Содержание
Приведенный калькулятор избавит от расчетов вручную. Задайте свои значения сопротивления источника R1, холостой добротности катушки Qxx( в калькуляторе принято, что холостая добротность конденсаторов C1 и С2 намного выше, чем у L, для большинства конденсаторов это справедливо), желаемую нагруженную добротность Qн и нажмите кнопку "Вычислить".
Увеличение нагруженной добротности П-контура Qн увеличивает подавление гармоник и ёмкости конденсаторов (важно при лампе с большой конструктивной ёмкостью), но снижает КПД.
Для усилителя в режиме АВ с с небольшим начальным током сопротивление источника R1 можно приблизительно оценить по следующим формулам.
Для анодной цепи R1 ≈ Ea/(1,8•Iа), (где Ea – постоянное напряжение анода, Iа — максимальный постоянный ток анода) или R1 ≈ Ea 2 /(2,5•P) (где P – максимальная эффективная выходная мощность).
Для входного П-контура РА с общей сеткой R2 ≈ 1/S (S – крутизна лампы).
Приблизительность оценки R1 связана с углом отсечки (т.е. с начальным током) и типом лампы. Точнее не типом, а минимально допустимым для не мгновенным напряжением на ее аноде (например, в триодах оно ниже, чем тетродах, у которых из-за динатронного эффекта нельзя допускать минимальное мгновенное напряжение анода ниже напряжения второй сетки).
Для оценки конструктивных требований к деталям П-контура выдаются эффективные токи в катушке (исходя из него надо выбирать провод) и в конденсаторах (исходя из них выбирается качество токоотвода в КПЕ, толщина выводов и обкладок, качество диэлектрика).
Для конденсаторов также выдается пиковое напряжение (естественно, конденсаторы должны его выдерживать с запасом) и реактивная мощность (она измеряется в ВАр — Вольт-Ампер-реактивных) в обоих конденсаторах. Для конденсаторов, за исключением вакуумных и воздушных, справедливо правило: если в паспорте конденсатора не указана реактивная мощность, то такой конденсатор (даже если он подходит по пробивному напряжению) не предназначен для работы в мощных ВЧ-контурах и скорее всего сгорит при попытке его использования (впрочем, слюдяные КСО и без обозначения выдерживают пару-тройку сотен реактивных ватт и подойдут для относительно маломощных контуров).
Имейте в виду, что на выходном конденсаторе при расстройке антенны напряжение может возрасти в 2. 3 раза (зависит от КСВ антенны) по сравнению со случаем точного согласования.
Для работы калькулятора у вас в браузере должна быть включена JAVA. Как и все программы на JAVA данный калькулятор может свободно копироваться и дорабатываться, при соблюдении единственного условия — явной ссылки на эту страницу.
Калькулятор снабжен подсказками и развитыми сообщениями о возможных ошибках, поэтому разобраться с ним трудностей не представляет – просто подставьте исходные данные. Разделитель в цифрах – точка, запятую в цифрах программа воспринимает как букву, поэтому не понимает что делать с такой цифрой. Калькулятор работает по формулам, приведенным К. Шульгиным UA3DA
Хотел бы отметить, что популярная в методика расчета П-контура по среднегеометрическому сопротивлению (она, например, описана в статье UA9ACZ "О помехах телевидению" и используется в большом числе программ, в том числе до 30.09.2007 она применялась в калькуляторе этой странице) дает не очень точные результаты в смысле согласования. На это обратил моё внимание человек с ником Игорь 2 с форума, за что я ему признателен.
Дополнение от 12.09.2009: В соответствии с рекомендациями UA3SDE (спасибо, Сергей) калькулятор подправлен, и теперь работает в любом направлении трансформации сопротивлений (при R1 > R2, R1
П-контур усилителя мощности, по окончании его строительства, калибруют подиапазонно на мощном 50 Омном эквиваленте.
НАСТРОЙКА П-КОНТУРА УСИЛИТЕЛЯ
в каждодневной работе.
1) При настройке П-контура, переменный конденсатор
"СВЯЗЬ С АНТЕННОЙ" вначале устанавливают в МАКСИМАЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ЕМКОСТИ, ЭТИМ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ СЛАБАЯ СВЯЗЬ С АНТЕННОЙ.
Иначе, при большой мощности, на ВЧ-диапазонах (особенно на 28 МГц) прострелы (ВЧ дуга) с переключателя диапазонов или с КПЕ "Связь с Антенной" на землю — ОБЕСПЕЧЕНЫ.
2) ЗАТЕМ ГОРЯЧИМ КОНДЕНСАТОРОМ ("Анодный конденсатор") УСТАНАВЛИВАЮТ РЕЗОНАНС.
3) Потом УВЕЛИЧИВАЮТ связь с антенной, Т. Е. УМЕНЬШАЮТ ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРА "СВЯЗЬ С АНТЕННОЙ".
4) ГОРЯЧИМ КОНДЕНСАТОРОМ ("Анодный конденсатор") подстраивают П-контур.
5) СНОВА УВЕЛИЧИВАЮТ связь с антенной, Т. Е. УМЕНЬШАЮТ ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРА "СВЯЗЬ С АНТЕННОЙ".
6) И снова ГОРЯЧИМ КОНДЕНСАТОРОМ ("Анодный конденсатор") подстраивают П-контур.
И ТАК делают НЕСКОЛЬКО РАЗ, ПОКА НЕ ПОЛУЧИМ СПАД АНОДНОГО ТОКА приблизительно 15% от РАССТРОЕННОГО
П-КОНТУРА на данном диапазоне.
ПОСЛЕДНЕЕ ПРИКОСНОВЕНИЕ — ТОЛЬКО К "АНОДНОМУ" КОНДЕНСАТОРУ, НО НЕ К конденсатору "СВЯЗЬ С АНТЕННОЙ. "
Резонанс П-контура, спад анодного тока (приблизительно 15% ) одновременно должны сопровождаться приростом ВЧ-напряжения на эквиваленте, которое измеряют с помощью ВЧ-вольтметра.
П-контур должен отвечать следующим требованиям:
Настраиваться на любую частоту заданного диапазона.
Фильтровать, в нужной степени, гармоники сигнала.
Трансформировать, т.е. обеспечивать получение оптимальных нагрузочных сопротивлений.
Обладать достаточной электрической прочностью и надёжностью.
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=U 2 /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).
