Параллельная работа усилителей мощности для трансивера

Введение

Для мощных транзисторных усилителей мощности РЧ, разработаны специальные мощные полевые транзисторы, стоимость которых может доходить до десятков тысяч рублей. Ещё есть большой риск спалить такой транзистор при наладке усилителя, что бывает довольно часто у не очень опытных радиолюбителей.
Всё это напрочь отбивает желание у таких радиолюбителей собирать усилители на таких транзисторах. Но есть другой гораздо попроще способ, получить на выходе мощность 300-500 Вт. Для этого нужно объединить для параллельной работы два-четыре маломощных усилителя по 120-150 Вт. Согласны, что 400-500 Вт на выходе - это уже гораздо лучше, чем 40-100 от обычного трансивера. Для этой цели необходимы согласующие устройства, так называемые сплиттеры (разветвители) и комбайнеры (сумматоры). Давайте разберёмся что это такое, для чего они нужны и как их правильно подключить и изготовить самому. Да, речь здесь идёт только о КВ диапазоне.

Сплиттеры и комбайнеры

Схем различных и не сложных усилителей мощности на 100-150 Вт в интернете много, так-же в настоящее время появилось достаточно много готовых и не дорогих усилителей мощности для Си-Би радиостанций. Все они в основном рассчитаны по входу и по выходу на волновое сопротивление 50 Ом.
Было-бы заманчиво изготовить, или приобрести два (четыре) усилителя мощности на 100-200 Вт и объединить их в совместную работу на одну нагрузку (антенну). Оказывается это вполне возможно, не очень сложно и не очень затратно.

Для объединения двух (четырёх) усилителей мощности для работы на общую нагрузку (антенну), предназначены сплиттеры (разветвители) и комбайнеры (сумматоры). Наши китайские друзья наладили массовый выпуск таких девайсов (рисунок выше), но цена на Али у них на такой комплект (сплиттер собран на плате размером 50х50 мм, а комбайнер на плате 100х80 мм) в районе 7-8 тыс. рублей. На всем известном сайте eb104.ru подобный комплект обойдётся в районе 10-11 т.р.
Так что такое сплиттер и комбайнер?
Сплиттер - это разветвитель, который распределяет и согласует входной сигнал от маломощного УМ по входам основных усилителей мощности.
Комбайнер же наоборот, объединяет сигналы с выходов усилителей мощности, согласует их и выводит на одну нагрузку.

Эти два устройства собраны по одной и той-же схеме и совершенно обратимы. То есть если перевернуть комбайнер, то есть поменять местами вход и выход, то он превращается в сплиттер и наоборот, если у сплиттера поменять местами вход и выход, то он превращается в комбайнер.

Схема.

Рассмотрим схему комбайнера. Как видим, она состоит из двух намоточных деталей. Первая левая часть - это сумматор (два входа), который суммирует выходные сигналы и параллелит выходные сопротивления усилителей мощности, он же может работать и как разветвитель.
Вторая правая часть - это согласователь (один выход), или трансформатор сопротивлений. Он приводит выходные сопротивления параллельно соединённых усилителей мощности к сопротивлению нагрузки, то есть согласует выходы усилителей с антенной. Конденсатор для компенсации паразитного реактивного сопротивления нужно брать NPO или подобный на рабочее напряжение не менее 1 кВ.

Схема комбайнера

Сумматор можно намотать на ферритовых трубках от мониторов, кабелей питания и пр, или на ферритовых кольцах (набор колец). Проницаемость феррита большой роли не играет и может быть 100 - 2000. Проницаемость ферритовых трубок в основном лежит в пределах 800-850. Если используется одна трубка (один набор колец), то такой сумматор может содержать 2,5 - 4,5 витка парой скрученных между собой медных проводов, например так;

Сумматор на одной трубке

Обмотки потом прозваниваются между собой и соединяются конец одной обмотки с началом другой.
Сумматор (для увеличения мощности) можно намотать и на двух трубках или наборах колец (по типу бинокля). Количество витков в таком случае может быть 3 - 5.
Можно намотать его витой парой, предварительно ещё скрученной между собой, разделив жгут проводов потом по две пары (как два параллельных провода) и соединить получившиеся две обмотки последовательно, благо, что изоляция проводов имеет разную цветовую маркировку, это не составит большого труда. Тоже вполне рабочий вариант.

Сумматор на двух трубках

Очень хорошо можно использовать вместо медных проводов для намотки коаксиальный кабель 50-ти Омный, который можно рассматривать как два параллельных провода (экран и центральная жила).
Например сплиттеры на самом первом фото намотаны на ферритовых трубках и содержат 3 витка коаксиалом, конец оплётки которого соединяется с началом центральной жилы (это средний вывод сумматора-разветвителя). Да, ещё желательно подобрать диаметры проводов так, чтобы по возможности как можно плотнее заполнить отверстие трубки (колец).
Рассмотрим схему сплиттера;

Схема сплиттера

Как и было сказано выше, схема сплиттера абсолютно зеркальная схеме комбайнера. Схема имеет один вход и два выхода.
Слева находится согласователь или трансформатор сопротивлений, а справа сумматор-разветвитель, который распределяет входной сигнал на входы усилителей мощности.
Теперь рассмотрим схему параллельного соединения двух усилителей мощности

Принцип работы.

Сумматор-распределитель.

Ну если со схемой всё более менее ясно, тогда посмотрим как работает сумматор-распределитель.
Если он стоит на входе (два входа и один выход), то есть к нему подключаются выходы усилителей мощности, то сумматор складывает выходные сигналы от усилителей и параллелит их выходные сопротивления.
То есть если выходные сопротивления обоих усилителей равнялись 50 Ом (были рассчитаны на 50-ти Омную нагрузку), то после сумматора выходное сопротивление будет равно 25 Ом, то есть как и при параллельном соединении двух резисторов.
Соответственно если он стоит на выходе (один вход и два выхода), то он будет распределять входной сигнал по двум выходам и соответственно выходное сопротивление на двух выходах будет в два раза больше, чем на входе. То есть если входы УМ рассчитаны на входное сопротивление 50 Ом, то на вход сумматора-распределителя нужно будет подать сигнал рассчитанный на входное сопротивление в два раза ниже, то есть на 25 Ом.
Да, ещё про резистор подключенный на вход сумматора. Мощность его можно выбирать не более одной пятой от мощности применяемых усилителей (можно и меньше). На нём выделяется мощность лишь при неоднородности выходных сигналов усилителей мощности. Если оба усилителя идентичны и выдают одинаковую мощность при изменении входного сигнала, то на этом резисторе мощность практически не выделяется. Только если один из усилителей вышел из строя, тогда резистор будет принимать на себя мощность рабочего усилителя.
На сплиттере мощность этого резистора вполне достаточна на 2 Вт. Да, ещё почему 100 Ом. Его можно рассматривать, как два резистора по 50 Ом (нагрузка для каждого канала) соединённых последовательно, и точка их соединения как-бы подключена к общему проводу. Если на входы подаётся сигнал рассчитанный на сопротивление по 25 Ом, то соответственно этот резистор выбирается величиной 50 Ом (2х25).

Трансформатор сопротивлений.

Ну вот мы с Вами и подошли к не менее важной детали в этих девайсах - трансформатору сопротивлений (согласующему устройству). Если со школьных времён из раздела физики про трансформацию напряжений более-менее всё понятно, что коэффициент трансформации — это соотношение витков первичной и вторичной обмоток, то трансформация сопротивлений происходит немного по другому.
Но здесь тоже особой сложности нет, просто нужно запомнить, что;

По другому сказать, если первичная обмотка содержит 4 витка, а вторичная 8 витков, то коэффициент трансформации (соотношение витков) равен 2. Отсюда коэффициент трансформации сопротивлений (преобразование импеданса) будет равен четырём (2 возводим в квадрат). То есть если подать на вход такого трансформатора сигнал с импедансом в 50 Ом, то на выходе будет сигнал с импедансом в 200 Ом. То же самое относится и к автотрансформаторам.
Например тот-же самый балун. Если он намотан тремя проводами (например четыре витка), то есть имеет три обмотки по четыре витка соединённых последовательно. Сигнал подаётся на первую обмотку, снимается с последней (автотрансформатор).
Получается первичная обмотка имеет четыре витка, вторичная (4х3) двенадцать витков. Коэффициент трансформации равен 3, отсюда коэффициент трансформации импеданса сопротивлений будет равен (три в квадрате) девяти. То есть 50 Ом на входе будет преобразовываться в 450 Ом на выходе и наоборот, если ко вторичной обмотке подключить антенну (верёвку) с волновым сопротивлением 450-500 Ом, то с первичной обмотки на вход приёмника будет приходить сигнал с импедансом 50-55,5 Ом. Верёвка со входом приёмника будет согласована.

Теперь про тонкости, которые имеются у трансформатора сопротивлений.

Давайте разберём это на примере. Допустим, что нам понадобилось трансформировать сопротивление 75 Ом в 50 Ом, или наоборот, не важно. Высчитываем из этих данных необходимый коэффициент трансформации, 75:50=1,5 то есть нам необходим коэффициент трансформации сопротивлений 1,5. Так как мы уже знаем, что коэффициент трансформации сопротивлений равен квадрату от соотношения витков, то нам нужно определить какое соотношение витков нам необходимо.
Это просто, для этого из полученного коэффициента извлекаем квадратный корень. Корень квадратный из 1,5 будет равен 1,224... Округляем до 1,2. Вот такое соотношение витков нам необходимо получить, изготовляя трансформатор.

Как теперь правильно намотать этот трансформатор. Можно конечно намотать одним слоем на кольце 12 витков и сделать отвод от 10-го. Получим искомый коэффициент 1,2. Но нам нужно получить наименьшее количество витков. Для этого уменьшаем количество полученных нами витков до наименьших значений с сохранением соотношения в 1,2 то есть и 10 и 12 делятся на два и получается 5 и 6. Значит можно намотать шесть витков и сделать отвод от пятого и будет такой-же коэффициент трансформации.
Но так трансформатор сопротивлений не мотают. Работать он будет, но не будет у него широкополосности, будет работать в какой-то определённой полосе частот. Чтобы полоса пропускаемых частот нашего трансформатора была как можно шире, как говорилось выше, он должен быть намотан линией. Вот мы и возьмём за основу 6 и 5. Наибольшее число (6) показывает нам кол-во необходимых проводов в линии, а число 5 - отвод от пятой обмотки. Вот шестью проводами на кольце подходящих размеров мы и мотаем наш трансформатор. Количество витков может быть 2-5 в зависимости от кольца, количества проводов и самого провода. Лучше конечно если будет меньшее количество витков.
Все обмотки соединяем последовательно и отвод делаем от пятой обмотки.
Схематически наш трансформатор будет выглядеть так;

Схема трансформатора сопротивлений.

Такая схема, или такое изображение трансформатора наиболее понятно отражает его конструктивные особенности. Можно конечно нарисовать его и просто, как обычный автотрансформатор с отводом от верхней части витков, но его исполнение должно быть обязательно линией.

Теперь рассмотрим более подробно конструкцию трансформатора сопротивлений продаваемого на Али, для преобразования импеданса 25 Ом в 50 Ом. Да, трансформаторы такого-же исполнения продаются и на сайте eb104.ru.

Конструкция трансформатора сопротивлений.

Трансформатор намотан коаксиальным кабелем и содержит 2 витка. Как мы уже знаем, что коаксиальный кабель можно принять за два параллельных провода, это оплётка и центральная жила. Внимательно смотрим на его конструкцию. К выходу от трансформатора сопротивлений подключена оплётка. Далее идёт один виток, потом срезана маленькая площадь изоляции и от оплётки сделан отвод - вход от сумматора. Потом идёт ещё один виток оплётки. Далее конец оплётки соединяется с началом центральной жилы и идёт ещё два витка центральной жилой. Конец центральной жилы соединяется с общим проводом.
Что мы имеем в итоге? А имеем автотрансформатор 4 витка с отводом от 3-го. Соотношение обмоток получается 1,333, коэффициент трансформации сопротивлений получается (1,333 в квадрате) 1,77 - округляем до 1,8. Получается, что импеданс 25 Ом преобразуется таким трансформатором в 45 Ом, что довольно близко к 50 Ом (плюс-минус 10%) вполне допустимо и самый оптимальный вариант.

Давайте рассмотрим ещё пару вариантов исполнения трансформатора сопротивлений. Может Вам это пригодится в будущих конструкциях.
Первый вариант намотан на 2-х ферритовых кольцах, размером К40х25х11 сложенных вместе. Намотка производится двумя параллельными проводами не скрученные между собой (линией) диаметром 1,6 мм, пять витков равномерно по всей площади колец (две обмотки). Конец первой обмотки соединяется с началом второй, и отвод на выход делается от второго витка второй обмотки. Конец второй обмотки никуда не подсоединяется и остаётся "висеть" в воздухе.
Схематически, чтобы было всё понятно, он выглядит так, количество витков тоже обозначено на схеме.

Конструкция трансформатора сопротивлений.

Что у нас получается? Первичная обмотка содержит 5 витков, вторичная 7 витков. Соотношение витков обмоток (коэффициент трансформации) равен 1,4. Отсюда коэффициент трансформации (преобразования) импеданса сопротивлений получается 1,96, то есть практически =2. Идеальное соотношение, 25х2=50 Ом.
Такой трансформатор работоспособен до мощности 1 кВт в полосе частот радиолюбительских КВ диапазонов.

Второй вариант выполнен на ферритовой трубке, намотан коаксиальным кабелем (RG-58). Всего содержит 5 витков, но первые два витка сделаны целым кабелем, последующие три витка только центральной жилой (изоляция и оплётка удаляется). Вывод на выход от оплётки начала кабеля. Далее два витка оплётки, конец оплётки соединяется с началом центральной жилы, сюда же подаётся сигнал от сумматора, далее пять витков центральной жилой и на общий провод. Соотношение аналогично выше описанному, так-же 7/5. Такой трансформатор намотан немного не по правилам, но так-же вполне работоспособен.

Конструкция трансформатора сопротивлений на трубке
 

Мы с Вами рассматривали параллельную работу двух усилителей мощности. Аналогичным способом можно подключить для параллельной работы четыре усилителя мощности. Схема их подключения аналогична схеме для двух усилителей, а схемы сплиттеров и комбайнеров будут выглядеть следующим образом;

Четырёх портовый сплиттер комбайнер.

Вот примерно всё, что хотел Вам рассказать. Теперь Вы сами сможете рассчитать для себя трансформатор сопротивлений под любые необходимые Вам сопротивления и изготовить его самостоятельно. Так-же сможете разобраться в конструкциях других трансформаторов и определить их коэффициенты трансформации импеданса сопротивлений, и надеюсь, что теперь сможете подключить и согласовать для параллельной работы свои усилители мощности.

Удачи Вам в творчестве и всего самого наилучшего!