Ну, люблю я радиолампы...
Сергей Комаров (UA3ALW)

При работе выходных каскадов передатчиков с параллельной схемой включения контура и подачи питания в анодной цепи часто бывает, что анодные дроссели греются и горят. Конструкций анодных дросселей опубликованы десятки, но ни в одной статье нет четких рекомендаций по проектированию дросселей для передатчиков с АЭМ диапазона 200 м. Поскольку радиовещательные передатчики работают непрерывно многими часами, не выключаясь, проектирование надежного анодного дросселя – актуальная задача.

Часть 1. Коструктивные аспекты проектирования. Формула оптимального дросселя.

Анодный дроссель в схеме параллельного питания выходного каскада передатчика (Рис. 1) служит для подачи питающего напряжения на анод лампы и одновременно с этим он не должен пропускать через себя переменную составляющую анодного тока, назад, в источник Еа, которая должна поступать в выходную колебательную систему. Однако, ничего идеального не бывает, и анодный дроссель не может иметь нулевое сопротивление на постоянном токе и бесконечно большое на переменном рабочей частоты. И переменный ток в дроссель таки-течет.

К анодному дросселю предъявляется много противоречивых требований, которые в этой статье мы разберем и по возможности удовлетворим. Не забудем и про конденсаторы Сб и Ср, режимы и номиналы которых зависят как от параметров анодной цепи, так и от выбора дросселя.

С точки зрения получения максимальной добротности (минимизация ВЧ потерь) дроссель должен быть однослойным и большого диаметра. Известно даже соотношение для получения максимальной индуктивности при минимальной длине провода: длина намотки в 2,5 раза меньше ее диаметра. То есть, он должен представлять собой толстую и весьма короткую катушку.

С точки зрения уменьшения потерь на вихревые токи, однослойный дроссель должен быть намотан проводом не толще 0,6 мм (оптимально – 0,3 … 0,6). При диаметре менее 0,3 мм плавно растет активное сопротивление, и увеличиваются тепловые потери, а при диаметре более 0,6 мм довольно резко возрастают потери на вихревые токи. При многослойной намотке оптимальный диаметр провода лежит в пределах 0,2 … 0,35 мм. При более толстых проводах потери на вихревые токи увеличиваются настолько, что общее сопротивление катушки резко увеличивается и добротность быстро падает. При использовании литцендрата сечение провода по сравнению с одножильным, может быть увеличено, поскольку жилки тонкие и потери на вихревые токи не значительны. В пределе, для многослойных дросселей мощных передатчиков ДВ диапазона (153 … 283 кГц) можно рекомендовать литцендрат с диаметром жилок до 0,25 мм.

С точки зрения уменьшения ВЧ потерь за счет поверхностного эффекта (на частотах до 3 МГц), дроссель должен быть намотан литцендратом с диаметром одной жилки не более 0,1 мм.

С точки зрения минимизации вытеснения тока из сечения провода за счет магнитного поля, создаваемого соседними витками, дроссель надо мотать с шагом не менее, чем два диаметра провода, а при многослойной намотке делать расстояние между слоями, равное диаметру провода. Впрочем, при перекрещивании витков в соседних слоях, этот эффект значительно ослабляется и здесь нам поможет намотка «Универсаль».

Когда в дросселе много витков размещенных во многих слоях, растет его межвитковая и межслойная емкость, дроссель перестает работать как индуктивность и начинает проводить через себя емкостные токи, что приводит к снижению его эквивалентного сопротивления и увеличению ответвления в него переменной составляющей анодного тока. Таким образом, для выполнения своих фильтрующих функций дроссель должен работать на частотах ниже собственного резонанса.

Каркас дросселя должен быть весьма жестким и одновременно с минимальным количеством постороннего материала в магнитном поле (трубка с тонкими стенками или отдельные ребра).

С падением напряжения и потерями мощности на сопротивлении обмотки, как следствие, с диаметром намоточного провода, инженеры разобрались давно, еще когда в позапрошлом веке проектировали первые трансформаторы. Из радиолюбительских справочников 50-х годов прошлого века известна формула выбора оптимального значения диаметра медного намоточного провода d (мм) = 0,02 √ I (мА) , чтосоответствует плотности тока в проводе 3,18 А/мм 2 , и практически все производимые трансформаторы для наземной аппаратуры (в том числе ТАН, ТН, ТА и ТПП) посчитаны именно по ней. Но поскольку в трансформаторах теплоотвод от провода затруднен (витки расположены внутри толстой обмотки, изолированной послойно и снаружи электро- и тепло изоляционными материалами), а в дросселях витки располагаются открыто, обмотки тонкие и конвекционный теплоотвод от них гораздо лучше, то можно допустить плотность тока в обмотке до 4 А/мм 2 , а иногда и до 4,5. Поэтому 10% перегрузка дросселя по току (относительно расчетного значения 4 А/мм 2 ) вполне допустима.

Большую индуктивность при минимальной длине провода можно получить, используя многослойную намотку. Чем кучнее расположены витки, тем, при той же длине провода индуктивность будет больше за счет взаимоиндукции. Для уменьшения межвитковой емкости используем многосекционную намотку типа «Универсаль».

Диаметр каркаса дросселя возьмем в несколько раз меньшим (в 3…4), чем диаметр катушки колебательного контура, поскольку от диаметра индуктивность и активное сопротивление зависят линейно, от числа же витков сопротивление зависит линейно, а индуктивность – квадратично. Исходя из этого, для достижения нужной индуктивности, будем перекрестно мотать много витков на относительно небольшом диаметре. Помимо этого, негативное влияние межвитковой емкости при малой длине витка скажется на более высокой частоте. Но при малом диаметре намотки у катушки получается малая добротность (Q = Хдр / r пот) , - растут ВЧ потери в дросселе. Однако, все противоречивые требования удается удовлетворить.

Окончательная формула оптимального средневолнового ВЧ дросселя: Много витков на относительно небольшом диаметре: узкими секциями с намоткой «Универсаль», на малом расстоянии друг от друга и с большим числом секций! Горячий конец дросселя – в начале намотки. Увеличение диаметра каркаса дает увеличение добротности Q (снижение потерь), поэтому для разных уровней мощности передатчиков потребуются дроссели разного диаметра.

Для примера, фотография дросселя УШ4.775.000 индуктивностью 5000 мкГ промышленного лампового (ГУ-81М) средневолнового морского передатчика «Волхов-М» выходной мощностью 300 Вт (АМ, CW) диапазона частот 400 – 535 кГц (горячий конец – слева, крепеж - справа) Фото 1:

Диаметр каркаса дросселя 30 мм, длина 104 мм, ширина секции 6 мм, расстояние между секциями 3 мм, число секций – 7, общая длина намотки дросселя 60 мм, толщина намотки 2,5 мм, провод ПЭЛШКО 0,25 мм, число витков в одной секции 89. Диаметр контурного вариометра, с которым дроссель работает «в паре», - 100 мм. Добротность дросселя 55 на частоте 460 кГц. Емкость блокировочного конденсатора с холодного конца дросселя 3900 пФ (КСО-13).

Теперь о переменной составляющей тока через дроссель. Именно она определяет реактивную мощность дросселя.

И в нашем случае это также будет оптимальным решением. Однако, никто не запрещает свободу творчества и если Вам все-таки хочется применить параллельную схему в передатчиках мощностью 2 … 5 Вт, то возможны два выхода. Первый – наиболее предпочтительный, это, все-таки, отказаться от дросселя (настаиваю) и перейти к последовательной схеме питания анодной цепи выходного каскада, пустив переменную и постоянную составляющие анодного тока через контурную катушку. Второй – поскольку мощность передатчика и ток анода малы, выбрать индуктивность дросселя, при которой Хдр почти сравняется сRa . – При малой мощности и питании от электросети, КПД передатчика не очень важен и с активными потерями в дросселе можно мириться. – Даже при добротности дросселя Q = 10 (ну, уж, ниже некуда), КПД передатчика из-за потерь в дросселе снизится лишь на 7% (потери – половина от 1/Q, поскольку через дроссель течет 0,707 переменной составляющей анодного тока). Ну, и, 150 мВт (5% от 3 Вт) никак не перегреют дроссель.

С точки зрения потерь энергии в самом дросселе и его разогрева, переменная составляющая тока дросселя Iд 1 имеет определяющее значение. С учетом относительно большого соотношения между индуктивным и активным сопротивлениями катушки дросселя на рабочей частоте, модуль его полного сопротивления будет приблизительно равен индуктивному сопротивлению, и Iд 1 определяется как отношение переменной составляющей анодного напряжения к индуктивному сопротивлению дросселя: Iд 1 = Ua / Хдр.

Потери в дросселе на переменном токе P д1 = I 2 д 1 Хдр / Q = (Ea – Ea min) 2 / (kRa Q).

Положив, к примеру, мощность передатчика 5 Вт и Хдр = 1,3 Ra , при Ea = 250 В; Ea min = 60 В (узнается лампа 6П1П или 6П6С); при добротности дросселя 30, потери в нем составят:

P д1 = U 2 a / (kRa Q) = 190 2 /(1,3 х 3610 х 30) = 0,256 Вт; при Q = 15 они удвоятся, но все равно полватта дроссель не перегреют.

Поэтому в передатчиках с мощностью в районе 5 Вт так и поступаем: Хдр = 1,3 Ra . Однако, как предпочтительный вариант для мощностей передатчика в единицы ватт и менее, помним про последовательную схему анодной цепи (Рис. 2) – настаиваю в третий раз!

С увеличением мощности передатчика растут напряжения, токи и потери в дросселе и падает требуемая индуктивность. К примеру, на мощности в 25 Вт, реактивная мощность дросселя в 15 Вт и потери около 2 Вт, при Q = 15, уже вызовет сложности его реализации. Поэтому переменная составляющая тока анода, ответвляющаяся в дроссель должна быть меньше, а его индуктивное сопротивление, соответственно, больше. При соотношении сопротивлений Хдр = 2,5 Ra , реактивная мощность дросселя составит 16% от выходной мощности передатчика, что по абсолютному значению мощности потерь напоминает предыдущий случай. Потери малы. Годится.

При мощностях передатчика в 100 Вт, шестая часть мощности уже существенна и потери могут оказаться ощутимы. Увеличив соотношение сопротивлений до Хдр = 5Ra , реактивная мощность дросселя уменьшится, а потери останутся прежними, 0,5 … 1 Вт в зависимости от добротности дросселя. Имеются ввиду наиболее частые значения добротности дросселя 15 … 30.

При мощностях в 400 – 500 Вт и выше желательно, чтобы активная мощность, рассеиваемая на дросселе, не превышала бы первых единиц ватт, соответственно, реактивная, не была бы больше сотни. Соотношение Хдр = 7 Ra , позволяет реализовать это условие.

Если же Вы считаете допустимым нагрев дросселя при работе передатчика (например, в широкополосных связных радиостанциях, не предназначенных для длительной работы на передачу), то возможно снижение k до значения, при котором потери в дросселе не превысят заданную Вами норму и, как следствие, температуру перегрева дросселя.

В литературе известно соотношение для анодных дросселей передатчиков: отношение площади боковой поверхности однослойной намотки к мощности рассеяния должно быть приблизительно 20 см 2 /Вт. При меньшем значении дроссель будет перегреваться, при большем – не рационально выбран каркас слишком большого диаметра. Поскольку поперечное сечение каждой секции дросселя с намоткой «Универсаль» относительно невелико, обмотка разбита на секции, которые отнесены друг от друга и между ними имеет место конвекционное охлаждение, вполне допустимо ориентироваться на приведенное соотношение.

Площадь боковой поверхности дросселя УШ4.775.000 составляет:

S бок = π Nс [(D 2 в - D 2 к) / 2 + Dв l с] = 7 π [(3,5 2 - 3 2 ) / 2 + 3,5 х 0,6] = 81,9 см 2 ;

где, Nc – число секций; Dв – внешний диаметр намотки секции; Dк – диаметр каркаса; l с – ширина секции. Учитывая, что каждые 20 см 2 боковой поверхности обмотки могут рассеять 1 Вт, допустимая мощность рассеяния на этом дросселе составит 4 Вт.

Чем мощнее передатчик и чем дольше он работает на передачу в штатном режиме (особенно это актуально для радиовещательных передатчиков), тем тщательнее надо проектировать дроссель в его анодной цепи, и выбирать каркас большего диаметра, чтобы обеспечить высокую добротность, либо (на частотах до 2,5 … 3 МГц) использовать для намотки литцендрат.

Индуктивное сопротивление анодного дросселя на нижней рабочей частоте диапазона должно быть приблизительно в оговоренное выше k раз больше, чем эквивалентное сопротивление нагрузки в анодной цепи Ra , при которой выходной каскад передатчика выдает заданную мощность. Точность значения Хдр в пределах ± 12…15% вполне допустима при проектировании одночастотного передатчика, а вот при работе в полосе частот, надо уже укладываться в более жесткие допуски, поскольку у реальных дросселей соотношение верхней и нижней рабочих частот редко бывает более 1,5. Поэтому перед тем, как проектировать анодный дроссель, надо рассчитать сопротивление Ra . Поскольку ряд выходных мощностей передатчиков задан Техническими требованиями , а номенклатура рекомендуемых радиоламп для маломощных передатчиков конечна, можно составить следующую таблицу:

Таблица 1.

Примечания: Мощность в ваттах, напряжения в вольтах, токи в миллиамперах, сопротивления в омах, диаметр провода в миллиметрах, индуктивность в микрогенри. Анодные напряжения приведены с учетом того, что лампы работают в импульсном режиме и напряжение Еа нес присутствует на аноде запертой радиолампы; на аноде открытой радиолампы присутствует напряжение Еа min . Через дробь даны значения Ra между анодами ламп в двухтактной схеме. Множители 2 х, 4 х показывают сколько радиоламп работают в выходном каскаде передатчика под управлением многофазного синтезатора.

* Потери в дросселе на ВЧ рассчитаны: для строчек 1…4 при Q = 16; для строчек 5 и 6 при Q = 22; для строчек 7…12 при Q = 30; для строчек 13…16 при Q = 40. ** Радиолампа 1П24Б предназначена для носимых портативных передатчиков с батарейным питанием.

Расчетные соотношения для значений, приведенных в таблице, справедливы для граничного режима классов В и С, а также для импульсного режима классовD иF inv :

1. Амплитуда переменного напряжения на аноде лампы: Ua = Еа нес – Ea min ;

2. Эквивалентное сопротивление: Ra = U 2 a / 2 P нес;

3. Эффективное значение переменной составляющей тока дросселя: Iд 1 = 0,707 Ua / kRa;

4. Определение постоянной составляющей тока анода потребует нескольких действий:

4.1. Амплитуда тока первой гармоники Ia 1 = 2 P нес / Ua;

4.2. Амплитуда импульса анодного тока Ia max = Ia 1 / α 1 ;

4.3. Постоянная составляющая тока анода: Ia 0 = Ia max α 0 ;

где α 1 = 0,604 и α 0 = 0,401 - коэффициенты разложения плоского импульса при скважности q = 5 / 2 = 2,5 (при использовании синтезатора С9-1449-1800), поочередной работе двух радиоламп и с учетом реальной длительности фронтов импульсов тока анода 20 … 25 нс). Для возбуждения выходного каскада передатчика от синтезатора С9-1449-1800-4, имеющего скважность выходных импульсов 5,333, α 1 = 0,587 и α 0 = 0,377. Если же Вы хотите делать передатчик для линейного усиления в режиме класса В, с начальным током лампы лишь устанавливающим рабочую точку в начало линейного участка (для SSB или OFDM сигналов), то угол отсечки составит 90° , а форма импульса тока станет косинусоидальной, коэффициенты разложения будут иными: α 1 = 0,5 и α 0 = 0,319 , и постоянная составляющая тока через дроссель станет на 4% меньше, чем в первом случае. И с учетом 4% запаса значения Ia 0 в таблице 1 можно не пересчитывать.

Конечная формула примет вид: Ia 0 = 2 P нес α 0 / (Ua α 1);

5. Полный ток дросселя, нагружающий его провод, представляет собой корень квадратный из суммы квадратов переменной и постоянной составляющих: Iдр = √(I 2 д 1 + I 2 a 0);

6. Диаметр провода намотки дросселя при плотности тока 4 А/мм 2 составит: d = 0,018 √ Iдр; где d - в мм, а Iдр - в мА.

7. С учетом того, что индуктивное сопротивление дросселя на нижней рабочей частоте f н должно быть в k раз больше Ra , индуктивность дросселя составит: Lдр = k Ra / (2 π f н);

гдеf н = 1449 кГц – нижняя частота 200 метрового вещательного диапазона средних волн.

8. Мощность потерь в дросселе складывается из потерь на переменном и на постоянном токе:

Pдр = P д 1 + P д 0 = Ua Iд 1 / Q + I 2 a 0 Rдр .Потери на переменном токе можно также вычислить по следующей формуле: P д1 = U 2 a / (kRa Q), где, Rдр – активное сопротивление дросселя на постоянном токе, Q – добротность дросселя на рабочей частоте (типичные значения приведены выше).

Из таблицы 1 следует, что при мощностях до 100 Вт оптимален дроссель, индуктивностью в районе 400 - 700 мкГ (строки 1 – 10). Из опыта конструирования самодельных средневолновых вещательных передатчиков диапазона 200 метров на лампах 6П3С и 6П7С в 50-60-е годы прошлого века, вспоминается «народная» конструкция анодного дросселя, выполненная на резисторе ВС-2, сопротивлением 1 МΩ или более, и который содержал пять секций намотки «Универсаль» по 100 витков, провода ПЭЛШО-0,25 (Рис. 3).

Обращает на себя внимание точность совпадения индуктивности «народного» дросселя с расчетной индуктивностью дросселя по режиму радиолампы 6П3С - 635 мкГ (Табл. 1, строка 6).

Теперь про максимальное рабочее напряжение дросселя по прочности изоляции провода U пр max . Электрическая прочность (напряжение пробоя) изоляции провода ПЭЛШО на частоте 50 Гц составляет 700 - 1200 вольт. Считаем на худший случай. Рабочее напряжение должно быть в 2,5 – 3 раза меньше пробивного, то есть, на соседних проводах не может быть более 250 вольт. С повышением частоты это напряжение необходимо снижать, однако, поскольку основная изоляция приходится на относительно рыхлую шелковую обмотку (в основном воздух, или полистирольная пропитка, или парафин, возможно, церезин – частотные свойства которых хорошие), то снижать надо не сильно. Допустим, что на частотах до 2…3 МГц это снижение будет в 1,5 раза, то есть, на соседних проводах рабочее ВЧ напряжение не должно превышать 160 вольт.

При намотке типа «Универсаль» в указанных на чертеже дросселя размерах и 100 витках в секции провода ПЭЛШО-0,25, число двойных перекрестных слоев будет равно четырем (это видно на самой намотке, сбоку). Если принять допустимое рабочее напряжение между соседними двойными слоями 160 вольт, то рабочее напряжение, приложенное к одной секции, составит 640 вольт. Полное напряжение на всех пяти секциях дросселя – 3200 вольт. Поскольку при АЭМ амплитуда ВЧ напряжения на контуре (а значит и на дросселе) может достигать почти 4Ea нес , то с небольшим запасом Еа нес не должно быть больше 800 вольт. Похоже, что этот дроссель по своей изоляции годится не только для радиолампы 6П3С и 6П7С, но даже и для Г-807, вот только виточков в каждую секцию надо будет намотать по 135 для получения в два раза большей индуктивности. Дополнительные 35 витков образуют еще один двойной слой обмотки, и поэтому рабочее напряжение дросселя можно будет увеличить до 4000 вольт. Соответственно, напряжение анодного питания выходного каскада передатчика, куда этот дроссель можно применить, составит 1000 вольт. Получается, что такая конструкция и для радиолампы ГУ-50 тоже годится (но при условии, что в каждой секции будет по 135 витков). Вот оно, народное творчество, проверенное более чем полувековой историей!

Помимо максимального напряжения дросселя по прочности изоляции (учитываем на пике модуляции), есть еще максимальная длительно действующая амплитуда переменного рабочего напряжения дросселя по току (учитываем в режиме несущей), определяемая как произведение коэффициента формы синусоиды √2 на индуктивное сопротивление дросселя на нижней рабочей частоте X L = 2π f н L (гдеf н = 1449 кГц для 200 м диапазона средних волн), и на максимальное эффективное значение тока для провода, которым дроссель намотан I (мА) = (d / 0,02) 2 .

U i max = 0,707 π f н L (d / 0,02) 2

Это напряжение показывает, в цепь с каким максимальным переменным напряжением этот дроссель можно включать, чтобы через него не потек ВЧ ток больше допустимого для его провода. При проектировании передатчиков необходимо учитывать оба максимальных напряжения U пр max и U i max .

1. В 40-50-е годы прошлого века в маломощных ламповых армейских радиостанциях Р-104, Р-105, Р-108, Р-109 так и было сделано. Однако, эта схема имеет крайне низкую фильтрацию гармоник, и применима только в маломощных передатчиках и в тактических связных радиостанциях.
2. Технические требования к передатчикам Индивидуального радиовещания приведены в статье «Передающий комплекс Индивидуального радиовещания», Радио 2015 г, № 9, стр. 21-26.

Назначение и конструкция дросселей

Что такое дроссель?

Электрический дроссель - устройство, представляющее собой катушку индуктивности и предназначенное для ограничения переменной составляющей электрического тока. Другими словами, если ток в электрической цепи содержит постоянную и переменную составляющие то дроссель, последовательно включенный в эту электрическую цепь, за счёт своей индуктивности и большого сопротивления для переменного тока, значительно его снижает, а на постоянную составляющую тока, влияет минимально, за счёт низкого сопротивления постоянному току.

Рис. 1

Дроссели позволяют запасать электрическую энергию в магнитном поле. Типичное их применение - сглаживающие фильтры и различные селективные цепи. Их электрические характеристики определяются конструкцией, свойствами материала магнитопровода, его конфигурацией и числом витков катушки.
При выборе дросселя следует учитывать следующие характеристики:

• требуемое значение индуктивности (Гн, мГн, мкГн, нГн);
• максимальный ток катушки;
• допуск (величину отклонения от исходного значения) индуктивности;
• температурный коэффициент индуктивности (ТКИ);
• активное сопротивление провода катушки дросселя;
• добротность дросселя, которая определяется на рабочей частоте как отношение индуктивного и активного сопротивлений;
• частотный диапазон катушки.

В зависимости от диапазона частот технически различаются высокочастотные и низкочастотные дроссели

Высокочастотные дроссели подразделяются на два типа:

• с постоянным значением индуктивности;
• с переменным значением индуктивности, за счет подстраиваемого ферромагнитного сердечника.

Первый тип применяется, как правило, во входных цепях телефонных аппаратов, в сглаживающих фильтрах, в цепях питания ВЧ аппаратуры. Второй тип катушек используется в резонансных цепях - ВЧ, трактах приемных и передающих устройств.

В ламповых усилителях звуковой частоты высокочастотные дроссели, применяются крайне редко. Как правило их использование может быть предопределено схемотехникой выходных каскадов, построенных на высокочастотных пентодах большой мощности, предрасположенных к самовозбуждению на радиочастотах.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек. Конструкции дросселей высокой частоты показаны на рис. 2. Для дросселей длинных (а, б ) и средних (б, в ) волн применяется секционированная многослойная намотка. Дроссели для коротких (г ) волн и для метровых (д ) волн обычно имеют однослойную намотку - сплошную или с принудительным шагом. В качестве каркаса часто используются керамические стержни от сопротивлений ВС-0,5 и ВС-1,0.

Рис. 2

Высокочастотный дроссель можно изготовить самостоятельно, намотав необходимое количество витков, для получения нужной индуктивности на керамический или фторопластовый сердечник. Рассчитать необходимое количество витков можно по формулам, приведенным в разделе

Лучше использовать, выпускаемые промышленностью ВЧ дроссели. Они имеют понятную яркую цветовую маркировку и отличаются высокой добротностью.

Рис. 2

Предназначены для подавления низкочастотной составляющей переменного тока питающей сети и его гармоник. На рисунке 3, представлен низкочастотный дроссель, индуктивностью 3 Гн при токе подмагничивания 120 ma.

Рис. 3 Низкочастотный дроссель промышленного производства

Дроссели лучше, и проще всего использовать заводские, предпочтительнее от старых ламповых телевизоров Темп-6, Темп-6М, Темп-7, Рубин-102, Авангард, Беларусь, или других аналогичных по характеристикам старых телевизоров. Но если стоит задача изготовить ламповый усилитель высокого качества и надёжности своими руками, то дроссель придётся рассчитать, по приведенной ниже методике, и изготовить его самостоятельно. Принципиально новым подходом в современной ламповой схемотехнике, может оказаться требование обязательной настройки дросселей фильтра питания в резонанс на частоту 100 Гц. Это необходимо для повышения эффективности фильтрации выпрямленного напряжения.

Расчет низкочастотного дросселя для анодного источника питания

Дроссель - это важный элемент блока питания лампового усилителя. Совместно с электролитическими конденсаторами, он входит в состав П - образного низкочастотного фильтра и становится незаменимым элементом в цепи анодного питания усилителя класса Hi-End. В зависимости от мощностных характеристик усилителя и его качественных показателей, размеры дросселя могут сильно варьировать и доходить до половины размеров силового трансформатора.

Некоторые параметры , встречающиеся в расчетных формулах:
F - частота, Гц;
S c - площадь сечения сердечника, кв. см;
К с - коэффициент заполнения сердечника сталью;
S ok - площадь сечения окна, кв. см;
К ок - коэффициент заполнения окна медью;
В т - максимальная индукция в сердечнике, Тл;
J - плотность тока в проводах, А/кв. мм.
I - постоянный ток в проводе обмотки дросселя, А.

Главный параметр дросселя - его постоянная времени, отношение индуктивности к сопротивлению обмотки L/R . Чем выше требуется эта величина, тем больше должны быть габариты магнитопровода, чтобы провод нужного диаметра и длины поместился в окне сердечника.

Рассчитывается по уже известной формуле:

При неизменной степени постоянного подмагничивания индук-тивность получается максимальной при определенной длине немаг-нитного зазора lz . От величины этого зазора зависит эквивалентная магнитная проницаемость сердечника:

В присутствии постоянного подмагничивания lz уже не является независимой переменной. Ключевой величиной в расчете дросселей и трансформаторов является степень подмагничивания или количество погонных ампервитков (aw0 ).

Формула связи напряженности магнитного поля с инженерной величиной aw0 , приведена ниже:

Предлагаемый алгоритм расчета основан на экспериментальном графике зависимости магнитной проницаемости от aw0 рисунок 4.

Рис. 4 Экспериментальный график зависимости начальной магнитной проницаемости от aw0

Эти графики соответствуют массовым маркам сталей. Высококачественная сталь имеет в несколько раз большую магнитную проницаемость, однако в большинстве случаев рассчитывать на это не приходится. На графике показана зависимость начальной (т. е. в Отсутствие переменного магнитного поля) магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, выраженного в ампервитках на сантиметр. В системе СИ напряженность измеряется в амперах на метр. Следует помнить, что точки на графике соответствуют разным зазорам. Более высокие напряженности требуют большего зазора. В начале расчета величины aw0 и, соответственно, μ z не известны. Количество витков в обмотках может быть получено методом последовательных приближений по формуле:

Для этого в формулу подставляются параметры трансформатора, требуемая индуктивность и пробная величина μ проб, по полученному количеству витков вычисляется степень подмагничивания aw0 . По графику μ (aw0 ) находится μ z , вместо графиков при машинных расчетах можно использовать аппроксимирующие уравнения:

Пробная μ проб корректируется и снова просчитывается количество витков. Эта процедура проделывается несколько раз до тех пор, пока изменение количества витков от просчета к просчету не будет незначительным (несколько процентов). В большинстве случаев достаточно двух-трех проходов. Если новое значение больше старой μ проб , то μ проб следует увеличить так, чтобы она стала немного больше μ z и наоборот. В конце расчета необходимо убедиться, что получившиеся L , N удовлетворяют требованию конструктивной реализуемости. Для этого вычисляется максимальное сечение провода S , которое можно разместить в окне

Плотность тока в медном проводнике обмотки дросселя, рассчитывается по формуле:

Если плотность тока J не превышает обычных 1,5—2 А/кв. мм, то расчет можно считать оконченным, так как не требуется точного соответствия сопротивления оболочки заданному. Количество витков не должно превышать 3500—4000. При необходимости следует выбрать другой типоразмер магнитопровода и повторить расчет. При сборке намотанного дросселя необходимо уложить в зазор немагнитную прокладку нужной толщины. Точное соблюдение и подбор величины зазора необходимо только для выходных трансформаторов. Для дросселей вполне достаточно точности эмпирической формулы, приведенной ниже. Величина зазора рассчитывается в мм:

Намотка катушек дросселей не имеет особенностей. В большинстве случаев (для дросселей блоков питания) нет необходимости даже в межслоевой изоляции. Обмотка обычно находится под высоким потенциалом, поэтому она должна быть хорошо изолирована от сердечника. Пропитка дросселей, как правило, необходима, чтобы избежать гудения. Результаты расчета дросселя на очень распространенном и дешевом сердечнике от выходного трансформатора лампового телевизора Ш 16x25 с размером окна 16 х 40 мм, приведены в таблице №1:

Таблица №1

Рис. 17
КПЕ с разделённым статором может быть применён в качестве анодного конденсатора в П-контуре и обеспечивает оптимальную его настройку, при условии наличия достаточного расстояния между пластинами (чтобы не пробило ВЧ напряжением. Существует ещё один метод уменьшения начальной ёмкости анодного КПЕ. Подключив этот конденсатор к отводу от катушки П-контура, добиваемся уменьшения вносимой в контур ёмкости и уменьшения влияния КПЕ на частоту его настройки - UA9LAQ).
КПЕ с воздушным диэлектриком и вакуумные: Конденсаторы с воздушным диэлектриком легче найти, они и стóят дешевле, но имеют некоторые недостатки, изложенные выше. Вакуумные КПЕ - дороги, их не так легко найти, но только они, порой обеспечивают П-контуру, всё, что мы хотим от него получить и без применения дополнительных переключаемых конденсаторов постоянной ёмкости. Другим достоинством этих конденсаторов является высокое рабочее напряжение, нечувствительность к загрязнениям окружающей атмосферы и изменениям её влажности и давления и могут проводить большие ВЧ токи. Я никогда не слышал о том, чтобы какой-нибудь вакуумный конденсатор прострелило или в нём образовалась дуга. Средний конденсатор вакуумного типа, применяемый в КВ усилителе может пропускать через себя ВЧ токи во много раз превышающие те, которые способен давать реальный РА. Большинство вакуумных конденсаторов изменяют ёмкость от минимальной до максимальной путём поворота оси регулирования (многооборотные). Конструкция вакуумного КПЕ позволяет устанавливать различные отсчётные устройства со сбросом и установкой в определённое положение, требуемое для отдельных диапазонов. Ограничители в начале и конце регулировки ёмкости КПЕ также предусматриваются, чтобы избежать его повреждения. Установка вакуумных КПЕ может оказаться проблемою, а может и нет, так как большинство таких КПЕ содержат и монтажные приспособления, если таковых не предусмотрено, значит, их легко изготовить. Вакуумные КПЕ могут быть смонтированы в любом положении: вертикально, горизонтально, в подвешенном положении.
Для, по-настоящему, мощного усилителя, лучшим выбором будет применение вакуумных КПЕ, которые не прошивает даже при очень больших подводимых к ним мощностях. Да, не дёшевы они, но скупой платит дважды… (Попадание небольшой части воздуха во время хранения, транспортировки или эксплуатации делают такие КПЕ абсолютно непригодными из-за возникновения в них разрядов. Перед эксплуатацией необходимо проверить КПЕ на утечку с помощью высоковольтного тестера и оберегать их от деформации и ударов при эксплуатации - UA9LAQ).
Один момент: чем выше используемое в усилителе анодное напряжение, чем труднее найти подходящий КПЕ с воздушным диэлектриком, который бы выдержал постоянное анодное напряжение плюс ВЧ и не явился причиной возникновения дуг или проблем с перекрытием по ёмкости. При напряжении на аноде ламп(ы) РА в 3 кВ, ещё можно допустить применение КПЕ с воздушным диэлектриком, проблемы применения их при анодном напряжении 4 кВ и более возрастают по экспоненциальному закону. (Автор, видимо, имеет в виду непосредственное подключение КПЕ к аноду лампы без разделительного конденсатора, но и, будучи включенным после разделительного конденсатора, анодный конденсатор с воздушным диэлектриком в П-контуре должен иметь повышенное расстояние между пластинами: с повышением анодного напряжения возрастает выходное сопротивление лампы, а, значит, увеличивается и РЧ напряжение, значит, риск пробоя промежутка между пластинами КПЕ увеличивается - UA9LAQ).
При покупке вакуумных КПЕ, обратите внимание на состояние электродов (пластин) внутри стеклянного корпуса. Если они потеряли свой сияющий медный вид, значит, скорее всего в КПЕ нарушен вакуум. Если, при полном выкручивании регулировочного винта, отсутствует сопротивление, оказываемое при разведении пластин, то, скорее всего, КПЕ - сломан. В общем, перемещение пластин внутри КПЕ должно сопровождаться сопротивлением (требуется усилие), а внутренности КПЕ должны блестеть, как будто их только что начистили. Иначе, лучше обойдите этот КПЕ стороной!
Переключатель диапазонов: Не скупитесь на эту важную часть РА. Купите себе лучший, какой только сможете достать. Иначе, просто, пожалеете! Очень приличные переключатели изготавливает Radio Switch Corp. Их переключатель модели 86 - хорош, однако, самым лучшим является переключатель топ-модели 88. Этот переключатель рассчитан на напряжение 13 кВ и ток 30 А. Даже 5 кВт передатчик не сможет "зажечь дугу” на этом переключателе. Для П- или L- контуров в этом переключателе потребуется, по крайней мере, два набора контактов, но три – лучше. Группа контактов должна быть предусмотрена на каждый диапазон из используемых. Специальный переходник должен быть использован, чтобы соединить ось переключателя в П-контуре с осью переключателя входных контуров (т. е., при переключении диапазонов РА одной ручкой). Если на входе РА используются резисторы (ненастраиваемый вход), тогда, естественно, надобность в переходнике отпадает. Есть ещё возможность применения отдельных переключателей на входе и выходе усилителя, но, чтобы исключить установку переключателей в неверное несоответствующее положение, необходимо применить какую-либо блокировку: механическую или электронную.
На Рис. 17 показана конфигурация переключателя, которая поможет начинающему конструктору понять требования, предъявляемые к П-контуру на диапазоны 160…10 метров. Поохоттесь за подобными переключателями и на ярмарках, рынках, а также поищите в Интернете, пойдут и исправные б/у.
Накальные дроссели: Дроссель в цепи накала лампы с катодом прямого накала абсолютно необходим, при подогревных катодах, как у ламп типа 8877, без такого дросселя можно и обойтись. Катод прямого накала можно найти почти во всех старых мощных лампах со стеклянным баллоном, в качестве нити накала и катода там используется торированный вольфрам. На таком катоде присутствуют как большой ток, так и большое ВЧ напряжение, которые должны быть развязаны от проникновения в другие цепи, так что, тут и устанавливают мощные дроссели. Такой дроссель обычно громоздок, его намотка производится двойным проводом, виток к витку на ферритовом стержне и содержит количество витков, достаточное для полного удаления ВЧ после дросселя. Развязывающие конденсаторы, обычно ставят сразу после дросселя со стороны подвода напряжения накала от блока питания, на корпус. У этого типа дросселя - очень большая величина индуктивности, при этом, он обеспечивает прохождение через себя больших токов, Я опробовал также использование тороидального дросселя и остался им доволен, тем более, что этот дроссель имел и небольшие габариты.
В лампах с подогревными катодами, такой катод представляет собой оксидированный "рукав”, одетый на нить накала, которая его подогревает для получения электронной эмиссии. Катоды такого типа требуют меньших токов накала, чем первые, рассмотренные выше, и не допускают распространения ВЧ, так как катодный "рукав” оказывает постоянное экранирующее действие (внешняя сторона, сообразно со скин-эффектом излучает и втянута в схему функционирования ВЧ токов, нижняя РЧ токам не подвержена и служит замкнутым экраном, тут можно ещё вспомнить и про токи Фуко - UA9LAQ). Тем не менее, дроссели в цепь накала включать нужно, чтобы исключить попадание, пусть даже случайного выброса ВЧ в питающий комплекс. Дроссель накала в схемах с лампами, имеющими подогревные катоды, уже не должен быть большим, громоздким, иметь большую индуктивность, поскольку действующие в цепи накала ВЧ токи малы. Дроссель имеет небольшие габариты, намотан двойным проводом достаточного сечения для пропускания тока накала в резиновой или тефлоновой изоляции, намотка производится на небольшом кольцевом или стержневом ферритовом сердечнике. Индуктивность дросселя для работы на диапазонах 160…10 метров должна составлять 30…300 мкГн. Развязывающие конденсаторы включают с обоих проводов накала на корпус усилителя в точке подключения к дросселю со стороны блока питания. Ставьте также конденсаторы между проводами накала со стороны цоколя лампы и катодом. Связь нити накала по ВЧ с катодом будет способствовать выравниванию ВЧ потенциалов на обоих. Это будет препятствовать различного рода неоднородностям в сигналах: вспышкам, прострелам, хрустам, пробоям на нить накала, уравняет оба края нити накала по ВЧ, что устранит колебания накального напряжения.

Рис. 18
На Рис. 18 приведена типовая схема включения лампы с подогревным катодом с обычным накальным дросселем.
ALC: Эту схему необходимо делать обязательно. Обойтись без неё можно только в случае, если Вы используете лампу, которая может раскачиваться полной мощностью имеющегося возбудителя. Примером может являтся лампа 3CX1200A7, которая может раскачиваться мощностью до 120 Вт, включительно. Тем не менее, независимо от того, используете Вы лампу 8877 или 3CX800A7, мощности в 120 Вт вполне хватит, чтобы систематически выводить из строя сетки. Система ALC препятствует этому, но если Вам "нравится” менять лампы чаще, чем это требуется, не делайте никакой ALC. Лучшей точкой привязки возбудителя к усилителю является точка между реле приём/передача на входе и входным настраиваемым устройством.
Схема ALC детектирует в усилителе небольшую часть входного ВЧ сигнала возбудителя. Этот выпрямленный сигнал - отрицательной полярности и может изменяться в пределах от -1 до -12 В. Изменяющийся в отрицательную сторону сигнал подаётся обратно в возбудитель, который смещает усилитель мощности в возбудителе, а тот в свою очередь уменьшает выходную мощность возбудителя и этим предотвращает перекачку оконечного РА.
Процедура установки порога ALC заключается в следующем:
1. Настроить усилитель на полную выходную мощность.
2. Подстроить потенциометром установки порога ALC такой уровень, чтобы в выходном сигнале появилось едва заметное уменьшение его мощности.
3. Всё. Установка закончена.
После установки порога ALC, уровень ВЧ раскачки может быть увеличен или уменьшен, но максимальная выходная мощность усилителя, установленная с помощью регулятора ALC, уже не будет превышена.
Расположение регулировочного органа системы ALC может быть как на задней, так и на передней панели управления, но, в любом случае, хорошо помечено. Установочная регулировка оправдывает себя на практике, так как таковая не может быть случайно сбитой (для регулировки нужно взять отвёртку да ещё залезть под крышку, сняв возможный фиксатор). Однажды установленная, регулировка порога ALC редко изменяется.
На Рис. 19 показана типовая схема системы ALC, простая и эффективная.

Рис. 19
Регулироки: Наиболее заметная часть усилителя - панель регуляторов, она же и самая сложная. Есть много способов расположения и управления аппаратом. Насколько проста будет панель управления зависит от разработчика и изготовителя.
Существуют готовые платы, которые можно приобрести и установить в усилитель, но это немного не то, ведь самому создать усилитель с нуля – намного интереснее, тем не менее, для начинающего - это выход из положения. Помните, чем сложнее аппарат, тем труднее с ним управляться и ремонтировать. Простота и надёжность, - вот из чего нужно исходить при разработке усилителя. Если конструктор хочет создать полностью автоматизированный усилитель и чувствует, что может справиться с задачей, то флаг ему в руки… Трудновато будет, да и проблем будет, проблем… Для начинающих советую, строить самые простые, надёжные, без наворотов усилители. После того, как построите попроще, будут и более сложные аппараты, более изящные.
Вот так посмотрите на проблему: ”Ты - инженер-разработчик, ты решил, что сделаешь аппарат, сколько бы времени и сил это не потребовало!”
Послесловие: В наше время, когда легко купить и эксплуатировать любительское оборудование, какое хочешь, легко забыть о том удовлетворении, которое приносит самостоятельное его изготовление. Тот, кто покупает и потом играет дорогой игрушкой, никогда не испытает этого чувства. Тем, кто, всё-таки, хочет испытать его, приложить собственные руки и голову и сделать свой ВЧ усилитель, как их делали в своё время наши коллеги предшественники и посвящена настоящая статья. Невозможно описать словами то чувство завершённости, исполненного долга, удовлетворения от полученного опыта. А ещё и приобретёте чего-нибудь новенького в процессе…
Если у Вас есть вопросы, я с удовольствием поделюсь знаниями и опытом с Вами, если Вы этого искренне желаете.
73 de Matt Erickson, KK5DR
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) [email protected]
г. Тюмень ноябрь, 2003 г