Ukrainian HamRadio - Підсилювач потужності на МОП
Сучасні потужні МОП транзистори працездатні в широкому інтервалі частот (1,8. 175 МГц) дозволяють отримати вихідну потужність більше 30 Вт. Ці транзистори забезпечують посилення потужністю 15. 18 дБ і мають чудові інтермодуляційні характеристики. Нові серії польових МОП-транзисторів, що випускаються фірмою Motorola і рядом японських виробників, мають наведені вище переваги, дозволяють отримати потужність до 100 Вт на одному транзисторі. За вартістю вони можна порівняти зі звичайними вихідними лампами.
Перевагою застосування потужних польових транзисторів в підсилювачах є їхня стійкість у разі відключення антени або навантаження, що дозволяє обійтися без ланцюгів захисту при збільшенні КСВ. Імовірність виходу з ладу у такій ситуації потужного польового транзистора набагато менша, ніж біполярного.
Вхідна та вихідна ємності МОП-транзисторів не змінюються в залежності від робочої частоти або рівня вхідного сигналу, що спрощує проектування підсилювачів потужності на польових транзисторах, здатних віддавати постійну потужність у широкому інтервалі частот.
Завдяки високому вхідному імпедансу польового транзистора (більше 1 МОм по постійному струму) розробка схеми вхідного кола досить проста. В цьому випадку для досягнення необхідної величини вхідного імепедансу (50. 100 Ом) використовують резистор, що включає паралельно входу.
Резистор між затвором польового транзистора н корпусом служить частиною дільника для подачі на затвор напруги зміщення. Даний вид з'єднання більш зручним, ніж застосування вхідного широкосмугового трансформатора з імпедансом 50 Ом. У порівнянні з польовим транзистором, біполярний має менший вхідний імпеданс (порядку 10 Ом), внаслідок чого більш складним стає забезпечення йогоузгодження з трансформатором.
Внутрішній опір польового транзистора в провідному стані мало (0,25. 1 Ом), що дає значне зменшення потужності, що розсіюється.
Слід зазначити, що для повного розгойдування підсилювача на польових транзисторах потрібна невелика потужність сигналу, що подається. Так, наприклад, двотактний каскад на транзисторах MRF-13S забезпечує на частоті 7 МГц досягнення вихідної потужності 60 Вт при потужності вхідного сигналу лише 288 мВт.
Дещо про недоліки.
Насамперед слід відзначити ймовірність самозбудження в області ОВЧ, обумовлену дуже широкою смугою робочих частот польових МОП-транзисторів. Наприклад, для серії MRF посилення становить близько 15. 18 дБ на частоті 30 МГц і зменшується до 10 дБ при 175 МГц.
Для запобігання самозбудження на ОВЧ вживають ті ж заходи, що і для каскадів на лампах зменшення вхідного імпедансу, послідовне включення в затворний ланцюг резистора і встановлення феритової трубочки в ланцюгу стоку. Слід звернути увагу на гарну розв'язку вхідних та вихідних ланцюгів. Польовий транзистор може вийти з ладу швидше, ніж біполярний, так як він дуже чутливий до більших напруг затвора і стоку, зокрема, до перенапруг, що виникають у разі самозбудження.
Для захисту транзистора можна встановити стабілітрони між затвором та корпусом (мал.1), проте це призводить до деякого збільшення вхідної ємності. Рекомендується підключити діоди захисту на етапі експериментального монтажу, а потім зняти їх після створення остаточного варіанта схеми та усунення будь-якої можливості самозбудження.
Розробка та виготовлення підсилювача потужності на польових МОП-транзисторах не викликають труднощів, якщо чітко виконуютьсязапобіжні заходи. Насамперед слід звернути увагу на друковану плату. При розміщенні деталей на ній необхідно подбати, щоб вхідні ланцюги максимально віддалені від вихідних.
Якщо діапазону ОВЧ подібні значення ємності є значними, то області ВЧ (1,5. 30 МГц) їх наявність не породжує проблем. Фактично цих частотах паразитні ємності виявляються навіть корисними. зменшуючи можливість самозбудження на ОВЧ.
У схемі, показаній на рис.2, вжито заходів щодо усунення ймовірності самозбудження. Резистори R1 і R2 визначають вхідний імпеданс каскаду VT1 і служать дільником напруги змішування транзистора. Зменшення величини R2 покращує стійкість роботи схеми. Елементи R3, С1 і С2 утворюють RC-розв'язку, що стабілізує, причому С1 грає свою роль для діапазону ВЧ, а С2 - для ОВЧ. Z1 являє собою маленьку феритову трубочку (намистинку), надіту на провідник поблизу затвора польового транзистора, яка в поєднанні з R4 перешкоджає самозбудження схеми на ОВЧ. Можна також використовувати 2. 3 намистинки з фериту з більшою магнітною проникністю (125. 900).
Опір резистора R4 може бути в межах 10. 27 Ом. Конденсатор СЗ встановлюється у підсилювачі, що проектується для роботи в одному частотному діапазоні. Реактивний опір СЗ має бути більшим за чотириразову величину вихідного імпедансу. Наприклад, для діапазону 3,5 МГц його ємність становить 680 пФ, С4. С7 н L1 утворюють ланцюг розв'язки стоку джерела живлення.
Регулювання вихідної потужності каскаду на польовому транзисторі може проводитися без зміни рівня вхідного сигналу шляхом зміни напруги затвора. Так, наприклад, максимальна вихідна ВЧ потужність підсилювача, що дорівнює 125 Вт, може бути зменшена всьогодо I Вт зміною напруги зміщення затвора з +3 до -10 В. Це дуже зручно в підсилювачах CW і FM, але не рекомендується для режиму SSB через зменшення лінійності.
Може виникнути питання: робити підсилювач широкосмуговим чи вузькосмуговим? Очевидно, краще використовувати ВЧ-підсилювач на потужних польових транзисторах у вузькій смузі частот, подібно до лампових підсилювачів, через більш високе значення ККД.
Наприклад підсилювач на потужному польовому транзисторі VN67AS, що працює в діапазоні 28 МГц в режимі класу С, має ККД близько 85%, а для двотактного широкосмугового каскаду в режимі класу В величина ККД становить 72,6%. Для широкосмугового підсилювача як класу АВ ККД зменшується до 40. 50%.
Підсилювач, схема якого наведена на рис.3 має вихідну потужність 60 Вт. Його транзистори працюють в режимі класу В при напрузі живлення 28 В. На частоті 7 МГц при струмі споживання 2,95 ККД підсилювача дорівнює 72,6%. Транзистори працюють при напрузі змішування затвора близько +1 В. Коефіцієнт посилення потужності становить 23 дБ.
Підсилювач може використовуватися в діапазонах від 160 до 10 м при зміні тільки вихідного фільтра.
Чотири резистори по 220 Ом визначають величину міжзатворного імпедансу порядку 210 Ом. Трансформатор Т1 на фсррнтовому кільці з коефіцієнтом трансформації 4:1 знижує вхідний імпеданс підсилювача до 50 Ом. Паралельно включені резистори 3,3 ком і 2,7 ком утворюють з резисторами затворів дільник для отримання необхідної напруги змішування. Для запобігання самозбудження затвори підключені через резистори по 15 Ом з одягненими на один з їх висновків фсрритовим бусинками.
Т2 є високочастотним дроселем з протифазним включенням обмоток, намотаних на феритовому кільці.
ТЗ є широкосмуговим трансформатором, що перетворює імпеданс 25 Ом між стоками в необхідний одноднапазонного фільтра 50-омпий. Для збільшення імпедансу співвідношення витків має бути 1,5:1 (2 витки первинної обмотки та 3 витки вторинної).
Вихідний ФНЧ забезпечує придушення гармонік на 70 дБ.
При переведенні підсилювача в режим класу на затвори транзисторів подається кульова напруга змішування. В цьому випадку при колишній потужності збудження вихідна потужність каскаду становить 52 Вт, струм споживання - 2,75 А. Трохи збільшивши вхідний сигнал можна відновити колишню величину (60 Вт) вихідної потужності. Коефіцієнт корисної дії для класу С – 67,5%.
Підсилювач був розроблений для роботи та в одному діапазоні. Внаслідок цього вихідний фільтр встановлений на загальній з рештою деталей друкованої плати. При бажанні використовувати підсилювач для роботи на декількох діапазонах друкована плата може бути укорочена (по пунктирній лінії на рис.5) і в цьому випадку фільтри монтуються на іншій платі поблизу перемикача діапазонів.
Т1 - узгоджуючий трансформатор 4:1, виготовляється трифілярним намотуванням 10 витків мідного проводу в емалевій ізоляції діаметром 0,33 мм крізь 2 феритові трубочки, склеєні епоксидним клеєм, або 12 витків трифілярного намотування на сердечнику FT5-
Т2 — дросель із протифазними обмотками, має 12 витків біфілярного намотування мідного дроту в емалевій ізоляції діаметром 0,65 мм на тороїдальному осерді FT50-43:
ТЗ — широкосмуговий трансформатор, первинна (два витки дроту діаметром 1 мм у пластиковій плиті тефлонової ізоляції) та вторинна (3 витки такого ж дроту) обмотки намотані крізь отвори двох феритових трубочок, склеєних між собою епоксидним клеєм.
Котушки фільтра L1. L4намотані дротом діаметром 0,65 мм на тороїдальних сердечниках Т68-6, число витків для L1 і L4 з індуктивністю 0,79 мкГн - 13, а для L2 н L3 з індуктивністю 1,74 мкГн - 19.
Друкована плата підсилювача на рис.
Розташування деталей на платі рис 5.
Друкована плата підсилювача кріпиться над радіатором із зазором між ними близько 3 мм. Це дозволяє встановити транзистор із мінімальним механічним навантаженням на його корпус. Радіатор має ті ж габарити, що не плата. Випромінювальну поверхню радіатора краще зробити ребристою.
Вхідний та вихідний коаксіальні роз'єми кріпляться до радіатора за допомогою куточків.
Котушки індуктивності вихідних фільтрів намотуються на феритових кільцях, а конденсатори цих фільтрів можуть бути полістироловими для частот менше 14 МГц або слюдяними для частот понад 14 МГц. Висновки конденсаторів максимально скорочуються зменшення їх індуктивності.
Елементи Z1. 7.1 виготовлені протягуванням провідника або виведення відповідного резистора крізь отвори однієї або, що краще, кількох феритових намистин із зовнішнім діаметром від 2 до 5 мм.