Zadatak ovog ~lanka je da zainteresovanim graditeljima opi{e gradnju nekoliko poja~ava~a snage za VHF podru~je, preciznije za opsege od 50 i 144 MHz.
U principu }e biti razmatrana dva tipa poja~ava~a: sa jednim i sa dva tranzistora. Osim opisa koji se odnose na konkretne gradnje bi}e re~i i o nekim op{tim mestima koja se odnose na gradnju tranzistorskih poja~ava~a za VHF podru~je.
Pristupanje gradnji poja~ava~a po~inje izborom tranzistora koji, u krajnjoj liniji, diktira i ono {to }e se njegovom upotrebom dobiti kao rezultat. Kvalitet jednog poja~ava~a odre|uje nekoliko parametara na osnovu kojih je mogu}e doneti sud o njegovom kvalitetu.
Za jedan poja~ava~ mo`emo re}i da je kvalitetan ukoliko poseduje slede}e karkateristike:
Neki od gore pomenutih zahteva su protivre~ni i ~esto se moraju re{avati raznim kompromisima, dok su drugi saglasni i ostvarivanjem jednih, automatski ostvarujemo i druge.
Veliki stepen korisnog dejstva predstavlja najva`niji zahtev i njegovim maksimiziranjem ujedno dobijamo da se i ve}ina ostalih zahteva pribli`ava svom optimalnom zadovoljenju.
Osim arbitrarno izabrane radne ta~ke ili klase u kojoj }e tranzistor da radi, na ovaj zahtev uti~e i izlazno prilago|enje tranzistora, kao i gubici kola kojim se ono vr{i.
Da bi jedan tranzistor imao najve}i stepen iskori{}enja potrebno je:
- Da se jednosmerni naponi i struje koje daje proizvo|a~ tranzistora za odre|enu klasu rada, striktno po{tuju.
- Da tranzistor bude tako prilago|en da na svom izlazu “vidi” ta~no, od proizvo|a~a odre|enu impedansu pri kojoj daje najve}u snagu uz minimalna izobli~enja i najve}u efikasnost. Pri tome gubici u kolima za prilago|enje moraju biti minimalni.
- Da pri tome temperatura tranzistora bude ispod maksimalno dozvoljene, {to se obezbe|uje adekvatnim hla|enjem.
Ispunjenjem ovih uslova dobija se veliki stepen korisnog dejstva, najve}a izlazna snaga, relativno niska radna temperatura, i vrlo mala harmonijska i IMD izobli~enja.
Drugi uslov, veliko poja~anje snage, ostvaruje se pravilnim prilago|avanjem tranzistora na ulazu i njegovim stabilnim radom. Gubici u kolima za prilago|enje direktno uti~u na smanjenje poja~anja snage.
Jo{ jedan veoma va`an uslov koji se mora ispuniti da bi se dobilo veliko poja~anje je jako dobro uzemljenje emitera ili sorsa kod FE tranzistora. Veza emitera ili sorsa sa masom mora biti ekstremno kratka, tj. ekstremno male otpornosti!
Stabilnost poja~ava~a zavisi od samog tranzistora, ali u velikoj meri i od svih ostalih faktora kao {to su: prilago|enje, mehani~ka konstrukcija i razdvajanje elektri~nih puteva ulaznog i izlaznog kola, ili jednostavnije: re{avanje poznatog problema zajedni~ke mase kod poja~ava~a na visokim frekvencijama. Na ovaj na~in se elimini{u ne`eljene povratne sprege izme|u ulaza i izlaza.
Najva`nija stvar za stabilnost svakog poja~ava~a je obezbediti da na niskim frekvencijama, daleko ispod radne, gde tranzistori imaju ogromno poja~anje, baza i kolektor gledaju u aktivnu otpornost od nekoliko desetina oma. U slu~aju da kolektor ili baza na niskim frekvencijama umesto otpornika vide “kratak spoj” preko nekog velikog kapaciteta, ili “otvoreno” preko neke velike induktivnosti, vrlo lako dolazi do oscilovanja poja~ava~a.
Tre}i uslov, dobro potiskivanje vi{ih harmonika i mali nivo generisanih intermodulacionih produkata (IMD) zavisi tako|e od mnogo faktora. Nabrojimo samo neke: izbor optimalne vrednosti radnog faktora dobrote (QL) izlaznog kola, linearnost izabrane radne ta~ke tranzistora, izlazno prilago|enje tranzistora, mala izlazna otpornost kola za pretpolarizaciju baze, veli~ina snage pobude, itd.
Pravilnom konstrukcijom poja~ava~a, ne`eljeni sporedni produkti koje }e poja~ava~ da generi{e mogu se svesti na minimum, i nakon toga, neki od njih, mogu se jo{ dodatno oslabiti filterskim osobinama pravilno dizajniranog izlaznog kola.
Na`alost, neki od produkata (intermodulacioni produkti neparnog reda) ne mogu se filterski oslabiti jer padaju vrlo blizu radne frekvencije. Na njih se mo`e uticati jedino pravilnim dizajniranjem poja~ava~a koji onda, zahvaljuju}i svojoj linearnosti, generi{e vrlo mali nivo ovih ne`eljenih produkata. Parni harmonici i parni red intermodulacionih produkata mogu se efikasno smanjiti upotrebom push-pull poja~ava~a. U tome i le`i njihova prednost u odnosu na poja~ava~e koji rade u paralelnom spoju dva tranzistora.
Kod poja~ava~a koji rade u linearnim klasama (A i AB) pravilan izbor kola za pretpolarizaciju baze je tako|e vrlo bitan i on obezbedjuje dobru linearnost ulaznog signala {to je bitan preduslov za lineran rad poja~ava~a. Ovde je svakako od uticaja i stabilnost kolektorskog napona, koji mora da bude stabilisan za poja~ava~e do oko 20 V, a za napone iznad toga dovoljno je da bude jako “tvrd”.
Za linearan rad poja~ava~a od sudbinske va`nosti je i nivo dovedene snage pobude, koja ne sme da bude prevelika, jer ona tranzistor “odgura” u nelinearni radni re`im.
Termi~ka stabilnost se obezbe|uje pravilnim izborom hladnjaka i {to je jo{ va`nije pravilnom monta`om tranzistora na njega. Da bi se kompenzovalo termi~ko klizanje radne ta~ke potrebno je napraviti termi~ku povratnu spregu, koja }e monitorisanjem temperature tranzistora menjati prednapon baze, tj. veli~inu mirne struje, a time odr`avati stabilnom jednosmernu radnu ta~ku.
Ovde su samo u kra}im crtama nazna~eni svi oni uslovi koji se moraju ispuniti da bi jedan poja~ava~ mogao da nosi epitet kvalitetan. Ova tema je {ire obrazlagana u literaturi [1] i zainteresovani se u njoj mogu bli`e upoznati sa detaljima. Tako|e se kopija ovog ~lanka mo`e na}i na Internet adresi datoj u literturi [2].
Na sl. 1 prikazana je {ema veze poja~ava~a snage sa jednim tranzistorom. Ulazno prilago|enje izvedeno je sa kolom koje ~ine C1, C2 i L1. Radni Q faktor ovog kola iznosi oko 10-15 {to je optimalna vrednost za ovaj slu~aj. Pretpolarizacija baze dovodi se preko RF prigu{nice RFB koja je obi~na feritna prigu{nica VK 200 ili poznatija kao prigu{nica “sa 6 rupica”.
Izlazno kolo koje vr{i prilago|avanje tranzistora na 50 oma izlaz je izvedeno sa L2, C4 i C3. Svi kondenzatori u kolima za prilago|enje su ARCO kerami~ko-liskunski trimeri odgovaraju}eg kapaciteta. Vrednosti elemenata kola za prilago|enje u tabeli 1. su prora~unske i u odnosu na njih treba izabrati kondenzatore sa odgovaraju}im opsegom pode{avanja. Opseg kapaciteta pojedinih trimera dat je brojem koji je od{tampan na trimeru. U tabeli 3. dati su pojedini tipovi trimera i odgovaraju}i opsezi promene kapaciteta. U tabeli 2. date su veli~ine napona, struja, snaga i efikasnosti za svaki tip tranzistora posebno.
Kolektorski napon dovodi se preko prigu{nice RFC koja nije feritna ve} je motana u vazduhu. Pre~nik tela na kome se mota ova prigu{nica je D=5 mm, du`ina prigu{nice je l=12 mm, broj zavoja je n=8 i debljina `ice je d=0.8 mm.
Iza nje sledi kondenzator realativno malog kapaciteta, koji blokira na masu VHF frekvencije. Za blokadu niskih frekvencija zadu`en je kondenzator od 100 nF koji ih preko otpornika od 15 oma vodi na masu. Prigu{nica vezana paraleno otporniku je feritna VK 200 ili neka sli~na koja mo`e da izdr`i veliku struju koja te~e kroz tranzistor.
Pretpolarizacija baze je izvedena pomo}u tranzistora BD135 vezanog kao emiter-folower koji ima ekstremno nisku izlaznu otpornost, {to je preduslov za stabilnu radnu ta~ku.
Termi~ko monitorisanje i kompenzacija termi~kog klizanja radne ta~ke izvedeni su preko diode D1 koja je mehani~ki tako postavljena da ima fizi~ki i termi~ki kontakt sa tranzistorom (a ne sa hladnjakom!) {to omogu}ava stabilan rad u velikom opsegu temperatura. Druga dioda, D2 monitori{e temperaturu ambijenta. Obe diode su tipa 1N4007 ili neke sli~ne. Tranzistor BD135 je montiran na isti hladnjak na koji je i RF tranzistor.
Pode{avanje radne ta~ke, tj. mirne struje tranzistora izvedeno je pomo}u trimer potenciometra od 5 koma.
Osim elektrolitskih (ili tantal) kondenzatora svi ostali su disk kerami~ki ili neki sli~nog kvaliteta za VHF.
Kao {to se sa {eme na sl. 2 vidi ovde se radi o dva identi~na poja~ava~a koji su spojeni preko vodova za simetriranje i rade u simetri~nom protivfaznom re`imu ili tzv. push-pull spoju.
Kola za napajanje baze i kolektora pojedinih tranzistora izvedena su identi~no kao kod poja~ava~a sa jednim tranzistorom. I kola za ulazno i izlazno prilago|enje su izvedena sli~no. Jedina novina su dva komada koaksijalnog kabla du`ine l=95 mm i karakteristi~ne impedanse 50 oma koji vr{e transformaciju asimetri~nog ulaza i izlaza poja~ava~a na simetri~ni spoj dva tranzistora. Treba koristiti teflonski tanki kabl od par milimetara debljine tipa RG-142 ili sli~an.
Koaksijalni kabl se mo`e smotati u kalem ili, jo{ bolje, namotati na neki mali feritni torus ili ve}u perlu. Mo`e se u tu svrhu iskoristiti ferit sa dve rupice kroz koji se namota jedan navoj. Kori{}enjem dva takva ferita mogu se namotati 2 zavoja. Ukoliko nemate torus, mogu se navu}i na kabl male feritne perle sa jednom rupicom tako da na svakom kraju bude po jedna, a jo{ bolje je ako se navu~e nekoliko komada i rasporedi po celoj du`ini kabla. Ovo }e dodatno popraviti simetriju transformatora posebno na niskim frekvencijama, {to mo`e biti zna~ajno za stabilnost poja~ava~a.
Ono {to je veoma va`no i {to se nikako ne sme izgubiti iz vida je da ceo poja~ava~ mora biti maksimalno simetri~an kako u pogledu mehani~kog razme{taja komponenti tako i u elektri~nim parametrima (vrednosti elemenata, struje i naponi na pojedinim ta~kama, itd.), kako bi se postigla {to ve}a snaga, poja~anje, iskori{}enje i potiskivanje parnih harmonika.
Prilikom pode{avanja vrlo je va`no odr`avati kapacitete C1 i C3 u kolu jednog tranzistora {to pribli`nije vrednostima njihovih parnjaka na drugom tranzistoru.
To je jedino {to je kriti~no kod ovakvog tipa poja~ava~a, i ako se o tome dovoljno vodi ra~una sve ostalo nije problem.
Ceo poja~ava~ treba sagraditi na relativno malom komadu jednostruko ka{iranog vitroplasta FR4. Metalizirana strana je okrenuta gore i na njoj su napravljena mala ostrva na koje se leme elementi. Izvodi emitera su {to je mogu}e kra}e zalemljeni na masu plo~ice.
Tranzistor treba da bude montiran na veliki hladnjak uz obavezno kori{}enje termo-paste kao {to je prikazano na sl. 3. Povr{ina plo~ice treba da bude mala kako bi se omogu}ilo da rebra hladnjaka budu {to bli`e tranzistoru. Va`no je da rupa koja se bu{i za monta`u tranzistora na hladnjak bude taman tolika da zavrtanj prodje kroz nju, kao bi se {to bolje tranzistor hladio.
Ako se radi o tranzistorima koji imaju stopice onda one moraju da nale`u veoma dobro celom povr{inom na hladnjak. Povr{ina hladnjaka na koju nale`e ku}i{te tranzistora ili stopica moraju biti glatki. Izlazni i ulazni konektori mogu biti pri~vr{}eni na plo~icu, ali i na hladnjak ili eventualnu kutiju i spojeni sa plo~icom pomo}u koaksijalnog kabla ~ije se mase leme na obe strane. Klemovi u kolima za prilagodjenje L1 i L2 moraju se tako montirati da njihove ose budu pod pravim uglom, da bi se smanjila me|usobna sprega.
Kada je sve spojeno kao na slici sl. 4 odnosno sl. 5 proveriti jo{ jednom da nema nekih gre{aka, proveriti da nema kratkih spojeva na masu i potom podesiti potenciometre za prednapon na maksimalnu otpornost.
Priklju~iti napon napajanja jednog tranzistora i podesiti mu mirnu struju Ic0 na datu vrednost iz tabele 2. {to preciznije. Isto uraditi i sa drugim tranzistorom. Jo{ va`nije od ta~ne vrednosti struje mirovanja je to da su one identi~ne kod oba tranzistora!
Potom oba tranzistora priklju~iti na napon napajanja i priklju~iti ve{ta~ku antenu od 50 oma na izlaz preko proto~nog vatmetra ili SWR metra. U nedostatku ve{ta~ke antene mo`e se iskoristiti neka dobra antena sa malim SWR. Dati malu pobudu i merenjem izlazne snage pode{avati naizmeni~no trimere dok se ne dobije maksimum izlazne snage. Ponoviti pode{avanje nekoliko puta postupno pove}avaju}i snagu pobude. Na kraju sa punom pobudom koja ne sme da bude tolika da se prekora~i dozvoljena izlazna snaga, podesiti sve trimere na najve}u izlaznu snagu. Pri tome je dobro meriti struju tranzistora kako se ne bi desilo da se prekora~i maksimalno dozvoljena vrednost.
U slu~aju da ulazni trimer kondenzatori C1 i C2 ili jedan od njih pri pode{avanju tra`e da budu sa maksimalnim ili sa minimalnim kapacitetom, potrebno je promeniti du`inu kabla izme|u radio-ure|aja kojim se pobu|uje poja~ava~ i samog poja~ava~a. Eksperimentalno treba odrediti optimalnu du`inu ovog kabla da bi se dobilo pode{avanje sa pribli`no onim vrednostima kapaciteta C1 i C2 koje su date. Pri upotrebi poja~ava~a treba uvek koristiti taj eksperimentalno odre|en kabl. Promena radio-ure|aja mo`e ponekad zahtevati i ponovno odre|ivanje ove du`ine kabla.
Ovim je pode{avanje gotovo.
Kod push-pull poja~ava~a jako je va`no da se pode{avanje vr{i tako da se odogovaraju}i trimeri na svakom tranzistoru pode{avaju jedan za drugim kako bi se obezbedilo da oni
sve vreme pode{avanja imaju pribli`no iste kapacitete. Ovakvim o~uvanjem simetrije tokom pode{avanja izbegavaju se vrlo opasne situacije kada zbog totalne nesimetrije mo`e do}i do samooscilovanja poja~ava~a.
Za tranzistore sa vi{im naponom napajanja od 20V mo`e se koristiti i ispravlja~ koji nije stabilisan ali je tako konstruisan da ima veoma tvrd napon koji je dat na sl. 6.
Da bi jedan ispravlja~ imao tvrd napon potrebno je da bude obilato dimenzionisan, kako sam transformator, tako i banka elektrolita. Transformator treba da ima i jezgro i bakar tako dimenzionisane da bude ustvari malo predimenzionisan.
Da bi se izbeglo izgaranje osigura~a u primaru zbog ogromnih struja punjenja elektrolita, potrebno je ugraditi sklop za odgo|eno uklju~enje. To se jednostavno realizuje pomo}u jednog releja za 220 V~ koje je spojeno kako se vidi na {emi.
U momentu uklju~enja transformator je vezan na napajanje preko otpornika koji spre~ava velike struje punjenja. Kada se elektroliti napune i prelazne pojave u transformatoru smire smanjuje se struja kroz otpornik, napon na primaru raste i uklju~uje se rele koje premosti otpornik svojim kontaktima. Mnogi na ovim mestim koriste releje koji se preko nekog elektronskog tajmera uklju~uje posle par desetina sekundi, ali to je iako naizgled elegantnije, neuporedivo lo{ije re{enje, posebno iz dva razloga: prvo, u slu~aju vrlo kratkotrajnog ispada napona zbog vremenske konstante koja nije uspela da se resetuje (obi~no neki elektrolit ne uspe da se isprazni) dolazi do ponovnog uklju~enja napona bez odgo|enja, i drugo, u slu~aju nekog kvara zbog koga je enormno pove}ana potro{nja kod ovde predlo`enog re{enja rele se ne}e ni uklju~iti, tj. ceo sistem }e sebe za{titi od prevelike struje, dok }e u onom lo{ijem re{enju tajmer uklju~iti rele a time i pun napon, ne vode}i ra~una o tome {to je ne{to neispravno i {to je struja enormno pove}ana.
Tranzistori sa kolektorskim naponom od 12 - 18V moraju se napajati sa stabiliziranim naponom. U takvim ispravlja~ima treba obavezno da bude ugra|en tiristorski sklop za zastitu od prenapona. Taj sklop mora da izvr{i spajanje napona preko tiristora na masu i time izvr{i forsirano izgaranje osigura~a u slu~aju da napon pre|e neku unapred zadatu vrednost, {to je uvek slu~aj kada do|e do proboja rednog tranzistora koji vr{i stabilizaciju. Ovim se, namernim izgaranjem osigura~a, spre~ava izgaranje RF tranzistora, tj. njegov proboj usled prevelikog napona napajanja. Ne preporu~uje se nikakva relejna za{tita u ovakvim slu~ajevima jer ona jednostavno ne mo`e dovoljno brzo da odreaguje i dok se napon releom isklju~i tranzistor je ve} uveliko spaljen.
|
TRANZISTOR |
FR. [MHz] |
C1 [pF] |
C2 [pF] |
C3 [pF] |
C4 [pF] |
L1 |
L2 |
|||||||||
|
Ind. [nH] |
D
[mm] |
l [mm] |
n [zav] |
d [mm] |
Ind. [nH] |
D [mm] |
l [mm] |
n [zav] |
d [mm] |
|||||||
|
BLW76 |
50 |
36 |
200 |
21 |
46 |
44 |
6.5 |
6 |
3 |
1.2 |
157 |
12 |
10 |
4 |
1.5 |
|
|
2XBLX15 |
50 |
67 |
180 |
27 |
15 |
23 |
6 |
4 |
2 |
1.2 |
195 |
15 |
12 |
4 |
1.5 |
|
|
BLX15 |
50 |
56 |
363 |
20 |
37 |
23 |
6 |
4 |
2 |
1.2 |
195 |
15 |
12 |
4 |
1.5 |
|
|
MRF317 |
50 |
40 |
210 |
24 |
57 |
47 |
10 |
10 |
2.6 |
2 |
140 |
15 |
15 |
3.7 |
2 |
|
|
2xBLW84 |
145 |
12 |
33 |
5 |
3.3 |
15 |
6 |
3 |
1.5 |
1.2 |
113 |
10 |
10 |
4 |
1.5 |
|
|
2xMRF245 |
145 |
21 |
50 |
21 |
33 |
7.5 |
7 |
3 |
1 |
1.5 |
14 |
10 |
4 |
1 |
2 |
|
|
2xMRF247 |
145 |
21 |
50 |
21 |
33 |
7.5 |
7 |
3 |
1 |
1.5 |
14 |
10 |
4 |
1 |
2 |
|
|
MRF317 |
145 |
6.7 |
18 |
13 |
46 |
48 |
10 |
10 |
2.7 |
2 |
22 |
15 |
5 |
1 |
2 |
|
|
MRF247 |
145 |
18 |
110 |
18 |
80 |
8 |
7 |
3 |
1 |
1.5 |
13 |
10 |
4 |
1 |
2 |
|
|
MRF238 |
145 |
13 |
67 |
10 |
31 |
14 |
8 |
4 |
1.3 |
1.5 |
29 |
12 |
5 |
1.5 |
2 |
|
|
TRANZISTOR |
FREKVENCIJA [MHz] |
Uc [V] |
Ic0 [mA] |
Icmax [A] |
Pdrive [W] |
Pout [W] |
EFIKAS-NOST [%] |
|
|
BLX15 |
50 |
50 |
50 |
6.5 |
15 |
150 |
65 |
|
|
BLW76 |
50 |
28 |
50 |
8 |
6 |
90 |
60 |
|
|
MRF317 |
50/145 |
28 |
10 |
6.5 |
12 |
100 |
60 |
|
|
MRF238 |
145 |
13.8 |
20 |
4 |
3 |
30 |
55 |
|
|
2xMRF245 |
145 |
13.5 |
2x30 |
2x18 |
35 |
200 |
50 |
|
|
2xBLW84 |
145 |
28 |
2x30 |
2x2 |
6 |
60 |
55 |
|
|
2xMRF247 |
145 |
13.5 |
2x30 |
2x18 |
35 |
200 |
50 |
|
TIP ARCO TRIMERA |
OPSEG KAPACITETA |
|
404 |
7 pF - 60 pF |
|
423 |
7 pF - 156 pF |
|
426 |
37 pf - 250 pF |
|
462 |
5 pF - 80 pF |
U prezentiranom ~lanku dati su neophodni uslovi za realizaciju tranzistorskih poja~ava~a snage za VHF podru~je. Na osnovu izlo`enog mo`e se zaklju~iti da su predlo`eni poja~ava~i tako koncipirani i dizajnirani da se u najve}oj meri postignu optimalni rezultati u pogledu performansi uz maksimalnu jednostavnost u gradnji i pode{avanju.
Realizovani poja~ava~i u praksi pokazali su dobro slaganje sa o~ekivanim rezultatima {to ukazuje na opravdanost predlo`enih re{enja.
Izgledi {tampanih plo~ica dati su na sl. 7 i sl. 8. Za tranzistore koji imaju druga~ije ku}i{te treba modifikovati plo~icu tako da ona odgovara tipu ku}i{ta upotrebljenog tranzistora vode}i ra~una o tome da izvodi emitera budu {to kra}e spojeni na masu.
Zahvaljujem se svim mojim kolegama koji su mi pomogli prakti~nom realizacijom mnogobrojnih poja~ava~a koje sam tokom godina projektovao. Neki od njih nisu ovde objavljeni zbog toga {to su korisili neke dosta retke i te{ko dostupne tipove tranzistora. Ali svi oni za koje sam smatrao da se mogu relativno lako realizovati i u svemu drugom odgovaraju ve}ini graditelja, ovde su sakupljeni i objavljeni.
[1] Dragoslav Dobri~i}, YU1AW Tranzistorski poja~ava~i snage za 144 MHz,
(I deo) “Radioamater” 2/1988 str. 34-37., (II deo) “Radioamater” 3/1988 str. 66-68.
[2] Internet
adresa: www.yu1aw.homestead.com i
www.qsl.net/yu1aw/