eseguita con i filtri di banda passa-basso inclusi, la cui impostazione consiste nel verificare la conformità delle frequenze di taglio con i valori riportati nella Tabella 1. Letteratura 1. Zavrazhnov Yu. et al.. Potenti transistor ad alta frequenza. - M.: Radio e comunicazione, 1985. Autore: V. Usov, Novosibirsk; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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