Ключевой тракт формирования несущей АМ передатчика.

Сергей Комаров (UA3ALW)

Индивидуальные радиовещательные станции работают в диапазонах частот, где действуют жесткие, профессиональные нормы на качество вещательного сигнала. Обеспечить профессиональное качество сигнала при непрофессиональном изготовлении передатчиков студентами, членами радиокружков и любителями, помогают цифровые технологии и новый подход в проектировании тракта формирования несущей.

Поскольку с начала 60-х годов прошлого века почти все КВ радиолюбительское сообщество, включая инженеров-разработчиков связной радиоаппаратуры, бредило однополосной модуляцией и старательно забывало старую и добрую АМ, используемую во всем мире в КСДВ радиовещании, то при проектировании передатчиков для Индивидуального радиовещания необходимо вспомнить основные принципы АМ и как ее правильно получать (Рис.1).

По определению: если модуляция амплитудная, значит, в такт со звуковым модулирующим сигналом изменяется амплитуда ВЧ колебаний на выходе передатчика. И еще. Поскольку при вещании передатчик работает в эфире непрерывно, часами, то актуален его тепловой режим, КПД и ресурс; он должен быть надежен, повторяем в домашних условиях, и радиолампы в выходном каскаде должны работать в щадящих режимах. Форсирование радиоламп, как это почти повсеместно принято в любительской радиосвязи, здесь недопустимо. Иначе их не напасетесь.

Ну, то, что в выходном каскаде АМ передатчика должны быть радиолампы, – сомнения не вызывает: мощность – десятки, сотни ватт, вещательная АМ должна быть линейной, схема – простой, конструкция – повторяемой и бюджетной, передатчик – надежным и работающим, даже когда на антенне (протяженностью в десятки метров) наводится статическое электричество и импульсные разряды в сотни киловольт. Расклад далеко не в пользу транзисторов. Сделать-то, на транзисторах АМ передатчик, конечно, можно, но получится сложнее, дороже и, ой, как не факт, что надежней, и что получим хороший КПД. И потом, в транзисторных схемах, как правило, очень сложная регулировка. А где взять приборы? И с повторяемостью, - тоже не однозначно…

Подробное описание всевозможных способов реализации АМ рассмотрено в замечательной книге [1], а мы для Индивидуального радиовещания будем использовать на выходе передатчика тетроды или пентоды и исключительно анодно-экранную модуляцию.

Остальные способы АМ либо не обеспечивают «музыкальную» линейность модуляционной характеристики, либо не дают приемлемый КПД. Однако стоит заметить, что в маломощных АМ передатчиках (единицы и первые десятки ватт), если не учитывать КПД, то наимузыкальнейшее звучание обеспечивает модуляция по защитной сетке с одновременной автоэкранной модуляцией (Г-411, ГУ-50) [17].

В радиовещательных АМ передатчиках тракт формирования несущей делается нелинейным, с высоким КПД, в режимах классов В, С, или даже, в ключевых режимах, а затем, в выходном каскаде, с помощью мощного модулятора, производится анодно-экранная модуляция (АЭМ).

Напряжение питания на аноде лампы на пике модуляции Em = Ea + Um может достигать почти двойного значения источника анодного напряжения, а высокочастотный пик – почти до 4Еа. Как наиболее оптимально и с наименьшими затратами спроектировать мощный источник питания, напряжение которого изменяется по закону модуляции, было подробно описано в [4] а ТЗ на разработку импульсного АМ модулятора с ШИМ – в [5]. Требования к вещательному сигналу такие же, как и в профессиональном радиовещании (мощности, только меньше), нормы ГКРЧ - закон, и слушатель не должен замечать разницы в качестве сигнала на профессиональных и самодельных радиостанциях: сигнал в эфире и там, и там одинаковый: 16K0A3EGN. Делать лучше, линейней и музыкальней, в той же полосе частот – можно. Хуже и широкополосней – нельзя. Поэтому многому придется учиться сызнова.

При проектировании АМ вещательных передатчиков принцип построения связных SSB передатчиков, в которых сигнал формируется на малом уровне, а затем линейно усиливается до нужной выходной мощности, не приемлем (требует стабилизации режима, тонкой регулировки, имеет сложную схему, и низкий КПД). Усиливать АМ сигнал – это технически безграмотное решение, имеющее КПД на уровне 15 … 20 %. По этой же причине с АМ передатчиками не используют усилители мощности, а делают выходной каскад с модулятором и источником питания сразу на нужную мощность. Нужен передатчик мощнее – делают новый, а старый оставляют в качестве экспедиционного или дачного.

Теперь про выходную мощность радиопередатчика. В режиме несущей – все понятно. Делим квадрат амплитуды выходного напряжения Ua на удвоенное сопротивление нагрузки пересчитан-ное в анодную цепь, – получаем выходную мощность. А вот при модуляции нас ждет сюрприз: на пике модуляции выходное напряжение-то удвоилось! Стало быть, U²a / 2Rа стало в 4 раза больше! Запомним, что АМ передатчик с АЭМ и мощностью несущей 25 Вт имеет мгновенную мощность на пике 100% синусоидальной модуляции - 100 Вт, а среднюю, так называемую, «телефонную» –37,5 Вт. Добавку мощности к источнику питания выходного каскада дает мощный модулятор – его энергия не пропадает попусту. И это нужно учитывать при проектировании, то есть, считать режимы ламп не только на несущей, но и на пике модуляции. Каскады предварительного усиления должны обеспечить для выходного каскада возбуждение, достаточное, чтобы он смог выдать в нагрузку четырехкратную мощность. И сделать это надо грамотно, надежно и с высоким КПД.

Поскольку к тракту формирования несущей АМ передатчика нет требования линейности (мы ничего линейно не усиливаем), сделать его можно полностью в ключевых режимах (Рис. 2). Это позволит обеспечить простоту регулировки (ее вообще нет) и идеальную повторяемость.

Этой статьей я представляю новую идеологию построения передатчиков как вещательных, так и связных. Это многофазные ключевые передатчики.

Это мое летнее изобретение 2009 года. В 2010 году, когда я показал прообраз этой статьи с изложением принципа многофазного импульсного суммирования мощности с временной развязкой активных элементов и многократным горячим резервированием своему научному руководителю, заведующему кафедрой Радиопередающих устройств МТУСИ, д.т.н., профессору, члену корреспонденту РАН Шахгильдяну Вагану Вагановичу, он, прочитав статью, сказал мне: «Бери патент!» Однако, ознакомившись с действующим законодательством в области патентного права, я решил отказаться от патентования, поскольку это противоречит моим жизненным принципам. Все свои разработки, статьи и изобретения я делаю во благо развития радиотехники, а не для того, чтобы грабить тех, кто будет применять их и внедрять. Мои разработки могут использовать в своих конструкциях Индивидуальные вещатели, радиолюбители, инженеры и техники совершенно бесплатно. Я люблю радиотехнику и изобретаю новые идеи не ради узурпации прав на них и не ради денег, а ради вдохновения. Если понравилось – внедряйте и пользуйтесь. Мне это будет греть душу.

На существующей элементной базе такие передатчики могут быть реализованы без лишних сложностей до частот 20 … 25 МГц.

Как видим, аналоговые гармонические колебания присутствуют только после выходной фильтрующей системы. А это означает, что передатчик прост в настройке, легко повторяем, надежен и стабилен по параметрам. Мало того, во всех предварительных каскадах ему не нужны встроенные измерительные приборы: цифра – мерить-то нечего. Даже в выходном каскаде режим ламп жестко задан длительностью возбуждающего импульса, и настройка требуется лишь в выходной колебательной системе – на рабочую частоту и параметры антенны, где она ведется «на максимум», и вполне достаточно индикатора типа «больше-меньше». С такой задачей прекрасно справляется простейший вакуумный электронно-световой индикатор «зеленый глаз» [5]. Красиво и наглядно. В передатчиках мощностью более 100 Вт можно использовать лампочку накаливания на трансформаторе тока антенны и неоновую лампочку в горячей точке контура. Светодиоды, увы, там менее наглядны - по светодиоду не увидишь самовозбуждения, а неонка на разных частотах горит разными оттенками, и ВЧ самовозбуждение сразу видно по синеватому свечению. Во всем передающем тракте (не считая синтезатора) лишь один колебательный контур – на выходе. Правда, двойной. И нет ни одного контура в предварительных каскадах. И это еще одна прелесть ключевого (нелинейного) тракта формирования несущей АМ передатчика.

Двойной П-контур.

Поскольку выходной каскад работает в ключевом режиме, необходима лучшая фильтрация, чем если бы он работал с отсечкой анодного тока в режимах класса В или С. Поэтому на выходе передатчика применен двойной П-контур. У него и КПД выше, чем у одиночного. Двойной П-контур представляет собой два параллельных контура, с критической внутриемкостной связью. Благодаря внутриемкостной связи (большая емкость конденсатора связи С₂) у контура очень хорошая фильтрация высших гармоник, в Q раз большая по сравнению с одиночным П-контуром, а благодаря критическому уровню связи, широкая полоса пропускания и повышенное подавление внеполосных излучений (скаты АЧХ более крутые)[13].

Разберем принцип работы. Будем считать, что оба контура настроены в резонанс на рабочей частоте. Анодный ток Ia возбуждает в первом контуре колебания. При этом контурный ток первого контура будет в Qн раз больше, чем ток анода (Qн - добротность контура с учетом влияния подключенной нагрузки). Qн обычно выбирают в пределах 8…12. Чем ниже нагруженная добротность, тем выше КПД, но хуже фильтрация. Для одиночного П-контура этот компромисс находится при Qн = √Qхх, где Qхх – добротность катушки контура на рабочей частоте, которая обычно лежит в пределах 200…250. Для двойного П-контура значение Qн можно выбирать ниже. С увеличением Qн значительно растут контурные токи. К примеру, если амплитуда переменной составляющей тока анода 250 мА (мощность передатчика 50 Вт), то амплитуда тока первого контура составит от 2 до 3 ампер (при напряжении в сотни вольт). Этот же ток течет через конденсатор С₁, и через катушку L₁. Поэтому конденсаторы нужно выбирать на большую реактивную мощность, а катушки мотать проводом большого сечения. В диапазонах длинных и средних волн (приблизительно до 2,7 – 3-х МГц) мотать их, однозначно, литцендратом; в диапазонах коротких волн – тонкостенной медной трубкой (с толщиной стенки 0,3 – 0,5 мм).

Далее. Ток первого контура, проходя через конденсатор внутриемкостной связи С₂ создает на нем падение напряжения U₂ = Ia Q₁ Xc₂ (закон Ома). Поскольку емкость C₂ больше емкости С₁ приблизительно в 12 - 15 раз, на С₂ будет создано падение напряжения во столько же раз меньшее, чем напряжение на аноде лампы, ориентировочно 20…30 вольт. Именно это напряжение и является источником возбуждения второго контура. Второй контур работает при более низких напряжениях, чем первый, а это означает, что при той же мощности, токи в нем гораздо больше. К примеру, при мощности передатчика 50 Вт на нагрузке 75 Ω ток второго контура составит 9,2…14 ампер. Таким образом, катушка второго контура, хоть и имеет небольшую индуктивность, но должна быть намотана, литцендратом двойного плетения, например, свитым в семеро: 7 х ЛЭШО-49х0,1. В нагрузку же ответвится ток, в Q₂ раз меньший, чем контурный ток второго контура. На рисунке 2 показаны значения токов в схеме с помощью толщины цветных линий.

Двухфазный передатчик.

Синтезатор частот [7], внешний опорный генератор [8], модулятор [4] и к нему УМЗЧ [14], индикатор настройки [5] и источник питания [15] для этого передатчика уже опубликованы. Осталось лишь все собрать вместе! Да и самому разработать синтезатор на жесткой логике на базе ФАПЧ с мощным выходом, большого труда не составляет [16]. Правда, для таких синтезаторов лучше использовать логические ИС ТТЛШ 533 и 530 серий. Они более устойчиво работают в мощных ВЧ полях, чем К-МОП-ы. Микропроцессоры и контроллеры в синтезаторе вещательного АМ передатчика применять не надо: мощности большие, напряжения высокие, токи, и наводки в схеме огромные…, вероятность сбоя процессора в непрофессиональной самодельной конструкции велика, а это в радиовещании недопустимо. За работу не на разрешенной частоте или за помехи другим станциям в вещательном диапазоне Роскомнадзор штрафует, а может и вообще лишить права работы в эфире. В эфирном публичном радиовещании законодательство соблюдается гораздо строже, чем в любительской радиосвязи, закрытой от массовой аудитории слушателей.

В схеме синтезатора С9-1449-1800 на выходе установлен двухфазный формирователь импульсов и два ключевых выходных каскада на транзисторах КТ608Б с открытым коллектором. Такой выход предназначен для управления по цепи катода двумя импульсными «строчными» радиолампами 6П37Н-В или 6П44С, впрочем, «кадровые» 6П43П тоже прекрасно здесь работают. В качестве опции (Рис 22 в [7]) приведена схема включения на его выходе двух мощных полевых транзисторов IRL510. Благодаря этому синтезатор может управлять по цепи катода двумя более мощными ключевыми радиолампами 6П36С и 6П45С. Лампы работают по очереди, через такт, каждая со скважностью 5. – По аналогии: как будто, два юноши раскачивают девушку на качелях, по очереди, через период, сначала один, потом – другой. Налицо бережное отношение к эмиссии катода каждой лампы и, как следствие, к их ресурсу (пока второй юноша раскачивает, первому можно отдохнуть), что актуально для вещательных передатчиков, работающих длительное время. Радиолампы в выходном каскаде работают в режиме класса F_inv на половинной частоте. То есть, когда анодный ток имеет форму прямоугольного импульса оптимальной длительности (лампа управляется по катоду ключевым транзистором), а напряжение на аноде близко к синусоиде (в нагрузке – колебательный контур) – и качели с девушкой, несмотря на импульсные искажающие усилия, все-таки качаются почти синусоидально (Рис. 4, график Ua).

Использование в выходных каскадах АМ передатчиков токовых телевизионных «строчных» и «кадровых» радиоламп обусловлено их предназначением работать в импульсных режимах и большим нормируемым ресурсом. Немаловажно и то, что в СССР их произвели огромное количество, и они до сих пор сохранились на складах. Совпадает и скважность их типового импульсного режима [9] с оптимальной скважностью для режима F_inv при возбуждении контура прямоугольными импульсами тока. Это совпадение и требование повторяемости и стабильности параметров навело на мысль [11] разработать для Индивидуального радиовещания полностью ключевой тракт формирования несущей.

Синтезатор С9-1449-1800 [7] включает в себя все три первых каскада (Рис. 2), имеет на каждом своем выходе открытый коллектор (или открытый сток) и подключается к выходному каскаду передатчика следующим образом (Рис. 4):

Данная схема может обеспечить на своем выходе в режиме несущей 50…55 Вт, при анодном напряжении 450 вольт и 25…28 Вт при напряжении питания 330…350 вольт. При использовании радиоламп 6П43П и анодного напряжения 250 вольт, мощность несущей составит 10 Вт. В случае вещания передатчика в небольшом поселке или деревне, где поблизости нет других населенных пунктов, нет смысла расходовать ресурс радиоламп и электроэнергию на обогрев воздуха и земли при работе большой мощностью. Вполне разумно сделать 10-и ваттный передатчик [10] и накрыть им весь населенный пункт. Еще раз акцентирую: в радиовещании, в отличие от любительской радиосвязи, не стоит задача «добить» как можно дальше, чтобы пингвины в Антарктиде, медведи в сибирской тайге и партизаны в Белорусских лесах слушали бы Ваши радиопрограммы. В радиовещании задача другая – обеспечить максимально качественный радиоприем на территории своего населенного пункта, где есть аудитория слушателей, а у слушателей есть бытовые, и все еще массовые, хоть и старенькие АМ радиоприемники, например, автомобильные или в китайских музыкальных центрах, к которым те, кто захочет слушать интересные радиопрограммы, сделают-таки внешние приемные антенны. Зона неизбежных помех при этом (за зоной уверенного приема), где сигнал обнаруживается, но слушать его в шумах из-за недостаточного уровня невозможно, должна быть минимальной. Поэтому выходная мощность передатчиков Индивидуального радиовещания должна быть минимально-достаточной. Не меньше, не больше, а именно столько, сколько нужно для качественного радиоприема. Занижение мощности вещательного передатчика по сравнению с разрешенной (расчетной), больший «грех», чем ее превышение, поскольку слушатели в зоне вещания получат сигнал худшего качества (с меньшим отношением сигнал / шум).

Поскольку радиолампы в выходном каскаде передатчика работают в ключевом режиме, то паспортное ограничение анодного напряжения для линейного режима Ea_max = 300 вольт сюда не относится. Импульсное же анодное напряжение для радиоламп, разработанных для кадровой и строчной развертки, не должно превышать 7000 В, а мы к нему и на пике модуляции даже не приближаемся. Вспоминается давняя инженерная рекомендация: транзисторы используй максимально по току и береги по напряжению (иначе пробьются), лампы, наоборот – используй максимально по напряжению и береги по току (иначе быстро потеряют эмиссию).

В этой схеме есть и еще одно приятное свойство: если один из юношей отойдет позвонить по телефону (другой девушке), то второй, как и прежде, соблюдая свою очередность, через такт, будет продолжать раскачивать качели. При этом он не заметит отсутствия первого юноши, – с какой силой качал, с такой же и продолжает и с той же частотой, через раз (при выходе из строя одной лампы режим второй не изменяется). А вот девушка заметит, что усилия стали в два раза реже и качели стали качаться на 29,3% (1 – 0,707) с меньшим размахом (мощность упала в два раза и выходной каскад начал работать через такт - в режиме удвоения частоты), однако качели все равно будут продолжать качаться (работоспособность передатчика сохранится). В таком каскаде можно даже радиолампы менять, не выключая передатчика! При выходе из строя одной из ламп снижение мощности на 3 дБ заметят лишь слушатели за пределами уверенной зоны вещания.

Впрочем, почти также работают и четыре цилиндра в двигателе внутреннего сгорания, … и четыре жены у падишаха… Но о четырехфазном передатчике и его «трамблёре» (четырехфазном синтезаторе) я расскажу в следующий раз!

Для этой схемы подойдут любые токовые радиолампы, предназначенные для работы в импульсном режиме, и разрабатывавшиеся в СССР для схем строчной и кадровой развертки телевизоров. Эмиссия катода у них огромна, ресурс, предназначенный для ежедневной работы по многу часов в бытовых телевизорах – редко меньше 5000 часов, а реально раза в два-три больше.

Поскольку выходной каскад передатчика работает в ключевом режиме, то на выходе схемы применен двойной П-контур, обеспечивающий по сравнению с одиночным (используемым в аппаратуре радиосвязи) лучший КПД, лучшую фильтрацию гармоник и в √2 раз более широкую полосу пропускания. Инженерный расчет выходной колебательной системы приведен в [12].

На выходе передатчика установлен трансформатор тока [5], как датчик для индикатора его уровня при настройке, и за ним защитный разрядник с большим числом искровых промежутков – Ир₁, предохраняющий передатчик от статического напряжения и импульсных наводок на антенну [18]. В простейшем варианте в качестве такого разрядника можно использовать автомобильную свечу зажигания, установив ей зазор между электродами в 0,3 мм.

Литература:

1. Агафонов Б. С. Теория и расчёт радиотелефонных режимов генераторных ламп. - М.: Советское радио, 1955.
2. Решение Государственной комиссии по радиочастотам при Минкомсвязи России от 24 мая 2013 г. № 13-18-03 "Об утверждении Норм 17-13, Норм 18-13, Норм 19-13, Норм 24-13".
3. Регламент радиосвязи. Русское издание. Международный союз электросвязи, 2004 г.: ;
4. Комаров С. Параллельный анодно-экранный модулятор. Радио, 2015, № 4, с. 30…33. Оригинал статьи:
5. Комаров С. Индикатор настройки передатчика на основе "зелёного глаза". Радио, 2015, № 7, с. 30, 31, 3-я стр. обложки. Оригинал:
6. Комаров С. Передающий тракт Индивидуального радиовещания. Радио, 2015, № 9, с. 30…33. Оригинал статьи:
7. Комаров С. Средневолновый радиовещательный синтезатор частоты. Радио, 2012, № 9, с. 19-23; № 10, с. 21-23. Это и есть Синтезатор С9-1449-1800:
8. Комаров С. Опорный генератор для СЧ и ВЧ синтезаторов частот. Радио, 2014, № 6, с. 23-25. Это ОГ2-1024. Оригинал статьи:
9. Кацнельсон Б. В. и Ларионов А. С. Отечественные приемно-усилительные лампы и их зарубежные аналоги. Справочник. Изд. 2-е. Москва, «Энергия», 1974.
10. Комаров С. Средневолновый радиовещательный АМ радиопередатчик малой мощности (школьный):
11. Комаров С.Н., Морозова А.П. Исследование усилителя радиочастотных колебаний с многофазным возбуждением. T-Comm, Телекоммуникации и транспорт № 10-2014 (Том 8), стр. 33…38. Текст статьи:
12. Комаров С. Расчет выходной колебательной системы для средневолнового передатчика с однотактным выходным каскадом на лучевых тетродах (пример для мощности 50 Вт). Оригинал статьи:
13. Проектирование радиопередающих устройств. под ред. д.т.н. В. В. Шахгильдяна, М. «Радио и связь», 1984.
14. Комаров С. Ламповый оконечный двухтактный усилитель на 6Н23П и 6П43П. - Радио, 2008, № 8, с. 49, 50; № 9, с. 45-48; № 10, с. 47, 48. Оригинал статьи на сайте автора:
15. Комаров С. Источник питания для экспериментов с ламповыми схемами. Радиолюбитель 2016, № 11, стр. 24 – 27. Оригинал статьи:
16. Е. Голомазов, М. Доуталиев, Б. Канаев. Простой средневолновый синтезатор частоты. Радио, 2014, № 2, стр. 19 – 22.
17. Шадский А. Оконечный каскад и модулятор любительского передатчика. Радио, 1963, № 3, стр. 30, 31.
18. Комаров С. Защитный разрядник на выходе маломощного, средневолнового радиовещательного АМ передатчика. Радиолюбитель, 2016, № 12, стр. 19 – 21. Оригинал статьи:

Статья в формате PDF

Расчет выходного каскада и цепи согласования двухфазного передатчика