КВ-усилитель мощности на IRF520

Предлагаемая конструкция - один из вариантов использования дешёвых полевых транзисторов в любительском коротковолновом усилителе. Конечно, по своему прямому назначению (переключатели, регуляторы, ИБП и тому подобное) эти элементы вроде бы не должны использоваться в линейных усилителях. Тем не менее, как показывает практика, они работают и работают очень неплохо! Достаточно представить себе два варианта, когда при настройке аппарата в любительских условиях щуп "слетает" на соседнюю дорожку. Вы лишаетесь дорогого элемента стоимостью, скажем, в 1000 руб. или дешёвого - в 50 руб. Как говорят в рекламных роликах, "Почувствуйте разницу...!". В этом есть, пожалуй, основная причина интереса к усилителям на транзисторах серии IRF в радиолюбительской среде. При этом вряд ли корректно сравнивать транзисторы серии IRFxx по частотным, линейным, динамическим характеристикам с полупроводниковыми приборами, специально предназначенными для линейных усилителей в широком диапазоне частот (по понятным причинам).

Как-то в руки автора попал новый итальянский Си-Би усилитель "KL-60" (27 МГц, 60 Вт) в красивом малогабаритном корпусе-теплоотводе размерами 110x110x40 мм. При испытании оказалось, что больше 30...35 Вт усилитель "выдать" не может. А после его "несанкционированной" проверки на других диапазонах он попросту сгорел. Не пропадать же добру, решил я и сделал в его корпусе усилитель на все любительские КВ-диапазоны с выходной мощностью 50 Вт и с диапазонными ФНЧ. Для его раскачки достаточно мощности 5 Вт моего "походного" трансивера Elecraft КХ3. Кроме работы "из полей", мощность в 50 Вт показалась минимально достаточной для раскачки ламповых усилителей при работе в соревнованиях. Таким образом, такой уровень мощности предполагал двойное назначение этого "девайса": усиление в 10 дБ в походном варианте при малых массе, габаритах и питании от относительно "скромной" аккумуляторной батареи (максимальный ток на передачу - трансивер плюс усилитель примерно 10 А при напряжении 13,8 В), а также возможность использования с ламповым РА. Это дало дополнительный стимул для его изготовления, так как более мощные РА у меня уже были.

Забегая вперёд, хочу сказать, что совсем не обязательно "впихивать" конструкцию в корпус столь малых размеров, так как достаточно плотный монтаж - единственное неудобство, с которым пришлось столкнуться при его изготовлении. Вполне возможно применить корпус с теплоотводом чуть больших размеров для более свободного монтажа. При этом, естественно, теплоотвод должен обеспечивать эффективную рассеиваемую мощность 50 Вт без принудительного обдува и в несколько раз меньшую при использовании небольшого компьютерного кулера на напряжение 12 В (в зависимости от его производительности). Усилитель собран по классической двухтактной схеме на двух транзисторах IRF520.

Рассмотрим работу усилителя мощности, схема которого приведена на рис. 1. Когда питание на усилитель не подано (переключатель SA1 разомкнут), входной разъём XW1 через контакты реле К5.1 и К5.2 соединён с выходным разъёмом XW2 и усилитель находится в режиме "обход". Конденсатор С40 улучшает "проходной" КСВ усилителя, особенно на ВЧ-диапазонах. При включении питания каскад автоматического перехода на передачу (ВЧ VOX), выполненный на элементах VT7, VT8, VD13, VD14 и реле К5, готов к работе. Как только на входном разъёме появится сигнал мощностью 0,1 Вт и более, сработает реле К5 и усилитель перейдёт в режим "передача", загорится светодиод HL6 "ТХ". При этом входной сигнал через контакты реле К5.1 поступит на первичную обмотку трансформатора Т1, а вторая группа контактов реле К5.2 соединит выход усилителя (выход ФНЧ) с выходным разъёмом XW2. Время отпускания ВЧ VOX и, соответственно, время перехода усилителя в режим "приём" зависит от ёмкости конденсатора С38. Поэтому в режиме SSB желательно это время увеличить, чтобы в паузах быстро меняющегося голосового сигнала усилитель не переходил в режим "приём". Для этого переключателем SA2 параллельно С38 подключается конденсатор С2 с разрядным резистором R34.

Рис. 1. Схема усилителя мощности

Способ перевода усилителя на передачу с помощью ВЧ VOX имеет недостаток, связанный с некоторой задержкой из-за зарядки конденсаторов задержки. При этом трансивер во время переключения некоторое время находится без нагрузки. Обычно, к каким-то негативным последствиям этот эффект не приводит, но если необходимо, усилитель можно коммутировать стандартным способом - сигналом РТТ от трансивера (соединение контакта Х1 с общим проводом в режиме "передача"). Для этого служат показанные пунктиром элементы VD15, C46, X1. Если использование ВЧ VOX не предусматривается, детали, входящие в этот каскад, можно не впаивать.

Ключевой каскад на транзисторе VT9 служит для подачи напряжения смещения на выходные транзисторы в режиме "передача". На его выходе установлена цепь R14, C5, которая обеспечивает задержку около 5 мс подачи смещения на затворы транзисторов VT12, VT13, что облегчает работу контактов реле К5.2, подключающих антенну к выходу усилителя. ВЧ-сигнал появится на этих контактах чуть позже, чем сработает реле К5, из-за того, что время замыкания последних составляет 3...4 мс, а время задержки подачи смещения около 5 мс. Если в качестве К5 применить более "медленное" реле с временем переключения 6...7 мс (стандартное время срабатывания для большинства реле), ёмкость конденсатора С5 следует увеличить до 100 мкФ.

Ток покоя каждого из транзисторов VT12, VT13 - 125 мА и поддерживается на этом уровне эффективной и при этом очень простой системой термостабилизации на элементах VT10, VT11, VD9-VD12, заимствованной из усилителя конструкции W6JL. Диоды VD9, VD10 должны быть закреплены сверху на корпусе транзистора VT12, а диоды VD11, VD12 - на корпусе VT13. W6JL советует приклеить диоды к корпусам транзисторов, но я ограничился подгибанием выводов диодов и резисторов (R29, R32), чтобы диоды практически лежали на корпусах, так как не исключал возможность замены выходных транзисторов, связанной с выходом последних из строя. Но этого не произошло, и диоды по-прежнему "лежат" на корпусах. Даже при сильном нагреве теплоотвода усилителя ток покоя каждого транзистора находится в пределах 100...150 мА. 

Транзисторы VT10, VT11 не должны иметь непосредственного контакта с теплоотводом и крепяться на некотором расстоянии от него за счёт своих выводов. Подстроечными резисторами R18и R20 устанавливают ток покоя VT12 и VT13, при этом напряжение на их затворах регулируется в пределах +3...4,8 В. Чтобы сдвинуть этот сектор в любую сторону, нужно изменить сопротивление резисторов R15 или R16 соответственно. Это может оказаться необходимым в случае применения выходных транзисторов с другими параметрами, однако большинство полевых транзисторов начинают открываться при напряжении затвор-исток 3,3...3,8 В. Показателем стабильности выходного напряжения является тот факт, что при изменении питающего напряжения от 9 до 13 В выходное напряжение смещения изменяется не более чем на 0,03 В! Стабилитрон КС147А (VD16) лучше заменить малогабаритным импортным стабилитроном на 4,7 В.

Для снижения уровня гармоник до приемлемого уровня на выходе усилителя установлены переключаемые ФНЧ. Причём ФНЧ диапазона 28 МГц включён в тракт усилителя на всех диапазонах, что дополнительно улучшает чистоту спектра сигнала на частотах выше 35 МГц при работе на диапазонах 1,8...14МГц и позволяет уменьшить число необходимых реле. Так как частота среза у ФНЧ диапазона 14 МГц находится в районе 19,5 МГц, то это даёт возможность использовать его и на диапазоне 18 МГц, а ФНЧ 28 МГц (измеренная частота среза - около 34,4 МГц) - на диапазоне 24 МГц. Можно, конечно, построить блок ФНЧ с оптимальным числом фильтров, но для "походного" РА вряд ли это необходимо.

Часть выходного напряжения усилителя с резистивного делителя R27R28, имеющего ослабление около 10 по напряжению, выпрямляется диодом VD8 и поступает на вход пятиступенчатого светодиодного индикатора, собранного по известной схеме на транзисторных ключах. Индикатор позволяет оценить выходную мощность усилителя в пределах 10...50 Вт. Диод VD1 и плавкая вставка FU1 служат защитой в случае подачи питания в неправильной полярности. Диод может быть любым с прямым током 5...10 А. Из-за нехватки свободного места плавкая вставка FU1 впаяна вне корпуса усилителя - в плюсовой провод питания.

Большая часть деталей усилителя смонтирована на плате из фольгированного стеклотекстолита. Монтаж выполнен навесным способом на площадках (пятачках), вырезанных по месту расположения элементов резаком, изготовленным из ножовочного полотна. Светодиодный индикатор собран на элементах для поверхностного монтажа на аналогичной плате размерами 26x21 мм.

Плата собственно усилителя установлена в центре корпуса, а реле К1 - К5 приклеены к стенкам корпуса по периметру платы. Реле К5 установлено сразу за разъёмом XW1, а реле К1-К4 - вдоль боковой стенки за разъёмом XW2. Детали ФНЧ смонтированы навесным способом на выводах контактов реле, а затем приклеены клеем БФ к корпусам реле и шасси (корпусу-теплоотводу). Также навесным способом смонтированы элементы R27, R28, R30, R31, C36, C37, VD8.

Таблица 1

Таблица 2

Намоточные данные катушек ФНЧ приведены в табл. 1. Витки на кольцах нужно стараться распределять так, чтобы максимально заполнить их периметр. Данные трансформаторов Т1-Т3 приведены в табл. 2. От качества их изготовления во многом зависит АЧХ усилителя. Однако это не означает, что нужно обязательно применять только такие магнитопроводы, как показано на рис. 2. "Бинокли" трансформаторов Т1 и Т3 вполне можно заменить столбиками из колец с магнитной проницаемостью 600... 1000 и диаметром 10...12 мм (методика изготовления многократно описана). Трансформатор Т2 можно выполнить на любом схожем по габаритам кольце с проницаемостью 100...600. Дроссель L11 - 8 витков проводом ПЭВ-2 0,8 на кольцевом магнитопроводе диаметром 10 мм с магнитной проницаемостью 600...2000 (не критично). Реле К1-К5 - производства компании TIANBO HJR-1-2C-L-12V с двумя группами переключаемых контактов. Параллельно обмоткам реле К1-К4 подключены конденсаторы и диоды (на схеме рис. 1 они не показаны) по аналогии с обмоткой реле К5.

Рис. 2. Магнитопроводы

Все ВЧ-соединения выполнены короткими отрезками провода МГТФ-0,5 мм, но там, где длина соединительных проводов превышает 2...З см, применён кабель RG-316 с волновым сопротивлением 50 Ом. Переключатель диапазонов SA3 - МПН-1 или ПГ2. Внешний вид усилителя и его монтаж показаны на рис. 3 и рис. 4.

Рис. 3. Внешний вид усилителя

Рис. 4. Монтаж усилителя

Налаживание усилителя лучше начать с проверки проходного КСВ. К разъёму XW2 нужно подключить нагрузку 50 Вт с низким КСВ в диапазоне 1,8...30 МГц, а кXW1 - трансивер с измерителем КСВ (или анализатор КСВ). Настройка заключается в подборе ёмкости конденсатора С40 до минимальных значений КСВ на диапазоне 28 МГц. Питание на усилитель подавать не надо. Настройку можно считать законченной, когда КСВ нагрузки и КСВ нагрузки, включённой через усилитель, примерно одинаковы. Прежде чем подать на усилитель питание, измеряют сопротивление между проводами питания (SA1 включён). Если замыкание отсутствует, то питание 13,8 В можно подать на усилитель, но вначале лучше это делать через резистор 10...15 Ом (мощностью рассеяния 10...15 Вт), включённый в плюсовой провод источника питания, так как напряжение открывания применённых транзисторов IRF520 неизвестно, а соответствующее необходимому току покоя смещение ещё не установлено. Этот резистор ограничит максимальный ток стоков на уровне около 1 А и защитит транзисторы от выхода из строя, если напряжение смещения превышает необходимое значение. Движки подстроечных резисторов R18 и R20 (установка токов покоя) предварительно устанавливают в правое по схеме положение, соответствующее минимальному уровню напряжения смещения. Подав питание, включают усилитель на передачу. Если цепь РТТ не используется, это можно сделать, подключив точку соединения коллекторов транзисторов VT7, VT8 к общему проводу с помощью временной перемычки.

Контролируя миллиамперметром ток, потребляемый усилителем, подстроечными резисторами R18 и R20 устанавливают ток покоя транзистора VT12 (120...130 мА), а затем транзистора VT13. При этом нужно учитывать потребление тока светодиодами HL6, HL7 и реле. Если транзисторы VT12, VT13 закрываются и открываются, никаких проблем с установкой токов покоя быть не должно. Если же конкретные экземпляры IRF520 (или другого типа) имеют более "левые" или более "правые" характеристики, то придётся подобрать резисторы R15, R16 так, чтобы сдвинуть пределы регулировки смещения в нужную сторону. При указанных на схеме номиналах этих резисторов пределы регулировки должны быть 3...4,8 В. Если есть сомнения в том, что токи покоя установлены правильно и одинаковы, это легко проверить. Аккуратно соединяем с общим проводом затвор одного из транзисторов VT12 или VT13 и следим за током потребления. Если всё правильно, этот ток должен уменьшаться на 120...130 мА в каждом случае. На этом этапе настройки можно проверить температурную стабильность токов покоя. Для этого с помощью фена, электроплитки или мощного паяльника нагреваем теплоотвод усилителя до температуры 50...60 ^оС и следим за потребляемым током или током покоя. Он не должен измениться более чем на 30...50 мА. Если всё в порядке, первый этап настройки пройден.

В начале второго этапа желательно проверить работоспособность ФНЧ на всех диапазонах. Для этого снимают питание с выходных транзисторов, отпаяв, к примеру, один из выводов дросселя L11. Временно отключают нижний по схеме вывод конденсатора С45 от переключаемого контакта реле К4.2 и подают на этот контакт с помощью короткого кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом сигнал от КВ-трансивера (через КСВ-метр). Вместо трансивера с КСВ-мет-ром можно с успехом применить мост или какой-нибудь анализатор КСВ, которых сейчас предостаточно. К выходному разъёму XW2 подключают нагрузку 50 Ом с низким КСВ в диапазоне 1...30 МГц. Подаём питание на усилитель, переводим его в режим "передача" и включаем соответствующий диапазон на трансивере и усилителе. Входной КСВ каждого фильтра не должен превышать 1,2...1,3, а потери сигнала в фильтре - не более 0,2...0,3 дБ. Потери можно примерно оценить, если нагрузка 50 Ом оснащена цифровым измерителем мощности, а выход трансивера попеременно подключается непосредственно к нагрузке и к входу ФНЧ. Со стрелочным прибором потери 0,2...0,3 дБ заметить крайне сложно. Если КСВ какого-то фильтра больше приведённого значения, то его можно подстроить подбором ёмкости среднего конденсатора фильтра (С11, С14, С17, С20, С30) в пределах ±10 %.

Подбирать "крайние" конденсаторы фильтров, как показывает практика, нужно лишь в крайних ситуациях, когда другие способы к положительному эффекту не приводят. В большинстве случаев достаточен подбор "среднего" конденсатора. Ещё один способ подстройки фильтров - метод небольшой растяжки или сжатия витков на кольцевых магнитопроводах катушек фильтров, но он менее удобен, если монтаж плотный.

Итак, фильтры проверены и, в случае необходимости, настроены, теперь можно проверить усилитель в работе, восстановив разорванные цепи и убрав резистор из провода питания. Включаем диапазон 1,8 МГц и подаём на разъём XW1 сигнал мощностью 5 Вт. К выходному разъёму XW3 подключаем нагрузку 50 Ом и измеритель мощности или ВЧ-вольтметр. Если всё нормально, на выходе усилителя должна быть мощность около 50 Вт при потребляемом токе около 7 А. Подстроечным резистором R33 устанавливают порог зажигания всех светодиодов (HL1-HL5) индикатора мощности. Затем измеряют выходную мощность и ток потребления на других диапазонах.

На ВЧ-диапазонах, особенно на 28 МГц, большую роль играет правильный подбор конденсаторов С33 и С44. Подбор их кропотлив, но без него отдаваемая мощность и КПД усилителя на этих диапазонах, скорее всего, будут низкими. Для упрощения процедуры их настройки можно рекомендовать следующие действия. Установить конденсатор С33 (керамический, с короткими выводами) ёмкостью, указанной на схеме, а в качестве С44, на этом этапе, впаять конденсатор ёмкостью 100 пФ для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Включив усилитель на передачу на диапазоне 28 МГц (входная мощность 5 Вт), записываем выходную мощность, ток потребления и входной КСВ усилителя на этом диапазоне. Выключаем усилитель и подпаиваем параллельно С44 ещё один точно такой же конденсатор 100 пФ. Повторяем процедуру измерения и записываем показания. При увеличении ёмкости С44 до некоторого значения положительный рост параметров прекращается и начинается их спад. У автора оптимальная ёмкость С44 оказалась в районе 500 пФ (5 конденсаторов по 100 пФ, включённых параллельно).

Окончательно измеренные параметры усилителя автора приведены в табл. 3. При входной мощности 5 Вт, из-за неизбежно быстрого падения усиления с повышением частоты транзисторов серии IRF, создаётся ситуация, когда на НЧ-диапазонах (1,8 и 3,5 МГц) имеется некоторая "перекачка", а на ВЧ-диапазонах (14...28 МГц ) - "недокачка" усилителя. Поэтому, увеличив, к примеру, на диапазоне 28 МГц входную мощность до 8...9 Вт, усилитель отдаёт почти те же 50 Вт и на этом диапазоне. Напротив, на НЧ-диапазонах достаточно 2...3 Вт на входе, чтобы на выходе имелась мощность 50 Вт.

Таблица 3

Но есть и одно ограничение. При входной мощности более 5 Вт сильно греются резисторы R22 и R23, на которых рассеивается значительная часть входной мощности. Поэтому мощность рассеяния этих резисторов нужно увеличивать. Также необходимо применить меры, чтобы на вход усилителя не попал сигнал более 10...15 Вт, что может привести к выходу из строя выходных транзисторов. Кстати, имеет смысл попробовать применить в усилителе транзисторы других типов из серии IRF - IRF630, IRF640, IRF740, IRF840, с установкой таких же значений тока покоя, как и для IRF520. Автор, экспериментируя с подобным усилителем, но на восьми IRF и с питанием 24 В, заметил, что замена транзисторов из имевшихся в наличии приводила к разным результатам по КПД и выходной мощности соответственно. Тогда лучшими по этим параметрам оказались IRF740. В данном усилителе такой подбор не производился, поэтому есть поле для творчества.

Автор: Николай Мясников (UA3DJG), г. Раменское Московской обл.