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電力合成リニアアンプ製作に当たっての技術的考察 ＪＨ１ＧＪＹ
電波法では アマチュア無線局は金銭上の利益のためでなく 専ら個人的な無線技術の興味によって自己訓練 通信及び技術的研究の業務を行う無線局をいう
と書かれているではありませんか
交信のみの通信だけでは面白くはありません 皆さん無線技術の研究をして好いのですよ
大いに技術的研究 自作をしましょう
自作は難しい面もありますがやり始めるととても面白いです 自作の無線機で交信することは満足感が違います
リニアアンプ製作に当たって考えた事 ハムの世界で誰も製作した事のないリニアアンプ
を製作することを目標にする
また 使う半導体はよく使われている価格の高い半導体は使わずに安い半導体でハイパワーを目指す 回路は簡単かつシンプルにする 私は年金生活無線局ですから ｈｉｈｉ
まずは出力として１００ワット以上を目指し最終的には５００ワット以上の出力とする
ドライブに使うトランシーバーはＦＴ−８１７ ５Ｗとする または１０Ｗ
周波数は１４メガで製作する この周波数は低くもなく高くもなく丁度良い周波数です
１ 半導体は安くてパワーの出る物を探しました
まずは規格表から遮断周波数が高く コレクタ損失が大きく コレクタ耐圧が高い物 です そして安いこと 結果的には１個 １１０円 あまりの格安に在庫８０個全て
半導体商社から購入 本当は１０００円以上する物ですが商社の管理上の間違いで １１００円の所 １１０円にしていた感じです 私にはラッキーでした
私は はじめは２ＳＣ２５６４ その後は２ＳＣ２５６５を使いました
２ＳＣ２５６５は遮断周波数が８０メガと少し低いですが コレクタ損失とコレクタ 耐圧が高くとても良いトランジスターです
本当はこのトランジスターは低周波オーデオアンプ用です
しかし １４メガで十分リニアアンプとして使えますしゲインも十分取れます
他にもトランジスタ規格表から探せば使える物はかなりあるはずです
ＦＥＴの良い物があったら製作予定
２ 回路は簡単でシンプルな回路とする
高周波用のトランジスターでは無いため回路条件を決定するまでトランジスターを
良く壊しました 異常発振の連続でした 異常発振させるとトランジスターはあっと いう間に壊れます 最終的にはベース側のインピーダンスを
高くしてしまったのが原因で入力側のベースにチョークコイルを使っていたのが問題 でした これを試行錯誤して５０オームにしたら異常発振も止まり回路が安定しまし た
物の本にはトランジスターリニアアンプのほとんどがベース側にはチョークコイルが 使われています 訳の分からないトランジスターを高周波リニアアンプで使うには 工夫が必要です 言う事を聞かないじゃじゃ馬娘をおとなしくさせる感じです
我が家ではじゃじゃ馬女房ですが
３ 直線増幅器として使うための工夫
一般にはリニアアンプにするにはトランジスターの動作をＡＢ級動作をさせなければ なりません このためベースにバイアス電圧を加えます これがまた問題です
丁度良い電圧でアイドリング電流を流すにはかなり面倒なのです
アイドリング電流を多めに流すようにするとトランジスターの温度上昇と共にアイド リング電流が増えて熱暴走を起こすのです
最終的には一般ダイオードとショツトキーバリアダイオードの組み合わせにして解決 しました これによりトランジスターが暖まって来ても熱暴走も起きないベース電圧 となりアイドリング電流は安定しました
一般の整流用ダイオードは順方向電圧は約０．６から０．７ボルトほどです
ショツトキーバリアダイオードはこの電圧の半分以下です
流す電流にもよりますが組み合わせるととても好い電圧になります
トランジスターの上にダイオードを近づけて熱結合しても好いでしょう
ＡＬＣについて
自動制御回路ですが 一つ問題があるのです何かというとＡＬＣが動作する時間が問 題なのです どうしても自動制御には遅延時間があるのです どういうことかという と信号が入った瞬間は動作しないと言う事です リニアアンプの方でＡＬＣ電圧信号 を作って前段を制御するため遅延が生ずるのです ＡＬＣ回路が適切な時定数でない 場合 シャツクリ現象など発生して正常な自動制御にはなりません ですからＡＬＣ 回路の時定数には早くても遅くてもだめで最適値があります
私はＡＬＣは使わない主義で 例えば２００ワット出力を出す場合 １．５倍の出力 が出るリニアアンプを使ってリニアアンプの出力飽和点以下で使う事を考えています
これだと出力が飽和領域に到達しない範囲で使うため綺麗な電波が出るためです
このためＡＬＣ回路は必要ありません 要するにオーバードライブして出力飽和点で リニアアンプを使わないことです
４ 入力回路と出力回路のインピーダンスとマッチング
このインピーダンスマッチングもかなりくせ者なのです
何故かというと トランジスター等半導体はコレクターにかかる電圧により内部の容 量が変わるのです バリキャツプと同じ原理です また 常時キャリアが出ているＡ ＭまたはＦＭの場合は回路のインヒーダンスが一定なのですがＳＳＢの場合 入力の ない時とパワーを出したときでは回路のインピーダンスが大幅に変わるのです
これをどのように解決するかも問題でした
何しろコレクター電圧をかけた時とかけないときの状態が回路に影響があるのです
これは普通では分かりません ネットワークアナライザー等で見ると分かるのです
一般には分からないでしょう 真空管式リニアアンプでもプレート ローデイングバ リコンを動かしたとき入力側に影響があるのですがほとんどの人は測定器が無いため わからないでしょう ネットアナで見るとよく分かりますがかなり影響があるのです
この件は安心してください 回路のフライホイール効果で意外と問題無いのです
問題にするとかなりの問題で頭がおかしくなります 何しろ動作状況によって回路の インピーダンスがころころ変化するのですから
５ コレクタ電圧は何ボルトにするか
世の中 ほとんど１００ワットの無線機は電源電圧１３．８ボルトですが
１００ワット超えてパワーを出すには電源電圧は１３．８ボルトではリニアアンプの 回路のインピーダンスが低くなりすぎで回路設計に困難を極めると同時にリニアアン プのリニアリテイが良く無い状況になります
そこで 私はコレクタ耐圧の高いトランジスターでコレクター電圧８０ボルトで作る 事にしました これだと回路インピーダンスも低くなりすぎずまたリニアリテイも損 なわれないため 歪みの少ないリニアアンプになります
ちなみに １３．８ボルトで２０アンペア流れた場合 回路インピダンスは１オーム
以下です 問題ですね
６ 電力合成について
リニアアンプを製作する場合１個の半導体て゛ハイパワーを出すに好い半導体が無い ことと 高いですし まして １個で５００ワット以上のパワーを出す半導体はあり ません
そこで 電力合成をすることにしました 例えば１００ワットの出るリニアアンプを
４台製作して ６個トロイダルコイルを使って電力合成するのです
これにより簡単にハイパワーのリニアアンプが出来ます
トロイダルコアは入力の電力分配に４個 出力側の電力合成に４個 合計８個使う方 法もありますが 私は合計６個の電力合成方法にしました ２個少なくて好いので
この時のノウハウは１ユニットづつ完全に調整した１００ワットユニットを４個電力 合成することがうまくいくための勘所です ４個いっぺんに組み合わせて調整し たのでは なかなかうまくパワーが出てくれません 調整が難しい
また 良くトロイダルコイル分配器の損失やトロイダルコイルの種類と大きさな ど気になることがあると思いますが １４メガという 低くもなく高くもない周波数 では適当なスイッチング用に使われているよく分からないトロイダルコアでも十分使 えることが分かりました 専用の好いトロイダルコアは高いです 高いトロイダル コアは必要ありません 入力部では小さなトロイダルコア分配器で十分です 出力段 のみ少し大きなトロイダルコアを使う必要はありますが トロイダルコア電力分配合 成器ではパワーを大きく食われないためあまりあまり大きくなくても十分です 少しは損失がありますが
４電力分配すると入力インピーダンスが低くなりますが入力インヒーダンスマッチン グを取れば問題はありません トランシーバー側の５０オームインピーダンスと４分 配器のインピーダンスをうまく合わせるには いろいろと方法がありますが一番手っ 取り早い方法は１０オームの抵抗を入れることです 完全にはマッチングは取れませ んがＳＷＲは１．５以内におさまります その他の方法は トロイダルコイルを使っ た ４対１のバラン ３ｄＢパッド ２５オーム抵抗２個使って トランシーバー側 ５０オームリニアアンプ側には２５オーム真ん中から入力する この方法でもマッチ ングはよくとれます
ただし 入力パワーが減ってしまうのは致し方ありません
ただし無線機にオートアンテナチューナーが付いている場合は何もせずにマッチング が取れてとても便利です
ちなみに放送局 送信設備には最近は電力合成リニアアンプが多く使われるように
なりました メリットは１個のユニットが壊れても送信パワーが減りますが放送が停 止することはありません 昔は大型送信管が壊れて放送が中断したことが良くありま したね
こんな事は最近はありませんね 大型送信管交換は大変な作業で放送が中断した場合
責任者の首が飛んだと昔良く言われていました 恐ろしいことですね
今では 電力合成ですから後でゆっくりと故障した箇所のアンプ交換で簡単に済むよ うです
電力合成することのメリット
まずは １個のトランジスターでハイパワーを出さないため半導体に無理をさせずに 済みます また ４電力合成リニアアンプを作った場合 １ユニットの回路受け持ち パワーが少なくなるため ハイパワー用の部品が減ります そして熱による分散も出 来ますから熱暴走も少なくなります また１ユニットが壊れても出力が全くでなく なることはありません 電源電流が集中しませんので太い線がいらなくなります
各ユニットに見合った電流の値に見合った配線で好いのです
７ ピークパワーメーター指示について
リニアアンプの出力指示メーターは一般にはピーク指示にしていませんが少しの工夫 で完全ではありませんがピーク指示が出来ます
まずは出力を検波した後に少し大きな時定数を持たせれば好いのです
簡単です 出力検波後のコンデンサーと抵抗の組み合わせの定数を大きくすることで す
時定数 Ｃ＊Ｒ で検波後充放電を遅くすればメーターの動きがピークパワーに少し
追従します 出力指示メーターの振れがかなり好くなります
出力検波は倍電圧検波すると高い電圧が取り出せて良いです
本格的に出力指示をピーク指示にするにはトランジスター等半導体を使った回路に す事によりより良い指示となります
ちなみに ＳＳＢのパワー測定はマイク入力端子に１５００ヘルツの低周波信号を入 れて低周波信号のレベルを徐々に上げていきパワーメーターの指示が飽和点に達した パワーをＳＳＢのパワーと言ってます １陸技のテスト問題に出てきます
８ ローパスフィルタについて
一般にメーカーで売り出されているローパスフィルタはカットオフ３０メガのローパ スフィルタがほとんどです これは ３．５メガ ７メガ １４メガ 等の高調波 は減衰せずに取ることは出来ません そこで私は自作で１４メガリニアアンプ用に２ ０メガカットオフの減衰極付きのローパスフィルタを製作しました 減衰極は１４メ ガの２倍の２８メガにしましたので１４メガの２倍の高調波はかなり減衰して スペ アナではみれないほど 小さく減衰しています
パワーが大きくなってきたときはローパスフィルタの耐電力とか通過ロスにも注意す る必要があります コイルを大きくする コンデンサーの耐圧も高くする等
９ リニアアンプのスプリアス高調波について
リニアアンプをスプリアス高調波を少なくさせるためにはいくつか考えなくてはいけ ません まずは リニアリテイの好い動作をさせる 余裕のあるパワーの半分以下の パワーで使う たとえば２００ワットリニアアンプを使う場合最低３００ワットのパ ワーの出せるリニアアンプを２００ワットで軽く使う リニアアンプ出力の飽和点で わ使わない 余裕のあるパワーで綺麗な電波出すためです
オーバードライブをしない 動作点が変わるような事が無いようにバイアスは安定さ せる
熱暴走が起きないように冷却を良くする ローパスフィルタのカットオフ周波数と出 力周波数は考えてローパスフィルタは設計して作る
１０ リニアアンプの効率について
リニアアンプの効率は一概には言えませんが 回路 条件等によって代わってきます
トランジスターを１個使ったリニアアンプなどは最適条件では入力電力の７５パーセン トが出力としてして現れます
例えば電源電圧８０ボルト 電流１．５アンペアの時 入力電力は１２０ワットです
効率７５パーセントとすると９０ワットのパワーが出ることになります
しかし 電力合成リニアアンプの場合 トロイダルコイルによる電力合成部の損失等が ありますので少し全体として見たとき効率悪くなります
私の製作した電力合成リニアアンプの場合 電源電圧８０ボルト 電流５アンペアで入 力４００ワットです 出力は２８０ワットでしたので効率は７０パーセントです ま ずまずの効率です
１１ リニアアンプの電源について
リニアアンプの出力が２００ワット以上になると電源も容量がある物が必要ですが
トランス式となると重たくなるしトランスを買った場合かなりの金額になります
また ８０ボルト ５アンペア以上の電源を作るのは金額的にも大変です
私はヤフーオークションで２４ボルト ５アンペアのスイッチング電源を８個 ３００ ０円と格安で落札して ２４ボルト ５アンペアのスイッチング電源を３個直列にして 使っています ２４ボルトですがスイッチング電源には電圧を調整するボリウムが付い ていて 実際にはそのボリウムで最大に電圧を上げたとき２８ボルト近くになります ３個直列 なので丁度８０ボルトほどの電圧になりますので丁度良いのです これで安 上がりの電源が完成となります 一つ問題はスイッチング電源はノイズが出ますから注 意必要で受信時に そのノイズが邪魔をしますので 送信の時のみスイッチング電源を 切り換えて使うという方法とか金属ケースに入れてノイズフィルタを使ってスイッチン グ電源のノイズをなくす必要があります 送信の時のみに使えるようにする方法が一番 の方法です 受信の時はトランス式の電源を使用する場合が多く
トランシーバー側はスイッチング電源を使わないので問題はありません
スイッチング電源は軽くて効率も良く電圧も安定していますからもってこいです
それから ハイパワーで運用したいときなどはスイッチング電源８０ボルトを２台
作って置いて リニアアンプに分けて供給すれば ５００ワット以上のリニアアンプ の電源としても使えますから 安上がりでとても良い電源となります
アマチュアですからお金をかけずに工夫次第でいろいろな事が出来ます
１２ その他
リニアアンプに使用した ２ＳＣ２５６５は遮断周波数が８０メガなので
ぎりぎり２８メガまで使えそうですがゲインがだいぶ下がるでしょう
１８メガ以下でしたらかなりゲインも取れてとても良いリニアアンプが出来ます
ただし １．９メガまたは３．５メガでリニアアンプを製作する場合はコイルの容量が
大きくなりますので 空芯コイルでなく トロイダルコアに巻いたコイルを使う必要が あります またはトロイダルコイルを使った広帯域リニアアンプにして７メガまで使え るようにしても好いでしょう
ＦＥＴリニアアンプについて
以前 スイッチング用の安くてパワーのあるＦＥＴを使ってリニアアンプを作ってみ ました ７メガまでは十分パワーが出るのですがゲートの入力容量が大きすぎでいろい ろとやってみたのですがコーナー周波数が上がらず７メガ止まりのリニアアンプとなり ました どうしても高い周波数１８メガまで使えてハイパワーを出せるようにするには ＦＥＴのゲートの入力容量の小さい物でなくてはならず現在７メガ止まりのリニアアン プの製作で終わっています 入力容量が少なく高耐圧でドレイン損失が大きな物が安く あったらリニアアンプを製作してみるつもりです ＦＥＴのリニアアンプもトロイダル コイルを使えば簡単に５００ワット以上の物が製作出来ます
最近はシリコンカーバイトを使った良いＦＥＴが出て来ましたのでこれを使うと良いで しょう
コンパクトリニアアンプの製作
今まで製作してきたリニアアンプは内部にリレー駆動用とファン駆動用の電源回路が
入っていました また 出力表示もメーター表示でした これらの回路等を省いて
コンパクトサイズの電力合成リニアアンプを製作しました
まずは電源８０ボルトからリレー駆動電圧とパワーＯＮ時ＬＥＤランプの電圧を抵抗で を落としました そして リレーは２４ボルトリレーを使用しました
また ファンを使わないため今までよりか大きな放熱板を使いました
これらによりかなり小型になりました 今までの容積率で言うと５０パーセント以下の 大きさになりました 出力表示は出力を出したときＳＳＢの時赤いＬＥＤが点灯点滅す るようにしましたのでとても良いです
最終製作目標リニアアンプは８電力合成リニアアンプ１ＫＷ出力が目標です
１３ 参考にした文献 トロイダルコア活用百科 山村英穂 著 ＣＱ出版
今後の再検討課題
１ 回路のマッチングコイルの最適条件の値
２ 入出力インピダンスマッチングの最適化
３ トロイダルコイル最適な物と大きさについて
４ バイアスの再検討
５ ８電力合成リニアアンプ 出力１キロワットの検討
６ ＩＭＤの問題
７ １８メガ その他の周波数のリニアアンプの検討
８ 安いスイッチング用ハイパワーＦＥＴを使ったリニアアンプの検討
１４ リニアアンプを作成するに当たって使用した測定器 その他
ネットワークアナライザー
スベクトラムアナライザー
バードパワーメーター
スイープジェネレーター
標準信号発生器
周波数カウンター
オシロスコープ
リターンロスブリッジ
検波器
スルーカッブラー
ダミーロード
高周波アッテネーター
直流電源 ８０ボルト ６アンペア
１５ 使用した無線機
ＦＴ−８１７
ＩＣ−７０００
１６ 電力合成リニアアンプの性能
２ＳＣ２５６５を４本電力合成したリニアアンプの出力は現在まだ最適化されていま せんが現段階では入力ドライブパワー５ワットで２６０ワットの出力です
電源電圧は８０ボルト 電流は５アンペア流れています 入力で４００ワット
効率は６５パーセントです
スプリアスに関してはスペアナで点検した所 基本波意外は７０ｄＢ以上減衰してい るようでスペアナの画面では高調波は見れない状況です
ローパスフィルターを付けない状態でのリニアアンプの高調波はかなり少ないのでは と感じています リニアアンプだけの時のスプリアスは今後測定してみます
最大パワーは測定していませんが５００ワット以上は十分出る感じです
２００ワットでは放熱板はほとんど熱くなりません 冷却ファン４個回転しています から冷却効果は最高です 冷却ファンは４個は必要無く２個でも十分な感じですが５ ００ワット以上だした時は必要と感じます
出力メーターの振れの感じからしても出力は余裕の感じです
それからＩＭＤについてはこれから測定してみます それほど悪くはない物と思わ れます
免許状が現在２００ワットまでの許可でしか許されていませんので今後５００ワッ ト以上での運用は出来ません 資格は１キロワットまで許される資格 １アマの資 格は持っていますが住宅密集地のため２００ワットで我慢しています
１７ リニアアンプ製作に協力して頂いた無線局
熊本の大ＯＭ ＪＡ６ＢＬＶ 冨田先生
部品供給で協力して頂いた 高校時代の先輩 社長 ＪＨ１ＥＯＱ 西村ＯＭ
その他 ＪＡ１ＸＳ ＪＩ１ＬＭＯ ＪＡ８ＣＶＦ ＪＡ２ＹＴ ＪＡ８ＦＣＢ
ＪＡ８ＱＯ ＪＡ８ＴＫＯ ＪＩ１ＪＭＰ 横浜旭区無線クラブの皆さん
素晴らしい沢山の無線局 交信して頂いたハムに感謝しています ありがとうござい ました
１８ 自己紹介
横浜市在住 年齢 ６６歳 名前 本多 幾夫 無職 貧乏年金生活者 hi hi
無線従事者資格 第１級陸上無線技術士 第１級アマチュア無線技士 他 ６資格
あだ名 横浜認知症貧乏野良猫無線技士 本多