Автор Тема: Ещё раз про ГУ-50  (Прочитано 1757 раз)

Оффлайн R8MB

  • Administrator
  • Full Member
  • *****
  • Сообщений: 102
    • Просмотр профиля
Ещё раз про ГУ-50
« : Декабрь 20, 2016, 04:17:37 pm »
Ещё раз про  ГУ-50
( М.Ф. Шакиров, UA9MI )
 

(технический очерк)
      Лето 2015-го года я провёл в посёлке Красноярка (ОМ-30), что в сорока километрах от Омска.  Местом моего обитания был небольшой одноэтажный коттедж, расположенный особняком от комплекса зданий санатория «Колос» и окружённый молодыми елями. Напротив, через дорогу, находился кирпичный недострой времён лихих 90-х годов высотой порядка двадцати метров. Стройка находилась в законсервированном состоянии и по причине отсутствия сторожа была доступна для использования в качестве антенной опоры. В целом при беглом осмотре получалась картина почти идеального QTH для работы в эфире в  условиях прекрасной экологии и чистой техносферы.
      Решение взять с собой QRP-комплект напрашивалось само собой. К тому же, описанный в предыдущей публикации трансивер  «Sovok»  (omskair.ru/форум/кв трансивер «SOVOK») рвался в бой и требовал испытаний на натуре – в полевых условиях. Его 10 Вт выходной мощности на любом из шести диапазонов ( 15 – 80 метров), два вида работы, малые габариты и аккумуляторное питание делали такой вариант вне конкуренции. Оставалось придумать конструкцию антенны – нетрудоёмкой и  имеющей хотя бы небольшое усиление для компенсации малой мощности передатчика. Среди рассмотренных вариантов выбор пал на наклонный вибратор с несимметричным питанием и суммарной длиной, равной  (36,0 + 5,15) м ,  что соответствует  2λ  на главном рабочем диапазоне  20 м.  Для настройки антенны в резонанс на  17 м  в  точке питания  с короткого конца был подключен дополнительный противовес длиной  4,05 м  (λ/4 на этом диапазоне), и электрическая длина антенны составила  2,5λ.  Согласование на диапазоне  15 м  достигалось за счёт настройки коаксиального кабеля, в данном случае – RG-58CU , в резонанс на частоте  21,060 МГц  с последующей подстройкой выходного контура передатчика.  При электрической длине  1,5λ  физический размер линии связи составил   14,1 м . Таким образом удалось добиться сносной  работы  АФУ  на трёх верхних диапазонах, что, как оказалось в последствии, было  более, чем достаточно для приятного времяпрепровождения в эфире в период отпуска.  КСВ  по  ВЧ  диапазонам составил:  15 м  -  2,0 ;  17 м  -  1,8 ;  20 м  -  1,3 .  На  30  и  40 метрах этот показатель оказался неприемлемо  большим прежде всего из-за низкой высоты подвеса основной части антенны и лесного окружения.  Её верхняя точка  находилась на  18 метрах, а нижняя – на  1,5 м .  Угол наклона составил около  30 град.  в западном направлении. При этом восток был закрыт зданием, а север и юг представлялись малоперспективными  для QRP-работы ввиду немногочисленности корреспондентов по меридиану.       
      Работа малой мощностью на простою антенну и вне привычной обстановки требует от оператора не столько навыков и мастерства, сколько терпения (как теперь принято- толерантности) и осознания своего скромного положения. Нормативные  документы, например, решение  ГКРЧ  от 15.06.2010 г.  №10-07-01, рекомендуют для  QRP  ряд частот в пределах  КВ-диапазонов:  28060 кГц, 21060 кГц, 18086 кГц, 14060 кГц и  т.д. Однако, мои попытки работы на общий вызов,  коих было немного,  даже  на этих  частотах были неудачными, поскольку  предполагали учёт условий прохождения,  наличия скеда (предварительной договорённости),  опыта и запаса по времени, которого,  естественно, как всегда не хватало из-за хорошей погоды и различного рода санаторных дел. По этим причинам  основным  принципом  работы был поиск активных корреспондентов, работающих без различного рода ограничений на любых частотах в пределах радиолюбительских диапазонов.  Преимущество, естественно, отводилось двадцатке, как наиболее густонаселённому диапазону в светлое время суток. Количество слышимых станций на  17  и  15  метрах было значительно меньшим, хотя связи с ними давались проще. Дни отпуска между установкой антенны и её демонтажём, а это -  с 17-го по 30-е июля, пролетели незаметно, и поэтому когда на календаре появился последний день моего  пребывания в загородном  QTH  и пришло время,  дословно говоря, сматывать удочки,  то в логе на тонкой школьной тетради значилось  123  QSO,  из которых 90  было проведено телеграфом и  33  -  телефоном. Статистика по диапазонам, как и ожидалось,  оказалась очень неровной:  30 м  -  1 QSO,  20 м  -  116 QSO, 17 м  -  3 QSO  и 15 м  -  3  QSO.
      По списку  DXCC  установлены связи со следующими странами: 4К,  4L , 4Z , 5В,  8N, 9A,  BX,  BV,  DL,  ER,  EV,  EW,  EX,  F,  G,  HA,  HB9,  HL,  I,  JA,  J4,  LZ1,  OK,  ON, RA1 …  RA0,  S5,  SM,  SU,  SV9,  SV0,  T6,  TA,  UR,  UK,  YP9,  YT2.  Итого  -  37 позиций.  Кстати, несколько раз довольно уверенно слышал американцев и бразильцев. Жаль,  что  из-за слабой энергетики радиоканала и неудачной диаграммы направленности антенны провести связи не удалось.
      В целом результат, конечно,  слабоват, но главная цель  -  удовольствие от работы в эфире на самодельном комплекте, малой мощностью и в  условиях  экологичной обстановки  достигнута!  Работая над статьёй,  вспомнил  предыдущую  QRP – компанию. Это было в далёком 1984 году.  В мои планы тем летом входило выполнение в течении июля  условий  диплома  SOP - «See Of  Peace»,  учреждённого  ГДР  (была такая страна!). Неожиданно от ближайших родственников из Называевского района Омской области поступило настойчивое приглашение принять участие в сенокосе, причём это было сделано в форме, не допускающей возражений. Тогда у меня возник компромиссный  вариант совмещения полезного с приятным  -  сенокос плюс QRP – трансивер.  Под  рукой оказался новоиспечённый  однодиапозонный  аппарат  на  20 м  мощностью  15 Вт  с транзистором  КТ912Б  на выходе, а в деревне посреди огорода появился двойной квадрат, растянутый  на сбитых наспех сухих берёзовых шестах с направлением на северо-запад.  Электромагнитная обстановка в месте дислокации  (ОМ-25) оказалась настолько благо-приятной  (до ближайшей станции  было  5 км),  что кроме выполнения  условий названного диплома удалось в дальнейшем отработать в  АА-  и  ОК-контестах, проведя в общей сложности более  1500 QSO. Причём, иногда получалась даже работа на  CQ  !!!
     
« Последнее редактирование: Декабрь 20, 2016, 05:16:21 pm от R8MB »

Оффлайн R8MB

  • Administrator
  • Full Member
  • *****
  • Сообщений: 102
    • Просмотр профиля
Re: Ещё раз про ГУ-50
« Ответ #1 : Декабрь 20, 2016, 04:18:39 pm »
      А теперь пора вернуться к заголовку статьи - в прошедший  2015  год. Как-то во время QSO  из  Красноярки с корреспондентом из Европы  (кажется,  это был  некто  Николай из  UR4)  мы разговорились об аппаратуре, антенне, прохождении и  т.д. .  Николай, узнав, что я работаю на маломощном передатчике, предложил мне поправить ситуацию с уровнем сигнала  с помощью простого и надёжного усилителя мощности на двух «полтинниках», который за ненадобностью стоит у него в сарае и давно ожидает нового хозяина. Он заверил меня, что это гарантированные  100 Вт,  на что я возразил, сославшись на данные справочников, которые для такого комплекта обещают как минимум 150…200 Вт, а это уже не QRP.   Но переубедить мне своего собеседника оказалось не легко, поскольку в названии радиолампы стоит магическое число 50 , что в сумме для двух ламп по «армейским» критериям  обещает 100 Вт. Традиционно поблагодарив друг друга,  мы расстались, причём,  каждый,  судя по всему, остался при своём мнении.
      Не секрет, что стеклянные электронные приборы переживают в настоящее время своего рода ренессанс.  Справедливости ради, следует отдать должное любителям качественного звуковоспроизведения. Известное направление  «High  End»  (качественное окончание) возродилось в среде аудиофилов именно благодаря высоким  характеристикам радиоламп, коих в мире в своё время было выпущено великое множество.  Радиолюбители в настоящее время также стали отдавать предпочтение  стеклянному баллону по сравнению с керамикой прежде всего из-за экономических соображений. В свете этого, не желая оставаться в стороне от модных тенденций, я вернулся к вопросу, затронутому в последнем  QSO  с  Николаем,  сформулировав его в виде конкретной технической задачи: какова же на самом деле предельно допустимая мощность в нагрузке усилителя на двух радиолампах  ГУ-50  в режиме линейного усиления?
      Для ответа на этот вопрос обратимся вначале к  литературе.  Например, в  [1] при анодном напряжении  800 В  указана колебательная мощность  ≥60 Вт.  Очевидно, что это относится к непрерывному режиму при условии сохранения заявленной изготовителем долговечности  ≥1750 часов. В радиолюбительской литературе первое упоминание  об усилителе на двух радиолампах  ГУ-50  приведено в  [2]. Авторы рекомендуют при анодном напряжении  1200 В  подводить мощность  240 Вт, что обеспечит на выходе порядка  160 Вт.  Схожие данные приводит в  [3]  Я. С. Лаповок.  И, наконец, в  [4]  для схемы с общей сеткой при анодном напряжении  1200 В  и подводимой мощности  300 Вт величина полезной составляет уже  220 Вт.  Резонно возникает вопрос:  а где же предел и чем он обусловлен?
      Теория электронных приборов указывает на три основных фактора, определяющих энергетические возможности генераторной лампы: электрическая  прочность анода,  его максимальная мощность рассеивания и ток эмиссии катода.  Если определить потолок каждого из факторов, то можно рассчитать и теоретический предел выходной мощности.
      Электрическую прочность анода или максимальное напряжение на аноде можно определить, приняв во внимание  указанный в [1] режим для случая анодной модуляции. Если индекс модуляции  –  множитель при синусоидальной функции,  равен единице (пик огибающей),  то  мгновенное значение напряжения на аноде лампы достигает удвоенного значения напряжения питания.  Следовательно,  предельная величина анодного напряжения может составлять  1600 В.  С учётом процесса старения приборов из-за длительного срока хранения эту величину следует уменьшить и принять для амплитудной телеграфии и однополосной модуляции равной 1300 … 1400 В.
      Металлический анод радиолампы при перегрузках является её наиболее уязвимой частью, поскольку легко перегревается и меняет свой цвет. Естественно, что при этом резко возрастает количество рассеиваемого тепла, а значит и мощности. Однако такой режим является неустойчивым, так как может привести к деформации и разрушению анода, и поэтому необходимо обязательно принимать меры для принудительного снижения температуры баллона, например, путём обдува лампы и панельки.  Количественно допустимую мощность рассеивания анода можно определить, если принять во внимание коэффициент заполнения во времени телеграфного сигнала. Поскольку длительность точки равна длительности паузы, то с учётом межбуквенных интервалов этот коэффициент можно принять равным  0,5.  В случае однополосной модуляции, когда пикфактор речи составляет  2 … 3, значение коэффициента ещё меньше и равно  0,33 … 0,5.  Таким образом, паспортное значение данного параметра при расчётах предельного значения выходной мощности  может быть увеличено  с  40 Вт  до  80 … 100 Вт  при условии интенсивного принудительного охлаждения.
      Ток эмиссии катода это суммарный ток всех электродов лампы, который обеспечивается катодом при номинальном токе накала и его напряжении. Недостаток эмиссии в предельном режиме может проявиться в насыщении амплитудной характеристики усилителя, когда увеличение мощности возбуждения не приводит к пропорциональному росту выходного параметра.  Для пентода  ГУ-50  изготовители дают следующий допустимый разброс напряжения накала:  10,8 … 14,5 В.  При этом ток катода (постоянная составляющая) равен  0,23 А.  Наиболее часто дефицит  тока эмиссии сказывается в случаях, когда накальная обмотка генераторной лампы находится на одном сердечнике трансформатора с анодной обмоткой и рост потребления мощности по анодной цепи вызывает падение напряжения накала.  В  результате  действия  такой  паразитной обратной связи возникает снижение  полезной мощности усилителя из-за нехватки тока эмиссии, вызванной падением напряжения накала.  Надёжным  способом исключения подобного явления является стабилизация напряжения накала лампы на уровне, равном или несколько превышающим максимальное значение.  В данном случае это составляет 14,5 … 15,0 В.
      Полученные выше рекомендации позволили  определить предельный режим работы усилителя, используя методику расчёта анодной цепи  генератора с внешним возбуждением,  известную из курса «Радиопередающих устройств»  [5].
      В качестве исходных данных приняты следующие:
-  мощность в нагрузке по первой гармонике  Р1 =  150 Вт ;
- анодное напряжение  Еа  =  1300 В ;
- угол отсечки анодного тока Ѳ =  90 град. (коэффициенты Берга  α0  =  0,318;  α1 =  0,5);
- крутизна линии граничного режима  Sлгр  =  7,5 мА/В .
Результаты расчёта:
1- коэффициент использования анодного напряжения  ξ  =  0,93 ;
2- амплитуда напряжения на аноде  Uam  =  0,93 •  1300 =  1209 В ;
3- амплитуда первой гармоники анодного тока  Ia1  =  2 • 150 / 1209 = 0,248 А ;
4- амплитуда импульса анодного тока  Iam  =   0,248 / 0,5  =  0,496 А ;
5- постоянная составляющая анодного тока  Ia0  =  0,318 •  0,496  =  0,158 А ;
6- мощность, потребляемая от анодного источника  Р0  =  0,158 • 1300  =  205 Вт ;
7- рассеиваемая анодом мощность  Ра   =  205  -  150  =  55 Вт ;
8- коэффициент полезного действия анодной цепи   КПД  =  150/205  =  73 % ;
9- эквивалентное сопротивление нагрузки генератора  Rое  =  1209 / 0,248  =  4875 Ом.
     При включении в параллель двух ламп мощности и токи в расчёте удвоятся, а сопротивление нагрузки будет в два раза меньше.  Расчёт входной цепи усилителя не приводится, поскольку в данном случае величина коэффициента усиления по мощности является не принципиальной. Считается, что  в схеме с общей сеткой и пентодном включении лампы (на экранной сетке присутствует номинальное напряжение) усиление по мощности составляет 10 … 13 дБ (10 … 20 раз). Приведённые соображения и расчёты были проверены на усилителе, собранном в виде самостоятельной конструкции.
      Усилитель представляет из себя широко известную схему с заземлёнными по высокой частоте сетками  и параллельным питанием  (рис. 1).  Параметрический стабилизатор в цепи катодов ламп на транзисторе  КТ837У  обеспечивает сдвиг  их потенциала в положительную область на величину  +54 В , что определяет положение рабочей точки ламп, соответствующее классу  В.  Напряжение возбуждения на лампы подаётся через согласующий трансформатор  ТV2  с коэффициентом трансформации  1,5 .  Известно, что для каскада с общей сеткой, работающего в классе  В,  активная часть входного импеданса определяется крутизной электронного прибора:  Rвх =  0,5 / Sас ,  где Sас – входная проводимость усилительного элемента.  Для двух ламп  ГУ50  Sас =  6 ма/В ,  а  Rвх =  84 Ом . Следовательно, трансформатор снижает входное сопротивление усилителя до значения R  =  84 / 2,25  = 38 Ом.  Другое назначение  ТV2  состоит в линеаризации входного сопротивления усилителя как нагрузки по отношению к трансиверу  в течении положительных полупериодов ВЧ  напряжения. В эти моменты лампы заперты, потребление отсутствует и энергия, приходящая на вход, аккумулируется в трансформаторе с последующей отдачей. Контур в цепи анодов ламп состоит из двух катушек индуктивности с отводами – цилиндрической и тороидальной, и совместно с конденсаторами переменной ёмкости рассчитан на эквивалентное сопротивление  генератора  2400 Ом.  На нижнем диапазоне 80 м  резонанс контура обеспечивается подключением с помощью  переключателя  SA1.2 параллельно катушкам индуктивности дополнительного конденсатора ёмкостью  120 пФ. Анодный дроссель намотан на керамическом стержне диаметром 10 мм и длиной 100 мм проводом  ПЭТВ2  Ø0,315 до заполнения. Нити накала ламп питаются от отдельных стабилизаторов на микросхемах  КР142ЕН8. При токе  0.8 А  изменение напряжения накала находится в пределах  +15 ± 0,1 В и не зависит от температуры корпуса. Усилитель питается от одного силового трансформатора ТV1, содержащего две повышающие и одну накальную обмотку. Первые формируют анодное и экранное напряжения, а низковольтная обмотка питает стабилизаторы накала, автоматики, реле, а также преобразователя  DC/DC, образующего напряжение  -11,0 В  для операционного усилителя.


Рис. 1  Схема электрическая принципиальная
усилителя мощности  РА-250

          Для изготовления трансформатора с целью минимизации его размера использован сердечник из высококачественной стали, допускающей работу с индукцией  1,6 … 1,8 Тл. Подобное железо применяется в преобразователях источников бесперебойного питания компьютеров мощностью 700 Вт.  При наборе  Ш35 х 52  данные обмоток были следую- щие: сетевая – 400 витков ПЭТВ2  диам. 0,69 ; анодная – 530 витков ПЭТВ2  диам. 0,315 ; экранная – 430 витков ПЭТВ2  диам. 0,44; накал – 32 витка ПЭТВ2диам.1,0. Температура трансформатора внутри корпуса при интенсивной работе усилителя составляет 50 …60°С. Узел автоматики  (CONTROL UNIT), обеспечивает плавный заряд конденсаторов  фильтра, необходимую по техническим условиям на радиолампу задержку подачи высокого напряжения ( ≥ 1 мин. ) относительно напряжения накала, а также управление реле. С целью измерения анодного тока между отрицательным выводом источника анодного питания и общим проводом схемы включён датчик тока – резистор номиналом  2 Ома. При появлении анодного тока на этом резисторе образуется отрицательное падение  напряжения,  которое  преобразуется в положительную область с помощью инвертора на  операционном усилителе типа 5218  и далее подаётся на устройство индикации.
        В качестве индикатора в усилителе применено двухшкальное светодиодное устройство (INDICATOR UNIT) на основе микросхем  1003ПП1 (аналог А277D).  При двенадцати  разрядах относительная погрешность показаний составляет не хуже 8% . В зависимости от положения переключателя  METER,  верхняя линейка индикатора  показывает  анодное напряжение  или  падающую мощность в нагрузке;  нижняя –  анодный ток или отражённую мощность.
       
        При испытаниях выходная мощность усилителя по диапазонам измерялась на эквиваленте нагрузки  Э9-2  (75 Ом, 300 Вт, КСВ≤1,4)  при подаче на вход  RTTY- сигнала уровнем  25 Вт. В качестве источника использовался трансивер  ICOM 756PROII.  Измерения проводились  дважды:  вначале со встроенным источником анодного напряжения,  который при напряжении холостого хода +1250 В  допускал просадку до  1100 В, а затем  с внешним источником достаточно большой мощности, у которого напряжение холостого хода  +1400 В  при полной нагрузке падало только на  50 В.  Это позволило максимально приблизить условия измерений к расчётным значениям.  На рис. 2  приведены обе зависимости  выходной  мощности усилителя по диапазонам.



Рис.  2  Выходная мощность усилителя по диапазонам

       Схожий  характер зависимостей по диапазонам вызван влиянием  добротности выходного контура на мощность. Максимум мощности приходится на диапазон  20 м. Количественно это составило  262 Вт со встроенным источником и  320 Вт – с внешним, что достаточно близко к расчётной величине   Р1 = 2 х 150 = 300 Вт.  Попытки дальнейшего повышения анодного напряжения для увеличения  отдачи  успеха не имели,  поскольку уже при напряжении   +1450 … 1500 В   наблюдался рост уровня шума в режиме приёма с неуправляемыми  разрядами в лампе.
       Конструктивно усилитель выполнен в стандартном приборном корпусе с литыми боковинами (в данном случае – от  источника питания  Б5-47).  Габариты корпуса 115 х 212 х 300 мм.  На фотографиях (рис. 3 … рис. 7) показаны фрагменты конструкции усилителя. Корпус внутри разделён продольной перегородкой на два отсека: левый – силовой и правый – высокочастотный.  В силовом отсеке на боковой стенке укреплён трансформатор с платами выпрямителей и фильтров. Здесь же установлены печатные платы автоматики и индикации. Стабилизаторы накала прикручены непосредственно к боковине  для надёжного теплового контакта с ней.  С целью свободной циркуляции воздуха и лучшего охлаждения отсек выполнен без дна.
Компоновка  ВЧ - отсека особенностей не имеет и видна на фотографиях. Для удобства настройки переменные конденсаторы анодного контура снабжены верньерами  2 : 1 .



Рис. 3  Передняя панель усилителя




Рис. 4  Вид сверху на монтаж усилителя




Рис. 5  Вид снизу на монтаж усилителя




Рис. 6  Вид справа без крышки




Рис. 7  Задняя стенка усилителя

Литература

1. Кацнельсон  Б. В. и др.  Электровакуумные электронные и ионные приборы.
    Справочник.  Под общ. ред. А. С. Ларионова.  М.: Энергия, 1976 г. – 920 с.
2. Бунимович  С. Г.,  Яйленко  Л. П.  Техника любительской однополосной связи.
    Издательство  ДОСААФ. М.:  Омская правда, 1969 г. – 312 с.
3. Справочник радиолюбителя-конструктора. М.:  Радио и связь, 1983, - 560 с.
4. Бунин С. Г.,  Яйленко Л. П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. – Киев:
    Техника,  1984. – 264 с.
5. Каганов В. И.  Радиопередающие устройства:  Учебник для сред. проф. образования.-
    М.: ИРПО:  Издательский центр «Академия»,  2002. – 288 с.



« Последнее редактирование: Декабрь 20, 2016, 05:14:43 pm от R8MB »

Omskair.ru форум

Re: Ещё раз про ГУ-50
« Ответ #1 : Декабрь 20, 2016, 04:18:39 pm »