Анодный дроссель выходного каскада маломощного радиовещательного АМ передатчика.
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 минимизации ответвления в дроссель переменной составляющей анодного тока, дроссель должен иметь как можно большую индуктивность, что влечет за собой большое число витков на большем диаметре. Однако, при этом растет межвитковая паразитная емкость и активное сопротивление провода обмотки.
— 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 минимизации паразитной емкости и увеличения пробивного напряжения, дроссель должен быть намотан на очень длинном каркасе минимального диаметра с большим шагом намотки или, наоборот, в виде очень короткой, толщиной в один виток, многослойной катушки – в виде блина.
— 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 теплоизоляционными 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 / rпот), — 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.
Чем меньше мощность передатчика, то есть, при относительно высоких «ламповых» напряжениях анодного питания меньше переменная составляющая тока анода, тем больше Ra. Соответственно, необходим дроссель с большим Хдр, большой индуктивностью, с большим числом витков, намотанный тонким проводом, имеющий из-за этого большое активное сопротивление, большую межвитковую паразитную емкость и, как следствие, низкую частоту собственного резонанса и низкую добротность. То есть, при малых мощностях лампового передатчика (менее 1 … 3 Вт) из-за дросселя возникают сложности с реализацией параллельной схемы анодного питания. Именно поэтому в связных радиостанциях малой мощности с батарейным питанием, как правило, используется последовательная схема питания (Рис. 2).
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[1] 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.
При индуктивном сопротивлении дросселя равном эквивалентному сопротивлению нагрузки в анодной цепи Ra, переменная составляющая анодного тока поделится поровну между контуром и дросселем и составит 1 / √2 = 0,707 от переменной составляющей тока анода. Уход тока анода в дроссель вовсе не страшен, поскольку в следующий полупериод его индуктивность отдаст назад запасенную энергию, правда за вычетом собственных потерь. Подключенная же к аноду индуктивность легко компенсируется увеличением анодной емкости П-контура. Для маломощных каскадов это вполне приемлемо, но столь значительное влияние дросселя на колебательную систему (фактически индуктивность дросселя на 50% входит в колебательный контур) накладывает на него дополнительные требования по стабильности параметров (паразитные емкости, собственная индуктивность). В маломощных передатчиках все-таки желательно выбрать индуктивное сопротивление дросселя Хдр хотя бы на 30% больше Ra, чтобы реактивная часть анодного тока, уходящая в дроссель, была бы заведомо меньше тока, уходящего в контур. Обозначим коэффициент превышения Хдр над Ra буквой k. Далее, при увеличении мощности передатчика и соответственном уменьшении его Ra, соотношение k = Хдр / Ra следует повышать, чтобы доля переменной составляющей тока анода ответвляющаяся в дроссель сокращалась.
С точки зрения потерь энергии в самом дросселе и его разогрева, переменная составляющая тока дросселя Iд1 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 Iд1 определяется как отношение переменной составляющей анодного напряжения к индуктивному сопротивлению дросселя: Iд1 = Ua / Хдр.
Потери в дросселе на переменном токе Pд1 = I 2 д1 Хдр / Q = (Ea – Eamin) 2 / (kRaQ).
Положив, к примеру, мощность передатчика 5 Вт и Хдр = 1,3 Ra, при Ea = 250 В; Eamin = 60 В (узнается лампа 6П1П или 6П6С); при добротности дросселя 30, потери в нем составят:
Pд1 = U 2 a / (kRaQ) = 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 [6] 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:
Sбок = π Nс [(D 2 в — D 2 к) / 2 + Dв lс] = 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; lс – 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.
Выбирать же Хдр в 10 – 20 раз больше на рабочей частоте, чем Ra крайне не желательно, как это рекомендуют некоторые авторы; дроссель для них-теоретиков, – идеальная катушка с нулевой собственной емкостью и бесконечной индуктивностью (вот откуда появилось поверье, что переменный ток в дроссель не течет). Беда большого соотношения между Хдр и Ra в том, что с увеличением индуктивности дросселя растет его число витков и суммарная межвитковая паразитная емкость. И при индуктивном сопротивлении в 10 раз превышающем Ra на рабочей частоте, велика вероятность, что ток через паразитную емкость дросселя сравняется с током через его индуктивность. Это явление называется резонанс. Контурный ток при резонансе превышает ВЧ ток, ответвляющийся в дроссель, в Q раз. Но поскольку при резонансе в Q раз возрастает и эквивалентное сопротивление дросселя (как параллельного колебательного контура), и, соответственно, во столько же раз падает ток, ответвляющийся в дроссель, то ничего страшного не происходит. Но на частотах выше резонанса реактивное сопротивление дросселя принимает емкостной характер, и он теряет свои фильтрующие свойства. Поэтому превышение индуктивного сопротивления дросселя над Ra должно быть минимально достаточным для уменьшения потерь — раз, и рабочая частота дросселя должна быть ниже частоты его параллельного резонанса — два.
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[2], а номенклатура рекомендуемых радиоламп для маломощных передатчиков конечна, можно составить следующую таблицу:
Источник