|
Není žádným tajemstvím, že Česká republika drží již roky světový primát v počtu VKV stanic na plochu svého území. Tak vysoká hustota stanic během VKV závodů ovšem klade mimořádné nároky na kvalitu použitých zařízení, neporovnatelně vyšší, než je tomu u zemí, kde je vzdálenost řádu 10 km mezi dvěma sousedními stanicemi naprosto výjimečnou událostí. Všichni ti, kdož nezůstali pouze v zajetí pásem krátkých vln, proto znají ten asi nikdy neustávající boj o spektrální čistotu vysílačů VKV zařízení. Naštěstí většina z nás již má dávno za sebou úsměvné názory přelomu 80-tých a 90-tých let, kdy se v radioamatérské veřejnosti stále opakoval názor, že co je udělané doma "na koleně" nestojí za nic a co je tzv. profesionální (japonský) výrobek, je nepřekonatelné. Ve skutečnosti se mezi radioamatérskými stanicemi nevyskytují žádná profesionální zařízení pro VKV závody, ale vždy pouze lepší, či horší zařízení komerční, povětšině primárně konstruovaná především pro státy s řádově menší hustotou stanic na jednotku plochy území. Tato komerční zařízení jsou vyráběna za účelem zisku, nikoli za účelem co nejmenšího vzájemného rušení mezi blízkými soutěžními stanicemi! Pokud nechceme podlehnout naivním názorům o nuceném návratu k QRP, musíme přestat podléhat klamným názorům o japonské a jiné profesionální dokonalosti a začít sami sebe vzdělávat v technických a fyzikálních aspektech našeho krásného sportu a začít hledět kriticky na vlastnosti reálného zařízení používaných jak u protistanic, tak hlavně u sebe. Proč hlavně u sebe? Je to jednoduché - na VKV jsou na rozdíl od technicky nenáročných KV zařízení kladeny na použité díly technicky mimořádně vysoké nároky. Pokud máme snížit vzájemné rušení blízkých stanic v závodech, musíme se podívat kriticky především na to co používáme sami a zajistit, abychom vlastním zařízením neobtěžovali sebe ani své okolí. Teprve tehdy, máme-li hluboké znalosti o stavu své techniky, podložené znalostmi o fyzikálních a technických limitech radiového provozu, můžeme se kriticky obracet na své okolí a slušně požádat ty své sousedy, kteří skutečně produkují nadměrné rušení (máme-li ovšem ten fakt nezpochybnitelně potvrzen a víme, že problém zcela jistě nezpůsobuje nedostatečná odolnost, stopband a fázový šum našeho vlastního přijímače), aby se svým zařízením něco udělali. Budeme-li mít dostatečné znalosti, jistě budeme schopni jim nejen vynadat, ale také říci, co je v jejich zařízení za problém a jakými cestami asi bude možné postupovat k jeho řešení. V takovém případě bude naše kritika jistě přijímána lépe a nebude zasévat zbytečné nepřátelství kvůli jednomu nevydařenému závodu. Právě toto je na VKV provozu krásné - nejde pouze o bušení do telegrafního klíče komerčního KV zařízení, ke kterému je připojena náhražková anténa typu "kus drátu" a dovolávání se expedice na nějaký obskurní ostrůvek kdesi v moři, ale o nezbytnost skloubení hlubokých technických znalostí, náročné konstruktérské práce a provozních dovedností. Jen to vede ke skutečným úspěchům na VKV pásmech a dává to všem, kteří se tomu věnují, náležitý pocit skutečného uspokojení. A právě proto
se už léta na webových stránkách OK2KKW
věnujeme otázkám
vzájemného rušení a návodům, jak s tím související otázky řešit. Jedním se stále
se opakujících témat
je (vedle širokopásmového šumu oscilátoru a šumového pozadí vysílací cesty) také
záležitost intermodulačních parametrů vysílače. Pojďme se tedy tentokrát věnovat
tomuto fenoménu. Přestože stále stoupá mezi soutěžními VKV stanicemi počet tranzistorových zesilovačů, osazených výkonovými VF tranzistory řízenými polem (zejména technologie LDMOS), současně také ubývá výkonových zesilovačů s elektronkami, protože ty ke své funkci potřebují síťové napětí, jsou těžké a špatně transportovatelné. A tak elektronkové výkonové zesilovače jsou čím dál tím více doménou výkonů řádu jednoho kW, zatímco starší elektronkové zesilovače okolo 100W jsou stále více vytlačovány tranzistorovými. Bohužel výkonové zesilovače s bipolárními tranzistory s výstupním výkonem 100 až 400W jsou stále levnější, než s tranzistory MOS a navíc mají z pohledu mnoha stanic jednu další nezanedbatelnou výhodu - jsou určeny pro napájení 12-ti voltů. Proto se tyto bipolární tranzistorové zesilovače (ke škodě nás všech) stávají stále více etalonem standardního zařízení průměrně vybavených stanic jednotlivců, ba co více - a to je ještě mnohem politováníhodnější - bývají stále častěji používány i k buzení následných kW elektronkových PA. Tyto bipolární tranzistorové PA ovšem obvykle nejsou konstruovány k takovému účelu - mnoho z nich je spíše konstruováno pouze jako nějaký "postrkovací" zesilovač pro mobilní provoz přes FM převaděče. A právě skutečnost, že tyto tranzistorové PA jsou především určeny jako výkonový přístavek k mobilnímu FM zařízení neznámého výkonu, klade na jejich konstruktéry velké nároky, jak zajistit, aby takový přídavný PA fungoval správně i s buzením, které se může měnit i v rozsahu 10dB a přitom nedošlo k destrukci výkonových VF tranzistorů v PA. Proto jsou víceméně zpravidla takové PA řešeny s takovým zdrojem předpětí, který se zvyšujícím se buzením na vstupu PA přesouvá pracovní bod tranzistorů v PA z AB do třídy C, kdy klesá zisk, dochází ke kompresi, což má (vedle stoupajícího PSV, které zajišťuje automatické omezování výkonu budicího FM zařízení) samoochraňující efekt - takový PA prakticky nelze přebudit do stavu, kdy by mohlo dojít k jeho poškození. Nejsou tedy žádné reklamace, výrobce je spokojen, že prodal a nemusí nic opravovat, radioamatéři, věnující se FM mobilnímu provozu na VKV (většinou jde o ty tzv. zkušené KV operátory) jsou spokojeni také, protože se z auta dovolají snáze a dále. Kosa na kámen narazí v okamžiku, kdy si takový majitel postaví vedle auta anténu typu Yagi a začne se věnovat VKV závodění, přičemž pochopitelně chce v zápalu boje maximálně využívat výkonového limitu tohoto "profesionálního" tranzistorového PA a nedejbože jej použije jako budič velkého elektronkového PA. Požadavky na linearitu celého zesilovacího řetězce pro SSB provoz ve VKV závodech je něco, co takto konstruovaný zesilovač prostě nemůže splnit. Připomeňme snad jen pravidlo, že pro SSB provoz ve VKV závodě lze použít jen takový zesilovač, který nepřesáhne při maximálním buzení míru komprese 1 dB. Klíčovým obvodem tranzistorového výkonového zesilovače s bipolárními ntranzistory je z hlediska použitelnosti pro SSB soutěžní provoz obvodové řešení zdroje předpětí. Tento zdroj předpětí musí splňovat požadavek velmi malého vnitřního odporu (okolo 1 Ohmu), musí být dlouhodobě stabilní a navíc musí zajistit teplotní kompenzaci zdroje předpětí (mezi bází a emitorem výkonového VF tranzistoru) tak, aby se zvyšující se teplotou VF tranzistoru a tím i zvyšováním jeho stejnosměrného zisku klesalo výstupní napětí zdroje předpětí tak, aby tranzistorem tekl stále stejný klidový proud. Zcela nevhodný je proto jednoduchý zdroj předpětí s pouhými dvěma prvky na obr.1 - odporem a diodou - byť právě toto zapojení je u tranzistorových PA pro FM a SSB provoz používáno nejčastěji:
Poněkud lepší je zdroj předpětí na obr.2, které již zajišťuje menší vnitřní impedanci a má i určitý teplotně samoregulační efekt.
Zdroj předpětí na obrázku 3 byl vyvinut autorem článku již někdy začátkem 80-tých let. PA s takovým zdrojem předpětí sice je dlouhodobě stabilní, zapojení má poměrně malou vnitřní impedanci, nicméně tento zdroj předpětí byl původně vyvinut pro PA s napájecím napětím 24V a s výkony jen cca do 30W (kde pracuje velmi dobře) - ale pro dnešní výkonové, 12-ti voltové bipolární PA s výkony řádu stovek W již nestačí:
Aby bylo možné zajistit dostatečně kvalitní zdroj předpětí i pro moderní tranzistorové zesilovače s několika paralelně spojenými bipolárními tranzistory s výstupním výkonem řádu stovek W tak, aby byly použitelné i pro provoz při VKV závodech, vzniklo následující, teplotně regulované zapojení, jehož vnitřní impedance je řádu setin Ohmu a plní úlohy, kladené na zdroj předpětí pro SSB provoz prakticky beze zbytku:
Tento zdroj předpětí je ovšem již poměrně složitý a protože použité integrované obvody jsou citlivé na vnikání VF energie, je umístěn v krabičce z pocínovaného plechu a vývody z krabičky jsou řešeny pomocí průchodkových kondenzátorů. Vzhledem k tomu, že u podobných PA je maximální odběr ze zdroje okolo 20 až 30 Ampér, není možné takovému PA vypínat napájení při příjmu. Proto je součástí zdroje předpětí i možnost vypnutí klidového proudu VF výkonových tranzistorů (aby nešuměly do přijímače). K tomuto účelu se použije externí spínací tranzistor, kreslený na obrázku šedou barvou. Funkčně je celý regulátor zapojen jako obvod paralelního stabilizátoru s posílenou regulovanou "zenerovou diodou" TL431 - (jde o kombinaci paralelního stabilizátoru a operačního zesilovače s vnitřní referencí), přičemž její vstup regulace je opřen o napětí získané úbytkem proudu na seriově zapojených odporech a odsazené cca o 1,25V na dvou seriově zapojených diodách, přičemž jako jedna z diod se využívá přechodu báze - emitor a báze - kolektor tranzistoru T3, který snímá teplotu chladiče. Vtipem tohoto zapojení je to, že tato kombinace je napájena z proudového zdroje s LM317L s téměř nekonečně vysokou vnitřní impedancí , takže v případě snížení saturačního napětí diody v přechodu B-E tranzistoru T3 se přesně o tutéž hodnotu napětí sníží napětí na hradle TL431 a tím také výstupní napětí pro bázi výkonového tranzistoru a tedy v souvislosti s tím dojde k zaregulování klidového proudu na původní hodnotu. Schema tohoto nově vyvinutého zapojení je pěkná věc, nicméně pro praktické použití jistě bude vhodné nabídnout kompletnější konstrukční řešení:
Celý obvod je umístěn na
jednostranném plošném spoji o rozměrech 30 x 45 mm. Po osazení plošného spoje
jej umístíme do krabičky z pocínovaného plechu rozměrů přibližně 30 x 45 x 22mm
(krabička těchto rozměrů je ke koupi v GM
Electronic) ve které jsou předem osazené kapacitní průchodky. Krabičku
umístíme tou stranou, kde jsou uvnitř umístěny výkonové polovodiče, na chladič
PA. Vzhledem k tomu, že součástky jsou v krabičce dost "namačkány"(a některé
součástky jsou dokonce "na stojáka"), je zapotřebí, aby namístě T2 byl použit
celoplastový tranzistor v pouzdru TO220 Isowatt - možno použít i jiný
tranzistor, než ve schematu uvedený
BD241, mělo by jít o běžný NPN tranzistor
pro proud do 3A, například
2SC4517,
MJF18004
apod. V případě běžného pouzdra TO220 by mohlo dojít ke zkratu se sousedním IO
7808, který má chladič uzemněn. Tranzistor T3, který slouží ke snímání teploty
umístíme na chladič PA do blízkosti výkonových tranzistorů, ale tak, aby do něj
nemohla vnikat VF energie. Na místě tohoto tranzistoru je vhodné použít typ v
běžném pouzdru TO220 s kovovým chladicím křidélkem, protože kolektor tohoto
tranzistoru je uzemněn. Při
výběru typu tranzistoru T1 vyberte typ s malým
zesilovacím činitelem (cca do 250), například typy BC556A, BC303 apod. Pokud má
tranzistor vysoký zesilovací činitel, obvod může za určitých podmínek relaxovat
(zjištění OK2ILA). Sklony k relaxování se v jednom
případě (u PA pro 70cm - konstrukce OK1MWW) objevily i u stabilizátoru LM7808.
Proto byla hodnota blokovacího kondenzátoru C2 zvýšena z původních 100nF na 4,7µF.
Na místě C2 použijeme tantalovou kapku na 35V. Krabičku s regulátorem předpětí vestavíme do výkonového zesilovače, zapojíme a nastavíme klidový proud. Výkonovým tranzistorem (nebo tranzistory) by měl téct v klidový proud cca 2 až 3 % stejnosměrného proudu při maximálním vybuzení. Velikost klidového proudu není pro výsledné parametry PA kritická - co je kritické je vnitřní impedance zdroje předpětí. Příslušný klidový proud teče výkonovým VF tranzistorem přibližně při napětí mezi bází a emitorem okolo 0,65V při pokojové teplotě. Pokud je chladič PA velmi teplý (ale v provozu by jeho teplota neměla přesáhnout 60° C) napětí UBE se zmenšuje až na 0,61V, naopak pokud je chladič velmi studený, bude předpětí okolo 0,7 V. Při tom všem by ovšem měl výkonovým tranzistorem měl téci přibližně stejný klidový proud (cca ± 20%), což zajišťuje tepelná vazba mezi VF výkonovým tranzistorem a T3. A jaký je praktický přínos náhrady původního jednoduchého zdroje předpětí za zde uvedené nové řešení?
Výsledky jsou pravděpodobně dostatečně výmluvné... Má tato změna obvodového řešení PA i nějaké slabiny? Ano - už se nehodí pro mobilní FM provoz, pokud by budicí výkon nebyl striktně omezen na hodnotu cca 25W. Přes uvedené nepochybné zlepšení intermodulačních parametrů (vysoký vstupní PSV při vyšších úrovních buzení mohl navíc negativně ovlivnit intermodulace budicího stupně) je třeba říci, že uvedený PA s bipolárními tranzistory by ani po úpravě (natož před ní) neobstál jako budicí stupeň výkonového elektronkového PA s výkonem řádu 1 kW, ledaže by jeho výkon byl omezen na nějakých 100W. Je to způsobeno tím, že napájecí napětí 12 (13,8) V je stále příliš nízké, tranzistorem tečou značné proudy, jeho přechodová charakteristika (narozdíl do elektronek a FETů, které mají charakteristiku se zakřivením druhého řádu) podporuje vznik vyšších harmonických a intermodulačních produktů. Proto bylo připraveno (pomocí dvoutónové zkoušky) srovnávací měření výkonových tranzistorových stupňů, které byly v době vývoje nového zdroje předpětí u nás v ham shacku právě k dispozici. S jeho výsledky se můžete seznámit na obrázcích uvedených níže. Připomínám, že intermodulační produkty ubývají s určitou směrnicí (závislé na typu aktivního prvku v PA, napájecím napětí a zdroji předpětí pro bipolární tranzistory) viditelnou na uvedených obrázcích a pokud nemají způsobovat rušení u blízké protistanice, měly by být potlačené alespoň o 130 dB:
Související odkazy: transvertor 21 / 144 MHz, tranzistorový budič s MRF 141
Závěrem: Věřím, že tento článek Vás přesvědčil, že:
73! ok1vpz
|
