Эксперименты с УМ на базе BS170 и 74ACT00

5 декабря 2022

Описанный ранее QRP усилитель класса C на RD15 был использован мной более, чем в одном проекте. Это надежная, проверенная схема. Но изучая схемы других радиолюбителей-конструкторов можно встретить УМ на базе полевых транзисторов BS170 и чипа 74ACT00. Вдруг этот УМ чем-то лучше?

Вариантов схемы больше одной. Так в цифровом трансивере QDX от QRP Labs применена push-pull схема с четырьмя BS170 и чипом 74ACT08 вместо 74ACT00.

Базовая идея выглядит так (файл PDF):

QRP усилитель класса D на BS170 и 74ACT00

Усилитель представляет собой три полевых транзистора BS170, соединенные параллельно. Этим увеличивается допустимый ток Id и улучшается отвод тепла. Транзисторы должны быть выводные, в корпусе TO-92. Мне не встречалось практических применений в этой схеме MMBF170, то есть, тех же транзисторов в SMD-исполнении (корпус SOT-23).

Роль драйвера здесь играет NAND-вентиль 74ACT00. На входе у него сигнал от Si5351, на выходе — меандр с размахом 5 Vpp. Для BS170 заявлен Vgs(th) не более 3 В, поэтому драйвер гарантированно открывает его. Конкретное соединение вентилей обусловленно удобством разводки.

Повышающий автотрансформатор такой же, как в усилителе на RD15HVF1. Его необходимость была установленна экспериментально. Без трансформатора выходная мощность будет низкой.

Тот факт, что на выходе драйвера находится меандр, делает этот УМ усилителем класса D. Теоретически, он имеет большую эффективность, чем УМ класса C, поскольку транзисторы переключаются между полностью открытым и полностью закрытым состоянием. Этим снижаются резистивные потери, приходящиеся на промежуточное состояние. На той же элементной базе делают УМ класса E, но класс E в этом посте мы рассматривать не будем.

Разные классы УМ хорошо описаны в серии статей «The Handiman’s Guide to MOSFET Switched Mode Amplifiers» (часть 1 [PDF], часть 2 [PDF]) за авторством Paul Harden, NA5N.

Усилитель обладает не очень понятно каким выходным импедансом. Половину периода тока на выходе вообще нет. В результате, коаксиальный кабель между выходом УМ и измерительным прибором превращается в какое-то согласующее устройство. Таким способом проводить измерения нельзя, даже обладая анализатором спектра. Простые ваттметры тем более не годятся. Сигнал богат гармониками, которые ваттметр тоже измерит. Чтобы получить что-то похожее на правду, УМ нужно тестировать вместе с ФНЧ.

Примечание: Мой скромный опыт показывает, что написанное в меньшей степени применимо к схеме на RD15HVF1. Анализатор спектра тоже привирает, но не сильно. Так или иначе, если сомневаетесь, используйте ФНЧ.

Из подходящих фильтров под рукой нашелся только double-tuned circuit на диапазон 20 метров. Это полосовой фильтр, но у него низкие вносимые потери. Так что, для задачи он должен подойти не хуже ФНЧ.

Измеренная выходная мощность при питании от 13.8 В составила 36.2 dBm, или 4.2 Вт. Если бы фильтр не имел вносимых потерь, получилось бы 4.8 Вт. При этом схема потребляет 820 мА, что означает эффективность около 43%. На других КВ-диапазонах, по всей видимости, также следует ожидать 4-5 Вт и аналогичную эффективность.

Главным преимуществом схемы является низкая себестоимость компонентов. Розничная цена RD15HVF1 в моем регионе на момент написания этих строк составляла около 10$ (дешевле, если брать мелким оптом), тогда как 74ACT00 и три штуки BS170 вместе стоили менее 3$.

Но имеются и недостатки. Во-первых, при подаче несущей в течение 15 секунд транзисторы сильно греются. А радиатор к TO-92 крепить неудобно. Во-вторых, помимо УМ в реальных устройствах нужен еще и waveform shaping. Обычно его делают на PNP транзисторе, управляющим питанием на драйвере. Но здесь приходится управлять питанием на полевых транзисторах, а через них течет большой ток. Это означает использование серьезного транзистора вроде BD136, и к нему может быть нужен свой радиатор.

Дополнение: Телеграфный QRP усилитель на BS170 и IRF510

Метки: , , .


Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.