Выходной П-контур и его особенности

П-контур должен отвечать следующим требованиям:

1. Настраиваться на любую частоту заданного диапазона.

2. Фильтровать, в нужной степени, гармоники сигнала.

3. Трансформировать, т.е. обеспечивать получение оптимальных нагрузочных сопротивлений.

4. Обладать достаточной электрической прочностью и надёжностью.

5. Иметь хороший КПД и простую, удобную конструкцию.

   Пределы реальной возможности П-контура, по трансформации сопротивлений, довольно высоки и напрямую зависят от нагруженной добротности этого П-контура. С увеличением которой (следовательно увеличением С1 и С2) коэффициент трансформации повышается. С увеличением нагруженной добротности П-контура гармонические составляющие сигнала подавляются лучше, но из-за возросших токов КПД контура падает. С уменьшением нагруженной добротности КПД П-контура повышается. Часто контуры с такой низкой нагруженной добротностью («выжимание мощи») не справляются с подавлением гармоник. Бывает так, что при солидной мощности станция, работающая на диапазоне 160 метров, слышна и на диапазоне
80 метров или работающая на 40 метровом диапазоне слышна на 20 метровом диапазоне.
   Следует помнить, что «сплеттеры» П-контуром не отфильтровываются, поскольку находятся в его полосе пропускания, фильтруются только гармоники.

 

Влияние Roe на параметры усилителя

   Как влияет резонансное сопротивление(Roe) на параметры усилителя? Чем меньше Roe, тем усилитель более устойчив к самовозбуждению, но коэффициент усиления каскада меньше. И наоборот, чем больше Roe, тем коэффициент усиления больше, но устойчивость усилителя к самовозбуждению снижается.
   Что мы видим на практике: возьмём, к примеру, каскад на лампе ГУ78Б, выполненного по схеме с общим катодом. Резонансное сопротивление каскада низкое, но зато крутизна лампы высокая. И по этому имеем, при этой крутизне лампы, большой коэффициент усиления каскада и хорошую устойчивость к самовозбуждению, из-за низкого Roe.
   Устойчивость усилителя к самовозбуждению также способствует низкоомное сопротивление в цепи управляющей сетки.
   Увеличение Roe снижает устойчивость каскада в квадратичной зависимости. Чем больше резонансное сопротивление, тем больше положительная обратная связь через проходную ёмкость лампы, способствующая возникновению самовозбуждения каскада. Далее, чем ниже Roe тем большие токи текут в контуре, а отсюда повышенные требования к изготовлению выходной контурной системы.

 

Инверсия П-контура

   Многие радиолюбители в процессе настройки усилителя встречались с таким явлением. Это происходит, как правило, на диапазонах 160, 80 метров. Вопреки здравому смыслу ёмкость переменного конденсатора связи с антенной (С2), непозволительно мала, меньше чем ёмкость конденсатора настройки (С1).
   если настраивать П-контур на максимальный КПД при максимально возможной индуктивности, то на этой границе возникает второй резонанс. П-контур при одной и той же индуктивности имеет два решения, то есть две настройки. Вторая настройка это, так называемый «инверсный» П-контур. Он назван так по тому, что ёмкости С1 и С2 поменялись местами, т. е. «антенная» ёмкость весьма мала.
   Это явление описал и просчитал очень старый разработчик аппаратуры из Москвы. В форуме под тиком REAL, Игорь-2 (UA3FDS). Кстати весьма способствовал Игорю Гончаренко при создании его калькулятора для расчёта П-контура.

 

Способы включения выходного П-контура

   В первом случае используется только одна катушка (на каждый диапазон своя). Много лет назад такой подход был весьма популярен. Изготовлялся сменный контур в виде кассеты, для каждого диапазона. Отдельная катушка жестко крепилась на основании, из хорошего высокочастотного материала, имела контактные «ножи», а ответная часть находились в контурном отсеке усилителя. При смене диапазона, приходилось отключать анодное напряжение, разряжать ёмкость фильтра в блоке питания и менять кассету с другой катушкой. Но при свойственных недостатках подобных конструкций, это лучший вариант исполнения контурной системы.
   Во втором случае, так же, использовалась на каждый диапазон своя катушка но уже коммутируемая с обеих сторон качественными коммутационными элементами. Типа замыкателей от Р-161, но это приводит к существенному увеличению размеров выходной колебательной системы (6 катушек и 12 дорогостоящих замыкателей).
   В следующем случае используют катушку с переменной индуктивностью и замыканием части витков (при вращении) – роликом. Эта катушка сильно подвержена влиянию частных резонансов, образованию узлов напряжений, в казалось бы, закороченной её части. Из-за явлений взаимоиндукции, рабочей части катушки и не рабочей, возникают проблемы электрических пробоев по дуге (при большой мощности в контуре).
   В современных радиолюбительских усилителях, как правило, применяют катушку с отводами, а для переключения диапазонов используют галетные переключатели. Но в таком схемном решении проблем не убавилось. На отводах катушки, идущих к галетному переключателю (как правило, это 40 или 80 метров), опять даёт о себе знать «паразитный» резонанс и при большой мощности происходит электрический пробой («прошивает») на другие элементы контурной системы. Раньше, лет тридцать пять назад, мы «лечили» это довольно просто, устанавливая с этих отводов конденсаторы 15-18 Пф (с большой реактивной мощностью и на большое напряжение) на массу. Радикальным методом устранения этой проблемы является,  замыкание всех отводов неработающих катушек между собой. Практически это решается применением готового замыкателя от военных радиостанций или самодельного, переделанного галетного переключателя (Рис. 4) или с помощью электромагнитных реле. Замыкатель представляет собой полукруг, выполненный из материала с малым удельным сопротивлением и имеющим большую площадь контактной поверхности.

   Подобные решения применялись как в нашей военной промышленности, так и в импортных усилителях ACOM, TL 922. Наиболее эффективно это решено в современных мощных усилителях для магистральной связи (80-150 КВт). Сделано это следующим образом: на холодный конец катушки вращательно-поступательно накручивается посеребренный цилиндр, имеющий внутри «резьбу» под внешний диаметр катушки, которым все витки замыкаются как между собой, так и на общий цилиндр. Ёмкость цилиндра по отношению к шасси входит в ёмкость конденсатора С2. Сюда же, через высокочастотный дроссель, подаётся анодное напряжение (схема последовательного питания каскада). Применение такого конструктивного решения позволяет исключить возникновение «паразитных» резонансов.
   Понятно, что в любительских условиях изготовить подобное невозможно, но важна сама идея.
   Теперь о применении вариометров. С увеличением рабочей частоты, добротность вариометра снижается. Сказываются длины коммутационных элементов и внутренние емкостные связи. На частотах выше 25 мГц он начинает через себя (по указанным выше причинам) «сифонить». Поэтому, наиболее рационально включить на 10 метровом диапазоне последовательно катушку хорошей добротности, а это примерно 3 витка трубки или шины. При работе на этом диапазоне вариометр должен быть закорочен.

 

 

 

 

Схемные решения, применяемые в профессиональной связи

   Теперь о некоторых схемных решениях применяемых в профессиональной связи. Широко используется последовательное питание выходного каскада передатчика. В качестве С1 и С2 используют переменные вакуумные конденсаторы. Они могут быть как со стеклянной колбой, так и из радио-фарфора. Такие конденсаторы переменной ёмкости обладают рядом преимуществ. У них нет скользящего токосъёмника ротора, минимальная индуктивность выводов, так как они кольцевые. Очень малая начальная ёмкость, что очень важно для высокочастотных диапазонов. Впечатляющая добротность(вакуум) и минимальные размеры. Не будем говорить о двух литровых «банках» для мощности 50 кВт. О надёжности, т.е. о количестве гарантированных циклов вращения(туда – сюда). Два года назад «ушел» старичок РА выполненный на лампе ГУ43Б, в котором использовался вакуумный КПЕ типа КП 1-8 5-25 Пф. Этот усилитель отработал 40 лет, и ещё будет работать.
   В профессиональных передатчиках вакуумные конденсаторы переменной ёмкости (С1 и С2) разделительным конденсатором не отделяют, это налагает определённые требования к рабочему напряжению вакуумного КПЕ, ведь там используется схема последовательного питания каскада и поэтому рабочее напряжение КПЕ выбирают с трёхкратным запасом.


 

 

 

 

 

Схемные решения, применяемые в импортных усилителях

   В контурных системах импортных усилителей, выполненных на лампах ГУ74Б, одна или две ГУ84Б, ГУ78Б, мощность солидная и требования к FCC весьма жёсткие. Поэтому, как правило, в этих усилителях применяют ПЛ-контур. В качестве С1 применён двухсекционный конденсатор переменной ёмкости. Одна, малой ёмкости, для высокочастотных диапазонов. В этой секции малая начальная ёмкость, да и максимальная ёмкость не велика, достаточная для настройки в высокочастотных диапазонах.  Другая секция, большей ёмкости, подключается галетным переключателем в параллель к первой секции, для работы на низкочастотных диапазонах.
   Этим же галетным переключателем переключается анодный дроссель. На высокочастотных диапазонах малая индуктивность, а на остальных полная. Контурная система состоит из трёх – четырёх катушек. Нагруженная добротность относительно не высока, следовательно, КПД высокий. Использование ПЛ-конура приводит к минимальным потерям в контурной системе и хорошую фильтрацию гармоник. На низкочастотных диапазонах контурные катушки выполняют на кольцах AMIDON.
   Довольно часто общаюсь по Skipe с другом детства Христо, работающего в ACOM. Вот, что он говорит: лампы, устанавливаемые в усилители, предварительно тренируются на стенде, затем тестируются. Если в усилителе используются две лампы (ACOM-2000), то подбираются пары ламп. Не парные лампы устанавливаются в ACOM-1000, где применяется одна лампа. Настройка контура производится только один раз в стадии макетирования, так как все компоненты усилителя идентичны. Шасси, размещение компонентов, анодное напряжение, данные дросселей и катушек – ничего не меняется. При производстве усилителей достаточно чуть сжать или раздвинуть только катушку диапазона 10 метров, остальные диапазоны получаются автоматически. Отводы на катушках запаиваются сразу при изготовлении.

 

Особенности расчётов выходных контурных систем

   В настоящий момент, в интернете, существует много калькуляторов «считалок», благодаря которым мы имеем возможность быстро и относительно точно рассчитать элементы контурной системы. Главное условие - ввести в программу корректные данные. А вот тут то и возникают проблемы. Например: в программе, уважаемого мной, и не только, Игоря Гончаренко(DL2KQ), есть формула определения входного сопротивления усилителя по схеме с заземлённой сеткой. Она выглядит так: Rвх=R1/S, где S – крутизна лампы. Эта формула дана при работе лампы на участке характеристики с переменной крутизной, а у нас усилитель с заземлённой сеткой при угле отсечки анодного тока примерно 90 градусов с токами сетки при этом. И поэтому сюда больше подходит формула 1/0,5S. Сравнивая эмпирические формулы расчётов как в нашей, так и в зарубежной литературе видно, что наиболее правильно она будет выглядеть так: входное сопротивление усилителя работающего с сеточными токами и с углом отсечки примерно 90 градусов  R=1800/S, R- в омах.

   Пример: Возьмём лампу ГК71, её крутизна около 5, тогда 1800/5=360 Ом. Или ГИ7Б, с крутизной 23, тогда 1800/23=78 Ом.
   Казалось бы, в чём проблема? Ведь входное сопротивление можно измерить, и формула есть: R=U²/2P. Формула есть, а усилителя пока нет, он только проектируется! К вышеизложенному материалу следует добавить, что величина входного сопротивления частотно зависима и меняется от уровня входного сигнала. Поэтому мы имеем чисто прикидочный расчёт, ведь за входными контурами у нас стоит ещё один элемент, накальный или катодный дроссель и его реактанс тоже зависит от частоты и вносит свои коррективы. Одним словом КСВ-метр, подключенный ко входу, отобразит наши усилия по согласованию трансивера с усилителем.

           Практика – критерий истины!

   Теперь ещё о «считалке», только уже по расчётам ВКС (или проще выходного P-контура). Здесь тоже есть нюансы, приведенная в «считалке» формула расчёта тоже относительно не корректна. Она не учитывает ни класса работа усилителя (АВ₁, В,С), ни типа применённой лампы(триод, тетрод, пентод) – у них разный КИАН(коэффициент использования анодного напряжения). Можно посчитать Rое (резонансное сопротивление) классическим способом.
   Расчёт для ГУ81М: Ua=3000В, Iа=0,5А, Uс2=800В, тогда амплитудное значение напряжения на контуре равно (Uаконт= Ua-Uс2) 3000-800=2200 вольт. Ток анода в импульсе (Iаимп= Iа *π) будет 0,5*3,14=1,57А, ток первой гармоники (I1=Iаимп* Iа) будет 1,57*0,5=0,785А. Тогда резонансное сопротивление (Rое=Uаконт/I1) будет 2200/0,785=2802 Ом. Отсюда мощность, отдаваемая лампой (Pл=I1*Uаконт), составит 0,785*2200=1727Вт – это пиковая мощность. Колебательная мощность, равна произведению половины первой гармоники анодного тока на амплитуду напряжения на контуре (Pк= I1/2* Uаконт) будет 0,785/2*2200=863,5Вт, или проще (Pк=Pл/2). Так же следует вычесть потери в контурной системе, около 10% и получим на выходе примерно 777 ватт.
   В данном примере нам нужно было  только эквивалентное сопротивление (Rое), а оно равно 2802 Ом. Но можно воспользоваться и эмпирическими формулами: Rое= Ua/Iа*k (k берём из таблицы).

 

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, чтобы получить корректные данные из «считалки», в неё нужно ввести правильные исходные данные. Пользуясь калькулятором, нередко возникает вопрос: какое значение нагруженной добротности нужно вводить? Здесь есть несколько моментов. Если мощность передатчика высока, а у нас только P-контур то, чтобы «задавить» гармоники, приходится увеличивать нагрузочную добротность контура. А это – завышенные контурные токи и, следовательно, большие потери, хотя есть и плюсы. При большей добротности, форма огибающей «красивее» и нет впадин и приплюснутости, коэффициент трансформации P-контура выше. С большей нагруженной добротностью сигнал более линейный, но потери в таком контуре значительны и, следовательно, КПД ниже. Мы сталкиваемся с проблемой несколько иного характера, а именно с невозможностью создать «полноценный» контур на высокочастотном диапазоне. Причин несколько – это большая выходная ёмкость лампы и большое Rое. Ведь при большом резонансном сопротивлении оптимальные расчётные данные никак не вписываются в реальность. Изготовить такой «идеальный» P-контур(рис. 1) практически невозможно.

Рисунок 1

 Так как расчётное значение «горячей» емкости P-контура мало, а мы имеем: выходную ёмкость лампы(10-30 Пф), плюс начальную ёмкость конденсатора(3-15Пф), плюс ёмкость дросселя(7-12Пф), плюс ёмкость монтажа(3-5Пф) и в итоге «набегает» столько, что нормальный контур не реализуется. Приходится увеличивать нагруженную добротность, а из-за резко возросших, при этом, контурных токов возникает масса проблем – повышенные потери в контуре, требования к конденсаторам, коммутационным элементам, да и к самой катушке, которая должна быть более мощной.  В значительной степени решить эти проблемы может схема последовательного питания каскада (рис. 2).

Рисунок 2

   При этом, схемном решении, катушка P-контура подсоединяется прямо к аноду, а питание подаётся через дроссель, в «холодный» конец катушки. Таким образом, мы исключаем из анодной части контура ёмкость дросселя, индуктивность его уменьшается и, следовательно, паразитные резонансы дросселя отсутствуют. Конденсатор С1 подключается в первый виток катушки контура. При работе на высокочастотных диапазонах снижаем анодное напряжение, тем самым уменьшаем Rое. Но боятся наши радио-конструкторы, как огня, схемы последовательного питания – нельзя прикуривать от P-контура, и нет денег на К15У. На современных лампах этих проблем, как правило, нет. В таком случае Rое низкое, вследствие чего получаем более высокие расчётные значения С1 и С2, плюс относительно небольшая выходная ёмкость лампы. И контурные токи меньше, так как нагруженная добротность ниже. Если нагруженная добротность контура меньше, то при солидной мощности, применяют PL-контур (рис. 3), у которого коэффициент фильтрации гармоник выше, чем у P-контура. В PL-контуре токи не большие, а значит и потерь меньше.

 

 

 

 

 
Рисунок 3

Размещение катушек выходной контурной системы

   Как правило, их в усилителе две или три. Они должны быть расположен перпендикулярно друг к другу, дабы взаимоиндукция катушек была минимальная.
   Отводы к коммутационным элементам должны быть как можно короче. Сами отводы выполняются широкими, но гибкими шинками с соответствующим периметром как, кстати, и сами катушки. Располагать их нужно на 1-2 диаметра от стенок и экранов, особенно с торца катушки. Хорошим примером рационального расположения катушек являются мощные промышленные импортные усилители. Стенки контурной системы, которых, отполированы и обладают малым удельным сопротивлением, под контурной системой лист полированной меди. Корпус и стенки не нагреваются катушкой, всё отражается!

 

Холодная настройка выходного П-контура

   Часто на «техническом круглом столе» г. Луганска задаётся вопрос: как не имея соответствующих приборов «на холодную» настроить выходной П-контур усилителя и подобрать отводы катушек для любительских диапазонов?
   Метод довольно старый и заключается в следующем. Сначала необходимо определить резонансное сопротивление (Roe) вашего усилителя. Значение Roe берётся из расчётов вашего усилителя или воспользоваться формулой описанной выше.

   Затем нужно присоединить безиндуктивный (или малоиндуктивный) резистор, сопротивлением равным Roe и мощностью 4-5 ватт, между анодом лампы и общим проводом (шасси). Проводники соединения этого резистора должны быть как можно короче. Настройка выходного П-контура производится при установленной в корпусе усилителя контурной системе.
 

  Внимание! Все напряжения питания усилителя должны быть отключены!
 

   Выход трансивера, соединяют коротким отрезком кабеля, с выходом усилителя. Реле «обхода» переводят  в режим «передача». Выставляют частоту трансивера на середину нужного диапазона, при этом внутренний тюнер трансивера должен быть отключен. Подают с трансивера несущую (режим «CW»)  мощностью 5 ватт.
   Манипулируя ручками настройки С1 и С2  и подбирая индуктивность катушки или отвод для нужного радиолюбительского диапазона добиваются минимального КСВ между выходом трансивера и выходом усилителя. КСВ-метр можно использовать встроенный в трансивер, или подключить внешний между трансивером и усилителем.
   Настройку лучше начинать с низкочастотных диапазонов, последовательно переходя к более высокочастотным.  
   После проведения настройки выходной контурной системы не забудьте снять настроечный резистор между анодом и общим проводом (шасси)!

 

   Не все радиолюбители способны, и финансово в том числе, иметь усилитель на лампах типа ГУ78Б, ГУ84Б, да и даже на ГУ74Б. Поэтому имеем то, что имеем - в итоге приходится строить усилитель из того, что есть в наличии.

     Я надеюсь, что эта статья поможет Вам в выборе правильных схемных решений в постройке усилителя.

                                                                                                                                                     С уважением Владимир (UR5MD).