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自製 7/14 MHz 40 瓦功率放大器

No.21   1994 Sep.   p60~63,   by 李錦鴻 / VR2GY 香港九龍中央郵局73328號信箱



    現在向大家介紹一個工作於 40 米和 20 米波長的 HF 波段功率放大器。這個功率放 大器線路,在電源供應 13.8V 時,如果有 1~3W 的輸入功率,它的輸出有 42 瓦 (7MHz) 和 40 瓦 (14MHz);在 12V 電源下,亦可輸出 28~30 瓦。

    它所使用的功率晶體管是 VHF 電路常用的 MRF238,在 175MHz 時,也有 30W 輸出 。由於被大量用在商業通信機上,所以, MRF238 比很多 HF 專用的晶體管更便宜, 也更容易找到。不過,它在 HF 波段工作時,由於增益較大,容易引起寄生振盪,必 須注意以下三點,才能穩定工作:

  1. 佈線要簡潔合理。
  2. 電源濾波做足功夫。
  3. 將 MRF238 的 B、E 兩極用金屬片隔離。

    由於坊間少有參考書介紹高頻功率放大電路,所以現在簡單分析電路工作原理。
線路圖 (請自行以 300 dpi 列印出來)


以 1:9 寬頻帶變壓器作交連

    首先假設輸入推動信號有 1W 以上,內阻為 50Ω。這個信號如果想完全交連到 MRF238 的基極,進行放大,就要使兩者的阻抗有較好的匹配。交連方法用得最多的 有兩種:「高頻寬頻帶變壓器」及「 LC 網路」。

    「高頻寬頻帶變壓器」因電路簡單,無需經常調節,所以被廣泛應用在成品的商業通 信機上。但由於沒有濾波作用,電路要另加濾波器;且磁芯難找,繞製不易。

    因此,表面看來,以 LC 網路匹配較佳,但從長遠觀點來看,寬頻帶放大器一定是主 流方向,而且:(1) LC 匹配網路在調整時極易失諧,使功率晶體管產生大量電流,而 於瞬間燒燬;(2) 寄生振盪和晶體管特有的二次電子崩潰現象,LC 網路實不宜非專 業的 HAM 去用在晶體管功率放大器上;(3) LC 網路的頻寬只有 50~100KHz 左右,這 樣每次由 7MHz QSY 到 14MHz,甚至由 14.000MHz 轉到 14.330MHz,也要調機一次 。

    基於上述因素,本線路便採用寬頻帶變壓器來作交連工作,把 7~14MHz 訊號,傳送 到 MRF238 的 B 極上。因為輸入阻抗為 50Ω,而 MRF238 的 B 極阻抗約 5~100, 所以 T1 便採用 9:1 的變壓器。


MRF238作功率晶體管

    當 MRF238 受到激勵後,C 極便產生相應訊號,它在 175MHz 工作時的增益約有 10 倍, MOTOROLA 手冊並沒有列出 1.8~30MHz 時的特性,經試驗後,測出約有 30~40 倍,因此,在輸入功率有 1~2W 時,輸出功率有 45W 以上 (用 LC 匹配則大於 50W ,原因下述)。

    MRF238 的輸出阻抗約有 2~3Ω,當要匹配 50Ω的天線時,高頻變壓器最好是 1:12 的阻抗,但這個比值的傳輸線式變壓器,很難繞製,接近數值的是 1:9 和 1:16,經試驗後,發覺以 1:9 較為理想。


先解決磁芯繞製問題

    在整個線性放大器電路中,最重要的是如何解決磁芯問題。因為用它來繞成的寬頻帶 傳輸線變壓器,如果不能工作,其他所有的努力都會白費。

    為此,筆者特從三方面去嘗試比較:

  1. 向外國訂購適當的磁環。
  2. 試驗本地找到的其他磁芯。
  3. 改善 PC 電源上常見磁環的繞製方法。

    經過多次的苦與樂後,初步有這樣情況:

  1. 外國的磁環,基本上可用在 1.8~30MHz 的 RF 線路上,功率相差在 20% 以內, 個別可工作至 50MHz,功率只下降 30~40%。
  2. 用在照相機閃光燈和電視放大器上的磁環,也有不錯效果,一般在 7~2lMHz 都能 工作,功率相差約 30%,但由於磁環體積不夠大,30W 左右就已飽和,且貨源亦 不穩定。
  3. 最容易找到而又價廉的 (HK$ 3~15 元),就是開關式電源 (SWITCHING POWER) 上的磁芯,筆者曾將它們繞製成 BALUN,用在 HF 天線上,但效果並不理想。
圖 1:將各組線圈先互相絞合,以加強線圈間交連度,再繞到磁環上。
Fig 1

    所以改變其繞製方法,情形會有所改善:將原來只是並行繞製的各組線圈,改為先互 相絞合,以加強線圈間交連度 (絞合完後,要測量線間是否短路),如圖 1。再用來 繞到磁環上,發覺效果確有改善。

    用來做 BALUN 時,在 3.5~14MHz 的 SWR,都優於 1:1.3,但頻率在 18MHz 以上的 SWR 仍然偏高。於是再將參考書上所說的 10-12 圈數,增加和減少,發覺增加圈數 時,情況更差;但當減少到 6~7 圈時,則有改善,已經可以工作到 28MHz (SWR < 1:1.2),用這個方法繞成的 BALUN,除了功率容量值稍為降低 (<300W) 外,其他特 性尚可接受。

    經過改變繞法的 BALUN 是這樣,但用在高頻變壓器上又如何?情況令人有些失望: 在 7~14MHz 上,可以有 40W 功率輸出,3.5 和 21MHz 則有 25W,而在 28MHz 則只 有 10W 了。

    效果雖然不好,但是考慮到:

  1. 7 和 14MHz 是我們用得較多的頻率。
  2. 更換磁芯後,情況立即改善,28MHz 時亦有 35W 功率。
  3. 開關式電源上的磁芯容易找到,而且功率容量的各種規格齊全 (60mm 內徑 + 2SC2782x2 推挽 =250W)。


自行繞製磁芯

    基於上述情況,所以這個 40W 放大器應該值得進行實驗的,而整個線路亦很簡單, 只是由 MOTOROLA 的 MRF238 高頻晶體管,組成單級的線性放大器而已。如果手頭上 尚有 2N6083、 2N5591 和 2SC1946 等流行的其他高頻晶體管,也是完全可以代用的 。

    本電路在 7MHz, 40W 輸出時,輸入電流約 4A,消耗功率約為:13.8Vx4A=55.2W,工 作效率為 72.5%,其他的功率大部份消耗成熱能,所以要用 20x 20cm 以上,或相當 面積的散熱器。而本電路所用的輸入輸出高頻寬頻帶變壓器 T1 和 T2,分別用內徑 15mm 和 30mm 磁芯繞製,如果不介意體積時,兩個都用 30-40mm 內徑亦可 (以下假 設 T1、T2 都相同)。

    繞製時,先準備 2 米長, 0.5~0.7mm 直徑的漆包線,再剪成 6 段約 33 公分長,做 為每組線圈,接著將每 3 段漆包線互相絞合 (如圖 1),線間絞合的程度約每公分 3~5 次。

    如果要絞合效果理想,可用鉗子將三段漆包線一端夾緊 (用紙或布做介質,以免夾傷 漆包線),另一端用慢速電鑽夾緊 (同樣加入紙、布介質),開動電鑽,使三段漆包 線互相絞合,並留意每公分旋轉次數,達到 3~5 圈便可。用這方法得出的絞合線, 又均勻又好看,大家不妨試試。
圖 2:當繞完 6 圈後,用小刀將每段線圈頭尾部份的漆皮刮去約 1 公分,使銅線裸 露出來,再把各線頭連接起來,便成為 T1、 T2 的傳輸線式高頻變壓器。
Fig 2

    接著,用絞合線在磁環上繞 6 圈,因為有些磁環沒有上釉,邊緣會很鋒利,極易弄 傷漆包線而短路 (磁環並不是絕緣的),這就得先在磁環上包一層膠布保護,而且三 段漆包線亦不可絞合太緊,以防漆皮脫落而短路。

    當繞完 6 圈後,用小刀將每股線圈頭尾部份的漆皮刮去約 1 公分,使銅線裸露出來 ,再按圖 2 所示,把各線頭連接起來,便成為 T1、T2 的傳輸線式高頻變壓器。T1 、T2 的 ABC 三組線圈一定要小心焊接,只要有一點焊錯,就可能使電路不能工作的 。

    有些 HAM 會提出疑問,為甚麼傳輸線式變壓器的阻抗,常見的只有 1:4、1:9 和 1:16,而少見其他數值?其實,我們只要了解它的結構就會明白,因為這種變壓器是 採用雙線、三線或四線並繞的形式,並繞時才能起傳輸線作用,提高通頻帶寬,減少 磁芯損耗功率。根據變壓器原理,它的圈數比,等於阻抗平方比,所以 1:2、1:3 和 1:4 圈數比的磁環,阻抗比就是 1:4、1:9 和 1:16。

    因為線徑和繞製技術限制,四線或以上的並繞法,很少使用,若要得到較高的阻抗比 值時,常常是將兩個或以上的變壓器串連使用。例如把 1:4 和 1:16 的傳輸線式變 壓器串連起來 (中間沒有磁交連),就可得到 1:64。


用天線調諧器再匹配一次

    但是,每個晶體管或電子管的輸出(入)阻抗都不會一致,因此,用簡單整數比的傳 輸線變壓器來匹配天線,肯定不會是最佳狀態。另外,經晶體管放大後的訊號,產生 二次、三次或以上的諧波是無可避免的,因此最好採用天線調諧器,加在本電路與天 線之間,再匹配一次,既可濾去部份諧波,又能使輸出功率再提高到 50W 左右。同 時,亦可防止當天線 SWR 突然變大時,反射功率使 Q1 發生過熱而燒燬。


用REMOTE KEY同步發射

    為使這個放大器能工作於 SSB,所以加入 B 極偏壓電路,調整 100Ω 2W 的電阻, 使 MRF238 靜止時有 10~15ma IC 便可。而線路中的繼電器和 REMOTE KEY 電路,主 要是用作接收和發射轉換的。

    由於 SSB 訊號是不恆定的,用檢波方法來自動轉換並不可行,所以要用 REMOTE KEY 加以控制,很多 SSB 手機都有這種功能的,如果是作為 QRP 的放大器,可在 CW 的 KEY 制,另接一對線到本電路的 REMOTE KEY 上,便可同步工作。


散熱問題及電視機干擾

    本電路只要更換不同晶體管及相應電源供應,就可得到各種輸出功率,如 2N6082 有 30W,2SC2630 有 90W,而用 MRF245 或 2SC2782,輸出可達 120W/7MHz 和 110W/14MHz,不過,要留意散熱問題,及是否對電視機產生干擾 (TVI)。 END



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