Усилители мощности

Новости

Новогодняя распродажа!!!
Только до 24 декабря!!!
Специальные новогодние цены
на автомобильные рации и антенны

Бюллетень Си-Би №11 Ноябрь 1999 г

Автор Владислав "Ребус"

Действующими в России правилами максимальная мощность передатчика Си-Би радиостанции установлена равной 10 Вт. В то же время большинство импортных радиостанций имеют мощность 4 Вт. Таким образом, использование усилителей с выходной мощностью 10 Вт правил не нарушают.

Действующими Правилами предусматривается также возможность отступления от Правил в случае бедствия. Значит, для оказания помощи в случае бедствия допускается использовать любую мощность, которая необходима, чтобы вас услышали. Для обычной связи использование усилителей с мощностью более 10 Вт незаконно.

Однако ни для кого на является секретом, что большинство пользователей применяют усилители с выходной мощностью 50, 100 и даже 200 Вт.

Почему же большинство пользователей вынуждены нарушать правила? Для этого есть две основные причины.

1. Си-Би диапазон в крупных городах крайне перегружен помехами от промышленных установок, транспорта, линий электропередачи, противоугонных систем, радиохулиганов. Службы, призванные обеспечивать порядок в эфире, Си-Би диапазоном практически не занимаются. В этих условиях связаться с диспетчерскими службами, используя разрешенную мощность, представляет сложную проблему. Это вынуждает использовать усилители, без которых радиостанция становится бесполезной.

2. Для автомобилистов, использующих низко расположенные и малоэффективные антенны, в условиях большого города использование усилителей мощности также является мерой вынужденной, поскольку связь с диспетчерскими службами при мощности 4 Вт затруднена (вас не слышат), a связь нужна с любой точки города.

На автомобильных трассах диспетчерские службы расположены порой на расстояниях 50-100 км друг от друга, поэтому для возможности установить с ними связь с любой точки трассы 10 Вт тоже недостаточно. Опыт показывает, что для достаточно надежной связи с диспетчерами в условиях г. Москвы и автомобильных трасс, оборудованных службами, необходима мощность порядка 100 Вт. Примерно такой же уровень мощности должны иметь и передатчики диспетчерских служб.

В малых городах и сельских местностях, где эфир чист, применение усилителей становится ненужным, и там их применяют только любители дальних связей.

Поскольку приобрести усилитель мощности не представляет проблемы, целесообразно обсудить, какими основными параметрами они характеризуются.

- Выходная мощность.

- Напряжение и ток питания усилителя.

- Входная мощность, при которой усилитель развивает полную выходную мощность.

- Способность работать на нагрузку с плохим КСВ.

- Согласование усилителя по входу.

- Способность выдерживать длительную работу без перегрева.

- Способность усиливать сигнал с FM, AM и SSB модуляцией.

- Уровень побочных и внеполосных излучений.

Два первых параметра тесно связаны. Поскольку КПД мощных транзисторов составляет 50-70%, от выходной мощности зависит и ток потребления. Большинство моделей усилителей рассчитаны на питание напряжением от 12 до 13,8 В (автомобильный стандарт), хотя есть и модели на 24 В. При выходной мощности 100 Вт и питании 12 В ток потребления должен составлять 11-16 А, но может доходить и до 20 А.

Большинство усилителей рассчитаны на входную мощность от 4 до 10 Вт. Если усилитель по паспорту развивает полную мощность при подаче на вход 10 Вт, не рассчитывайте, что он будет развивать ее при работе с четырехваттной станцией.

Мощные транзисторы хорошо работают только при согласованной нагрузке. Если КСВ антенны превышает 2,5-3,0, что возможно при плохих контактах или замыканиях в кабеле и антенне, усилитель может выйти из строя даже при кратковременном включении. Именно поэтому большинство продавцов не дают гарантий при выходе из строя выходных транзисторов, цена которых обычно довольно высока. Приобретая усилитель, поинтересуйтесь, есть ли у него встроенная защита от коротких замыканий и обрывов нагрузки. Попросите продавца продемонстрировать работоспособность усилителя после таких экстремальных режимов работы.

Согласование входа усилителя - не самый главный его параметр, но если КСВ входа усилителя превышает 1,5, вам придется подбирать длину кабеля между станцией и усилителем, чтобы он нормально работал. Рекомендуется использовать либо совсем короткий кабель 20-30 см, либо равный половине длины волны, что с учетом укорочения составляет около 360 см.

При работе усилитель выделяет много тепла, поэтому его снабжают радиатором. Большинство моделей усилителей не рассчитаны на длительную непрерывную работу в режиме передачи. Если ваши монологи затягиваются, следите за температурой радиатора, не допуская большого перегрева усилителя, т.к. это тоже может вывести его из строя. Иногда для облегчения температурного режима усилителя целесообразно обдувать радиатор с помощью вентилятора.

С FM модуляцией хорошо работают все усилители. Для усиления AM сигнала усилитель должен быть линейным, иначе модуляция будет сильно искажена. Попытка работать с AM модуляцией через усилитель, предназначенный только для FM, приведет к тому , что ваши корреспонденты услышат вместо вашего голоса один хрип.

Для усиления сигнала с SSB модуляцией требуется еще более высокая линейность. Кроме того, постоянная времени цепи управления реле должна быть настолько большой, чтобы усилитель не выключался во время пауз между словами. Поэтому усилители, пригодные для работы с SSB сигналами, существенно дороже.

Бюллетень Си-Би №11 Ноябрь 1999 г

Автор Игорь Гончаров

На последнем из перечисленных параметров следует остановиться более подробно.

Всё, излучаемое передатчиком в эфир, можно разделить на две неравные части: полезное излучение - т.е. то, которое происходит на рабочей частоте и содержит передаваемую информацию, и вредное излучение, которое происходит на других частотах. Очевидно, что для приёмной стороны имеет значение только первое из них, тогда как второе не только пропадает зря, но ещё и мешает работе других радиосистем.

Рассматривая выходной каскад передатчика в качестве преобразователя энергии источника питания, нетрудно сообразить, что формируемая им в нагрузке мощная копия входного (управляющего) сигнала может отличаться от него по своей форме. И если входной сигнал имеет вид идеальной синусоиды, а выходной - нет, то, значит, при его формировании образовалось что-то ещё, что, сложившись с идеальной синусоидой, привело к такому искажению её формы. Но раз это присутствует в выходном сигнале, значит, оно пойдёт в антенну, и, далее, в эфир.

Причиной появления искажений всегда является нелинейность характеристик активных элементов (транзисторов, ламп и т.п.). Говоря другими словами - изменения в выходной цепи не всегда строго пропорциональны изменению управляющего сигнала. А в ряде случаев существуют и другие факторы, влияющие на степень искажения формы выходного сигнала. Например, если в двухтактном каскаде транзисторы имеют разный коэффициент усиления (т.е. схема несимметрична), то амплитуда положительной (от одного их них) и отрицательной (от другого) полуволн синусоиды на выходе схемы будет различна. При этом в выходном сигнале будут присутствовать чётные гармоники, т.е. сигналы на частотах, кратных удвоенной частоте сигнала на входе каскада. А, вот, если выходной сигнал будет симметричен относительно нуля, но сами полуволны будут искажены, то в его спектре будут присутствовать нечётные гармоники. К сожалению, всегда есть и то, и другое.

Имея в виду подобные гармонические искажения, следует помнить, что если антенна настроена на какую-либо частоту, то она обычно неплохо настроена и на её нечетные гармоники и будет излучать их тоже - очень неплохо. Поэтому уровень излучения на гармониках основной частоты и ограничивается соответствующими нормами.

Для лучшего понимания важности этого вопроса можно привести следующий наглядный пример. Двухтактный транзисторный усилительный каскад без фильтров на выходе даже при подборе транзисторов по параметрам с точностью до 20 % гонит в нагрузку сигнал на второй гармонике несущей частоты с относительным уровнем в минус 20-30 дБ, а на третьей - минус 10-15 дБ. И если общая выходная мощность составляет 100 Вт, то это практически эквивалентно работе двух дополнительных передатчиков - одного, работающего на удвоенной частоте »57 МГц с выходной мощностью 1 Вт (минус 20дБ), и второго - на частоте »81 МГц с выходной мощностью 10 Вт (минус 10 дБ). Как известно, этот уровень мощностей примерно соответствует возможностям радиостанций. Тут не лишним будет и вспомнить, что частота 54 МГц находится в полосе первого телевизионного канала (48.5-56.5), а 81 МГц - третьего (76-84). Вот и начинают телевизионные приёмники соседей, вместо любимых народом сериалов, транслировать элементы радиообмена.

Бюллетень Си-Би №12 Декабрь 1999 г

Автор Игорь Гончаров

Продолжение

Естественно, что приведённый пример является, по существу, предельным и, потому, почти клиническим случаем. Как правило, большинство усилителей всё-таки снабжаются выходными фильтрами или их подобием. Правда, очень часто включение различных реактивных цепочек преследует только задачи трансформации нагрузки с целью выжимания большей мощности, но уровень излучения на гармониках попутно всё же снижается. Как следует из теории, каждый реактивный элемент, входящий так или иначе в состав фильтра, обеспечивает дополнительное подавление вредных излучений до 6 дБ (в четыре раза) на октаву (т.е. с каждым удвоением частоты).

Следует отметить, что грамотное проектирование и настройка многоэлементных фильтров с хорошим подавлением является весьма трудной задачей, требующей, в том числе, наличия специальных приборов и приличного опыта. Не стоит и надеяться, что в домашних условиях можно предсказуемо настроить что-либо более сложное, чем традиционный Пи-контур. Плохо настроенный фильтр может нарушить работу выходного каскада, внести существенные потери на рабочей частоте и, вместо того, что бы ослабить вредные излучения, напротив, их подчеркнуть. Пожалуй, именно это обстоятельство заставляет более чем критически относиться к различным самодельным конструкциям из серии "Усилитель мощности для радиостанции- это очень просто!".

Заканчивая описание этой характеристики выходного спектра, нужно добавить, что существующие нормы на допустимый уровень побочных излучений, к которым впрямую относится излучение на гармониках, в принципе, зависят от общей величины выходной мощности. Для устройств низовой связи оно не должны превышать уровня в минус 60 дБ, т.е. быть в 1000000 раз слабее полезного сигнала. Конечно, ориентируясь на технические требования к Си-Би аппаратуре (для 10 Вт - минус 40 дБ), можно выйти на величину порядка - 50 дБ для 100 Ваттного усилителя, но .... В любом случае, используя приведённые выше данные, можно прикинуть, какой сложности фильтры должны присутствовать в усилителе мощности. И если, открыв его крышку, не удаётся найти должного количества солидных катушек и ёмкостей, можно не сомневаться - это устройство будет радовать только своего хозяина. Ещё - может быть - продавца. А остальных - вряд ли....

Но в спектре выходного сигнала могут присутствовать и ещё одна категория составляющих, расположенных близко к рабочему каналу. Они входят в группу внеполосных излучений и, также, как и побочные, относятся к вредной части излучаемого сигнала.

Справедливости ради нужно отметить, что при работе с частотной модуляцией вклад усилительных каскадов в уровень внеполосных излучений практически отсутствует. Их уровень определяется, в основном, качеством работы модулятора и синтезатора. Известный "вылет" сигнала в соседние каналы, возникающий при значительном увеличении индекса (глубины) модуляции, как раз соответствует возросшему уровню внеполосных излучений.

Сложнее дело обстоит при работе в режиме амплитудной модуляции. В этом случае и усилительные каскады могут вносить свою лепту в конечный уровень внеполосных излучений. Нелинейность характеристик будет приводить к искажению формы огибающей, в результате чего появляются и её гармоники. Спектр излучения расширяется и если нелинейность велика, гармоники верхней части модулирующих частот ощутимо попадут в соседние каналы. Именно такая ситуация возникает при попытке использовать усилитель ЧМ сигналов для работы с амплитудной модуляцией. В режиме несущей усилитель и так выдаёт почти всю мощность, на которую способен. При появлении модулирующего сигнала эта мощность, по идее должна меняться. Вниз, хоть и не очень линейно, это происходит, а вот вверх - уже некуда. Вот и происходит одновременное искажение информации и вылет в соседние каналы, чего, естественно, сам владелец усилителя не ощущает.

Ещё более сложно обстоит дело с усилением SSB сигналов. В этом случае дополнительно присутствует ещё один показатель, определяющий качество радиосвязи. Речь идёт об уровне комбинационных искажений. Нелинейность усилителя может существенно снизить разбираемость SSB модуляции из-за загрязнения ее спектра комбинационными частотами.

Мы знаем, что к спектру выходного сигнала Си-Би трансиверов предъявляются достаточно жесткие требования, которые соблюдаются производителями этой техники.

Уж коли, в силу объективных и субъективных причин, приходится использовать усилители, они не должны ухудшать параметры сигнала трансивера.

Параметры некоторых усилителей.

Для иллюстрации целесообразно привести данные, полученные при тестировании некоторых импортных усилительных устройств КВ диапазона. При этом следует специально подчеркнуть тот факт, что результаты измерений касаются только конкретных образцов и не могут быть распространены на все изделия этих серий.

Усилители испытывались в профессиональных условиях с использованием аттестованной измерительной аппаратуры. Для возбуждения применялась широкополосная радиостанция ALAN-78+ c уровнем выходной мощности 4.0...3.8 Вт в диапазоне частот 26.065 - 28.755 МГц (каналы 1А - 40F стандартных сеток), в режиме FM. Для увеличения мощности возбуждения до 10 Вт использовался измерительный усилитель. Выходная мощность измерялась калориметрическим измерителем М3-56 с 10 дБ аттенюатором (КСВ = 1.05), уровень побочных излучений (второй и третьей гармоник несущей) - анализатором спектра С4-59. Напряжение питания для мобильных вариантов составляло 13.8В и обеспечивалось аналоговыми лабораторными источниками.

Мобильный транзисторный усилитель мощности EA-150P

 

Частота, МГц

26,065

26,965

28,315

 

Сетка

A

C

F

Рвх=4Вт

Pвых, Вт

56

73

78

 

Io, A

9

10

10.3

 

Кг2, дБ

-35

-35

-30

 

Кг3, дБ

-40

-40

-40

Рвх=10Вт

Pвых, Вт

98

109

111

 

Io, A

12.7

12.6

12.5

 

Кг2, дБ

-25

-30

-30

 

Кг3, дБ

-40

-40

-40

4 - 10

КСВ вх

1.8

1.3

1.5

 

Мобильный транзисторный усилитель мощности B 300P-S

Р вх, Вт

Частота, МГЦ

26,065

26,965

28,315

 

Сетка

A

C

F

4-10

КСВ вх

не хуже 1.3

4

Pвых, Вт

137

135

128

 

Io, A

19.3

19

18.7

 

Кг2, дБ

не хуже -50

 

Кг3, дБ

не хуже -50

10

Pвых, Вт

156

160

167

 

Io, A

22.4

22

23

 

Кг2, дБ

не хуже -50

 

Кг3, дБ

не хуже -50

Испытания усилителей выявили некоторые их особенности, на которые нужно обратить внимание.

Общим для этих усилителей является несоответствие выходной мощности заявленной. Имея радиостанцию с выходной мощностью порядка пяти ватт, не следует обольщаться и рассчитывать на прибавку, указанную на коробке или в сопроводительной бумаге. К сожалению, этим грешит большинство аналогичных изделий, а массовое неумение многих радиолюбителей правильно измерить выходную мощность только укрепляет общее заблуждение. Практика показывает, что в подавляющем большинстве случаев смелое уменьшение указанной мощности в полтора раза позволяет получать достаточно объективное значение.

С точки зрения качественных показателей модель EA-150P обладает недопустимо высоким уровнем побочных излучений, обусловленным отсутствием выходного фильтра гармоник (можно напомнить, что для выполнения требований по электромагнитной совместимости необходимо подавление не хуже, хотя, бы, минус 50 дБ). И если при мобильном использовании этого усилителя такой грех может остаться незамеченным, то для стационарного радиокомплекса это абсолютно недопустимо и следует принимать дополнительные меры к снижению излучения на гармониках. Тем, кто уже пользуется этим устройством или собирается это делать, следует также обратить внимание на значительное изменение величины входного КСВ в диапазоне частот.

Измерения параметров усилителей в режиме АМ не проводились, так как этот вид модуляции не пользуется популярностью в отечественном Си-Би эфире. Однако, учитывая рост числа радиостанций с однополосными режимами работы, нельзя не сказать несколько слов о режиме SSB.

Для тех, кто профессионально занимается разработкой связной радиоаппаратуры, неразрешимой загадкой является надпись типа: 100W AM/FM 200W SSB. Ни в нашей - отечественной, ни в иностранной литературе не приводится описание методики измерений, позволяющей хоть как-то объяснить эту комбинацию. Общепринятым определением выходной мощности SSB передатчика является мощность в пике огибающей, которая никак не может быть больше, чем в режиме FM. Более того, поскольку амплитудная характеристика любого усилителя имеет загиб в верхней части, для достижения приемлемых нелинейных искажений выходная мощность в режиме SSB должна быть МЕНЬШЕ на 30-50%. Можно только предположить, что, указывая такие высокие значения мощности, производители в маркетинговых целях подменяют понятие средней высокочастотной мощности, измеренной в пике огибающей однополосного сигнала, значением пиковой высокочастотной мощности, которое в два раза выше. В этом случае для получения соответствующего здравому смыслу результата указанную мощность “200W SSB” следует делить на два. И только потом - ещё на полтора.

Другой распространенной бедой импортных транзисторных усилителей является высокая чувствительность к рассогласованию нагрузки. Очевидно, что стремление к всемерной экономии при производстве заставляет производителей использовать наиболее дешёвые транзисторы в режимах, близких к предельным. Есть вопросы и по схемотехнике – выход из строя одного из транзисторов приводит к выходу из строя остальных (серия усилителей 7-N-7) И очень редко встречаются эффективные системы защиты выходных каскадов, которые позволяют обойтись без отрицательных эмоций, когда в самый неподходящий момент связь пропадает и владелец вынужден втягиваться в утомительную и не всегда успешную процедуру ремонта.

Сравнивая испытанные образцы между собой, нужно отметить, что усилитель серии B 300P-S оказался существенно лучшим. Он имеет не только хороший дизайн, но и приличные качественные характеристики, по крайней мере приближающиеся к существующему комплексу официальных технических требований.

И, наконец, немного о ламповых усилителях мощности. Отчего-то существует мнение, что качественные параметры ламповых устройств всегда являются более высокими, по сравнению с транзисторными аналогами. Для тех, кто думает именно так, ниже приводятся результаты испытания стационарного лампового усилителя, произведённые в аналогичных условиях на той же аппаратуре.

Стационарный ламповый усилитель мощности AL-250-NLS

Частота, МГц

26,065

26,515

26,965

27,415

27,865

28,755

сетка

A

B

C

D

E

F

Pвых, Вт

73

73

70

66

63

54

Кг2,  дБ

-22

-25

-28

-30

-31

-30

Кг3,  дБ

-30

-30

-30

-30

-30

-25

Как видно из приведённых выше результатов, основные параметры испытанного образца примерно соответствуют не лучшим транзисторным вариантам. Однако, если транзисторные усилители предполагают мобильное использование, то этот усилитель предназначен специально для базовых станций и подобные характеристики не могут не удивлять.

К проверяемому образцу лампового усилителя возникли и другие вопросы. Градуировка его индикатора выходной мощности не соответствует действительности. При полностью согласованной нагрузке (КСВнагр=1.05) и реальном уровне выходной мощности 70 Вт индикатор показывает 160 Вт по 400-ваттной шкале. Диапазон подстройки выходной колебательной системы ограничен сеткой D (см. вторую строку таблицы), т.е. подстройка выше сетки D невозможна. Не очень понятно, отчего изготовители не предусмотрели выходной фильтр гармоник.

Практика испытаний усилителей мощности показывает, что ряд образцов отечественных производителей, пусть и при менее удачном дизайне, имеют более высокие электрические параметры, различные системы защиты и, в целом, лучшую надежность.

В заключение приходится констатировать, что перед желающими увеличить дальность уверенной радиосвязи посредством радикального увеличения выходной мощности передатчика стоит достаточно сложная задача. Большое количество имеющихся на рынке вариантов, их чрезвычайное разнообразие и неопределённость происхождения, а также существующие нормы и ограничения должны заставить возможных покупателей, по крайней мере, призадуматься. Но уж если становится понятно, что без усилителя - никак, то нужно чётко понимать - параметры дешёвых экземпляров вряд ли соответствуют надписям на своей коробке и эти изделия могут выйти из строя просто из-за окисления контакта в антенном разъёме. А часто - и просто так.

В любом случае, нормальная работа в радиоэфире предполагает ответственность и взаимное уважение операторов. Действуя по принципу "Щас задавлю!" можно добиться уверенной связи только в пределах своего квартала. Да и вообще, нажимая на тангенту радиостанции, полезно представлять себе, как невообразимо далеко, в бесконечных глубинах космоса, несутся радиоволны, отправленные ещё на заре прошлого века основоположником радиосвязи.




ВходРегистрация