Гражданский диапазон 27 МГц давно стал полигоном для первых серьёзных опытов в передающей технике. Длина волны здесь 11 метров, четвертьволновая антенна умещается в штырь около 2,7 метра, а один ватт в эфире даёт устойчивую связь на несколько километров по земле и заметно дальше при спорадическом прохождении. Разобранная ниже схема содержит три транзистора и минимум обвязки, собирается за вечер на доступных деталях и даёт то, ради чего её обычно и берут, плавную регулировку мощности от десятых долей ватта до максимума без потери качества сигнала.
Три транзистора и дюжина деталей вокруг них
Структурно передатчик повторяет классическую архитектуру, по которой десятилетиями строилась аппаратура гражданского диапазона. Задающий кварцевый генератор на транзисторе VT1 типа КТ315Б вырабатывает колебание выбранного канала. Буферный усилитель на втором КТ315Б или КТ603 развязывает генератор от нагрузки и поднимает уровень сигнала до 50-100 мВт, которых оконечному каскаду хватает для раскачки. Выходной каскад на транзисторе КТ606А работает в классе C и отдаёт в антенну до 1-1,5 Вт. Такую же роль сыграют КТ903А или распространённый 2SC2078, только с запасом по мощности и теплу.
Почему именно три каскада, а не два? Попытка раскачать мощный транзистор прямо с кварцевого генератора почти всегда заканчивается одинаково: генератор подсаживается, частота уходит, а синусоида превращается в кашу. Буфер стоит копейки, зато держит частоту стабильной при любом изменении нагрузки и оставляет место для подачи модуляции. Обвязка укладывается в дюжину резисторов и конденсаторов, дроссель, кварц и пару катушек, всё это находится в любом ящике с деталями от старой бытовой техники.
Первый запуск ведут на макете из фольгированного стеклотекстолита, где фольга служит общей землёй. Генератор проверяют отдельно: приёмник или осциллограф должны слышать чистое колебание на канале ещё до подключения буфера и оконечного каскада. Такой поэтапный запуск экономит часы, потому что неисправность ищется в одном каскаде, а не в схеме целиком, и каждая ступень добавляет к уже работающей цепи следующий узел.
Кварц задаёт частоту точнее любого настройщика
Задающий генератор собирают по ёмкостной трёхточке. Кварц включён между базой и эмиттером, делитель из двух конденсаторов по 100 пФ задаёт обратную связь, резистор базы 47 кОм, питание подаётся через дроссель 20 мкГн. Основные каналы гражданского диапазона начинаются с 26,965 МГц и идут с шагом 10 кГц, всего их 40 в основной сетке, которую радиолюбители зовут "пятёрками", поэтому под каждый канал нужен свой кварц на соответствующую частоту. Стандартный допуск кварца не хуже ±30 ppm, что на 27 МГц даёт уход всего ±810 Гц за весь диапазон температур, для амплитудной и частотной связи запас более чем достаточный.
Частотную модуляцию организуют варикапом КВ109А, подключённым параллельно кварцу через разделительный конденсатор 1000 пФ. Напряжение с микрофонного усилителя меняет ёмкость варикапа и слегка расстраивает кварц, девиация ±2-3 кГц вписывается в сетку каналов и читается любым приёмником диапазона. Амплитудную модуляцию проще получить, подавая звук через резистор 10 кОм в цепь базы буферного каскада: глубина модуляции 80-90% достигается без модуляционного трансформатора и без заметных искажений, если звук не перегружает буфер.
Отдельная тонкость, нагрузочная ёмкость кварца. Производитель калибрует каждый кварц под конкретную ёмкость схемы, чаще всего 30 пФ, и при заметном отличии ёмкости в собранном генераторе частота уходит на сотни герц. Лечится подстроечным конденсатором 10-40 пФ, включённым последовательно с кварцем: им точно выводят частоту на канал по приёмнику с цифровым отсчётом. Между параллельным и последовательным резонансом кварц ведёт себя как индуктивность, поэтому даже небольшой поворот отвёртки двигает частоту, и в руках оказывается готовый инструмент точной подгонки канала.
Для выбора рабочего канала есть простое правило. Пятнадцатый канал сетки C с частотой 27,135 МГц в амплитудной модуляции давно служит автомобильным вызывным каналом, девятый канал 27,065 МГц оставлен под службы экстренной помощи, поэтому самодельную станцию удобнее строить на свободных номерах рядом, где никто не мешает ни настройке, ни разговору.
Выходной каскад в классе C и его расчёт
Оконечный каскад работает с отсечкой коллекторного тока, угол отсечки 60-70 градусов, за счёт этого КПД доходит до 55-65%. Транзистор КТ606А при 1 Вт полезной мощности рассеивает меньше ватта тепла, и небольшая алюминиевая пластина 30 на 40 мм справляется с охлаждением. В базу ставят резистор 15 Ом и ферритовое колечко: они гасят паразитные колебания на УКВ, от которых каскад может самовозбудиться и разогреться без всякой полезной работы.
Числовой пример расчёта коллекторной цепи при питании 13,8 В и выходной мощности 1 Вт выглядит так. Амплитуду первой гармоники на коллекторе принимают равной 0,8 от питающего напряжения, то есть 11,04 В. Сопротивление нагрузки каскада равно квадрату этой амплитуды, делённому на удвоенную мощность: 11,04 в квадрате даёт 121,9, деление на 2 даёт 61 Ом. Потребляемая мощность каскада при КПД 60% составит 1,67 Вт, ток коллектора 121 мА. На нагрузке 50 Ом один ватт выглядит как действующее напряжение 7,07 В или амплитудное 10 В, это уровень 30 дБм, вполне солидный для аппаратуры с тремя транзисторами.
Выходной контур под этот расчёт подбирают по индуктивности. Катушка из 8 витков провода ПЭВ-2 0,8 мм на каркасе диаметром 8 мм при длине намотки 12 мм даёт около 0,3 мкГн. На частоте 27 МГц её сопротивление равно 6,28 умножить на 27 МГц на 0,3 мкГн, то есть примерно 51 Ом, что совпадает с сопротивлением антенны. Контурный конденсатор с пределами 10-150 пФ резонирует контур на нужный канал, для середины диапазона понадобится около 115 пФ, а у краёв сетки ёмкость уйдёт на несколько пикофарад в обе стороны.
Тепловой расчёт несложен. Мощность, рассеиваемая транзистором, равна разнице потребляемой и полезной, 1,67 минус 1,0 даёт 0,67 Вт. При тепловом сопротивлении переход-корпус около 40 °C/Вт и пластине 30 на 40 мм кристалл нагревается градусов на 25-30 выше корпуса, и запас до предела остаётся солидным. Признак перегрузки один, заметное сползание тока коллектора по мере прогрева: если ток плывёт, мощность уходит вместе с ним, и каскад настраивают заново уже на тёплом транзисторе.
Согласование с антенной без измерительных мостов
Первый согласующий прибор для такого передатчика, эквивалент антенны. Четыре резистора МЛТ-2 по 200 Ом, соединённые параллельно, дают ровно 50 Ом и держат до 8 Вт рассеивания. Вместо них подойдёт лампа накаливания 12 В 0,1 А: её нить работает нагрузкой и одновременно индикатором, по яркости видна относительная мощность, а по моменту наибольшей раскачки находят резонанс.
Штыревую антенну укорачивают от расчётных 2,77 метра до рабочей длины с коэффициентом укорочения около 0,95, получается 2,63 метра. Порядок настройки простой. Сначала контурным конденсатором ищут максимум тока коллектора, затем подбирают связь с нагрузкой, изменяя отвод катушки или ёмкость последовательного конденсатора, пока мощность в эквиваленте не перестанет расти. Стоячая волна после такой процедуры обычно укладывается в 1,2-1,5, чего достаточно для отдачи полной мощности без перегрузки транзистора. Вся настройка умещается в десять минут, если эквивалент припаян заранее и не отваливается в самый неподходящий момент.
Цена плохого согласования видна из простого расчёта. При стоячей волне 1,5 коэффициент отражения равен 0,2, и от ватта обратно в контур возвращается всего 4%, то есть 0,04 Вт, практически незаметно. При волне 3 коэффициент отражения уже 0,5, обратно летит 25% мощности, транзистор греется, а контур расстраивается. Поэтому выше 2 стоячую волну не оставляют, а возвращаются к подбору отвода катушки.
Четыре способа точно регулировать мощность
Регулировка выходной мощности решает сразу несколько практических задач. На коротких локальных связях избыточный сигнал глушит корреспондента, при питании от аккумулятора хочется экономить заряд, а в эфире принято не давить на соседей по каналу. Управлять ваттом можно несколькими путями:
- Напряжение питания оконечного каскада через регулируемый стабилизатор, например на LM317, меняет мощность по квадратичному закону. Снижение питания с 13,8 до 6,9 В уменьшает мощность вчетверо, до 0,25 Вт, а при 4,6 В остаётся всего 0,11 Вт;
- Смещение базы через подстроечный резистор 1 кОм меняет угол отсечки и ток коллектора в пределах от 40 до 130 мА, это даёт плавную регулировку примерно от 0,3 до 1 Вт;
- Ёмкость конденсатора связи с антенной перераспределяет энергию между контуром и нагрузкой, вариация до 30-40% от максимума без изменения режима транзистора;
- Отвод катушки контура даёт ступенчатое переключение, например 1 Вт, 0,5 Вт и 0,2 Вт на три положения галетного переключателя.
Из всех способов регулировка питанием оказывается самой чистой: форма сигнала не искажается, глубина модуляции сохраняется, а потребление падает вместе с мощностью. Стабилизатор при токе 130 мА и падении на нём 3 В рассеивает 0,4 Вт, поэтому небольшой радиатор ему всё же нужен. Комбинация первого и третьего способов закрывает практически любую задачу, от разговора в пределах квартала до дальней связи в часы прохождения, и не требует ничего, кроме подстроечника и пары конденсаторов.
Измерение ватта простыми средствами
Мощность в эквиваленте считают через напряжение, пользуясь законом Джоуля-Ленца. Простой пик-детектор на германиевом диоде Д9Б с конденсатором 1000 пФ и вольтметром постоянного тока показывает амплитуду с поправкой на падение около 0,3 В на самом диоде. Для 1 Вт на 50 Ом действующее значение 7,07 В, амплитудное 10 В, детектор покажет около 9,7 В. Шкала градуируется по точкам: 0,25 Вт соответствует 5 В амплитуды, 0,5 Вт соответствует 7,1 В, 1 Вт соответствует 10 В. Точности 10-15% для любительской практики хватает с избытком, а стоит такая измерительная приставка дешевле одного фабричного прибора.
Главные ловушки прячутся не в формулах, а в монтаже. Соединения делают короткими, общий провод сводят в одну точку, по питанию каждого каскада ставят развязывающие конденсаторы 0,01 мкФ. Любой длинный провод внутри корпуса работает паразитной связью, через которую выходной каскад подсаживает задающий генератор, и тогда мощность на выходе скачет непредсказуемо от касания корпуса рукой. Настройку ведут на минимальной мощности и короткими включениями, а без подключённой нагрузки передатчик не включают вовсе: без отбора энергии в антенну напряжение на коллекторе растёт, и транзистор может выйти из строя за секунды.
Гармоники, паразитные связи и чистота спектра
Класс C богат гармониками: вторая гармоника на 54 МГц всего на 15-20 дБ ниже основной при добротности выходного контура около 5. Один контур проблему не закрывает, поэтому на выход ставят фильтр нижних частот с частотой среза около 32 МГц. Два звена из катушек 0,5 мкГн и конденсаторов 100 пФ дают суммарное подавление гармоник свыше 40 дБ, и спектр становится чище на порядок. Чистый эфир означает отсутствие претензий от соседей по частотам и спокойную работу приёмников поблизости, а сам передатчик не создаёт помех телевидению и соседней аппаратуре.
Опасное напряжение здесь только одно, бортовые 13,8 В, для человека оно не страшно, но для транзисторов переполюсовка питания фатальна, поэтому в цепь питания ставят защитный диод от неправильной полярности. Питание берут от автомобильного аккумулятора или блока 12-14 В с током не меньше 0,5 А: генератор потребляет 10-15 мА, буфер 20-30 мА, оконечный каскад 120-130 мА, итого около 165 мА и 2,3 Вт от сети при полной мощности. Резерв втрое по току нужен не для красоты, а для пусковых бросков и запаса на модуляцию.
Завершается сборка всегда одинаково: вечером, на дальнем канале, с лампочкой-эквивалентом вместо антенны и тихой гордостью за ватт, выжатый из трёх транзисторов и горсти деталей. Первый разговор на станции собственной постройки запоминается сильнее любой покупной техники, а понимание того, откуда берётся каждый милливатт и как им управлять, потом экономит годы экспериментов и десятки испорченных транзисторов.