Ну, что может быть проще обычного П-контура? Штука простая, хорошо поддающаяся расчету и точно с ним совпадающая.
Но кроме точности математического расчета (которая, в случае П-контура выше всяких похвал) есть еще точность реализации рассчитанной модели на практике. А вот с этим худо. Ведь что мы рассчитали? Схему из трех деталей: два конденсатора и катушка. А "в железе" делаем что? Минимум 4 детали: три упомянутых + переключатель отводов катушки, замыкающий нерабочие витки.
Казалось бы, уж переключатель и неработающие на данном диапазоне, закороченные витки катушки всерьез ни на что влиять не могут. Я тоже так думал. До последнего времени.
История проблемы. Но вот пришлось недавно налаживать П-контур РА 1,8 ...50 МГц (для украшения скучного текста привожу фото того П-контура). Вернее, думал, что надо только для порядка проверить ВЧ-мостом трансформацию импедансов и никакой наладки не потребуется (как и должно быть при правильном расчете).
ВЧ-мост подключался к антенному выходу РА, на аноды ламп (усилитель полностью отключен от сети) – резистор, с сопротивлением, равным расчетному выходному ламп. При исправной работе П-контура ВЧ-мост должен показать 50 Ом на заданной частоте. Причем емкости антенного и анодного конденсатора обязаны быть близки к расчетным. Это стандартная методика "холодной" проверки-настройки П-контура.
Собственно, такой результат ожидался и на этот раз. Он и получился. На всех диапазонах. Кроме 24,9 МГц. Там контур категорически отказывался "строиться". Вернее пытался это сделать, но при емкостях конденсаторов в несколько раз(!) отличавшихся от расчетных. Но все равно требуемые 50 Ом не получались. Только какой-то размытый небольшой минимум. И такое ненормальное поведение наблюдалось в полосе от 24 до 26 МГц. На всех частотах выше и ниже П-контур вел себя в соответствии с расчетом и никаких чудес не показывал.
Поиски виновного. Поскольку зависимость была явно резонансной (в полосе 24 ... 26 МГц чем ближе к 25 МГц, тем сильнее контур "сходил с ума") надо было искать что резонирует. Отключение всех дросселей: и анодного (на лампах) и антенного (шунт выхода по постоянному току) картины не изменило. Паразитный резонанс остался на месте.
Дальнейшие поиски дали крайне неожиданный результат: резонировала часть катушки, закороченная диапазонным переключателем и вроде бы вовсе не должная никак себя проявлять при работе на 24,9 МГц.
Но она проявляла. Да еще как. Экспериментально была обнаружена очень резкая реакция моста (читай выходного сопротивления П-контура) на поднесение пальца к закороченной части катушки. Особенно к добавочной 160 m секции (на фото справа внизу, намотана на стеклотекстолитовом каркасе, виток к витку толстым литцендратом в шелковой оплетке).
На всех остальных диапазонах (где П-контур работа нормально) реакция на палец на закороченной части катушки практически отсутствовала, индикатор минимума ВЧ-моста шевелился едва заметно. А на 24,9 МГц он зашкаливал даже когда палец подносился к 160 m катушке не вплотную, а на несколько мм. Значит резонанс. Причем, с очень малой емкостью (раз такая реакция на палец, вносящий лишь несколько пФ).
Причины. Разберемся, откуда этот резонанс взялся?
На приведенном ниже рисунке в упрощенном виде показан П-контур, настроенный на 24,9 МГц (работает катушка L1,конденсаторы С1 и С2 стоят в положениях, соответствующим расчету: трансформации с 900 Ом на 50 Ом). Но это П-контур усилителя на все диапазоны. Поэтому имеется диапазонный переключатель отводов катушки S1 (на схеме условно не показаны остальные отводы и положения переключателя) и большая катушка (или катушки) более низкочастотных диапазонов (на схеме условно показаны как последовательное соединение только двух больших и равных индуктивностей L2 и L3, почему так показано см. ниже).
На первый взгляд L2 И L3 будучи закорочены ни на что не влияют.
Но это на первый. Посмотрим внимательнее. Ведь катушки L2 И L3 низкочастотные. В них много провода. Несколько метров. А это на частоте 24,9 МГц никак нельзя рассматривать как сосредоточенную индуктивность. Это уже длинная линия. Со всеми вытекающими эффектами.
Допустим, суммарная электрическая длина L2 И L3 достигла l/2 на 24,9 МГц. Это вполне реальная ситуация: половина длины волны всего 6 м, значит с учетом укорачивающего действия емкости катушки на шасси, резонанс возникнет при суммарной длине провода в L2 и L3 в 4,5...5,5 м.
Что мы имеем в этом случае? Точно посередине (электрической) нашей линии (закороченные L2 И L3) появляется точка, отстоящая от концов на l/4. Причем эта точка ни на что не нагружена. Т.е. имеем четвертьволновую линию, разомкнутую на конце. А такая линия имеет очень низкое входное сопротивление.
Это низкое сопротивление подключается параллельно антенному конденсатору С2. П-контур, естественно, "не строится". Мы же в наших расчетах П-контура не учитывали дополнительного шунтирования выхода резонирующей l/4 линией.
Что еще делает l/4 линия? Правильно, многократно повышает напряжение от низкоомного к разомкнутому концу. В нашем случае это означает, что при попытке хоть как-то настроить П-контур, в точке соединения L2 И L3 (напомню, эта точка электрической середины, где она расположена физически мы разберемся ниже) появляется очень высокое напряжение. В десятки раз выше, чем на выходе РА ( и на переключателе S1 ). Потери в катушке–линии малы (она же толстым проводом намотана на хорошем каркасе), а добротность Q, соответственно, высока. А резонирующей l/4 линией с ненагруженным концом напряжение повышается в Q раз.
У вас никогда не бывало дуги, длиной в несколько см из катушки 160 m, при работе на ВЧ диапазонах? У меня раньше бывало. Только тогда я не понимал причину. Теперь понимаю – это вышеописанный резонанс.
Если вам чем-то не нравится объяснение через длинные линии, можно проще на сосредоточенных элементах (хотя и не так точно). Посмотрите, на рисунке светло серым показана монтажная емкость См на шасси. Последовательные контура L2–См и L3–См резонируют и дают как шунтирование выхода, так и всплеск напряжения в середине. Такое объяснение менее точно (т.к. не учитываются межвитковые распределенные емкости и распределение тока вдоль катушки и все отдается только на емкость монтажа, а на самом деле резонанс в линии возникает даже при полном отсутствии емкости на корпус), тем не менее, для понимания "на пальцах" оно приемлемо.
Место максимума напряжения. Почему на рисунке для пояснения показаны две одинаковые катушки L2 и L3? Что, одной не хватает для резонанса? Да, в данном случае не хватает. Ведь наружные выводы замкнуты вместе переключателем. У них одинаковый и низкий потенциал. Чтобы "разогнать" высокое, резонансное напряжение в какой-то точке её надо одинаково изолировать, как от конденсатора С2 (выхода), так и от правого вывода работающей катушки L1. Поэтому и нужны два одинаковых изолятора: две резонирующие l/4 линии. Или иными словами: максимум напряжения расположен точно в электрической середине всей индуктивности, закороченной переключателем.
А где физически расположена эта середина? В реальном-то П-контуре катушки разные. Вот как раз поэтому электрическая середина попадает в начало катушки 160 m секции. Она самая большая и ее индуктивность больше всех остальных. Кроме того, остальная индуктивность уменьшена на величину работающей катушки. Конечно, в зависимости от конкретной конструкции, положение максимума меняется, но все искать его следует где-то в около начала 160-ти метровой катушки.
Поведение при расстройке. Как еще влияет этот резонанс? Ладно, точно на резонансной частоте все плохо. А при небольших расстройках? Ответ – все как в обычной длинной линии. Если длина закороченной части получается не точно l/2, то параллельно выходу усилителя подключается не чисто активной низкий импеданс, а комплексный, реактивный. Модуль которого быстро растет с расстройкой.
Опыт показывает, что для 50-ти омного выхода, при расстройках 5% П-контур уже нормально "строится" (хотя величина С2 еще ощутимо отличается от расчетной - ему же надо компенсировать, вносимый импеданс от резонирующей недалеко по частоте закороченной части катушки), усилитель отдает полную мощность и ничто нигде не горит. А при расстройках более 10% влияние описанного резонанса практически отсутствует.
На каких диапазонах следует ожидать проявления паразитного резонанса? На высокочастотных, начиная от 14 МГц. Там, где длина проводника в закороченной, неработающей части катушки близка (точнее, несколько меньше) l /2.
А эта длина зависит от конструкции катушек и их требуемой индуктивности. А последняя растет с ростом эквивалентного анодного сопротивления R1. А оно, в свою очередь, увеличивается при росте анодного напряжения и снижении анодного тока.
Даже при очень высоком R1, в несколько кОм, индуктивность катушки П-контура на 160 m не превышает 40 мкГн. При разумной конструкции это никак не больше 8 .. 9 м провода. Этого может хватить на паразитный резонанс минимум на 14 МГц. Но никак не ниже.
С понижением R1 снижается требуемая индуктивность и, соответственно, растет частота паразитного резонанса. Так, показанный на фото контур (с которого мы начали), рассчитан на R1 = 900 Ом, поэтому паразитный резонанс оказался на 24,9 МГц.
Но РА с R1 < 1 кОм (низкое анодное напряжение, большой ток) или с R1 > 3 кОм (высокое анодное напряжение, малый ток) относительно редки. В типичном случае R1 = 1,3 .... 2 кОм. В таких РА следует ожидать паразитного резонанса в диапазонах 18 или 21 МГц. Так, в одном из моих старых усилителей ( R1 = 1 ,5 кОм две ГИ7Б при напряжении 2,4 кВ) П-контур очень странно настраивался в диапазоне 18 МГц. И в этом диапазоне нередко возникала дуга длиной более 2 см из закороченного диапазонным переключателем вариометра, использовавшегося на 80 и 160 m. Как уже упоминал выше, тогда причины этого явления я не понимал.
Как бороться с паразитным резонансом? Полностью устранить причину резонанса невозможно: в любом случае на катушку 160 м требуется несколько метров провода, и в любом случае найдется частота, где эти несколько метров составят полволны. Причем эта резонансная частота будет ниже 30 МГц. Чтобы загнать ее выше, надо иметь суммарную длину провода в неработающих катушках меньше 3,5...4 м. А при такой длине даже при самых оптимальных конструкциях катушек достичь требуемой индуктивности на 160 м получается только если R1 < 500 Ом. Что для ламп нереально. Можно, конечно, отказаться от диапазона 160 м (резонансы катушки 80 м почти 100% будут выше 30 МГц), но ведь мы делаем вседиапазонный П-контур...
Есть два решения. Как обычно одно сложное и хорошее, второе просто и похуже.
Первое: менять схему коммутации. Неработающую катушку 160 м надо или дополнительно замыкать, или отключать полностью. С обеих сторон. Но это усложняет коммутацию. Одной галетой тут никак не обойдешься.
Второе решение проще и очевиднее: загнать паразитный резонанс между любительскими диапазонами. Сделать это можно двумя способами:
Но в моем случае пришлось доматывать витки. Взгляните на фото, поверх катушки 160 м (правый нижний угол, провод в синей шелковой обмотке на стеклотекстолитовом каркасе) были домотаны 1,5 витка медной шиной (видна поверх катушки 160 m ). Паразитный резонанс при этом сместился с 24,9 МГц на 23 МГц. Диапазон 12 м стал "строиться" практически нормально. Хотя и при антенной емкости С2, отличающей от расчетной процентов на 30%. Это сказывалось вносимое реактивное сопротивление от резонанса на 23 МГц.
После сдвига паразитного резонанса с 24,9 на 23 МГц П-контур в диапазоне 21 МГц тоже стал настраиваться с емкостью С2, несколько отличающейся о расчетной. И причина та же: вносимое реактивное сопротивление от резонанса на 23 МГц (до переделки, когда паразитный резонанс был на 24,9 МГц, диапазон 21 МГц настраивался точно по расчету).
Заключение. Думаю, эта статья позволит вам лучше понять причины странностей в П-контуре и отклонений от расчета, случающихся в диапазонах 14...24,9 МГц во вседиапазонном усилителе.