Наконец‑то появилась возможность вновь вынырнуть в ленте хабра с радиолюбительской тематикой и самодеятельным конструированием. В предыдущей паре статей было рассказано про один из шедевров радио‑DIY — специально разработанный для соревнований по КВ‑радиосвязи трансивер RA3AO, а также про восстановление попавшего ко мне в руки экземпляра, которому пришлось практически полностью пересобрать передающую часть.
Долгое откладывание конструкторских дел связано с другими заботами (и их последствиями), результат которых выглядит как листочек А4 с розовым орнаментом, подписью замминистра науки и высшего образования, и надписью «Диплом доктора наук». 9 лет работы, если считать от первой публикации по этой теме, или 7 лет только работы плюс год и 9 месяцев допубликаций, доработок, обсуждений и формулировок смыслов на семинарах, если начинать от самого‑самого первого публичного представления работы в полном объёме.
Коротковолновые усилители мощности как вид искусства
В одном из предыдущих постов уже говорилось о важности внешних УМ для старых трансиверов. Многие конструкции имели на выходе 5–10 Вт мощности, чего, на самом деле, недостаточно для эффективной оперативной работы в КВ‑эфире. Но именно такая мощность является максимально разрешённой для 3-й радиолюбительской категории (как сейчас в России, так и раньше в СССР), что и определяет возможные схемы «роста» аппаратуры. Сначала радиолюбитель‑самодельщик строит маломощный трансивер и набирается опыта, затем повышает категорию, последовательно получая разрешение на новые диапазоны и на 50 Вт (2-я категория) либо 200 Вт (1-я; это в 1980–90х гг.). Это приводит к необходимости переделывать выходной каскад и питание, либо, чтобы не перестраивать трансивер, добавлять к нему ещё один ящик, который и позволит получить должный уровень сигнала в антенне.
Популярные схемы типа UW3DI, большинство конструкций UA1FA в полном виде как раз дают 50–100 Вт. В урезанных формах можно сделать у них те самые 10 Вт для третьей категории. Надо отметить, необходимость предъявлять технику в контролирующие органы, а также довольно строгий надзор за эфиром в целом не должны была позволить собирать технику с «неположенными» характеристиками, вполне удерживая всех в более‑менее строгих рамках. Правда, был такой «трансивер охотника за DX», тоже авторства UA1FA, где на выходе предлагалось установить ГУ-74Б (Радио, 1983, № 5). Официально аппарат отвечал первой категории, но при рекомендованных параметрах питания у этой лампы должно получиться где‑то 500 Вт. Опытному радиолюбителю не составило бы труда «подкрутить» усилитель для прохождения проверки, а потом вернуть как было.
Один из многих усилителей и сама ГУ-74
Сейчас первая и вторая категории могут использовать киловатт без ограничений на диапазоны и виды модуляции, но концепцию применения УМ это не отменяет. Маломощные компактные трансиверы с 5–10-20 Вт на выходе по‑прежнему являются массовыми устройствами, благо и мобильность бывает сильно важна, и цена в целом ниже «старших» братьев. Так что для маломощной техники в принципе не изменилось почти ничего, и на этом пути можно смело колдовать со старыми схемами. Ну, можно конечно и из 5 Вт делать 1000, в этом в целом тоже ничего сложного.
«Старшие» настольные аппараты сейчас чаще всего обеспечивают 100 Вт, иногда побольше. Поэтому с появлением доступа к 1 кВт изменились лишь масштабы построения УМ при стремлении приблизиться к заветному пределу с тремя нулями. На этом уровне проблемы возникают ещё с антеннами — например, действующее значение напряжения на активной нагрузке 50 Ом составит примерно 220 В. Поэтому приходится посерьёзнее подходить к проблемам электробезопасности антенны, построению согласующих устройств и их охлаждению. Но это уже другая история.
Когда‑то, ещё не так давно, единственной возможностью соорудить адекватный УМ большой мощности без больших технических заморочек были только лампы. Транзисторы, что полевые, что биполярные — да, компактные, не просят высоких напряжений, но катастрофически боятся перегрузок, обрывов или замыканий в антенной цепи, и нуждаются в источнике питания с большим током. Значит, надо обеспечить этот самый ток в 10–20 А (это сейчас чуть ли не каждый китайский диодный мост на такое способен) с минимальными сопротивлениями во избежание лишних потерь и нагрева. Нужны маленькие пульсации, и на больших токах резко растёт ёмкость конденсаторов фильтра. Радиатор транзисторам тоже требуется немаленький, даже с активным охлаждением. Плюс добавляются схемы защит, ограничения выходного напряжения, контроля согласования с нагрузкой (в ламповом усилителе достаточно иметь индикатор анодного тока). Так что массо‑габаритного выигрыша точно ждать не стоит.
До кучи, транзисторы — сущности весьма нелинейные и с широким разбросом параметров, поэтому бывает трудно получить низкий уровень побочных излучений и вообще вывести аппарат на усиление сигнала с минимальными искажениями, что наиболее существенно для однополосной модуляции. Наконец, ассортимент подходящих ВЧ и СВЧ транзисторов по‑прежнему мал и крайне дорог, да ещё и велик риск нарваться на подделку‑перемаркировку более дешёвых деталей.
Золото для СВЧ
Отчасти поэтому стали популярны, уже лет 30 как, конструкции, где в главной роли выступают полевики семейства IRF. Силовые, низкочастотные, разработанные для стабилизаторов напряжения и в общем‑то не предназначенные для усиления высоких частот. Зато они стоят «сто рублей пучок», и в паре могут выдать вам 40–50 Вт на КВ‑диапазонах от 80 до 20 м, 20–30 Вт — на 10 м, могут спокойно включаться в параллель для увеличения мощности, есть даже конструкции, где штабеля по 10 транзисторов уложены в каждом плече. А уж если что сгорит — замена точно не ударит по бюджету. Побочные же излучения — отфильтруем! Собирал такой, кстати, на двух IRF510 с целью использования в полевых выходах, только не особенно довёл до ума, лежит в шкафчике.
Ламповые каскады, наоборот, требуют высоких напряжений и малых токов. Для 10 Вт достаточно вольт 300, на повышенные 50–100 Вт — типично увидеть 600, 900 В на аноде, при токе 100–200, может быть 300 мА, что вполне реализуется в домашних условиях. А ещё лампы в общем‑то «железные», и поэтому их можно в разумных пределах перегружать без всяких защит, например, на время, пока настройками выходной цепи усилителя не получится согласовать антенну. Если вообще тратить на это время.
И даже после раскалённого докрасна анода, если это не допускать систематически, лампа обычно живёт довольно долго и отдаёт адекватную мощность, хотя качество сигнала стоит контролировать. В случае перегрузки транзистора у нас обычно есть от силы пара секунд, чтобы среагировать, пока полупроводниковый кристалл не перегрелся до необратимых последствий или его не пробило резко возросшее при нарушении согласования с выходом ВЧ‑напряжение.
Киловаттные аппараты обычно строятся под 1.2–1.5 кВ с анодным током до ампера и выше, в них совершенно иной уровень высокочастотных токов и напряжений, что приводит к зарождению эстетики стимпанка в выходных контурах и анодных цепях. Вот их собирать и налаживать их с наскоку уже довольно небезопасно при отсутствии опыта. Да и при наличии тоже. Но это опять же та самая другая история, не о них речь.
Пара примеров мощной и слишком мощной ламповой техники
На чём остановились раньше?
С момента написания второго текста в августе 2024 года сам трансивер был чуть‑чуть доведён до ума в плане выходной мощности и, более‑менее, чистоты сигнала. Изначально удалось получить 2–3 Вт с провалом на самых высокочастотных диапазонах 15 и 10 м. Но, во‑первых, многочисленные трансформаторы выходного усилителя мощности (УМ) были перемотаны согласно авторскому тексту — на ферритах с проницаемостью 400 — и, надо полагать, это снизило потери, выровняв характеристику усилителя.
Во‑вторых, транзисторы в выходном каскаде заменены на «авторские» КТ913В. Почему именно эти транзисторы такие «волшебные»? Дело в том, что эти «маленькие золотые вертолёты», как их называют граждане‑аффинажники, поодиночке имеют выходную мощность около 10 Вт непрерывной несущей при питании 28 В на частоте аж в 1 ГГц, что позволяет избежать завала мощности на ВЧ.
Наконец, в‑третьих. Самое минимальное изменение, которое удвоило мощность на выходе — вместо 2–3 теперь стабильно есть 5–9 Вт. Как? Да очень просто. Самый последний выходной трансформатор был припаян так, что сигнал на антенный разъём шёл не с двух транзисторов выходного каскада, а с одного. Благо усилителю от этого ничего не сделалось. В целом аппарат теперь вполне устойчиво работает и может быть использован с любым более‑менее массовым внешним усилителем мощности.
В распоряжении имеется компактный усилитель MX‑P50M с выходной мощностью 40–50 Вт, но он удобен для полевых выходов, и требует питания от аккумулятора или внешнего блока на 12 В. И на фоне RA3AO смотрится немного, пожалуй, несуразно, хотя и наглядно демонстрирует собой прогресс электроники.
Поэтому ставим конкретную следующую цель — нужен «стационарный» усилитель мощности примерно на 50–100 Вт для КВ‑диапазонов, желательно со встроенным сетевым питанием, и без особых ограничений по габаритам, чтобы более гармонично сочетаться с большим настольным трансивером. И вот с позапрошлого лета, с перерывами, шла работа над таким усилителем. Про неё и будет рассказано дальше.
Усилитель а-ля UY5DJ на КТ931
Традиционное исполнение как самоделок, так и промышленной аппаратуры подразумевает, что в УМ будут установлены какие‑то СВЧ‑транзисторы. Это, конечно, требует некоторых дополнительных мер по фильтрации сигнала и борьбе с самовозбуждением, но на самом деле является хорошим компромиссом.
Транзисторы, которые дают большую мощность в линейном режиме и имеют низкую граничную частоту, чтобы не создавать помех на УКВ, конечно, существуют, но они всегда были для любителей ещё большей редкостью, чем любые другие дефициты. Современная линейка RD***HHF1 от Mitsubishi — тоже проблема. Очень дорогие, и это кот в мешке — по легендам, их часто подделывают, заменяя маркировку на чём‑то более дешёвом. Тут есть одна хохма. Не ручаюсь за 100% достоверность, но личный опыт подтверждает. Говорят, если маркировка красиво гравирована лазером, то транзистор ненастоящий и работать будет как попало. У настоящего она наносится простой краской через штемпель, и поэтому почти всегда выглядит криво и потёрто.
После просмотра разных схем взгляд зацепился за, честно говоря, невнятно описанную конструкцию на паре КТ931 авторства RZ4HK 1998 года публикации.Схема до банального проста — это обычный двухтактный выходной каскад, без предусилителя и каких‑либо особых цепей защиты, термостабилизации и прочего. По сути, это кусочек другой схемы 1988 года.
Опыт сборки показал — оно живое и может быть применено в работе, если подавать на вход хотя бы 5–7 Вт, но драйвер‑предусилитель не помешает. Из замысловатого разве что тот факт, что проблемы выравнивания усиления на разных частотах и балансировки усиления по плечам (транзисторы же разные, а подобрать пару с точными параметрами с учётом их редкости и цен нереально) приходится решать отчасти интуитивно.
Корпус и блок питания
По итогу, с оглядкой на свои слесарные навыки и возможности домашней металлообработки, корпус был задействован готовый, из известной современной линейки алюминиевых литых коробок. Среди них попался вариант со внешними размерами 275×175×65 мм. Больший размер идеально соответствует ширине лицевой панели нашего трансивера RA3AO, поэтому корпус был приобретён и начато проектирование и подбор компонентов уже под его размеры. Вообще, корпус тесный, и пришлось повозиться. Была б высота хотя бы 100 мм. Но, как говорилось в «Служебном романе»: «А влезет? — Впихнём!».
На лицевой панели размещаются три измерительных прибора М4203 (40×40 мм, установочный диаметр 38 мм), выключатель питания и сигнальные светодиоды, переключатель диапазонов, органы управления индикатором ВЧ‑мощности, на задней — ввод сетевого шнура и предохранитель, ВЧ‑гнёзда и пара Jack 3.5 для управляющих цепей.
С учётом КПД и выходной мощности, нужен источник питания на пару сотен Ватт с напряжением 28 В. Импульсники для ВЧ‑аппаратуры — проблемная задача, они могут насоздавать неожиданных лишних помех. Поэтому идём по пути тяжёлого металла и подбираем подходящий сетевой трансформатор, диодный мост и крупные электролиты.
Габариты корпуса однозначно определили, что трансформатор может быть только тороидальным. К сожалению, из подходящего в конкретный момент времени нашёлся только ТПП-150 18 В / 8 А. С ним получается довольно удобные 24 В постоянки, правда, трансформатор будет перегружаться на пиках сигнала, так как будет получаться потребление до 10 А. Зато так транзисторы работают в более щадящем режиме, и с меньшей вероятностью превратятся в высокотехнологичные броши. А облегчить жизнь трансформатору можно, умерив пыл и не выжимая 100 Вт из усилителя. Если подвернётся как‑нибудь 18 В / 12 А, можно будет заменить.
Как компромисс между теоретически нужным уровнем пульсаций и свободным местом в корпусе, в фильтре поставлены три бочонка на 22 000 мкФ × 50 В типоразмера 35×50 мм. Раз есть такая большая ёмкость, то нужна и плата плавного (ступенчатого, хотя бы) пуска, чтобы диодный мост не пробило импульсом зарядного тока. И для исключения скачков при включении трансформатора это тоже не помешает. Собираем. Теперь в первые секунды первичная обмотка подключена к сети через мощный резистор на 51 Ом, а как только конденсаторы заряжаются до уровня срабатывания реле, оно замыкает этот резистор накоротко. Вместе с трансформатором всё это хозяйство уже заняло больше половины корпуса. А ведь нужно разместить ещё сам усилитель, диапазонные фильтры, реле обхода и управления трансивером и индикатор выходной мощности. Компонуем дальше.
Выходные фильтры
Усилители мощности могут излучать сильно в стороне от нужного сигнала из‑за каких‑нибудь нелинейных эффектов, например, при попытке работать SSB в классе C или неточной настройке симметрии двухтактного усилителя в классе B. В случае ламп, помимо частого применения однотактной схемы в линейном режиме А, имеется настраиваемая в резонанс анодная цепь, которая, в силу необходимости согласовать 2 кОм сопротивления открытой лампы в 50 Ом антенны, обычно выполняется в виде П‑контура — то есть П‑образного фильтра нижних частот, попутно отсекающего побочные излучения на высших гармониках. Особенно монументально они выглядят на киловаттных аппаратах, уже были фотографии выше.
С транзисторами такой цепочки в широкополосном усилителе нет. На выходе каскада ставится повышающий трансформатор, который с какой‑то точностью переводит единицы Ом сопротивления транзисторов в те же 50 Ом антенны. Поэтому любое побочное излучение лезет в фидер и может помешать кому‑нибудь в эфире. Так что нужно принудительно фильтровать выходной сигнал. Надёжно и проверено — батарея коммутируемых ФНЧ, расчитанных на 50 Ом и по входу, и по выходу. Принцип их переключения простой — нужный фильтр включён в дело, ненужные закорочены на землю. Единственно, что элементы фильтра должны отвечать планируемой мощности усилителя.
С оглядкой на китайскую продукцию для радиолюбителей, для коммутации фильтров была куплена большая кучка реле со звучным наименованием производителя HUI KE, как бы это ни читалось, на рабочее напряжение 24 В, способные коммутировать до 3А постоянного тока — опыт показывает, что и правда до сотни ватт ВЧ они выдерживают. Старые добрые РЭС49 или РЭС60 с предельными токами контактов до ампера уже будут чуть слабоваты, и пригодны до 30–50 Вт.
Катушки индуктивности. На кольцах лучше всего, но качественный феррит надо искать, а некачественный будет превращать драгоценные ватты ВЧ‑мощности в избыточное тепло. Но зачем вообще нужен феррит? Вооружаемся калькулятором числа витков, RCL‑метром, и делаем простые бескаркасные катушки, щедро промазывая их клеем.
Наконец, конденсаторы тоже надо аккуратно подобрать. Заполонившие мир К10-17Б с рабочим напряжением 50 или 63 В мелковаты, можно работать при 20–30 Вт. SMD‑керамика на 250 В выдерживает пропускание сотни ватт и даже больше, может, было бы правильно их поставить — но, например, в антенном тюнере у меня пара таких перегрелась и выгорела на одном из диапазонов, где получилось самое тяжёлое согласование. Тюнер был пересобран на серебряно‑слюдяных.
Поэтому в деле — старые наши слюдяные КСО на 500 и 250 В, какие нашлись в пыли магазинных складов. На запланированный размер платы еле влезли, но к этим конденсаторам у меня точно никогда вопросов не было. Не киловатт же через них пойдёт.
Замеренные NanoVNA частотные характеристики фильтров
По итогу имеем плату переключаемых ФНЧ, которые после небольшой подстройки растягиванием катушек демонстрируют приличное затухание за частотой среза и малое влияние друг на друга, невзирая на огромное поле рассеяния бескаркасных катушек и полное игнорирование советов в чатах в стиле «Никогда не ставь китайские реле, у них межэлектродная ёмкость неправильная», «Как это катушки не на кольцах, все фильтры же друг другу мешать будут», «КСО перегреваться будут», «Вход и выход обязательно должны быть на разных сторонах платы» и др. Фильтры готовы, идём дальше.
Основная плата и цепи управления
С основной платой ничего необычного. Примеряемся к корпусу, ставим отметки в нужных местах на нём, сверлим будущие точки крепления. Берём двухсторонний текстолит, нарезаем канавки, чтобы получились полигоны для пайки деталей, и с этой же стороны напаиваем элементы, не забыв сперва просверлиться во многих точках земляных участков на обратную сторону и впаять короткие перемычки, чтобы соединить их все вместе и с общей землёй с противоположной стороны.
Примеряемся ещё раз, режем отверстия для установки транзисторов, чтобы обеспечить им прямой контакт с радиатором, чуть промахиваемся, подрезаем, дорабатываем напильником. Плата прикручена, и начинается примерка стоек, на которых как бутерброд будет висеть плата ФНЧ, так, чтобы крышка корпуса всё же закрывалась.
Линии управления не просто перенаправляют сигналы, но и обеспечивают небольшую задержку разных переключений. Лучше всего, когда нажали педаль передачи — сперва отключается обход, потом подаётся смещение на выходной каскад и лишь после этого переключается на передачу трансивер. Поэтому педаль приводит в действие одно из реле, которое включает цепь +15 В, запускает источники стабильного тока на базах (пока их относительно низкочастотные транзисторы открываются, получается ещё небольшая задержка) и ключ, приводящий в действие следующие три реле. Два перебрасывают ВЧ напряжение на путь, ведущий через УМ и ФНЧ, а ещё одно замыкает на землю линию, подключенную к трансиверу, и переводит его в режим передачи — уже после того, как усилитель становится готов принять сигнал на вход.
По уму было бы неплохо это всё собрать на двух небольших платках, одной для ВЧ, второй для НЧ‑коммутации, и расположить там, где это лучше всего — соответственно, вблизи нужных разъём на задней панели. Но места уже катастрофически мало, и на найденные свободные места прицеплены на стойках микроплаты с распаянными реле. В результате аппарат изнутри обрастает паутинкой проводов и тонкого коаксиального кабеля, а также висящим на проводах и собственных выводах дополнительным транзисторным ключом. Хоть всё это и работает, не делайте так!
Индикатор выходной мощности и КСВ
Как ни крути, в этой схеме особых цепей защиты нет. Точнее, сказал бы, вообще никаких — можно только пустить линию в трансивер для автоматической регулировки уровня входного сигнала, которая и линейность улучшит, и УМ немного подстрахует. Даже простейший ограничитель выходного напряжения на цепочке стабилитронов пока не установлен.
Поэтому для оперативного контроля реализован простейший измерительный ВЧ‑мост, который даёт возможность как оценить уровень подводимой к антенному гнезду мощности (уровень прямой волны), так и степень согласования усилителя с антенной (через уровень отражённой волны). Схема абсолютно типовая и давно известная. Собрав его на маленькой плате и упихав под переключатель ФНЧ, удалось провести калибровку по «большому» настольному трансиверу, чтобы полное отклонение шкалы прямой волны было примерно на 100 Вт при наименьшей чувствительности индикатора. Теперь все узлы точно готовы к объединению в цельный аппарат.
Общая сборка и испытания
Наконец‑то всё скомпоновано и пришла очередь радиатора охлаждения. Поэтому все платы снова сняты с насиженных мест, дальше идёт разметка отверстий в радиаторе, сверление и нарезание резьбы, высверливание и подгонка выемок там, где крепление к радиатору не предполагается. Нетривиальное дело, учитывая, что всё делается по месту, без предварительного чертежа. Ещё раз повторюсь: Не надо так!
Как только удалось разместить и надёжно закрепить радиатор, всё было собрано обратно, «главные» транзисторы сдобрены термопастой и привинчены к радиатору через прорезанные когда‑то в корпусе окошки, и, наконец, прицеплены вольтметр и амперметр с самодельным шунтом для контроля питания выходного каскада. Настаёт время проб. Надо сказать, что до этого момента на основную плату ни разу не подавалось питание.
Страшно, а что делать? Плавный пуск щёлкает, устанавливается напряжение по всем линиям питания. Нажимаю педаль и вижу, как из кошелька улетучиваются 4 тысячи рублей. Из‑за небольшого огреха на плате сразу же сгорели КТ931. Неделя ожидания посылки, корректировка и вычищение дорожек от возможной медно‑оловянной пыли, запайка новых транзисторов. Повторяем... Ничего не горит, всё стабильно.
Ещё пара фотографий - сам УМ поближе и измерение мощности
Подкручиваем начальный ток транзисторов и цепляем на вход трансивер. Как и ожидалось, пришлось повоевать с цепочками обратной связи для коррекции и выравнивания усиления, что заняло ещё несколько вечеров. Но приемлемый результат теперь достигнут и наконец‑то сформировался цельный и независимый, можно сказать, «старорежимный» настольный комплект КВ‑аппаратуры.
Теперь же, как ни странно, я жду посылку с более крупным корпусом, в который можно будет переложить этот усилитель уже без издевательства над здравым смыслом. Поэтому, как обычно, строительство радиостанции не заканчивается.
