用微波炉打造短波射频功放


打造短波功放所需的材料远比你想象的便宜——并且触手可得

作者:Matt Kastigar,呼号W0XEU,John Stanley,呼号K4ERO,Ward Silver,呼号N0AX

翻译:LifeWieller

本文已发表于《电子制作》2014年12月刊

 

【安全第一——请严肃对待】

首先,也是最重要的,一定要小心!!在进行任何制作、排除问题或拆解之前一定要先拔掉电源线,对高压电容放电,并且佩戴护目镜,特别是进行焊接、拆焊工作时。熔化的焊锡可能会飞溅。小心对待热的或尖锐物体。

在进行功放或高压制作前做好防护措施。如果你不了解相关安全措施,请阅读并按照ARRL手册的“电源”和“安全”章节操作。除此之外,还可以在有经验的火腿指导下操作。制作或借来一个接地棒(“鸡肉棒”)以保证安全。不要超过额定电压使用测试设备,特别是在制作电子管功放时。

记得一点:业余无线电不是比赛,不需要仓促完成,或者在劳累时候工作。你需要的是利用空闲时间,从容的为自己的电台制作设备,并且注意安全。

 

现在,我们不需要拆掉电子管电视、旧的电台或者盈余军用物资就能获得大功率短波线性功放的部件。在很多功放设计中,旧的微波炉中的一些部件可以作为其中的部件使用,减少了制作成本。这并不是一篇烹饪教科书式的文章,但在文章中我们会介绍如何获得部件并对部件进行改动以简化设计。在2014版ARRL手册中John Stanley(呼号K4ERO)写过一篇题为Everyham’s Amplifier的文章。文章介绍了一种新型短波线性功放,并指导业余无线电爱好者如何自制短波功放[1]。制作过程中不需要任何特殊的工具、技巧或元件,并且能够使用我们在这里介绍的部件。如果你手头恰好有这些部件,那么不妨跟着我们一起,制作属于你的短波功放。在开始动手前,记住一句话:安全第一。

 

获取部件

制作短波功放听起来是一件花费很大的事情。但是如果你手头有废弃的家用电器——本文中是微波炉——那么它们是很好的材料来源(外壳,电容,高压电源变压器等),更不用说你的破烂堆了。

购买

有时你会在路边垃圾堆中找到微波炉,或者你可以在Goodwill或教堂商店买到[2]。有时你也可以在废品回收商或当地废品回收站找到。车库旧货出售也是很好的材料来源。微波炉的一些小问题,如门锁开关损坏,按键损坏等对利用部件没有影响。挑选时注意选择外观完好的。相比有明显擦伤或磕碰的,它们获得完好部件的可能性更大。

不要低估了微波炉外壳的价值。射频功放屏蔽外壳是相当贵的。你可以考虑使用两个微波炉,一个作为功放外壳,另外一个将顶部密封起来作为前面板。如果有可能,尽量使用两个大小和功率相同的微波炉,它们的变压器很可能一样。使用微波炉获得配件的另一个好处是它们的外壳是射频屏蔽的。[微波炉屏蔽门通常是谐振腔设计,只对2450MHz工作频率有效,对于短波很有可能效果不好——编者注]

拆解

在动手之前你可以在网上找到拆开微波炉的方法[3]。在电源插头金属片的孔里绑一根线,提醒自己不要给微波炉通电。轻轻向外掰外壳以找到螺丝孔的位置,然后就可以动手拧下螺丝(通常是飞利浦式或Torx式螺丝)。一些螺丝可能会在微波炉侧面底部或者底面,不要忘记拧下。在拧下所有螺丝之后,你就可以取下外壳。外壳(见图1)通常是U型金属壳,里面的薄金属板可以做为放大器辅助底座(见图2,俯视图,图3,仰视图)。

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有些微波炉外壳内部贴有原理图,可以帮助你辨认元件,如高压变压器,电容,整流器,高压线,磁控管,控制板,风扇,连锁开关,电源滤波器和转盘组件。

高压电容是拆解时主要的危险源。它是一个大电容,在高压变压器附近被塑料罩罩着,通常没有泄放电阻。小心的使用接地棒放掉电容储存的电荷(参见ARRL手册高压电源部分),或用大阻值电阻(100KΩ到1MΩ,数瓦特额定功率的电阻,在www.repairfaq.org/sam/captest.htm#ctsdc有介绍)放电。将电阻连接在耐压数千伏的测试线一端,然后手拿绝缘层,将另一端触碰电容引脚。不要使用普通的鳄鱼夹导线。放电之后,用一段导线将电容两端连接起来以防止电容积累电荷。

小心不要损坏部件,注意锋利的边缘。依次拆下电源线及抗拉护套,风扇组件,内部照明灯,转盘电机和驱动器,变压器和磁控管。

清点战利品

你应该能够得到以下部件:(1)螺丝,螺母,紧固件;(2)电源线;(3)电容,整流器,高压变压器(如图4所示);(4)高压导线,电源滤波器;(5)磁控管——与易被磁化或易消磁物品保持足够距离!(6)风扇,转盘电机;(7)外壳,底座。其他一些零件有:控制板,微波炉门,门锁,合页,玻璃板等。保管好这些零件——某些情况下会有大用处。

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你可以利用磁控管的强磁性做一些事情,但是不要损坏它。触摸磁控管绝缘瓷没有危险,但如果误食或吸入可能会有毒性。废弃时请交给当地有害物质处理部门处理。

 

磁控管功放项目

下面我们开始介绍如何利用从微波炉里得到的部件制作功放。在Everyham’s Amplifier中介绍的功放用到了一对俄罗斯产的GI-6B或GI-7B真空管,每个约15美元。到此,请仔细阅读ARRL手册中射频功放部分,并搜索你使用的真空管的数据表。

功放输入输出电路部分

初学者可以从制作单波段功放开始,随着经验积累逐步转向多波段功放。对于功放输入电路有几种形式可供选择。真空管的数据表中会标明输入阻抗;在Everyham’s Amplifier中提供了几种调谐或未调谐的输入电路。在真空管栅极之前可以使用自动调谐器匹配输入阻抗。你也可以使用针对常见的老式功放设计的替代电路板。

在输出端,振荡回路需要能够承受电子管的输出功率,并且匹配馈线输入阻抗。通常我们使用约300pF空气可调电容(调谐)、磁心和约1100pF的空气可调电容(负载)组成的Pi型网络完成输出和匹配。调谐电容的极板间距必须能够承受真空管输出的射频电压,负载电容必须能承受放大器输出电压。因此,上述两个电容通常体积较大,价格昂贵。对于本文所述的放大器,你需要在网上搜索以获得合适的部件。初学者可以参考Roger Halstead(呼号K8RI)在ARRL手册中的一篇文章Using ‘Surplus’ Parts for Your Amplifier。除此之外,在1983年第六期QST杂志中T. Stephens写过一篇关于如何自制电容的文章[4]。另一种方法是使用固定电容和可调电感,详情参见1975年第二期QST杂志中D. DeMaw(呼号W1CER)和A. Dorbuck(呼号W1YNC)所写的文章[5]。在准备好这些元件之后,我们就可以开始制作属于自己的功放了。

开始动手

首先拿一张和功放底座一样大的白纸。将白纸放在底座上面,然后将真空管放在白纸正中。在真空管两侧分别摆放输入电路和输出电路,然后将电源部分元件摆放在空白位置。元件位置设计好之后,将这张白纸复印一份,然后微调元件位置使整体布局更加合理。这张纸用来确定元件最终安装位置和螺丝孔位。调整好之后,将这张纸贴在底座上。

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首先安装真空管管座。使用微波炉底板和一些金属零件组装一块宽U形底座作为真空管支架(如图5)。为使空气能够流过真空管散热片,可以将U形底座密封起来形成一个盒子。在盒子底部和顶部各安装一个从微波炉中拆下的风扇为真空管散热。

然后安装输入输出电路和电源部分。在Everyham’s Amplifier中提到一种使用控制变压器和一些元件(1N5408二极管,180μF耐压450V电容,120KΩ 5W泄放电阻以二倍压或三倍压方式连接)组成的倍压电路,可以提供真空管所需的高压电源。你也可以利用从微波炉中获得的变压器,整流器和电容(如图4所示)搭建半波整流电源。为避免半波整流电源在有负载情况下电压明显下降的问题,你也可以使用两个变压器搭建全波整流电源以获得稳定的输出。图8为全波整流电源的参考电路。另一种选择是直接购买高压电源。在FAR Circuits(www.farcircuits.net)上有高压电源出售,同时提供天龙功放的替换电路板。

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大功率发射机真空管所需的灯丝电流较大,所以寻找合适的灯丝变压器同样是一件苦差事。开关电源可以以数分之一于灯丝变压器的价格(和重量)情况下给灯丝供电。如果你担心直流电会使灯丝发热不均匀,减少灯丝寿命,每隔一段时间改变一下电源极性即可。

对于业余爱好者,获得合适的射频部件是另一项挑战。一种方法是购买无线电俱乐部其他会员多余的部件。在火腿节上购买二手不能正常工作的发射机或放大器,特别是自制的和状况未知的设备也是一种方法。桌子下面是损坏的设备藏匿的好地方,不要忘记这里。

如果上面方法都不能得到,并且这个部件是必须的,那么找一找类似设备的电路图,或许能够找到代替部件。例如,在Ameritron(www.ameritron.com)可以以合理的价格买到功放部件。

真空管和管座

如果你选用的真空管是直插式的,如811A或3-500Z,购买全新的管座是最好的选择。俄罗斯产轴向接触真空管,如GI-6B和GI-7B,在电子制作爱好者中很常见,但配套的管座并不好获得。偶尔网上会有管座出售,这需要耐心等待。二手管座可能会有触片氧化或接触不良问题,可能会引起不必要的麻烦。只有看起来干净、没有过热痕迹的二手管座才值得考虑。Theodore Lee(呼号N8GPQ)写过一篇自制管座的文章,网址是www2.wcoil.com/~tlee/GI7B%20Amp/GI7B%20Socket.pdf。我(KE4ERO)使用GI-7B真空管制作图5所示的放大器。ARRL手册附带光盘中有GI-7B真空管详细的使用说明和自制管座的说明。真空管支架右边的风扇和周围透明塑料迫使空气从真空管散热片之间流过,为真空管散热。

在Heathkit SB-220和类似设计中,空气从真空管周围流过,但是一般设计难以保证真空管各个部分均匀冷却。通常的方法是使用大风扇或提供足够的风量。使用玻璃罩可以使空气从真空管四周均匀流过。Coleman的丙烷灯笼罩是个不错的选择,但如何安装是一个问题。你可以参考其他市售成品和优秀自制电台是怎样安装真空管并保证良好散热的。

波段开关

全新的用于输入输出波段选择的波段开关价格昂贵。如果你有若干个损坏的波段开关,可以用损坏较严重的开关上的配件修复损坏不太严重的开关。尽量选择接触片面积大的开关。如果开关有旋钮,需要先将旋钮拆下。开关组建通常是由两个螺纹杆固定在一起的。注意不要遗失细小零件。在拆开之前拍一些照片可以帮助你了解如何将开关装回去。

将状况较好的触片固定片挑选出来作为新开关的组件。对于原有损坏的接触片,将固定接触片的铆钉有洞的一侧向上放置在工作台上,使用和铆钉孔大小一致的钻头,使用适当的力去除原有铆钉。注意不要直接钻到触片本身。然后将损坏的接触片取出。将新的接触片和固定片用#2-56螺丝和螺母固定起来。固定片很脆,需要小心操作,不要用力过大以防止固定片损坏。在螺丝末端伸出螺母的部分涂少量Loctite Threadlocker Red 271(或油漆或指甲油)以防止螺母松动。图6是修复的波段开关。

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利用微波炉变压器

为节约成本,我们可以利用微波炉变压器(MOT)作为高压电源变压器。这里有一些关于如何改造MOT的文章值得一读[6,7,8,9]。在作为功放高压电源变压器时,微波炉变压器有一些固有缺陷,因此需要对其进行简单改造。

由于铁心尺寸较小,微波炉尺寸小,价格便宜;同样原因使得它损耗较大。微波炉变压器工作时铁心磁场接近饱和。避免铁心饱和的唯一方法是降低输入电压/匝数比。由于减少初级线圈匝数需要较高技术,因此对于经验较少的制作者,可以在加强散热的情况下勉强使用。除此之外,微波炉变压器的线圈电阻比普通高压变压器大,这使得接上负载之后电压下降较多。

去除分流铁心

分流铁心用于保护变压器次级输出稳定,不受炉中条件不同而发生变化。但在作为线性功放高压电源变压器时,分流铁心会影响变压器正常工作,需要除去。分流铁心是插在在初级线圈和次级线圈之间的楔形铁片,如图7箭头所示。你可以用平头冲床或大螺栓轻轻锤出,注意不要损坏绕组。有些变压器可能需要先将灯丝绕组拆除才能拆下分流铁心。

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变压器连接

如果将微波炉变压器输出绕组连接至全桥整流电路,由于微波炉变压器的高压绕组通常一端接地,需要将接地端作为一个输出端,其引脚的绝缘性能不满足要求。一种方法是使用半波整流电路。较好的方法是使用两个微波炉变压器,它们的初级反向连接,两个次级分别通过半波整流电路之后并联,形成全波整流电路,如图8所示。两个变压器应该参数一致,保证在每个半波内输出的功率相同。

变压器匹配

下面将会介绍如何挑选,测试,改造微波炉变压器以作为高压电源使用。两个变压器应该大小(功率)一样,高压侧输出电压不能相差太多。一般变压器每磅质量输出功率约为100VA,因此,一对质量为5磅的变压器输出能力约为1KVA。为使两个变压器承受相同负载,两个变压器输出电压差异应在2%以内。输出峰值电压相差较多的情况下,输出电压较高的变压器承受的功率较大。除非两个变压器完全一样,否则使用前必须测量并调整至输出电压基本相同。

测量微波炉变压器输出电压

安全测量变压器次级电压的第一步是测量升压比。如图9所示,将变压器次级线圈接在120V交流电源上,使用校准过的数字电压表测量次级电压。其结果应该在5V到10V之间。120V与测量结果之间的比值就是升压比。另一种方法是将低压交流电(约6V)接在变压器初级,测量次级输出电压。次级输出电压和初级输入电压之比即为升压比,将此数值乘以120V即为高压侧输出电压。

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匹配微波炉变压器

对于输出电压相差大于2%的变压器,有经验的制作者可以通过在铁心剩余空间内增加电压较高变压器的初级线圈匝数来调整电压。注意线圈绕向,并且不要破坏绝缘。也可以在初级串联低压变压器(12转24V)降低微波炉变压器初级电压,如图10所示。低压变压器的次级额定电流应大于等于微波炉变压器初级线圈电流。例如,如果微波炉变压器初级线圈带载电流为5A,低压变压器次级应能承受至少5A电流。

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电路连接完成之后,在输出带载情况下测量两个变压器初级电流,保证两个变压器输出功率平衡。可以使用钳式电流表测量。在带载工作一段时间之后,两个变压器发热情况应该基本相同。在触摸变压器感受温度之前一定要先关掉电源,给电容放电。如果有可能,使用红外测温计或绝缘测温线测量温度。

 

写在最后

我们希望你能够利用周围可能的资源自己动手搭建短波功放或电台。这样,在“自制设备之夜”,你就可以自豪的说,这是我自己做的。

 

注释:

[1]可从ARRL当地代理购买,或从ARRL网上商店购买。ARRL编号:0007。美国国内免费电话:888-277-5289,或860-594-0355,传真:860-594-0303,网址:www.arrl.org/shop,邮箱:pubsales@arrl.org。

[2]Goodwill Industries International, Inc. www.goodwill.org

[3]www.instructables.com/id/How-To-Take-Apart-A-Microwave.

[4]T. Stephens,呼号KD6ED,A Homemade High-Power Tuning Capacitor, QST 1983年第六期,25-26页

[5]D. Demaw,呼号W1CER,A. Dorbuck,呼号W1YNC,Transmitting Variables – Who Needs ‘Em? QST 1975年第二期,37-43页

[6]R. Henderson,呼号WI5W,Build A HV Supply At Low Cost, QEX 1998年第一期、第二期,47-51页

[7]使用微波炉变压器制作功放电源:www.radars.me.uk/The_PSU.htm

[8]XQ6FOD编写的变压器绕线教程:ludens.cl/Electron/trafos/trafos.html

[9]找到和改动微波炉变压器的三步教程:www.youtube.com/watch?v=KRoPHKpCYmg&list=PL2FD9A01DD3B7A5D7&index=1

 

Matthew J. Kastigar,呼号是W0XEU,致力于电子方面很长时间。他是密西西比流域DX和比赛俱乐部(MVDX/CC)会员,圣路易斯QRP协会(SLQS)成员,并且是ARRL终身会员。Matthew通常在40米和15米波段以CW方式通连,并维护W0XEU/R UHF中继。目前他的兴趣主要在电子制作方面。Matthew的地址是28 Woodcrest Dr, Ladue, MO 63124,邮箱是w0xeu@arrl.net

John Stanley,呼号是K4ERO,是一位退休无线电广播工程师、顾问和教育家。他和他的妻子Ruth,呼号是WB4LUA,都持有业余高级执照。在42年的职业生涯中,John在多个国家工作和通联过。目前他们住在Rising Fawn,GA,从事于写作、教堂工作,并进行网上咨询和通信工作。John的邮箱是jnrstanley@alum.mit.edu

Ward Silver,呼号是N0AX,邮箱是hwardsil@gmail.com

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