Особенности построения контурных систем
В этой статье для расчётов используется калькулятор И. Гончаренко (DL2KQ) «Расчёт П-контура»
В практической деятельности радиолюбитель вынужден производить предварительные расчёты своих конструкций.
Поговорка: «Семь раз отмерь, один раз отрежь» - является весьма актуальной!
Расчёт контурных систем (КС), можно произвести, не прибегая к длинным и сложным формулам и относительно весьма быстро и точно, используя различные компьютерные программы. Некоторые программы платные, иные нет. Но как показала практика расчётов, то теоретический расчёт, всегда будет отличаться от результата, полученного на практике.
Наша задача минимизировать эти отличия и правильно адаптировать полученный расчёт в реальную конструкцию.
Здесь и возникают некоторые непонятные вопросы и нюансы, которые будут освещены в этой статье.
Теоретически рассчитанная контурная система, в реальной конструкции дополнительно «обвешивается» привнесенными емкостями. Да и сама катушка незначительно меняет свою индуктивность, за счёт проводников идущих к коммутационным элементам (добавленная индуктивность), экранов и корпуса конструкции, а также за счёт взаимодействия с другими элементами контурной системы.
Вызванные этими факторами изменения необходимо подстроить для обеспечения заданных параметров.
Поговорим подробнее о некоторых величинах.
Roe – оптимальное эквивалентное сопротивление нагрузки.
Радиолюбители, часто занимающиеся расчётами усилителей, не могли не заметить, что Roe можно определить различными способами.
На пример:
Radio handbook – Roe=Ua/1,8*Ia
Игорь Гончаренко – Roe=Ua/2,1*Ia или Roe=0,53*Ua/Ia
Эквивалентное сопротивление можно рассчитать классическим способом, опираясь на справочную литературу, но есть более точные современные методы расчётов, где Roe адаптировано (эмпирически) к классу режима работы усилителя: AB1, B, B2, C.
В частности Roe зависит:
- От класса режима работы усилителя;
- От типа применённой лампы (триод, тетрод, или пентод). При применении различных типов ламп получается разный КИАН (Коэффициент Использования Анодного Напряжения).
|
Тип лампы
|
Класс работы усилителя
|
|
AB1
|
B
|
C
|
|
Тетроды
|
0,574
|
0,512
|
0,498
|
|
Триоды и пентоды
|
0,646
|
0,576
|
0,56
|
По этому, более правильно к расчёту контурных систем подошёл А. Кузьменко, RV4LK (Царствие ему Небесное). Воспользовавшись формулой:
Rое= Ua/Iа*k (коэффициент k - берём из таблицы). В его таблице эмпирический коэффициент k учитывает с достаточной точностью все нюансы расчёта контурных систем.
При расчёте входного сопротивления каскада с общей сеткой (ОС) Rвх определяют по формуле Rвх=1/S, где S – крутизна лампы. Правильнее рассчитывать по формуле Rвх=1/0,5*S, ещё точнее
Rвх(Ом) =1800/S, где 1800 эмпирическое число.
Для правильного расчёта входного сопротивления усилителя, нам необходимо входную ёмкость лампы включить в состав входной контурной системы. При расчёте выходной КС, выходную ёмкость лампы.
Не скомпенсированная входная ёмкость лампы будет шунтировать входную цепь в зависимости от частоты (эффект Миллера).
Также при расчётах усилителя с общей сеткой, необходимо учитывать ещё один частотно зависимый элемент – реактанс катодного (накального) дросселя.
Кроме того, на входное сопротивление усилителя с ОС оказывает влияние входное напряжение, пропорционально зависящее от входной мощности, подаваемой на усилитель. В зависимости от амплитуды напряжения «раскачки», в такт с SSB или AM сигналом, изменяется входное сопротивление усилителя.
Если во входной цепи отсутствует колебательная система, которая в зависимости от своей нагруженной добротности, согласовывает («размазывает») входную амплитуду сигнала, то во время положительного полупериода сигнала трансивер не «видит» нагрузку. Нагрузка трансивера происходит только в отрицательный полупериод входного сигнала. Входная контурная система часть запасённой энергии отдаёт нагрузку во время положительного полупериода.
Но вернёмся пока к выходной КС. Как проверить теоретический расчёт – Roe? Усилитель готов, работает. В какой степени была погрешность теоретического расчёта?
Измерение эквивалентного выходного сопротивления усилителя с помощью трансивера.
Методика известная, но не грех напомнить.
Ранее, в предыдущей публикации рассмотрен метод подбора витков катушки П-контура с помощью трансивера. Не мной этот метод придуман, но весьма рационален.
Так какое же Roe нашего усилителя?
Для этого нужно соединить трансивер с усилителем, подсоединить к выходу усилителя эквивалент нагрузки 50 Ом и в режиме несущей (CW или FM), настроить выходную контурную систему по максимуму выходного напряжения на нагрузке. Измерение проводить высокочастотным вольтметром, типа ВУ-15 или ему подобным.
После этого положение ручек настройки не изменять!
1. Отсоединить эквивалент нагрузки;
2. Убрать все напряжения на лампе усилителя (проверить отсутствие напряжений!), оставив напряжение на коммутационных реле выходной КС, если таковые имеются;
3. Произвести коммутацию выходного реле усилителя таким образом, чтобы выходная контурная система соединялась с гнездом подключения антенны;
4. Соединить коротким кабелем выходное гнездо подключения антенны трансивера с выходным гнездом подключения антенны усилителя. Регулятор мощности трансивера должен быть установлен на минимум. Тюнер трансивера должен быть отключен. Режим передачи несущей (CW или FM), частота прежняя;
5. Соединить анод лампы и корпус усилителя (общий провод) через безиндуктивный (не проволочный) переменный резистор, сопротивлением на 20-30% больше расчётного. Положение движка резистора должно быть установлено на максимальное сопротивление. Мощность резистора должна быть не менее 5 Ватт.
6. Включаем трансивер на передачу, и изменением сопротивления переменного резистора добиваемся минимального КСВ. Контроль производить по встроенному в трансивер или внешнему измерителю КСВ.
7. Выключить трансивер и измерить сопротивление переменного резистора точным, желательно цифровым омметром. Полученный результат будет эквивалентным сопротивлением нагрузки (Roe).
! Следует заметить, что Roe на разных диапазонах незначительно отличается.
Тоже самое можно сказать и о входном сопротивлении усилителя с общей сеткой. Усилитель готов, работает, есть желание проверить теоретический расчёт?
У меня такое желание есть всегда!
Для этого нужно знать как правильно это сделать. Есть несколько способов.
Современные трансиверы имеют измеритель выходной мощности (на моём трансивере - это и стрелочный индикатор и цифровой). Но мощность, индицируемая на выходе трансивера никак не равна мощности на входе лампы, так как сигнал прошёл через входные полосовые фильтры, а КПД у них не 100%. Поэтому включите программу расчёта П-фильтра И. Гончаренко и посмотрите реальные значения мощности на входе лампы усилителя. Затем измерив высокочастотным вольтметром (типа ВУ-15), напряжение на входе лампы в режиме несущей, рассчитаем входное сопротивление усилителя, применив формулу Rвх=U2/2P. На низкочастотных диапазонах погрешность будет меньше.
При этом не забывайте, что измерения мы проводим с постоянной амплитудой и измеряем эффективное (действующее) значение. Амплитудное значение измеренного напряжения рассчитывается по формуле: Uaмпл=Uизм*√2= Uизм*1,41.
В режиме SSB, AM амплитуда входного сигнала меняется. При максимальной амплитуде Rвх меньше, а при минимальной (на тихих звуках), входное сопротивление больше. Входная контурная система, запасая энергию при отрицательном полупериоде, возвращает её при положительном полупериоде, тем самым усредняя входное сопротивление, зависящее от нагруженной добротности контурной системы. Это заметно по изменению КСВ между трансивером и усилителем в режиме работы SSB и AM. В режиме CW и FM, когда амплитуда сигнала постоянная, таких изменений КСВ нет.
Я пользуюсь совершенно другим методом измерения входного сопротивления, где понятие мощность полностью отсутствует, нужна только амплитуда входного напряжения. В последующих публикациях я опишу этот метод.
Возвращаемся к теме расчёта входного П-контура усилителя с общей сеткой. Используем калькулятор Игоря Гончаренко DL2KQ. Возьмём для примера лампу ГС-35Б, у которой Rвх близко к 50 Ом. Пусть источник и нагрузка у нас будут по 50 Ом. Вводим в калькулятор следующие параметры:
Частота - 28, 5 МГц, холостая добротность – 70, нагруженная добротность – 2,
мощность раскачки – 50 Вт.
Вычисляем.
Результат вычислений: С1=111,71 Пф, С2=114,95 Пф, L=0,28 мкГн.
Это теоретический расчёт, не учитывающий некоторые параметры.
 Кабель, соединяющий трансивер с усилителем имеющий длину не более 0,1 λ можно рассматривать как электрическую ёмкость, 50÷100 Пф на 1 метр длины.
Пусть наш кабель имеет ёмкость 50 Пф . Таким образом эта ёмкость кабеля будет подключена параллельно конденсатору С1. Для того, чтобы компенсировать ёмкость кабеля, нужно уменьшить номинал конденсатора С1 на величину ёмкости кабеля (50 Пф). Кроме того, есть ещё ёмкость дорожек печатной платы входных фильтров, ёмкость реле и т. д., примерно 20 Пф. В итоге набирается около 70 Пф. Эти 70 Пф нужно отнять от расчётного значения конденсатора С1. Реальная ёмкость С1 равна 111,71-70≈42 Пф.
Аналогичная ситуация с конденсатором С2. Входная ёмкость лампы ГС-35Б рвана 21±3 Пф. Всегда нужно принимать для расчётов максимальную величину – 24 Пф, прибавляем ёмкость монтажа (20 Пф) и ёмкость катодного дросселя, которая может составлять в зависимости от конструктивного исполнения примерно 20 Пф. Всего 64 Пф. Таким образом, реальная ёмкость С2 составит 114,95-64=51 Пф.
Рассмотрим другой случай.
Усилитель на лампе ГУ-78Б по схеме с общим катодом, входное сопротивление 50 Ом. Входная ёмкость лампы 150 Пф. Как поступить в этом случае? Нужно при расчёте входной КС задать нагруженную добротность не 2, а 3. Тогда возрастут значения конденсаторов С1 и С2, при незначительном уменьшении индуктивности.
Проблема решена.
Обычно для таких ламп применяют одно или двухзвенный широкополосный фильтр. Сеточная цепь нагружена на резистор 50 Ом, а входная ёмкость лампы «вошла» в его емкостное звено – стала резонансной. В противном случае мы получим частотно-зависимое емкостное шунтирование сеточной цепи, которое будет увеличиваться при увеличении рабочей частоты.
Резюмируя всё вышесказанное, следует отметить, что ёмкость соединительного кабеля и другие привнесённые ёмкости вносят существенные коррективы в теоретические расчётные данные.
Некоторые известные радиолюбители-конструкторы, такие как Андрей UT0MJ – называют кабель, соединяющий трансивер с усилителем «мерным куском». На практике легко увидеть, как изменив длину соединяющего кабеля, мы получаем расстройку входных контуров усилителя, в виде повышения КСВ. Особенно это заметно на высокочастотных диапазонах.
Иногда бытует мнение, что соединив выход трансивера, имеющий выходное сопротивление 50 Ом, кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом с входом усилителя, выполненного по схеме с заземлённой сеткой и имеющий входное сопротивление тоже 50 Ом, никаких проблем не будет. Да, проблем не будет, если кабель будет «видеть» сопротивление, равное его волновому сопротивлению. В этом случае кабель работает в режиме бегущей волны и не трансформирует при любой его длине. Но всё в том, что входное сопротивление усилителя меняется, в зависимости от входной мощности, а при изменении нагрузки на конце кабеля он начинает трансформировать. Вследствие чего изменяется КСВ. КСВ так сказать «дышит» в такт сигналу с переменной амплитудой (SSB, AM).
Рассмотрим следующий момент, когда входные контуры нагружены на резисторы от 500 до 3000 Ом в схеме с общим катодом, где на резисторах нагрузки будет развиваться большие амплитуды входного сигнала. Расчёт таких контурных систем всегда нужно начинать из возможности трансформации.
Допустим из 50 Ом в 3000 Ом. Сначала определяем критичную добротность Qкр=√R1/R2 , где R1 и R2 – сопротивления противоположных ветвей П-фильтра. Подставляем в формулу наши значения и получаем значение Qкр=7,75. Для расчёта П-фильтра нужно применять значение нагруженной добротности – Qнагр, не ниже полученного Qкр (7,75).
Иногда нам приходится увеличивать нагруженную добротность сознательно, но это сопряжено уже не с задачей возможности трансформирования, а с задачей компенсации привнесенных в фильтр ёмкостей (ёмкость соединительного кабеля, входная ёмкость лампы, емкость дросселя, ёмкость монтажа и т. д.).
При малой нагруженной добротности расчётные данные емкостей П-фильтра могут получиться слишком малыми, практическая реализация такого фильтра не может быть реализована на практике. По этому, в расчётах необходимо учитывать значения всех привнесённых ёмкостей, включая их соответственно в плечи П-фильтра.
По поводу пользования готовыми таблицами расчётов П-фильтров.
Давайте проиллюстрируем этот момент на практике, когда эта таблица вам абсолютно не поможет.
Берём известную таблицу из Radio Handbook.
И так:
Лампа ГУ-81М, Ua=3000 В, Ia=0,5 А, Rоэ=3333 Ом, F=28,5 МГц.
Исходя из данных таблицы при Rоэ=3000 Ом (а у нас больше), расчётное значение С1=18 Пф. Но у нас привнесённые ёмкости составляют около 55 Пф:
- Выходная ёмкость лампы = 25 Пф;
- Ёмкость анодного дросселя ≈ 12 Пф (при параллельном питании);
- Минимальная ёмкость конденсатора С1 ≈ 10–15 Пф;
- Ёмкость катушки фильтра и ёмкость монтажа ≈ 7 Пф.
Помогла ли нам эта таблица? Нет!
И подобных примеров масса, в таблицах указываются теоретические данные, а в реалии всё «обвешивается» привнесёнными ёмкостями. Из этой ситуации можно выйти, увеличивая нагруженную добротность до тех пор, пока полученная расчётная ёмкость С1 не сравнится с реальной (55 Пф)!
Кроме того, увеличивая нагруженную добротность, мы увеличиваем подавление 2-й гармоники (это плюс). Но с другой стороны увеличиваются токи, протекающие в элементах П-фильтра (и в коммутационных элементах тоже), увеличиваются потери. КПД фильтра может снизиться до 87% (это минус).
Другой метод предложенный академиком В. В. Шахгильдяном, известен давно и с успехом применяется нашими радиолюбителями EX8A, RV4LK, EW1BA. Суть этого метода заключается в компенсации большой выходной ёмкости лампы за счёт компенсационных катушек. Как правило достаточно двух катушек на диапазоны 10 и 15 метров. Вариантов реализации метода предложенного В. В. Шахгильдяном несколько. Мной неоднократно этот метод проверен на практике. В моём усилителе нет даже антипаразитных дросселей в анодах ламп.
Об инверсии П-фильтра.
Не редко настраивая П-фильтр, радиолюбитель сталкивается с явлением, которое ему не понятно. Против всякой логики, ему приходится устанавливать антенный конденсатор С2 в положение минимальной ёмкости. Это явление математическим методом хорошо исследовал человек под ником Игорь-2 из Москвы (форум на сайте: http://ve3kf.com/), которое проявляется преимущественно на низкочастотных диапазонах.
В чём заключается явление названное «инверсия П-контура». Если настраивать фильтр на максимальное КПД при максимально возможной индуктивности катушки фильтра (выжимать «мощу»), то появляется второе решение уравнения для расчёта П-фильтра. Практически при одной и той же индуктивности катушки (минимальной разнице) происходит вторая настройка П-фильтра, отличающаяся другими значениями ёмкости конденсаторов С1 и С2 (ёмкость конденсатора С2 - минимальна).
Привожу наглядный пример, используя калькулятор И. Гончаренко.
Вводим данные и вычисляем:
Уменьшаем нагруженную добротность с 5 на 4, не меняя остальные параметры, и снова вычисляем:
Что мы получили:
Изменив незначительно индуктивность катушки, всего на 0,15 мкГн (примерно 0,5 витка катушки на диапазоне 160 метров), получили инверсию П-фильтра. Ёмкость нашего антенного конденсатора С2 разительно изменилась, с 869 Пф на 33 Пф. Это наглядный пример инверсии.
Каждый день, занимаясь расчётами контурных систем, я постоянно сталкиваюсь с этим явлением.
Подводя итоги.
Входную ёмкость лампы необходимо всегда компенсировать. Иначе реактивное частотозависимое сопротивление этой ёмкости будет шунтировать сеточную или катодную, в зависимости от типа построения каскада, нагрузку – эффект Миллера.
Выходную ёмкость лампы, если она большая, необходимо компенсировать всеми доступными способами.
Некоторые нюансы:
Большинство калькуляторов предназначенных для расчёта контурных систем предоставляют нам много полезной информации. Так по реактивным токам, напряжениям, мощности в ветвях П-фильтра мы можем выбрать соответствующие компоненты для изготовления контурной системы. Рассчитать диаметр провода катушек индуктивности. Применять компоненты нужно с запасом по мощности, напряжению.
В заключение несколько слов об устойчивости усилителей к самовозбуждению.
Существует много причин потери устойчивости. Все они, в большей степени, индивидуальны и присущи конкретному усилителю. Но общие рекомендации достаточно известны. Это хорошая экранировка входных цепей лампы от выходных (вход под шасси, выход над шасси). Короткие, широкие проводники монтажа. Если применяется несколько ламп, должна соблюдаться симметрия, как во входной части, так и в выходной, равная длина соединительных проводников, несущих высокочастотный потенциал. Блокировочные конденсаторы цепи экранной сетки лампы, дросселей, нужно выбирать с минимальной собственной индуктивностью выводов. Использовать в тракте подачи входного сигнала безиндуктивных резисторов 5-10 Ом в цепи управляющей сетки.
Основной причиной неустойчивости является также и вредная положительная обратная связь, как внутренняя, осуществляющаяся за счёт проходной ёмкости лампы (если в усилителе используется несколько ламп, то эта ёмкость суммируется), так и внешняя, часто нами же и созданная. В кабеле (режим работы усилителя «Обход/Усиление») соединяющим входное реле и выходное, центральная жила должна через дополнительное реле замыкаться со стороны входа лампы на общий провод в режиме работы усилителя «Усиление».
Основной бедой является наложение больших выходных контурных токов на входные. Не зря на усилителях с большим коэффициентом, выполненных по схеме с общим катодом, где используются лампы с большой крутизной, входной разъём усилителя отделяется от корпуса вставкой из диэлектрика и создаётся отдельная цепь для стекания входных токов прямо у самой лампы.
Правильное расположение «земляных» шин, изготовленных из меди, соединяющих по «массе» конденсаторы С1, С2, выходной разъём, конденсаторы развязки анодных дросселей, в пентоде – пентодную сетку и гнездо подключения заземления, поможет избежать самовозбуждения вашего усилителя.
Буду рад, если эта публикация вам поможет в построении своего усилителя!
С уважением Владимир Богаткин.
= UR5MD =
  
| 
