Как ни парадоксально, но анодный дроссель – одна из самых сложных в понимании и изготовлении деталей в ламповом усилителе с параллельным питанием.

Анодный дроссель

Об индуктивности

Во многих конструкциях КВ РА указывают индуктивность всего 100 ...150 мкГн. А это странно. Вдумаемся: выходное сопротивление Ra лампы обычно лежит в пределах 1 ... 2 кОм. Значит, по всем канонам радиотехники, дроссель, отсекающий такое сопротивление по ВЧ, обязан иметь реактивное сопротивление как минимум в 4 (а вообще-то лучше в 10) раза более высокое на низшей рабочей частоте. Т.е. jX = 4 ... 8 кОм минимум. На 1,8 МГц это составляет 400 ... 800 мкГн . Нестыковка...

Дело в том, что в таком варианте дроссель вынужден работать не на чисто активное сопротивление Ra. Из-за низкой индуктивности, он требует емкостной составляющей в нагрузке. И получает ее: ведь кроме анода, к дросселю по ВЧ еще подключен первый конденсатор П-контура. Его подстройкой можно обеспечить требуемую емкостную составляющую. Иначе говоря, дроссель с малой индуктивностью вместе с частью конденсатора П-контура образует параллельный колебательный контур (т.е. фильтр-пробку). В результате чего анод видит очень высокий активный импеданс, не шунтирующий лампу и всё нормально работает.

Чем оплачивается удовольствие иметь малую индуктивность дросселя? Тремя малоприятными вещами:

  1. Ростом емкости анодного конденсатора. КПЕ обязан отдать часть своей емкости на компенсацию малой индуктивности дросселя. Пример. Пусть мы рассчитали, что первый конденсатор П-контура должен быть 300 пФ на 1,8 МГц. А анодный дроссель поставили 100 мкГн. Чтобы компенсировать эту индуктивность (т.е. сделать резонансный контур с такой индуктивностью на 1,8 МГц) требуется емкость 75 пФ. Поэтому РА настроится не при расчетной емкости 300 пФ, а лишь при Ca = 300 + 75 = 375 пФ. Т.е. КПЕ на 1,8 МГц обязан иметь солидный запас по емкости, для компенсации дросселя (это обстоятельство, кстати, делает совершенно бессмысленной погоню за точностью расчета этого конденсатора в П-контуре, т.к. даже при больших дросселях прибавка емкости составляет несколько пикофарад минимум).

  2. Повышением требований к конструкции дросселя. Ведь это уже не совсем дроссель, а катушка индуктивности резонирующего фильтра-пробки. С напряжением проблем не возникнет. Дроссель в любом случае обязан выдерживать ВЧ с амплитудой, равной анодному напряжению. А вот с реактивными током и мощностью все не так гладко. Посчитаем. Для примера возьмем тот же РА, что и предыдущем пункте, при напряжении на аноде Ea = 2,2 кВ. Тогда в фильтре пробке, состоящем из дросселя 100 мкГн и 75 пФ (части анодного КПЕ) будет протекать реактивный ток Iр = (Ea * 0,9)/2*π*F*L ≈ 1,8 A (на такой ток должен быть рассчитан провод дросселя). А реактивная мощность в дросселе достигнет Pр = (Ea * 0,9)* I р /2 ≈ 2000 ВАр (Вольт-Ампер-реактивных). Это весьма высокая цифра исключает возможность использования любых каркасов кроме керамических или фторопластовых и любых сердечников в них.

  3. Повышенные наводки. Катушка без сердечника, в которой "плещется" пара реактивных киловатт (это наш дроссель в 100 мкГн на частоте 1,8 МГц, если вы его не узнали в таком описании) имеет соответствующее поле рассеивания и наводки. Конечно, меньшие, чем от основной катушки П-контура, но сравнимые.

Если что-то из этого списка неприемлемо, то выход только один: увеличивать индуктивность дросселя до таких величин, чтобы стал больше дросселем, и меньше катушкой фильтра-пробки. Допустим, мы сделали дроссель 300 мкГн. Тогда при вышеупомянутых условиях реактивный ток падает до 0,6 А, а реактивная мощность до 660 Вар. Это уже значительно более терпимые величины. И провод можно брать из расчета постоянного анодного тока, т.е. более тонкий. Кроме того снижается с 75 пФ до 25 пФ дополнительная емкости анодного КПЕ.

Имеет смысл ограничить максимальный реактивный ток дросселя 1 А. Для нашего примера это соответствует 200 мкГн на 1,8 МГц.

Итак запомним: для работы в ламповом РА на 1,8 МГц анодный дроссель обязан иметь минимум 200 (а лучше 300) мкГн индуктивности. Ее снижение приводит к резкому повышению требований к конструкции. Причем лавинообразно нарастающих: снижение индуктивности повышает ток, поэтому нужен более толстой провод, а это тянет за собой снижение индуктивности и так далее по нарастающей.

Так в чем проблема? Если увеличение индуктивности столь полезно, поднимем ее до нескольких миллигенри и забудем все эти проблемы. Да, эти (перечисленные в этой части статьи) проблемы мы забудем. Но получим другие.

Моделирование дросселя как распределенной структуры

Если мы хотим, чтобы один дроссель работал бы во всех КВ любительских диапазонах, то как показано выше, его индуктивность обязан быть не менее 300 мкГн. А чтобы достичь такой индуктивности при намотке проводом диаметром 0,35 ...0,7 мм (имея в виду постоянны анодный ток 0,5 ... 2 А) и однослойной цилиндрической катушке (ниже мы разберемся, почему не подходят многослойные) при самой оптимальной геометрии последней потребуется не менее 13,6 м проволоки (из ответа сложной математической задачи, о получении максимальной индуктивности при заданной длине провода, решению которой здесь не место).

Мы работаем волнами от 160 до 10 метров. Для них (во всяком случае, для их ВЧ части), проволока 13,6 м никак не может рассматриваться как маленький проводник с одинаковым током по всей длине. Это уже длинная линия, с соответствующими волновыми эффектами. Сворачивание такого провода в катушку принципиально ничего не меняет: катушка, намотанная несколькими метрами провода, на КВ не может рассматриваться как сосредоточенный элемент. Ее надо изучать только как длинную линию, т.е. структуру с распределенными параметрами и синусоидальным распределением тока и напряжения по длине. Этим мы сейчас и займемся.

Возьмем модель дросселя, индуктивностью 270 мкГн. Левый конец дросселя посадим на корпус через блокировочный конденсатор (как на источнике высокого напряжения), к правому подключим источник (анод) чтобы видеть входной импеданс.

Расчеты модели выполнены программой GAL-ANA.

Достаточно очевидно, что наш дроссель вместе с проводящей землей образует закороченную на дальнем конце (блокировочным конденсатором) длинную линию. Зависимость импеданса от частоты такой короткозамкнутой линии легко представить из общих соображений теории длинных линий:

1. на частотах, где длина линии кратна нечетному числу λ/4, будут параллельные резонансы с нулевой реактивностью и очень высоким R;

2. На частотах, где длина линии кратна λ/2 , будут последовательные резонансы с нулевой реактивностью и низким R.

3. Между этими резонансами импеданс будет реактивным, и разного знака.

Но это теория. А теперь обсчитаем точно модель, показанную на предыдущем рисунке. Ниже показано изменение входного импеданса в полосе от 4 до 30 МГц. По вертикальной оси отложены омы, по горизонтальной - мегагерцы (к слову: расчет этого графика потребовал более 10-ти часов машинного времени на 4- х гигагерцовом компьютере).

Мы видим ожидаемую картину:

1. Первый λ/4 резонанс дросселя находится на частоте 6 МГц. Ниже этой частоты jX дросселя положительно, и он себя ведет почти как обычная катушка. Для компенсации ее влияния первый конденсатор П-контура надо увеличивать.

2. Первый λ/2 резонанс попадает на 12,8 МГц. От 6 до 12,8 МГц jX отрицательно, поэтому анод лампы видит не индуктивность, а дополнительную емкость. И первый конденсатор П-контура приходится соответственно уменьшать.

3. Второй четвертьволновый резонанс (электрическая длина дросселя тут составляет 3λ/4 ) располагается на 15,1 МГц. От 12,8 до 15,1 МГц анод снова видит индуктивность, и первый конденсатор П-контура надо слегка увеличивать.

4. Волновой резонанс лежит на 20,2 МГц. От 15,1 до 20,2 МГц в П-контур дросселем вносится параллельная емкость, и первый конденсатор П-контура придется делать чуть меньше.

5. Третий λ/4 резонанс на 21,6 МГц. От 20,2 д0 21,6 МГц в П-контур дросселем вносится дополнительная индуктивность, для компенсации чего конденсатор П-контура получится чуть больше расчетного.

6. 3λ/2 резонанс затаился на 26,8 МГц. П-контур "видит" дополнительную емкость, и первый конденсатор П-контура надо делать чуть меньше

7. 7λ/4 параллельный резонанс расположился на 27,8 МГц. jX индуктивное, конденсатор П-контура надо увеличивать.

8. Выше 7λ/4 резонанса от 27,8 до 30 МГц jX < 0, вносится емкость, что требует небольшого уменьшения конденсатора П-контура.

Отмечу, что в отличие от прямого провода из-за разного влияния индуктивности на разных частотах, резонансы дросселя получаются не на кратных частотах.

 

О нерабочих участках. Дроссель нам понадобился, чтобы отсечь по ВЧ анод лампы от источника питания. Как было показано в первой части статьи, желательно, чтобы реактивный ток в дросселе не превысил бы 1 А (и соответственно, реактивная мощность в кВар половины величины анодного напряжения в вольтах). Для этого надо, чтобы модуль комплексного входного сопротивления дросселя (векторная сумма jX и R) был бы не меньше, чем Ea * 0,9. Для нашего примера модуль должен превышать 2000 Ом.

Растянем предыдущие графики по вертикальной оси до этого масштаба. Оттенками красного на них выделены нерабочие частотные области. В зависимости от того, что мы считаем критерием "нерабочести".

1. Прозрачными оставлены безопасные области. В них ни при каких условиях реактивный ток и мощность не превысят указанные выше пределы.

2. Светло-розовым выделены области, где где модуль Z снижается < 2000 Ом. Эти области лучше обходить стороной, но если жизнь вынуждает, слегка, недалеко от границы, войти в них можно. Так, в нашем примере, диапазоны 18 и 24,9 МГц расположены внутри этих областей и мы вынуждены туда идти.

3. Розовым выделены области, где где модуль Z снижается < 1000 Ом. От этих областей надо держаться подальше. Реактивные ток и мощность в них более чем вдвое превышают вышеуказанные пределы.

4. Красным выделены опасные области последовательных полуволновых резонансов. Попадать туда нельзя: низкий импеданс дросселя на этих частотах шунтирует анод лампы. Усилитель отдает активную мощность не в нагрузку, а в дроссель. С почти гарантированным выгоранием последнего.

Обратите внимание на влияние выходного сопротивления усилителя на ширину нерабочих зон. Ведь границы опасных зон мы устанавливаем, выбирая jX относительно имеющегося Ra. Чем выше это сопротивление, тем шире полосы частот, где дроссель не будет нормально работать. Напротив, если выходное сопротивление низкое (например, дроссель используется на выходе П-контура, при последовательном питании, и отсекает не килоомы, а всего лишь 50 Ом или усилитель транзисторный), то ширина нерабочих зон резко сужается до узких полосок вблизи последовательных резонансов дросселя (границами будут уже не тысячи и сотни реактивных ом, как на предыдущем рисунке, а лишь десятки. ). Более того, низкое (скажем 50 Ом) сопротивление требует значительно меньшей индуктивности дросселя на низшей рабочей частоте. На 1,8 МГц потребуется уже не 200 ... 300, а всего 10 ... 15 мкГн. Соответственно, потребуется на 13,6 м а меньше метра провода. Даже первый безопасный четвертьволновый резонанс вылетает при этом за 60 МГц, поэтому такой дроссель в 50 омной цепи будет отлично работать от 1,8 до 50 МГц без резонансов.

Именно это является причиной того, что для дросселей в низкоомных цепях (в транзисторном усилителе или на выходе лампового РА, при последовательном питании) вышеуказанные проблемы с резонансами дросселей на практике не возникают никогда. Это "родимое пятно" вылезает лишь при высоком сопротивлении, т.е. анодном дросселе РА при параллельном питании...


Распределение напряжения. Но вернемся к нашему высокоомному анодному дросселю, вынужденному работать между резонансами. Да, мы избегаем участков вблизи последовательных резонансов. Но иногда вынуждены к ним приближаться. И параллельные резонансы никуда не делись. Посмотрим, как себя "чувствует" дроссель при работе на разных диапазонах. Диаграммы распределения получены окном ”Near Field” программы MMANA-GAL PRO (аналогичное окно имеет и GAL-ANA).

Вот так все выглядит на частотах ниже первого λ/4 резонанса. Частота 3,75 МГц. Анод на этой (и всех последующих аналогичных) картинке справа, блокировочный конденсатор слева. Масштаб по X -оставляет 2см в клетке, по Y – 1 см в клетке. Изображено распределение напряженности электрического поля вдоль дросселя.

Все красиво и правильно: Максимум напряжения на аноде, оно плавно спадает вдоль дросселя до нуля. Так и должно быть на обычной катушке, размер которой в длинах волн мал.

Двинемся вверх по частоте. И остановимся между λ/4 и λ/2 резонансами. Частота 7 МГц. Тут уже интереснее. Максимум напряжения отодвинулся от анодного края дросселя влево. А на аноде, не забудем так и осталось 2 кВ переменного напряжения. Значит, примерно в 5 см от анодного конца на дросселе будет максимум напряжения, превышающий анодное, примерно процентов на 20%.

Но пойдем еще выше, в нехорошее место: в λ/2 резонанс частота 12,8 МГц. Максимум напряжения в середине. Причем он больше анодного напряжения раза в два. Это значит, что или низкий импеданс дросселя не позволит развиться высокому переменному напряжению на аноде (т.е. усилитель не отдаст мощности), или (если на аноде все же раскачать паспортные 2 кВ переменки) напряжение в середине дросселя превысит 4 кВ. Напряженность поля вокруг центральных витков дросселя будет очень высока. Произойдет либо пробой между соседними витками, либо дуга с них потянется на близлежащие детали, либо просто пойдет разряд в воздух с вариантом обгорания изоляции провода и каркаса и связанного с этим дальнейшего пробоя и выгорания. В общем, картинка подтверждает, что мы знали и без нее - на полуволновом резонансе дроссель использовать нельзя. Кончится такая попытка плохо и быстро.

Посмотрим, что творится на 3λ/4 резонансе. Частота 15 МГц. Видны два пика: один на аноде (это хорошо и правильно), а второй примерно в четверти длины (5 ...6 см) дросселя от холодного конца. Почти такой же по величине, как и на аноде. Само по себе это не страшно, на анодное напряжение дроссель рассчитан. Но надо обязательно обратить внимание на качество межвитковой изоляции на тех самых 5....6 см от холодного конца. Напряжение вдоль них спадает от почти полного анодного до нуля. А это значит, что межвитковое напряжение на этом участке будет почти вчетверо выше, чем при простом линейном распределении (как например на 3,75 МГц на первом рисунке полей). Если межвитковая изоляция не будет иметь четырехкратного запаса по сравнению с цифрой полученной делением переменного напряжения на аноде на число витков, то возникнет межвитковая дуга, она повредит изоляцию, сплавит или сожжет витки и всё, уноси готовенького....

Причем эта проблема (в отличие от последовательного резонанса, который проявляется лишь в относительно узкой полосе) проявляется на всех частотах между резонансами. Смотрим следующую картинку, Частота 18,1 МГц, мы уже слегка залезли в не очень желательную зону, с импедансом дросселя несколько менее 2000 Ом. Второй горб напряжения отодвинулся влево от анода. Напряжение на горбах ощутимо превышает анодное (оттого мы и не хотели идти в эту зону).

И снова влезем в плохое место – волновой резонанс. Частота 20,2 МГц. В общем, все то же самое, что и для полуволнового резонанса, только пучностей напряжения две.

Очередной параллельный резонанс, 5λ/, частота 21,6 МГц. Вылез еще один горб. А в остальном – то же самое, что и на 3λ/4 резонансе.

Следующая частота – 24,9 МГц. Мы несколько ниже неприятного 3λ/2 резонанса. Не очень близко к нему, но в светло-розовой нежелательной зоне (но деваться некуда). Пучностей три, поэтому они близки друг к другу и просто не успевают набрать намного большую амплитуду, чем на аноде. А вот крутизна спада (градиент) на последних 3 см от холодного конца очень велика. Межвитковая изоляция должна выбираться исходя из того, что на этих трех сантиметрах напряжение изменится на пару киловольт.

И последняя картинка. Частота 28 МГц, мы чуть выше параллельного 7λ/4 резонанса. Четвертый горб вблизи анода, все остальные ниже него. Если бы не большой градиент на последних 2 см у холодного конца, то была бы сплошная идиллия.


О резонансах

Мы уже поняли, что последовательные резонансы вредят. А от чего зависит их частота? Особенно первого, самого зловредного?

  1. От длины провода (очень упрощенно говоря, первый резонанс попадает туда, где длина провода составляет полволны. Реально же, в зависимости от провода, каркаса и способа намотки резонансная частота получается выше на 10 ... 20%. Длина провода, как мы уже выяснили, из условий работы на 1,8 МГц не может быть менее 13,6 м, поэтому λ/2 резонанс обычно попадает в участок 11 ...13 МГц.
  2. От индуктивности (которая, маленькой быть не может), т.к. нам надо работать от 1,8 МГц.
  3. От типа и толщины используемого провода.
  4. От способа намотки (с шагом, отдельными секциями, виток к витку, и т.д.)
  5. От типа материала каркаса.
  6. От места размещения дросселя (окружение и влияет как на погонную индуктивность, так и на емкость на корпус).

В любом случае собственная резонансная частота дросселя зависит от многих, слабо поддающихся точному предварительному учету, факторов. Если вам еще мало неприятностей, то добавлю, что тип материал изоляции и каркаса, а так же окружающий металл, сильнее влияют на высших резонансах (волновом, полутораволновом).

Вывод напрашивается неутешительный: опубликованные хитрые конструкции анодных дросселей (с точными размерами, способом намотки, интервалами и прочая) не то чтобы совсем непригодны для повторения.... Нет, пригодны. Но в точности в тех же условиях, что и у автора: при том же материале каркаса (с такой же диэлектрической проницаемостью), таком же проводе (не только по диаметру, но и по типу и толщине изоляции), той же паразитной емкости на корпус в составе усилителя. А если что-то не совпадает, то резонансы дросселя (расхваливаемого автором, как с резонансами не попадающими ни в один любительский диапазон) сместятся. Пример из практики: один и тот же дроссель (совпадало абсолютно все кроме типа провода), при намотке его проводами равного диаметра, но разных типов (ПЭЛ и ПЭВ2, дроссель мотался сначала первым проводом, а после измерения перематывался вторым) имел резонансные частоты, отличающиеся на 5%.

А есть ли способ сделать дроссель так, чтобы его резонансы дросселя гарантированно бы не попадали в рабочие участки? Есть. Гордиев узел рубится под корень: первый параллельный λ/4 резонанс дросселя делается выше верхней рабочей частоты. Тогда картинки распределения напряжения по дросселю будут только такие как самая первая в этой статье, т.е. без всяких чудес с резонансами и длинными линиями.

Для КВ РА при таком решении надо загнать резонанс выше 30 МГц. Для этого длина провода дросселя не должна превышать 2,5 метров (а лучше 2, чтоб с запасом). При реальных толщинах провода 0,3 ...0,7 мм и при оптимальной геометрии (в однослойной катушке максимум индуктивности при заданной длине проводам достигается при отношение длины намотки к диаметру катушки 0,5) дросселя из провода такой длины можно выжать лишь 15...20 мкГн. А этого не хватит для частот ниже 18 МГц. Поэтому для перекрытия 1,8 ...30 МГц придется ставить три- четыре дросселя и переключать их (или, как обычно делают из конструктивных удобств, – отводы от одного).

С точки зрения работы это решение хорошее, надежное повторяемое. Именно поэтому оно используется в надежных промышленных усилителях. Но нужен лишний высоковольтный переключатель. Что вызывает понятные трудности. Если лишняя секция переключателя диапазонов имеется, то это прекрасно. С ней можно применить еще лучшее решение, предложенное EX8A: вместо дросселя используется катушка. С небольшой (не дроссельной, намного меньшей) индуктивностью. Своя на каждом диапазоне (поэтому нужен диапазонный переключатель), из толстого провода. Такая катушка является частью колебательной системы, улучшает подавление гармоник, не имеет никаких проблем с паразитными резонансами (вернее резонансы есть но лежат раз в 10 выше рабочей частоты). Более того, есть еще одно преимущество: как было показано выше, малая индуктивность "съедает" часть анодной емкости П-контура. Если на НЧ это не очень хорошо, то на ВЧ, где анодные емкости ламп велики, и приводят к завалу АЧХ – несомненное благо. Мы можем маленькой катушкой в аноде компенсировать изрядную часть вредной (анодной, монтажной) емкости П-контура. В результате лампы с большими анодами и такими же емкостями получают возможность отдавать всю мощность на 21 ... 29 МГц, чего они в классической схеме сделать не могут.

В общем, если у вас есть свободная секция диапазонного переключателя, то именно так и сделайте.

А если лишней секции переключателя нет и не предвидится? Тогда придется делать один дроссель с индуктивностью 250..300 мкГн так, чтобы его резонансы не попадали бы в любительские диапазоны. Как мы видели, из графиков импеданса, это хотя и непросто, но вполне возможно.

Практическая рекомендация очень проста: берите 15....16 м провода 0,35 ...0,7 мм, хороший каркас, на котором при такой длине провода можно дотянуть хотя бы до 200 мкГн, и мотайте. Виток к витку. Но разделяя на секции по 20..50 витков (с зазором между ними 2...3 мм). Но крепите не очень плотно - обмотку при настройке придется двигать. А до настройки – измерять. Но об этом ниже.

О намотке с шагом

Она уменьшает индуктивность, и в этом смысле вредна. Но напряжение между витками может быть очень большим, поэтому хорошая изоляция требуется. Как показывают картинки распределения поля, межвитковая изоляция должна гарантировано выдерживать напряжение (Ea * 5) /N , где N – число витков дросселя . По этой формуле может получится больше, чем выдерживает лаковая изоляция. Вот тогда придется применять намотку с шагом (или провод в более толстой, например, шелковой) изоляции.

Любопытный момент: вышеприведенные картинки распределения поля ясно указывают, что максимальное межвитковое напряжение чаще всего возникает у холодного конца дросселя (моя печальная практика сожжения множества анодных дросселей это подтверждает). Поэтому, если наматывать с шагом только часть дросселя, то более разумно, чтобы эта часть была бы у холодного конца

Кстати, давно хотел где-либо написать: намотка горячей части дросселя с шагом (особенно с прогрессивным) с целью улучшения работы на ВЧ является абсолютно бессмысленным делом. Она никоим образом не способствует улучшению работы дросселя и лампы на верхних диапазонах (правда и не мешает особо, отчего и живы по сей день эти смешные рекомендации).

Посмотрите еще раз на графики jX дросселя от частоты на участке 20 ...30 МГц. Какая там мифическая "емкость дросселя" (которую якобы уменьшает прогрессивная намотка)!

На ВЧ диапазонах такой в природе нет. Есть резко меняющийся реактивный импеданс закороченной на конце длинной линии. Который может быть как емкостным, так и индуктивным (график jx имеют одинаковый размах в плюс и в минус). Намотка с шагом части (причем неважно какой части дросселя: горячей, средней или холодной) локально изменят волновое сопротивление этой части нашей линии-дросселя. Отчего слегка меняется ее электрическая длина, и кривые jX соответственно слегка смещаются по частоте. При этом действительно может (но вовсе не факт!) уменьшится емкостная составляющая импеданса на какой-то частоте (если она там была). Но может и увеличиться. Более того, если у нас например, на 28 МГц была полезная (в смысле частичного уменьшения входной емкости П-контура) индуктивная jX , то она может смениться вредной емкостной.

Короче говоря: намотка с шагом части дросселя лишь частично меняет его электрическую длину (причем заранее неизвестно, станет от этого лучше или хуже). Но ведь ту же длину гораздо проще изменить просто отматыванием - доматыванием нескольких обычных витков. Без шаманских заклинаний "о уменьшении емкости при намотке с шагом".

Но обратите внимание на важный нюанс: эти заклиная являются шаманской чушью только лишь если речь идет о частотах выше первого полуволнового резонанса дросселя (т.е. во всех случаях ламповых РА для частот выше 14 МГц). Однако, если речь идет о дросселе, работающем ниже четвертьволнового резонансе (в нашем случае - только ниже 6 МГц), тогда это становится правдой: емкость у такого дросселя есть, и намотка с шагом ее уменьшает. Хотя и тут корректнее говорить об уменьшении электрической длины линии, и связанном с этим повышением частоты четвертьволнового резонанса.

Во многих промышленных усилителях (например, Ameritron, OM2500 ) анодные дроссели именно так и намотаны: секциями виток к витку, но никакой прогрессивной намотки горячего конца в них нет и в помине.

Измерения и настройка

А теперь измерим, резонансные частоты того, что мы намотали. Как было отмечено выше, частоты этих последовательных резонансов зависят от очень многих причин, и точному расчету не поддаются. Поэтому - измерять. Вы же не планируете испытывать дроссель на работающем РА, по принципу: "всё лишнее отгорит само?" И правильно. До включения РА будем измерять дроссель надо на малых сигналах и при полностью отключенном РА

Схема измерений, показана ниже. Причем измерять надо дроссель, уже установленный на свое место в готовый РА (иначе не учесть влияние окружения). Только выводы дросселя следует отпаять и подключить к измерительной цепи.

Устанавливаем резисторы R1 и R2 равными выходному сопротивлению лампы Ra, и начинаем измерять. На резонансных частотах дросселя вольтметр (или осциллограф) покажет резкие всплески напряжения. Запишем не только частоты этих резонансов, но и их активность. Для определения последней, на найденной резонансной частоте, временно замыкаем дроссель перемычкой. Записываем полученное напряжение как V1. Затем снимаем перемычку и снимаем показания V2 дросселя.

Если отношение V1/V2 невелико или даже близко к 1 (а именно так и будет на λ/2 резонансе), это означает, что на этой частоте дроссель пропускает почти все сквозь себя и как дроссель работать не может.

Как показала практика, оптимально загонять частоту первого резонанса дросселя в участок 11,2... 12,5 МГц. Если при искомых 15...16 метрах проволоки, ушедшей на дроссель, резонансная частота заметно отличается (а может, например, из-за влияния дополнительных емкостей на металлические стенки корпуса), то отматывая витки, ее надо туда загнать.

Чтобы потом дроссель не прогорел, если случайно на аноде появится сигнал на резонансной частоте (ну мало ли, самовозбуждение, например), весьма полезно в точке максимума напряжения на λ/2 резонансной частоте сделать расстояние между секциями. Найти эту точку крайне просто: при измерениях на резонирующем дросселе поводите пальцем. На искомой точке реакция на палец (на осциллографе или измерителе импеданса) будет самой резкой. Если дроссель намотан просто, виток к витку, то эта точка, будет точно посередине (красный горб на рисунке распределения поля, соответствующем λ/2 резонансу). Но если дроссель секционирован, да еще на разные секции, то возможно смещение от середины.

Волновой резонанс обычно лежит в пределах 19...20 МГц, а третий (электрическая длина 1,5λ) – 25 ...30 МГц. Чтобы двигать частоты второго и третьего резонансов ничего отматывать-доматывать не надо (а то съедет установленная частота первого резонанса). Надо перераспределять намотанное.

Наибольшая чувствительность к сдвигу второй и третьей резонансной частоты проявляется в точках максимума напряжения на дросселе на этих частотах (горбы напряжения на соответствующих картинках распределения поля). На практике эти точки разыскиваются пальцем, точно так же, как и на основной резонансной частоте. Понятно, что на втором резонансе таких точек будет две, а на третьем – три. Раздвигая витки на секции именно в этих точках можно двигать соответствующие резонансы.

Если осталось место на каркасе дросселя, то еще можно устроить разрыв между секциями в точках пучности напряжений каждого из любительских диапазонов. Точно также, как и для резонансов эти точки видны на картинках распределения и точно также отыскиваются пальцем при измерениях.

Ну и в завершение измерений (когда все резонансы загнаны подальше от любительских диапазонов, в безопасные места), желательно выполнит проверку V1/V2 на 1,8 МГц, чтобы оценить достаточность индуктивности дросселя там. На 1,8 МГц надо иметь отношение V1/V2 хотя бы 3...4, чтобы не разгонять большие реактивные мощности в дросселе, и не снижать намного эффективную емкость первого конденсатора П-контура.

Вот, например, табличка измерения двух разных дросселей при Ra = 1 кОм.

Индуктивность,
мкГн
λ/2 резонанс

F , МГц

λ резонанс

F , МГц

3λ/2 резонанс

F , МГц

V1/V2
на 1,8 МГц
Примечание
Дроссель1 150 10,3 20,1 29,4 1,5 провод 0,7 мм
Дроссель2 280 11,3 19,6 26,4 3 провод 0,35 мм

Очевидно, что первый дроссель никуда не годится. Первый резонанс у него примыкает к диапазону 10 МГц (поэтому там дроссель будет гореть, а усилитель не отдавать мощности), отношение V1/V2 на 1,8 МГц мало (значит, будет большая реактивная мощность в дросселе и заметное снижение первой емкости П-контура).

Второй дроссель (намотанный на том же каркасе взамен первого, который пришлось забраковать) намотан более тонким проводом. Поэтому при почти той же длине провода он имеет меньшую высоту и большую индуктивность. Его резонансы удалены от любительских диапазонов, а V1/V2 на 1,8 МГц достигает 3. Т.е. этот дроссель полностью нас устраивает.

 

Добавка от 31.05.2014.

Если у вас есть хороший измеритель импеданса, то можно просто измерить график зависимости модуля Z от частоты и видеть все резонансы, как последовательные, так и параллельные. На следующем рисунке показаны результаты измерения прибором SARK-110 одного из дросселей, лежавших у меня без дела в коробке:

И сразу становится ясно, почему он лежал в коробке, а не был использован: его второй последовательный резонанс попадает в диапазон 21 МHz и использовать такой дроссель в РА нельзя, на 21 МГц он будет гореть.

Первый и третий последовательные резонансы лежат на 12,9 MHz и 27,1 MHz. Заодно видны и более высокие последовательные резонансы на 34,7 MHz и 39,5 MHz, рассчитать которые было бы уже очень трудно (время расчета растет пропорционально квадрату частоты), а вот измерить легко.

Измеритель импеданса очень упрощает доведение до ума дросселя. Любое наше действие (отматывание-доматывание витков, перемещение их части, зазоры) сразу показывает на экране куда перемещаются резонансы.

Конец добавки от 31.05.2014.

 

 

О сердечнике

Встречаются иногда рекомендации о возможности применения ферритового сердечника. На мой взгляд дело это не то чтобы совсем безнадежное, скорее не не очень оправданное. Нет, если вы найдете большой феррит, способный работать при указанных выше реактивных мощностях и в требуемом частотном диапазоне, то все будет работать. Проблема лишь в том, что найти его крайне сложно.

Ферритовый сердечник, способный выдержать сотни ватт реактивной мощности – это штука очень большая (феррита должно быть много, десятки см3, т.к. допустимая мощность пропорциональна объему материала сердечника) и дорогостоящая. Попытки же сунуть в такой дроссель небольшой феррит (например, что-то типа стержня от магнитной антенны) ни к чему хорошему не приведут. При перегрузке по мощности он поведет себя как и положено в таких случаях: быстро раскалится и растрескается, с вариантом в виде взрыва и разлета на мелкие кусочки при многократной перегрузке.

В любом случае объем феррита должен быть большим. Из доступных материалов в качестве сердечника я пробовал 4 сложенных вместе стержня магнитных антенн диаметрами по 10 мм и длиной 100 мм (вариант 1) и три склеенных последовательно ферритовые трубки подавления помех от кабелей старых мониторов (вариант 2). Легко достигалась индуктивность более 500 мкГн. Первый λ/2 резонанс лежал ниже 1 МГц. Высшие резонансы были относительно малоактивны, отношение V1/V2 превышало 5 (такая картина вероятно из-за частотной зависимости магнитной проницаемости, которая резко падает с частотой, и больших активных потерь в сердечниках)

Вот типичные данные такого дросселя (вариант 2): индуктивность 700 мкГн, первый последовательный резонанс, попадающий в участок 3-30 МГц, был 11,2 МГц (V1/V2 = 5), второй – 19,2 МГц (V1/V2 = 6), третий – 31 МГц (V1/V2 = 15) , на 1,8 МГц V1/V2 = 5. Выглядит неплохо, даже на резонансах.

Но на практике сердечник такого дросселя довольно существенно нагревался на диапазонах 10, 14, 18 МГц при амплитуде анодного напряжения 1,8 кВ. При снижении амплитуды до 1... 1,2 кВ нагрев становился терпимым.

Вывод: упомянутые сердечники можно использовать в анодных дросселях, при анодном напряжении до 1,2 кВ. Выше – не надо. Или ищите лучшие ферриты.

О температурной и механической стабильности

Лампы имеют обыкновение стрелять. Если сетка или катод ламп сидят прямо на корпусе, то при простреле конденсатор высоковольтного блока питания оказывается закороченным на дроссель. С соответствующими последствиями: импульс тока в сотни ампер или сжигает дроссель или (если есть защита по току) только раскаляет его. Плюс огромный импульс магнитного поля ударом притягивает (как в электромагните) витки дросселя друг к друг и они ссыпаются в кучу. Дроссель выходит из строя полностью, его приходится перематывать новым проводом (и хорошо еще, если каркас остался цел).

Защиты от этого бедствия:

1. Лучшая из всех. Схема РА, должна быть такова, чтобы ни при каких авариях ток анода не мог превысить 2...3 А. Тогда никаких дополнительных требований к дросселю не предъявляется.

2. Относительная. С примитивным ограничением тока: мощным резистором в цепи анодного источника, ограничивающим ток прострела до 50 А, плюс защита типа предохранителя в аноде или релейного автомата по питанию. При этом дроссель обязан выдерживать кратковременный (до секунды) перегрев до 1000...1500, а его витки должны быть очень надежно закреплены (канавки на каркасе, ребра между секциями, термостойкая заливка, типа БФ-2 или эпоксидной смолы). В таком случае у защитного предохранителя есть немалые шансы сгореть раньше, чем дроссель начнет делать то же самое или ссыпаться.

Проблема однако в том, что разместить мощный резистор в высоковольтной цепи неудобно конструктивно. Лучше объединить этот резистор и дроссель в одно целое: часть дросселя заменяется на куском нихромового провода с требуемым сопротивлением и диаметром около 0,5 мм той же длины. Нихромовый провод соединяется с медным обжимом в тонкой латунной трубочке (конец пишущего узла от стержня шариковой ручки). Надо иметь в виду, что в таком варианте каркас может быть только керамическим. При простреле лампы нихром кратковременно раскаляется докрасна и прожигает даже фторопласт (не говоря уж об иных пластмассах).

О защите остальных деталей

Допустим, всё-таки случилось страшное: дроссель сгорел. Если его обмотка не зафиксирована, то ее обрывки, раскручиваясь как отпущенная пружина, хлещут высоким напряжением, под все, что попадет под горячую руку. Последствия ужасны, под полным анодным напряжением горит почти всё.

Поэтому, от греха подальше, намотку дросселя надо сверху закрывать. Проще всего это сделать, надев сверху отрезок толстой термоусаживающейся трубки. Она в состоянии выдерживать тепловые удары до 1300 ...1500, обладает очень хорошими изоляционными и ВЧ свойствами.

Но есть и недостаток (как же без него): т.к. ее диэлектрическая проницаемость выше 1, то надевание такой трубки смещает вниз резонансные частоты дросселя (т.к. растет погонная емкость обмотки-линии). Поэтому проводить измерения надо на дросселе уже "упакованном" в термоусаживающуюся трубку. А под ней ничего не перемотаешь и не сдвинешь. Поэтому имейте запас таких трубок. Если с первой попытки ничего не вышло (а именно так чаще всего и бывает), аккуратно разрежьте трубку вдоль, снимите ее и отмотайте-раздвиньте провод как надо. Потом снова наденьте срезанную трубку и временно для измерений прихватите разрезанные концы скотчем.

Получив нужные резонансы в таком дросселе, выбрасывайте временную, разрезанную трубку, надевайте на дроссель окончательную трубку и обжигайте ее.


Bonn, ноябрь 2007
Последняя редакция 31.05.2014

На главную - Main page