Простой CW трансивер класса Е на полевых транзисторах
ВЧ усилители мощности (РА) класса Е известны уже много лет. Они отличаются простотой, эффективностью и надежностью. Хотя детальный анализ схемы класса Е выходит за рамки статьи, поясним, что идея класса Е состоит в возбуждении выходной резонансной цепи ключом с малыми потерями, таким, как MOSFET (МОП полевой транзистор).
Сама же выходная цепь спроектирована так, чтобы ключ закрывался в моменты, когда напряжение на нем проходит через нуль, при этом минимизируются потери на переключение. Такое решение предполагает, что ключ замкнут в течение половины периода ВЧ колебаний.
Анализ работы усилителя на модели LTSpice показал, что устройство ведет себя как последовательный резонансный фильтр, настроенный на излучаемую частоту. Резонансная частота может быть рассчитана в предположении, что конденсатор, подключенный параллельно ключу, входит в цепь лишь половину периода колебаний (рис. 1)
Полный расчет усилителя довольно сложен, поскольку должны быть учтены несколько параметров, включая согласование с сопротивлением нагрузки. К счастью, есть несколько бесплатных программ расчета.
Схема техника усилительного каскада Рис. 1-4
Ключ на MOSFET можно также использовать и смесителем. Если сделать нулевым потенциал стока и добавить фильтрующий конденсатор в исток, усилитель (РА) превращается в последовательный ключевой смеситель (рис. 2).
С помощью такой простой модификации мы создаем приемник прямого преобразования с настроенной входной цепью. При обсуждении этой идеи Вес Хейворд (W7ZOI) предложил мне попробовать MOSFET как параллельный ключ (рис. 3) – он работал так же хорошо. Но переключение прием/передача и при глушение приемника несколько усложняются по сравнению с версией последовательного ключа. Впрочем, дальнейшие эксперименты необходимы….
Схема CW трансивера CLASSIE
Схема весьма простого трансивера на 40 метров, использующего эту идею, показана на рис. 4. Я назвал его «The Classie» (подразумевается каламбур). Для расчета выходной цепи РА использована программа W4ENE «Class E Designer». Она же позволила согласовать усилитель мощности с 50-омной нагрузкой. Я использовал MOSFET типа BS170 ввиду их дешевизны, надежности и небольшой емкости затвора. Будут работать также 2N7000. В режиме приема питание снимается с РА с помощью закрытого транзистора VT1. Сток ключевого MOSFET РА VT2 при этом соединяется с землей через резистор R4, а сигнал НЧ выделяется на фильтрующем конденсаторе С1. В режиме передачи транзистор VT3 замыкает исток VT2 на землю, одновременно заглушая приемник.
Экспериментируя с различными транзисторными задающими генераторами, мне не удалось создать простого устройства, обеспечивающего стабильную скважность 50%. Пришлось остановиться на микросхеме 74НС74, чтобы сделать на одном ее триггере VXO – кварцевый генератор с перестройкой частоты, а на другом триггере – делитель частоты на 2, ыдающий прямоугольные импульсы с частотой около 7030 кГц для возбуждения MOSFET VT2. Усиление НЧ обеспечивает микросхема DA2 типа LM386.
Принципиальная схема трансивера Рис. 4
Приемник трансивера
Приемник трансивера оказался довольно чувствительным, а его потребление тока питания только 17 мА. Подобно большинству простых приемников прямого преобразования он имеет тенденцию фонить, а иногда наблюдается прямое детектирование сигналов мощных КВ станций.
Передатчик трансивера
Передатчик отдает 1,8 Вт при 12 В питания и потреблении около 240 мА. Если вычесть ток покоя приемника и ток через резисторы R3 и R4, можно оценить КПД РА как 68%. Мне удавалось получить и 80% при выходной мощности 1,2 Вт, несколько изменив параметры выходной цепи. MOSFET`ы едва нагреваются и радиаторы им не нужны.
Усилитель мощности трансивера
РА оказался устойчив к КЗ и обрыву на выходе, хотя возможно он и не выдержит долго такой ситуации. Выходной сигнал усилителя класса Е содержит немного 2-й гармоники, но резонансной антенны обычно достаточно, чтобы вычистить сигнал. Трап на антенном разъеме, настроенный на 2-ю гармонику, сделает это лучше.
Перспективы для экспериментов с трансивером CLASSIE
Открываются широкие перспективы для экспериментов с базовой схемой трансивера. Переход к различным диапазонам сводится к играм с VFO и перенастройке выходной цепи. Я попробовал применить DDS VFO и убедился, что РА класса Е работает во всем его диапазоне. Для сдвига частоты при приеме можно подключить малую емкость между выводом 4 задающего генератора 74НС74 и коллектором дополнительного коммутируемого транзистора. Подключение к коллектору VT1 должно работать так же хорошо. Программа ClassE Designer позволяет оптимизировать параметры выходной цепи под любую мощность, напряжение питания и выбранный транзистор. Например, IRF510 может работать при значительно более высоких мощностях, чем BS170, но возникают трудности с его возбуждением из-за значительной емкости затвора.
Печатная плата QRP трансивера CLASSIE
Рисунок печатной платы приведен с использованием SMD деталей, микросхемы в корпусах SOIC-14 и SOIC-8. Добавлен светодиод VD1 с резистором 1K для индикации режима передачи.
Благодарность автору трансивера CLASSIE
Хочу поблагодарить Веса Хейворда W7ZOI, Майка Рейни AA1TJ, Ганса Саммерса G0UPL за полезные идеи и обсуждения, а также Джеймса Тонни W4ENE за его прекрасную программу Class E Designer. Надеюсь, что кто-то из читателей продвинет концепцию Classie на более высокий уровень!
Статья на английском языке опубликована в журнале SPRAT № 144 (осень 2010).
Rich Heslip VE3MKC
Статья взята из журнала CQ-QRP # 33 зима 2011.