3. Měření na VF zesilovači

Elektrotechnické mìøení (3)
JAN BOCEK, OK2BNG (jan.bocek(vitkovice.cz)
ING. TOMÁŠ KLIMÈÍK, SWL (tomas.klimcik(vitkovice.cz)
Pøirozenou snahou každého radioamatéra vysílajícího na amatérských pásmech je mít
dobré QTH, antény a dostateèný výkon. V praxi se slovem dostateèný míní co nejvìtší,
což je také pøirozené. Jedinou možností, jak této èásti snahy udìlat zadobøe, je poøídit si
zesilovaè, èili koncák, lineár anebo zkrácenì PA (z anglického Power Amplifier).
Když už takový PA máme a také víme, k jakému úèelu ho budeme používat, je vhodné jej
promìøit. Vždy je dobré vìdìt, zda mùžeme vìøit výrobcem propagovaným parametrùm
a zejména je tøeba mít jistotu, zda je, èi není konstruován jako CCS (Continuous Commercial Service) a jaký výkon odevzdává v závislosti na vstupním buzení.
Mìøení na vf zesilovaèi
Cíl mìøení:
1. Ovìøit mìøením nìkteré parametry uvádìné
výrobcem PA.
2. Pøezkoušet funkci mìøicích pøístrojù a všech
ovládacích prvkù.
3. Pøi mìøení se seznámit s novým pøístrojem.
Mìøil: Jan Bocek
Datum: 7.5.2000
Èásti:
1. Mìøení vstupní impedance PA
2. Kontrola výstupní impedance PA
3. Mìøení zesílení PA
1. Mìøení vstupní impedance PA
Použité pøístroje:
1. Mìøiè impedance MFJ-259B
2. Propojovací kabel 50 Ω o délce 0,6 m
3. PA typu ZZ-1004 s elektronkou GU74b
4. Propojovací kabel 50 Ω o délce 0,6 m
5. Odporová zátìž 75 Ω, 2 W (v konektoru PL)
Promìøovaný pøístroj:
Typ:
ZZ 1004
Výrobce: UY5ZZ, Záporoží
Jde o zesilovaè výkonu, jehož základem je
elektronka GU74b (je ekvivalentem 4CX800,
jíž jsou osazeny moderní PA jako Beta 91B
a ACOM 2000). Elektronka je zapojena s uzemnìnou katodou, je buzena do pasivní møížky,
na jejímž vstupu je zapojen bezindukèní odpor
50 Ω. PA je pro všechny KV pásma od 160 do
10 metrù vèetnì pásem WARC. Pro výstupní
výkon 600 W staèí buzení 25 W. Ostatní údaje
viz tabulka 6.
1
2
Postup mìøení:
Pøed vlastním mìøením vstupní impedance
je tøeba ovìøit parametry celého øetìzce a jejich
chování v závislosti na frekvenci.
Výstupní konektor mìøeného PA je pøipojen
kabelem k zátìži 75 Ω, vstupní konektor PA
k mìøièi impedance MFJ-259B - viz obr. 1.
3
4
5
RX
Zátìž 75 Ω
MFJ-259B
TX
ZZ-1004
Obr. 1 - Schéma zapojení pro mìøení vstupní impedance PA.
2
π -èlánek
3
C1
C2
50 Ω
2
SWR-metr
GU74b
C1
C2
50 Ω
Obr. 3 - Mìøení výstupní impedance pomocí SWR-metru SX 100.
38
4
2
5
π-èlánek
Rd
1,5
1,5
1,5
1,4
1,2
1,0
1,0
R
[Ω]
X
[Ω]
Fáze
[°]
Z
[Ω]
73
65
50
36
41
54
54
12
19
21
9
4
2
0
0
10
20
10
0
0
0
73
68
55
37
42
54
54
Vlastní mìøení vstupní impedance provedeme obdobným zpùsobem, ale na zaøízení
pøipraveném k provozu, kdy PA je nažhaven
a jsou pøítomna všechna napìtí. Pøepínaèe
jsou v poloze TX, tzn. že vstupní relé je naskoèeno a mìøicí signál se dostane až na vstupní
obvod elektronky.
Namìøené hodnoty jsou v tab. 2. Vyplývá
z nich, že provoznì nejlepší je oblast v pásmu
1,8 a 3,8 MHz. Smìrem k vyšším kmitoètùm se
postupnì zhoršuje SWR, což si vynucuje nezbytnost kompenzace jalové složky impedance.
Nejjednodušším øešením je použití ATU (anténní tuner). Platí totiž, že není-li na vstupu SWR
1.0, nevybudíme PA na optimální výkon.
1,0
1,0
1,1
1,2
1,3
1,5
1,5
R
[Ω]
X
[Ω]
Fáze
[°]
Z
[Ω]
50
50
45
40
40
48
50
0
1
4
3
9
20
20
0
0
0
0
0
20
20
50
50
46
40
40
52
54
2. Mìøení výstupní impedance
Obr. 2 - Mìøení výstupní impedance pomocí MFJ-259B.
Ua
1,8
3,5
7,0
14,0
21,0
28,0
28,5
1,8
3,5
7,0
14,0
21,0
28,0
28,5
Mìøiè Z
1
Pásmo SWR
[MHz]
Pásmo SWR
[MHz]
MFJ-259B
GU74b
Rd
Tab. 1 - Mìøení v poloze „RX“, jen zátìž
Tab. 2 - Mìøení v poloze „TX“, vstupní
impedance
1
Ua
PA je v klidovém stavu (poloha STBY)
a vstup je pøipojen k výstupu pøes obì relé tzv.
„by-passem“. V tomto stavu provedeme kontrolní mìøení impedance v rozsahu 1,8 - 30
MHz. V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty pøizpùsobení (SWR), odporu (R), reaktance (X), fázového posunu a impedance Z namìøené pro
jednotlivé kmitoèty.
Mìøiè impedance MFJ-259B má normalizovanou výstupní impedanci 50 Ω a zátìž 75 Ω,
což se správnì projevilo tím, že pøi 1,8 MHz
byla namìøena hodnota SWR rovna 1,5. Odchylky namìøených hodnot jsou zpùsobeny
kapacitami a indukènostmi, které se v obvodu
vyskytují. Výsledky v tabulce 1 lze považovat za
pøijatelné a prokazují, že veškerá propojení,
pøístroje i zátìž jsou v poøádku.
TX
Použité pøístroje:
1. PA ZZ-1004 s elektronkou GU74b
2. Propojovací kabely 50 Ω o délce 0,6 m
3. Mìøiè impedance MFJ-259B
4. SWR-metr typ SX-100
5. Budiè TX typ TS-850SAT
Postup mìøení:
Hned v úvodu je tøeba vysvìtlit, že pøi tomto
mìøení ani tak nejde o vlastní impedanci výstupu, jako o míru impedanèního pøizpùsobení
π-èlánku na výstupu PA vùèi pøipojované anténì. Vycházíme z obr. 2. Na výstup je pøipojen
MFJ-259B, PA je bez anodového napìtí, ale
výstupní anténní relé je aktivováno. Mezi anodu
RŽ 4/00
elektronky a zem je pøipojen odpor Rd = Ua : 2 x Ia,
který nahrazuje dynamický odpor elektronky.
V našem pøípadì vychází Rd = 2350 : 2 x 0,45 =
2611 Ω, použijeme tedy odpor 2500 Ω. Vlastní
mìøení realizujeme tak, že pro jednotlivá kmitoètová pásma upravujeme jednotlivé prvky
π-èlánku (C1, C2, L) tak, abychom nalezli jejich
polohu, pro kterou bude SWR = 1,0.
Na výsledcích z tab. 3 je vidìt, že pro pásma 1,8 a 3,8 MHz se hodnotu SWR = 1,0 nalézt
vùbec nepodaøilo. Svìdèí to o tom, že π-èlánek
není optimálnì navržen (v obou pøípadech je
malá kapacita C2, u pásma 1,8 MHz je i malá
indukènost). Na ostatních pásmech je možné
výstup naladit dobøe, což nám dává jistotu, že
PA bude za provozu slušnì fungovat i v dynamickém režimu. Dynamickým režimem myslíme
skuteènost, že PA je buzen proudem mìnícím
se od Imin do Imax s pøipojenou zátìží, jejíž impedance má i jalovou složku. Na obr. 3 je demonstrováno mìøení pøizpùsobení π-èlánku za
pomoci SWR-metru a budièe. Pro buzení staèí
výkon 2 - 10 W, podle citlivosti SWR-metru.
Samozøejmì, že v tabulce pak budou pouze
hodnoty SWR (R, Z, X a fázi tímto mìøicím
pøístrojem nezjistíme). Z praktického hlediska
je tøeba opìt zdùraznit, že hodnoty SWR musí
být skuteènì 1,0. Hodnota 1,3 je považována
za špatnou.
Tabulka 3 - Mìøení výstupní impedance
a pøizpùsobení π-èlánku
Pásmo C1 C2 R X Fáze Z SWR
[MHz] [dílek] [dílek] [Ω] [Ω] [°] [Ω]
1,8
3,5
7,0
14,0
21,0
28,0
8
8
4
4
4
3
9
9
7
7
3
2
68
58
49
47
46
50
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
0
0
68
58
50
47
46
50
1,3
1,3
1,0
1,0
1,0
1,0
3. Mìøení zesílení PA
Použité pøístroje:
1. TX, typ TS-850SAT
2. Anténní tuner, souèást TX
3. SWR/PWR-metr, typ SX-100, Diamond
4. PA ZZ-1004, 600 W
5. PWR-meter Rohde-Schwarz, 60 Ω, 0,2/2 kW
6. Výkonová zátìž R / S, 60 Ω, 1 kW
7. Propojovací kabely 75 Ω o délce 0,6 m
Postup mìøení:
Pøístroje zapojíme podle obr. 4. Stupnice
knoflíkù kondenzátorù C1 a C2 na PA jsme
oznaèili hodnotami 1 až 10 (zleva). Jako budiè
jsme použili transceiver Kenwood TS-850
s anténním tunerem, který umožòuje plynulou
regulaci výstupního výkonu. TX pøepneme do
režimu CW. Pro kontrolu SWR na vstupu PA
je zapojen SWR-metr. Pøepínání transceivru
do režimu TX je vhodné realizovat pomocí šlapky (osvìdèil se klíè RM31), èímž si uvolníme
obì ruce. Na výstup PA je pøipojen mìøiè
výkonu (PWR) a zátìž 60 Ω pro zatížení 1 kW.
Propojovací konektory jsou krátké (jen 60 cm)
1
2
a jsou opatøeny konektory PL. Po kontrole
zapojení zapneme PA podle návodu výrobce.
Podobnì jako pøi mìøení vstupní impedance
pøezkoušíme prùchodnost PA a funkènost mìøicích pøístrojù, relátek i kabelù v režimu QRP
(tj. bez zapnutého PA pomocí by-passu) pøi
10 a 100 W. Potom zapnutím zesilovaèe pøejdeme do režimu QRO a PA pøepneme do stavu
TX (operate) a kontrolujeme klidový proud elektronky, který se bude pohybovat okolo 180 mA.
Na transceivru nastavíme buzení 10 W a pomocí otoèných prvkù C1 a C2 naladíme výstupní obvod PA na maximální výstupní výkon. Na
výstupním PWR se objeví hodnota okolo 180 200 W. Peèlivým doladìním vstupního anténního tuneru a výstupního obvodu PA naladíme
soustavu na nejvìtší výstupní výkon. Hodnoty
anodového proudu Ic a výstupní výkon zapisujeme do tab. 4. Pøi budicím výkonu 10 W vyzkoušíme všechna pásma. Konstantní údaje,
jako Ua, Ug2, Ia, jsou uvedeny ve spodní èásti
tab. 4 vèetnì nìkterých výpoètù. Výstupní
výkon pøi buzení 10 W je 180 - 380 W. Pro další
èást mìøení zvýšíme buzení na 25 W a znovu
proladíme všechna pásma. Ze zaznamenaných
hodnot pak zjistíme, že výstupní výkon se pohybuje v rozmezí 400 - 960 W. Nakonec vyzkoušíme na každém pásmu „co to dá“. Budicí výkon zvyšujeme jen do okamžiku, kdy výstupní
výkon pøestane lineárnì narùstat. Tuto hodnotu
pak rovnìž zapíšeme do tabulky 4.
V další èásti promìøíme každé pásmo
zvl᚝ a hodnoty budeme zapisovat do tab. 5.
Mimo známých hodnot, jako jsou poloha pøepínaèe pásma, hodnota vstupního buzení, Ic
a Pout pøibyly hodnoty Ig2 a C1 a C2, které zaTab. 4 - Výstupní výkon pøi rùzném
buzení a výpoèty
Pásmo Pin = 10 W
Pin = 25 W
Pmax
[MHz] Ic [mA] Pout [W] Ic [mA] Pout [W] [W]
1,8
220
180
340
400
600
3,5
260
340
380
960 1200
7
280
380
350
960 1200
10
270
220
360
500
850
14
280
360
420
960
960
18
260
220
370
500
850
21
250
220
360
500
850
24
250
220
360
500
850
28
250
250
360
500
950
Napájecí napìtí 230 V
Ua0 = 2600 V UaM = 2350 V Ug2 = 270 V
Ia0 = 180 mA
IaM = 450 mA
Rd = 2350 / 2 x 0,45 = 2500 W
(1,56 x Ia) x Ua (1,56 x 0,45) x 2350
Pout =
=
= 840
2
2
Odbìr proudu ze sítì a pøíkon:
zapnutí
3,0 A
bìh
0,5 A
115 W
pøi PTT (Io)
2,4 A
552 W
plné buzení
5,2 A
1200 W
P
840 x
úèinnost = Pout x100 =
100 = 70 %
1200
sítì
3
4
5
6
PWR
Zátìž
PA
ZZ-1004
TX
7
7
Obr. 4 - Zapojení pøístrojù pro mìøení zesílení PA.
RŽ 4/00
1x GU74b
(1x 4CX800)
SWR
PWR
ATU
7
7
7
pisujeme jen pro maximální výkon. Hodnoty C1
a C2 jsou pøibližnì stejné, jak pro buzení 10 W,
tak 50 W. Pøi mìøení postupujeme tak, že zvyšujeme buzení Pin a sledujeme PWR a Ig2. Pøi
hodnotì Ig2 10 až 15 mA dolaïujeme C1 a C2
tak, aby proud Ig2 byl minimální a Pout nejvìtší.
Pøi urèité hodnotì buzení zaène Ig2 prudce
stoupat - znamená to, že PA je pøebuzený.
Pøi pohledu na výsledky v tab. 5 zjistíme, že
v kmitoètovém pásmu 18 - 21 MHz nesouhlasí
poloha pøepínaèe pásma s uvedeným pásmem
(napø. pro pásmo 21 MHz je poloha pøepínaèe
18 MHz). Výrobce udává jako parametr výstupní impedanci 50 Ω, my jsme však použili zátìž
60 Ω. Pro tuto zátìž je kalibrován i PWR-metr.
Tab. 5 - Hodnoty pøi zatížení PA
Pásmo
PøePin
Ic
Ig2
C1 C2 Pout
pínaè
[díl- [díl[MHz] [poloha] [W] [mA] [mA] ky] ky] [W]
1,8
1,8
3,5
3,5
7
7
10
10
14
14
18
14
21
18
24
21
28
24
10
25
50
10
25
60
10
25
50
10
25
50
10
25
50
10
25
50
10
25
60
10
25
60
10
25
60
220
340
420
260
380
440
280
350
440
270
360
420
280
420
440
260
370
440
250
360
450
250
360
450
250
360
450
15
2
1
18
7
9
18
5
7
18
4
7
20
5
7
20
2
4
10
4
7
20
4
4
8
3
2
180
400
600
340
960
1200
380
960
1200
220
500
850
360
960
1080
220
500
850
220
500
850
220
500
850
250
500
950
Závìr
Mìøením na VF zesilovaèi pro KV jsme zjistili, že odevzdává výkon o nìco vìtší (800 W)
než udává výrobce (600 W). Rovnìž VF úèinnost (70 %) pøi vysílání je dobrá. Energetická
úèinnost, kdy v klidu je odbìr jen 10 % z maximálního výkonu, je vynikající. Nebyla mìøena
hluènost pøístroje, produkty IMD ani staticky
kvalita signálu pomocí dvou tónù.
Ovìøili jsme, že vstupní obvod se musí
kompenzovat, protože vstupní SWR je horší
než 1,2. Výstupní obvod není optimalizován pro
pásmo 1,8 MHz. Výstupní výkon je polovièní
než pro pásmo 3,5 MHz.
Z hlediska obsluhy je vynikající, že je na
èelním panelu mìøidlo Ig2, což umožòuje π-èlánek naladit na optimální hodnoty.
Protože hlavním cílem tohoto mìøení bylo
ukázat na možnosti ovìøení základních technických parametrù PA v amatérských podmínkách,
jsou tyto shrnuty v tab. 6. Z ní vyplývá, že hodnoty výrobce odpovídají výsledkùm mìøení.
Protože jsme mìøili pøi síovém napìtí 230 V,
úèinnosti vychází o nìco vìtší než pøi 220 V.
A úplnì na závìr - zde nastínìné mìøení
impedance π-èlánku mùže pomoci mnohým
konstruktérùm oživit jinak pro nì mrtvá a neúèinná pásma.
39
Tab. 6 - Technické parametry ZZ 1004 udávané výrobcem a namìøené
Parametr
Výrobce
Namìøeno
Kmitoètový rozsah
Druhy provozu
Odbìr ze sítì
Výstupní výkon
Úèinnost
Vstupní impedance
Výstupní impedance
Anodové napìtí
Napájení
1,8 - 28 MHz
CW, SSB
1300 W
600 W
50 %
50 Ω
50 Ω
2,2 kV
220 V / 8 A
1,8 - 28 MHz
zkoušeno v CW a SSB
1200 W
500 - 960 W
70 %
50 Ω
50 Ω
2,6 / 2,35 kV
230 V / 5,2 A
40
Použitá literatura:
[1] The ARRL Handbook, 2000
[2] Elektrovakuumnyje pribory, Moskva 1986
[3] Notebook QRO, OK2BNG, 1998
[4] CD-ROM QRO II, PA FLP (1-2 kW), OK2BNG,
2000
[5] Dokumentace PA ZZ-1004
RŽ 4/00