Dragoslav Dobričić, YU1AW

TRANZISTORSKI POJAČAVAČI SNAGE ZA VHF

Uvod

Zadatak ovog članka je da zainteresovanim graditeljima opiše gradnju nekoliko pojačavača snage za VHF područje, preciznije za opsege od 50 i 144 MHz.

U principu će biti razmatrana dva tipa pojačavača: sa jednim i sa dva tranzistora. Osim opisa koji se odnose na konkretne gradnje biće reči i o nekim opštim mestima koja se odnose na gradnju tranzistorskih pojačavača za VHF područje.

Kvalitetan pojačavač

Pristupanje gradnji pojačavača počinje izborom tranzistora koji, u krajnjoj liniji, diktira i ono što će se njegovom upotrebom dobiti kao rezultat. Kvalitet jednog pojačavača određuje nekoliko parametara na osnovu kojih je moguće doneti sud o njegovom kvalitetu.

Za jedan pojačavač možemo reći da je kvalitetan ukoliko poseduje sledeće karkateristike:

1. Veliki stepen korisnog dejstva
2. Veliko pojačanje snage
3. Dobro potiskivanje harmonika i mali nivo IMD produkata
4. Dobru električnu i termičku stabilnost
5. Jednostavnost izrade i podešavanja

Neki od gore pomenutih zahteva su protivrečni i često se moraju rešavati raznim kompromisima, dok su drugi saglasni i ostvarivanjem jednih, automatski ostvarujemo i druge.

Veliki stepen korisnog dejstva predstavlja najvažniji zahtev i njegovim maksimiziranjem ujedno dobijamo da se i većina ostalih zahteva približava svom optimalnom zadovoljenju.

Osim arbitrarno izabrane radne tačke ili klase u kojoj će tranzistor da radi, na ovaj zahtev utiče i izlazno prilagođenje tranzistora, kao i gubici kola kojim se ono vrši.

Da bi jedan tranzistor imao najveći stepen iskorišćenja potrebno je:

        -Da se jednosmerni naponi i struje koje daje proizvođač tranzistora za određenu klasu rada, striktno poštuju.

        -Da tranzistor bude tako prilagođen da na svom izlazu “vidi” tačno, od proizvođača određenu impedansu pri kojoj daje najveću snagu uz minimalna izobličenja i najveću efikasnost. Pri tome gubici u kolima za prilagođenje moraju biti minimalni.

        -Da pri tome temperatura tranzistora bude ispod maksimalno dozvoljene, što se obezbeđuje adekvatnim hlađenjem.

Ispunjenjem ovih uslova dobija se veliki stepen korisnog dejstva, najveća izlazna snaga, relativno niska radna temperatura, i vrlo mala harmonijska i IMD izobličenja.

Drugi uslov, veliko pojačanje snage, ostvaruje se pravilnim prilagođavanjem tranzistora na ulazu i njegovim stabilnim radom. Gubici u kolima za prilagođenje direktno utiču na smanjenje pojačanja snage.

Još jedan veoma važan uslov koji se mora ispuniti da bi se dobilo veliko pojačanje 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 pojačavača zavisi od samog tranzistora, ali u velikoj meri i od svih ostalih faktora kao što su: prilagođenje, mehanička konstrukcija i razdvajanje električnih puteva ulaznog i izlaznog kola, ili jednostavnije: rešavanje poznatog problema zajedničke mase kod pojačavača na visokim frekvencijama. Na ovaj način se eliminišu neželjene povratne sprege između ulaza i izlaza.

Najvažnija stvar za stabilnost svakog pojačavača je obezbediti da na niskim frekvencijama, daleko ispod radne, gde tranzistori imaju ogromno pojačanje, baza i kolektor gledaju u aktivnu otpornost od nekoliko desetina oma. U slučaju 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 pojačavača.

Treći uslov, dobro potiskivanje viših harmonika i mali nivo generisanih intermodulacionih produkata (IMD) zavisi takođe od mnogo faktora. Nabrojimo samo neke: izbor optimalne vrednosti radnog faktora dobrote (Q_L) izlaznog kola, linearnost izabrane radne tačke tranzistora, izlazno prilagođenje tranzistora, mala izlazna otpornost kola za pretpolarizaciju baze, veličina snage pobude, itd.

Pravilnom konstrukcijom pojačavača, neželjeni sporedni produkti koje će pojačavač da generiše mogu se svesti na minimum, i nakon toga, neki od njih, mogu se  još dodatno  oslabiti filterskim osobinama pravilno dizajniranog izlaznog kola.

Nažalost, neki od produkata (intermodulacioni produkti neparnog reda) ne mogu se filterski oslabiti jer padaju vrlo blizu radne frekvencije. Na njih se može uticati jedino pravilnim dizajniranjem pojačavača koji onda, zahvaljujući svojoj linearnosti, generiše vrlo mali nivo ovih neželjenih produkata. Parni harmonici i parni red intermodulacionih produkata mogu se efikasno smanjiti upotrebom push-pull pojačavača. U tome i leži njihova prednost u odnosu na pojačavače koji rade u paralelnom spoju dva tranzistora.

Kod pojačavača koji rade u linearnim klasama (A i AB) pravilan izbor kola za pretpolarizaciju baze je takođe vrlo bitan i on obezbedjuje dobru linearnost ulaznog signala što je bitan preduslov za lineran rad pojačavača. Ovde je svakako od uticaja i stabilnost kolektorskog napona, koji mora da bude stabilisan za pojačavače do oko 20 V, a za napone iznad toga dovoljno je da bude jako “tvrd”.

Za linearan rad pojačavača od sudbinske važnosti je i nivo dovedene snage pobude, koja ne sme da bude prevelika, jer ona tranzistor “odgura” u nelinearni radni režim.

Termička stabilnost se obezbeđuje pravilnim izborom hladnjaka i što je još važnije pravilnom montažom tranzistora na njega. Da bi se kompenzovalo termičko klizanje radne tačke potrebno je napraviti termičku povratnu spregu, koja će monitorisanjem temperature tranzistora menjati prednapon baze, tj. veličinu mirne struje, a time održavati stabilnom jednosmernu radnu tačku.

Ovde su samo u kraćim crtama naznačeni svi oni uslovi koji se moraju ispuniti da bi jedan pojačavač mogao da nosi epitet kvalitetan. Ova tema je šire obrazlagana u literaturi /1/ i zainteresovani se u njoj mogu bliže upoznati sa detaljima. Takođe se kopija ovog članka može naći na Internet adresi datoj u literturi /2/.

Pojačavači sa jednim tranzistorom

Na sl. 1 prikazana je šema veze pojačavača snage sa jednim tranzistorom. Ulazno prilagođenje izvedeno je sa kolom koje čine C1, C2 i L1. Radni Q faktor ovog kola iznosi oko 10-15 što je optimalna vrednost za ovaj slučaj. Pretpolarizacija baze dovodi se preko RF prigušnice RFB koja je obična feritna prigušnica VK 200 ili poznatija kao prigušnica “sa 6 rupica”.

Izlazno kolo koje vrši prilagođavanje tranzistora na 50 oma izlaz je izvedeno sa L2, C4 i C3. Svi kondenzatori u kolima za prilagođenje su ARCO keramičko-liskunski trimeri odgovarajućeg kapaciteta. Vrednosti elemenata kola za prilagođenje u tabeli 1. su proračunske i u odnosu na njih treba izabrati kondenzatore sa odgovarajućim opsegom podešavanja. Opseg kapaciteta pojedinih trimera dat je brojem koji je odštampan na trimeru. U tabeli 3.  dati su pojedini tipovi trimera i odgovarajući opsezi promene kapaciteta. U tabeli 2. date su veličine napona, struja, snaga i efikasnosti za svaki tip tranzistora posebno.

Kolektorski napon dovodi se preko prigušnice RFC koja nije feritna već je motana u vazduhu. Prečnik tela na kome se mota ova prigušnica je D=5 mm, dužina prigušnice je l=12 mm, broj zavoja je n=8 i debljina žice je d=0.8 mm.

Iza nje sledi kondenzator realativno malog kapaciteta, koji blokira na masu VHF frekvencije. Za blokadu niskih frekvencija zadužen je kondenzator od 100 nF koji ih preko otpornika od 15 oma vodi na masu. Prigušnica vezana paraleno otporniku je feritna VK 200 ili neka slična koja može da izdrži veliku struju koja teče kroz tranzistor.

Pretpolarizacija baze je izvedena pomoću tranzistora BD135 vezanog kao emiter-folower koji ima ekstremno nisku izlaznu otpornost, što je preduslov za stabilnu radnu tačku.

Termičko monitorisanje i kompenzacija termičkog klizanja radne tačke izvedeni su preko diode D1 koja je mehanički tako postavljena da ima fizički i termički kontakt sa tranzistorom (a ne sa hladnjakom!) što omogućava stabilan rad u velikom opsegu temperatura. Druga dioda, D2 monitoriše temperaturu ambijenta. Obe diode su tipa 1N4007 ili neke slične. Tranzistor BD135 je montiran na isti hladnjak na koji je i RF tranzistor.

Podešavanje radne tačke, tj. mirne struje tranzistora izvedeno je pomoću trimer potenciometra od 5 koma.

Osim elektrolitskih (ili tantal) kondenzatora svi ostali su disk keramički ili neki sličnog kvaliteta za VHF.

Pojačavači sa dva tranzistora

Kao što se sa šeme na sl. 2 vidi ovde se radi o dva identična pojačavača koji su spojeni preko vodova za simetriranje i rade u simetričnom protivfaznom režimu ili tzv. push-pull spoju.

Kola za napajanje baze i kolektora pojedinih tranzistora izvedena su identično kao kod pojačavača sa jednim tranzistorom. I kola za ulazno i izlazno prilagođenje su izvedena slično. Jedina novina su dva komada koaksijalnog kabla dužine l=95 mm i karakteristične impedanse 50 oma koji vrše transformaciju asimetričnog ulaza i izlaza pojačavača na simetrični spoj dva tranzistora. Treba koristiti teflonski tanki kabl od par milimetara debljine.

Koaksijalni kabl se može smotati u kalem ili, još bolje, namotati na neki mali feritni torus ili veću perlu. Može se u tu svrhu iskoristiti ferit sa dve rupice kroz koji se namota jedan navoj. Korišćenjem dva takva ferita mogu se namotati 2 zavoja. Ukoliko nemate torus, mogu se navući na kabl male feritne perle sa jednom rupicom tako da na svakom kraju bude po jedna, a još bolje je ako se navuče nekoliko komada i rasporedi po celoj dužini kabla. Ovo će dodatno popraviti simetriju transformatora posebno na niskim frekvencijama, što može biti značajno za stabilnost pojačavača.

Umesto širokopojasnih baluna napravljenih od koaksijalnog kabla dužine 95 mm namotanog na feritni torus ili provučenog kroz feritne perle, mogu se napraviti rezonantni baluni za 144 MHz i od 5mm debelog PTFE koaksijalnog kabla RG142 ili običnog polietilenskog RG58 dužine 620 mm namotanog u vidu kalema u vazduhu, unutrašnjeg prečnika 30mm i dužine  oko 30 mm, od 6 zavojaka motanih zavojak do zavojka.

Za 50 MHz rezonantni balun, dužina koaksijalnog kabla je 1770 mm, prečnik kalema 50 mm, dužina kalema oko 55 mm i broj zavojaka je 11.

Ono što je veoma važno i što se nikako ne sme izgubiti iz vida je da ceo pojačavač mora biti maksimalno simetričan kako u pogledu mehaničkog razmeštaja komponenti tako i u električnim parametrima (vrednosti elemenata, struje i naponi na pojedinim tačkama, itd.), kako bi se postigla što veća snaga, pojačanje, iskorišćenje i potiskivanje parnih harmonika.

Prilikom podešavanja vrlo je važno održavati kapacitete C1 i  C3 u kolu jednog tranzistora što približnije vrednostima njihovih parnjaka na drugom tranzistoru.

To je jedino što je kritično kod ovakvog tipa pojačavača, i ako se o tome dovoljno vodi računa sve ostalo nije problem.

Mehaničko izvođenje

Ceo pojačavač treba sagraditi na relativno malom komadu jednostruko kaširanog vitroplasta FR4. Metalizirana strana je okrenuta gore i na njoj su napravljena mala ostrva na koje se leme elementi. Izvodi emitera su što je moguće kraće zalemljeni na masu pločice.

Tranzistor treba da bude montiran na veliki hladnjak uz obavezno korišćenje termo-paste kao što je prikazano na sl. 3. Površina pločice treba da bude mala kako bi se omogućilo da rebra hladnjaka budu što bliže tranzistoru. Važno je da rupa koja se buši za montažu tranzistora na hladnjak bude taman tolika da zavrtanj prodje kroz nju, kao bi se što bolje tranzistor hladio.

Ako se radi o tranzistorima koji imaju stopice onda one moraju da naležu veoma dobro celom površinom na hladnjak. Površina hladnjaka na koju naleže kućište tranzistora ili stopica moraju biti glatki. Izlazni i ulazni konektori mogu biti pričvršćeni na pločicu, ali  i na hladnjak ili eventualnu kutiju i spojeni sa pločicom pomoću koaksijalnog kabla čije 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 međusobna sprega.

Puštanje u rad i podešavanje

Kada je sve spojeno kao na slici sl. 4 odnosno sl. 5 proveriti još jednom da nema nekih grešaka, proveriti da nema kratkih spojeva na masu i potom podesiti potenciometre za prednapon na maksimalnu otpornost.

Priključiti napon napajanja jednog tranzistora i podesiti mu mirnu struju Ic0 na datu vrednost iz tabele 2. što preciznije. Isto uraditi i sa drugim tranzistorom. Još važnije od tačne vrednosti struje mirovanja je to da su one identične kod oba tranzistora!

Potom oba tranzistora priključiti na napon napajanja i priključiti veštačku antenu od 50 oma na izlaz preko protočnog vatmetra ili SWR metra. U nedostatku veštačke antene može se iskoristiti neka dobra antena sa malim SWR. Dati malu pobudu i merenjem izlazne snage podešavati naizmenično trimere dok se ne dobije maksimum izlazne snage. Ponoviti podešavanje nekoliko puta postupno povećavajući snagu pobude. Na kraju sa punom pobudom koja ne sme da bude tolika da se prekorači dozvoljena izlazna snaga, podesiti sve trimere na najveću izlaznu snagu. Pri tome je dobro meriti struju tranzistora kako se ne bi desilo da se prekorači maksimalno dozvoljena vrednost.

U slučaju da ulazni trimer kondenzatori C1 i C2 ili jedan od njih pri podešavanju traže da budu sa maksimalnim ili sa  minimalnim kapacitetom, potrebno je promeniti dužinu kabla između radio-uređaja kojim se pobuđuje pojačavač i samog pojačavača. Eksperimentalno treba odrediti optimalnu dužinu ovog kabla da bi se dobilo podešavanje sa približno onim vrednostima kapaciteta C1 i C2 koje su date. Pri upotrebi pojačavača treba uvek koristiti taj eksperimentalno određen kabl. Promena radio-uređaja može ponekad zahtevati i ponovno određivanje ove dužine kabla.

Ovim je podešavanje gotovo.

Kod push-pull pojačavača jako je važno da se podešavanje vrši tako da se odogovarajući trimeri na svakom tranzistoru podešavaju jedan za drugim kako bi se obezbedilo da oni

sve vreme podešavanja imaju približno iste kapacitete. Ovakvim očuvanjem simetrije tokom podešavanja izbegavaju se vrlo opasne situacije kada zbog totalne nesimetrije može doći do samooscilovanja pojačavača.

Ispravljač

Za tranzistore sa višim naponom napajanja od 20V može se koristiti i ispravljač koji nije stabilisan ali je tako konstruisan da ima veoma tvrd napon koji je dat na sl. 6.

Da bi jedan ispravljač 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 osigurača u primaru zbog ogromnih struja punjenja elektrolita, potrebno je ugraditi sklop za odgođeno uključenje.  To se jednostavno realizuje pomoću jednog releja za 220 V~ koje je spojeno kako se vidi na šemi.

U momentu uključenja transformator je vezan na napajanje preko otpornika koji sprečava velike struje punjenja. Kada se elektroliti napune i prelazne pojave u transformatoru smire smanjuje se struja kroz otpornik, napon na primaru raste i uključuje se rele koje premosti otpornik svojim kontaktima. Mnogi na ovim mestim koriste releje koji se preko nekog elektronskog tajmera uključuje posle par desetina sekundi, ali to je iako naizgled elegantnije, neuporedivo lošije rešenje, posebno iz dva razloga: prvo, u slučaju vrlo kratkotrajnog ispada napona zbog vremenske konstante koja nije uspela da se resetuje (obično neki elektrolit ne uspe da se isprazni) dolazi do ponovnog uključenja napona bez odgođenja, i drugo, u slučaju nekog kvara zbog koga je enormno povećana potrošnja kod ovde predloženog rešenja rele se neće ni uključiti, tj. ceo sistem će sebe zaštiti od prevelike struje, dok će u onom lošijem rešenju tajmer uključiti rele a time i pun napon, ne vodeći računa o tome što je nešto neispravno i što je struja enormno povećana.

Tranzistori sa kolektorskim naponom  od 12 - 18V moraju se napajati sa stabiliziranim naponom. U takvim ispravljačima treba obavezno da bude ugrađen tiristorski sklop za zastitu od prenapona. Taj sklop mora da izvrši spajanje napona preko tiristora na masu i time izvrši forsirano izgaranje osigurača u slučaju da napon pređe neku unapred zadatu vrednost, što je uvek slučaj kada dođe do proboja rednog tranzistora koji vrši stabilizaciju. Ovim se, namernim izgaranjem osigurača, sprečava izgaranje RF tranzistora, tj. njegov proboj usled prevelikog napona napajanja. Ne preporučuje se nikakva relejna zaštita u ovakvim slučajevima jer ona jednostavno ne može dovoljno brzo da odreaguje i dok se napon releom isključi tranzistor je već uveliko spaljen.

Tabela 1.

Tabela 2.

Tabela 3.

Zaključak

U prezentiranom članku dati su neophodni uslovi za realizaciju tranzistorskih pojačavača snage za VHF područje. Na osnovu izloženog može se zaključiti da su predloženi pojačavači tako koncipirani i dizajnirani da se u najvećoj meri postignu optimalni rezultati u pogledu performansi uz maksimalnu jednostavnost u gradnji i podešavanju.

Realizovani pojačavači u praksi pokazali su dobro slaganje sa očekivanim rezultatima što ukazuje na opravdanost predloženih rešenja.

Izgledi štampanih pločica dati su na sl. 7 i sl. 8. Za tranzistore koji imaju drugačije kućište treba modifikovati pločicu tako da ona odgovara tipu kućišta upotrebljenog tranzistora vodeći računa o tome da izvodi emitera budu što kraće spojeni na masu.

Zahvalnica

Zahvaljujem se svim mojim kolegama koji su mi pomogli praktičnom realizacijom mnogobrojnih pojačavača koje sam tokom godina projektovao. Neki od njih nisu ovde objavljeni zbog toga što su korisili neke dosta retke i teško dostupne tipove tranzistora. Ali svi oni za koje sam smatrao da se mogu relativno lako realizovati i u svemu drugom odgovaraju većini graditelja, ovde su sakupljeni i objavljeni.

Literatura

/1/ Dragoslav Dobričić, YU1AW  "Tranzistorski pojačavači snage za 144 MHz",

 (I deo) “Radioamater” 2/1988 str. 34-37., (II deo) “Radioamater” 3/1988 str. 66-68.

/2/ Internet adresa:   www.qsl.net/yu1aw/