Усилитель на 144 мгц с выходной мощностью 1квт

Усилитель на 144 мгц с выходной мощностью не менее 1квт в цифровых видах FT8,MSK 144 и любых других видах излучений собран на двух транзисторах MRFE6VP61K25, имеющие на сегодняшний день наилучший показатель по соотношению рубль/киловатт.

Усилитель имеет очень большой запас по мощности, поскольку данный транзистор способен выдавать до 1200 вт каждый. Но следует иметь ввиду, что транзисторы, в отличии от ламп, не следует длительно использовать на мощностях более 50-70 % от их возможностей.

На выходе усилителя применяется перестраиваемый ФНЧ, что позволяет идеально согласовывать выход усилителя под антенны, с различными реактивностями и сопротивлениями. Применение перестраиваемого ФНЧ так же позволяет получить высокий КПД при работе на пониженной мощности.

                                   

                                   ВХОДНАЯ ЧАСТЬ

 

                   Схема входной части по постоянному току

 

 

             Питание затворов транзисторов осуществляется цепочкой стабилизаторов и построечными резисторами R 2 , R 3 , которыми устанавливаются раздельно токи покоя транзисторов.

                        Цепь питания показана зеленым цветом на ФОТО        

 

 

 Стабилизаторы традиционно выполнены на стабилитронах. Применение микросхем и транзисторов в стабилизаторах постоянного тока в радиолюбительских конструкциях крайне нежелательно, поскольку без специальных мер они часто без симптомно и непредсказуемо самовозбуждаются на различных частотах, включая шумовой спектр. Танталовые конденсаторы как правило устраняют проблему, но не всегда. Как говорится "зачем вам столько приключений на пустом месте?"

 

                                  ЗАЩИТА

 

             Защита усилителя показана на схеме красным цветом .

 

 

 Схема защиты состоит из ФВЧ с частотой среза примерно 180 Мгц, подключеного к выходу усилителя, перед перестраиваемым ФНЧ .

Работа схемы основана на контроле уровня гармоник на выходе усилителя. Основной причиной повышения уровня гармоник в усилителях является перенапряженный режим работы транзистора, либо пробой или плохой контакт в любом месте ВКС.

Защита открывает тиристор КУ112, который блокирует напряжение смещения.

Конденсатор С1 (10н) служит для дополнительного обратного импульса напряжения, при срабатывании защиты и улучшает фронт импульса сброса напряжения.

Срабатывание защиты уменьшает раскачку усилителя на 12 дб, что переводит усилитель в безопасный режим работы.

Деблокировка защиты осуществляется кнопкой сброс. Если причина срабатывания не устранена, после сброса, при нарастании тока вновь плавно появляется недопустимый уровень гармоник, и происходит повторное срабатывание защиты.

Такая защита заменяет практически все виды защит,(кроме тепловой), поскольку контролирует  "самочувствие" непосредственно самих транзисторов, а не их окружение.

Примененять какие либо дополнительные быстродействующие отключатели по постоянному току не имеет ни какого смысла, поскольку если транзистор перестал управляться по затвору, то и защищать уже нечего.

Защита от перегрузки при К.З. в усилителе осуществляется в блоке питания, и дополнительно обычным тепловым автоматов ВА47 (это что бы хата не сгорела).

Защита от высокого КСВ тем более не имеет смысла и даже иногда вредна, поскольку достаточно перенастроить выход, и/или  снизить мощность, и можно работать без ущерба усилителю, хоть на кусок ржавого гвоздя, если другой антенны нет.(представьте себе Р-140 с защитой от работы на антенну с  большим  КСВ)

Защита от перекачки по входу срабатывает как обычно, от превышения уровня гармоник. Ну а если пользователь мощность по входу превысил в десятки раз, то туда ему и дорога. С дуру как извесно можно много чего сломать.

Защита так же срабатывает от пробоя конденсаторов на выходе, при пробое изоляции, некачественной пайке, К.З. антенны и её отсутствия или обрыва, при просадке питания и даже неплотно закрученного антенного разъёма.

 

На фото ниже показана огибающая импульса одной посылки. Развертка 1 миллисекунда

  Сигнал снимается с детектора огибающей, подключенного к выходу усилителя.

 

 

На следующем фото показано как срабатывает защита, при нарастании амплитуды того же импульса . Но регулятор уровня срабатывания защиты установлен на менее высокий уровень.

                          Развертка 1 миллисекунда.

 

 

 

            Тот же импульс, но развертка  100 микросекун

 

  

 

Как видно, скорость сброса очень высокая, почти вертикальный фронт.

Время срабатывания схемы и сброса напряжения на затворах  измеряется микросекундами и зависит от ёмкости конденсаторов схемы. В связи с этим не рекомендую увеличивать ёмкости блокировочных конденсаторов в цепях схемы защиты и затворов.

Уровень срабатывания защиты устанавливается резистором R1, выведенным на переднюю панель.

                        

                      ОХЛАЖДЕНИЕ и отведение тепла.

 

       Усилитель имеет 2 алюминиевых радиатора площадью 5000 см2 каждый.

 

  

На радиаторы прикручивается медная пластина толщиной 3 мм размером 180 х 300 мм.

 

  

Эта медная пластина прикручивается к двум алюминиевым радиаторам (с резьбой в теле радиатора) с помощью винтов М5 заведомо бОльшей длинны, с накрученными внутри винта гайками. После закручивания винта до упора, закручивается гайка, которая мощно прижимает пластину к радиатору,вместо винтов можно использовать шпильки.  

 На эту пластину свинцом (!!!) припаиваются две медные пластины толщиной 6 мм размером 100 х 80 мм.

 

            На эти две пластины с помощью ПОС61 припаиваются транзисторы.

 

 

Такая конструкция обеспечивает более равномерное распределение тепла по радиаторам.

Нельзя применять легкоплавкие припои для пайки транзисторов, либо разбавлять припой висмутом, поскольку из за низкой температуры начинают плохо работать флюсы, снижается смачиваемость, поверхностное натяжение, и образовываются воздушные пузыри внутри пайки.

Для пайки транзисторов медную пластину толщиной 3 мм с припаянными свинцом

медными площадками толщиной 6 мм кладут на газовую печку и нагревают.

Паять предварительно залуженный транзистор следует после того, как ПОС61 на медной пластине

расплавится до хорошей текучести. Применение тепловизоров, пирометров и прочей ерунды не имеет смысла, ориентироваться следует на текучесть припоя, раскисление его флюсом и личный опыт пайщика.

                    

                         МОНТАЖ

 

Детали усилителя монтируются навесным монтажем, на контактных площадках.

Входная часть монтируется на площадках, вырезанных на двухстороннем стеклотекстолите.

Плата в шести местах пропаяна медными полосками по периметру верх с низом.

 

 

Выходная часть монтируется на контактных площадках из фторопласта, припаянных на медную пластину, которая прикручена и припаяна  по периметру к  медной пластине толщиной 6 мм, так же как и входная плата. Слева и справа от корпуса транзисторов припаяны две полоски меди, концы которых припаяны к платам входа и выхода.

 

 

 Монтаж входной части показан на фото

 

 

 Вторичный виток  входного ВЧ выполнен из пропаянного экрана, длину которого можно  увеличивать и уменьшать, распаивая его паяльником при  настройке.

 

 

             

 

                    Ниже показана схема входной части по ВЧ

 

      

 

            Усилитель (без блока питания) собран в пустом системном блоке от компьютера

 

 

 

 Система принудительной вентиляции усилителя состоит из 4х небольших 12 вольтовых вентиляторов диаметром 80 мм. Три вентилятора установлены сзади и обдувают рёбра радиаторов.

 

 

 

      четвертый вентилятор установлен спереди и обдувает навесные элементы.

 

 

 

     Вентиляторы соединены последовательно на 50 вольт и включаются электронным термометром, купленным за 300 руб на Али.

Температура включения установлена у автора на 40 градусов, отключения на 38.

Термометр показыват температуру, термодатчик расположен на медной пластине между транзисторами.

Из за высокого КПД усилителя вентиляторы включаются через 5-7 минут работы в цифре. В режиме SSB и CW при работе в соревнованиях на поиск, вентиляторы могут не включаться часами.

 

                                      ВКС

 

 

 Питание на стоки транзисторов подаётся через 4 дросселя, концы которых попарно соединены, и подключены к шунтам амперметров.

 

 

 

 

В цепи стока используются трансформаторы из кусков кабеля РК75-2-22 длиной 135 мм. Вместо поиска дефицитного кабеля с низким сопротивлением, автором используется параллельное подключение нескольких кабелей. Оптимальное согласование получилось при включении 4х кабелей параллельно. Количество кабелей определяется при настройке

 

Далее установлен симметрирующе- трансформирующий кабель состоящий из двух кабелей  РК75-3-22  и РК50-3-22  параллельно длинной 170  мм

 

 

  Далее трансформаторы из отрезка кабеля РК75-3-22  длиной 400 мм, концы которого соединены с таким же кабелем со второй палеты.

К точке их соединения подключается регулируемый ФНЧ и схема защиты с ФВЧ на входе.

 

 

  

    Все кабели фторопластовые с посеребренным экраном.

Длины кабелей измерены по концам центральных жил.

Датчик гармоник изготовлен из отрезка кабеля РК75-2-, с кончика

которого удалена оплетка на длине 15-20 мм. На полученный конец фторопластовой изоляции с центральной жилой внутри, сверху накручивается несколько витков медной проволоки, которая пропаивается, и припаивается к выходу,перед ФНЧ.

Сигнал с этой конструктивной ёмкости, по кабелю подается на вход ФВЧ.  Частота среза ФВЧ выбирается примерно 170 мгц, таким образом

Усилитель имеет два самодельных амперметра откалиброванных на 25 ампер .

 

  

         с шунтами из толстого высокоомного провода.

Для получения высокой долговременной точности, зачищенные концы высокоомных проводов, обматываются медной проволокой и облуживаются.

 

 

 

                                       ФНЧ

Перестраиваемый ФНЧ изготавливается из переделанных конденсаторов КПВ 140(на фото КПВ-75), которые после переделки имеют емкость 5-35 пф и способны выдержать не один КВТ мощности.

 

                

                  Для переделки у конденсатора выпаивается статор

 

 

 

   Далее тонкой прочной отверткой аккуратно отрывается пайка одной пластины статора с одной и другой стороны, и аккуратно нажимаем

 

 

                            и отрываем эту пластину.

 

 

    Если руки растут из плеч, то через пару минут получается переделанный статор

 

 

 

 Переделка ротора примерно такая же, но усилие отверткой прилагается вдоль оси ротора

 

 

 

                           Получаются вот такие детали

 

 

 

                   Остаётся аккуратно запаять статор на место.

    На фото внизу показан конденсатор после переделки, вверху до переделки.

 

 

  Катушка ФНЧ изготовлена из отожженной меди диаметром 2,9 мм.

При настройке ФНЧ параллельно подстроечным конденсаторам припаиваются постоянные емкости с большой реактивной мощностью.

Если таковых нет,( или жадность не позволяет) то можно использовать куски коаксиального фторопластового кабеля длиной не более 250 мм для исключения большого фазового сдвига. Оплетки и центральные жилы конца и начала этих кусочков кабеля спаять вместе.

Емкость РК75 примерно 6,5пф/100мм ,РК50 примерно 9пф/100мм.

ФНЧ используется для дальнейшей настройки усилителя и считается настроенным, если подстроечные конденсаторы  в среднем положении.

НАСТРОЙКА

Для настройки автором использовался NanoVNA, осцилограф с ВЧ детекторной головкой и цифровой авометр.

Первым делом "на холодную" с помощью NanoVNA настраивается  два входных контура  по минимуму КСВ.

Вторичный виток связи изготовлен из пропаянного двух кусков экрана снятого с посеребрянного кабеля, внутри которого продеты три витка первичной обмотки из провода МГТФ. Паяльником можно немного уменьшать и увеличивать длину витка, и соответственно изменять длину трёх витков (отрезая или добавляя).Таким способом с помощью регулировки длины первичных витков и двух подстроечников КТ4-25 получилось КСВ 1.01.

 

 

 Вторым делом так же точно "на холодную" с помощью NanoVNA настраивается выходной ФНЧ, подключенный к эквиваленту или антенне.

Далее отключаем приборы и подключаем нагрузки по входу и выходу.Регуляторы R2 ,R3 устанавливаем в нижнее по схеме положение. Подаём +50 вольт, и проверяем напряжение на стабилитронах.

После этого нажимает на кнопку принудительного включения напряжения смещения первого транзистора, и регулятором устанавливаем ток покоя (у автора это 2 ампера на пару).То же самое делаем со вторым транзистором.

Далее переходим к настройке ВЧ напряжением.

Для контроля амплитуды и формы напряжения на выходе усилителя используется ВЧ детектор огибающей и низкочастотный осциллограф.

 

ВЧ детектор изготавливается из  ВЧ диода,резистора и конденсатора.

Конденсатор должен иметь минимальную ёмкость, для уменьшения постоянной времени, и минимума искажений.

 

 

 

Вход детектора в виде кусочка МГТФ располагается рядом с центральной жилой  выходного разъёма или ВЧ проводника.

При окончательном контроле выходного сигнала на линейность и отсутствие самовозбуждения следует использовать сигнал двухтонального генератора ( ДТГ ).

Но на начальном этапе автором используется сигнал CW с большой скважностью.

Автором используется трансивер  SunSDR-2, меню настроек которого позволяет получить большую скважность посылок, и скругление фронтов.

Метод последовательного получения такого сигнала показан на фото.

Обычный сигнал CW представляет меандр с 50% скважностью.

Устанавливаем скорость 50 wpm

 

 

                            Уменьшая параметр DOT получаем

 

 

 

Модернизируем этот сигнал,увеличивая параметр RAMP до 9 ms и придаем сигналу колоколообразную форму

 

 

 

 

           При растяжке развертки в 10 раз получаем вот такой импульс

 

 

 

  Применяя сигнал такой формы, мы не только уменьшаем в 20 раз среднюю нагрузку на все элементы при настройке, но и можем контролировать линейность, увидеть перенапряженный режим, ну и конечно самовозбуждение. Можно настраивать усилитель без вентиляторов и без радиаторов. Кроме этого можно использовать очень маломощный эквивалент нагрузки.

Настройка ВКС заключается в определении количества параллельно запаянных кабелей в цепи стока, и в подборе длинны  отрезков кабелей РК75 на выходе.

Показателем правильной настройки ВКС следует считать, если настройки конденсаторов ФНЧ при настройке на максимальный сигнал, повторяют положение, настроенное с помощью NanoVNA.

Естественно фома сигнала на выходе должна быть без искажений, и не иметь выбросов самовозбуждения.

В меню моего SunSDR-2 имеется режим проверки линейности с помощью двухтонового сигнала.

По этому окончательную проверку проводим контролируя форму огибающей при модуляции  сигналом ДТГ.

Вот что выдаёт на выходе идеально работающий усилитель.

 

 

  

В настоящее время усилитель отработал более полу-года, в Метеорах, Тропо и Спорадиках.

Отказов и поломок не было.

Усилитель по реальной мощности работает на уровне  ГС-35б, и даже немного превосходит, из-за более высокого КПД.

Усилитель в цифре потребляет 40 ампер при 50 вольтах, при этом нагревается не более 50 градусов.

 

 

 

              UA6LJV

           СЕРГЕЙ ГОЛОВИН

            г.ТАГАНРОГ

          ФЕВРАЛЬ 2022 год