重量150g、山岳移動用50メガ軽量10Wリニアアンプの作製


50メガで使える出力10W前後のリニアアンプを作ってみました。山岳移動に用いるのを目的に軽量コンパクトを目指したリニアアンプです。一応最大目的の軽量(重量150g)・小型・省電力化が実現出来たのでここに紹介してみたいと思います。

ピコ6と山岳移動用50メガ軽量リニアアンプ
奥左:20Wリニア(220g, 7x10x3cm, max4A消費)
奥右:10Wリニア(150g, 5x8x3cm, max1.9A消費)
手前:5Wリニア(99g, 5x6.5x2cm, max1.3A消費)

今回製作のリニアアンプは写真奥右の10W機


1・きっかけ:
このアンプを作る直接のきっかけになったのは1996年のハムフェア、「山と無線」コーナーでJS1MLQ川田さんの製作した「50MHz用超軽量小型10Wリニアアンプ」を目にした事でした。当時私はローカル局の影響もありアマチュア無線周辺機器などの自作の少しかじってみたところで、何か作りたい、という意欲が旺盛でした。又山岳移動にはミズホのピコ6などを持ち歩いていたのですが、重量を増やすことなくもう少しパワーは出せぬか、とも考えており、そんなところに川田さんのアンプが衝撃とともに現れたのでした。

実際それはすばらしく小型・軽量で、発熱時間の短いSSB運用に特化する、という事でリニアアンプの大型化・重量増加の要因となる放熱板を廃し、ケースのみの放熱でその小型・軽量化を実現していました。

私も同様なものを作れないか、やってみたい、という気持ちが起りはじめたのです。幸いな事に川田さんのリニアアンプの製作記事はJR1NNL・後藤さんのホームページによって詳細な記事が公開されていますので早速ダウンロードしてみました。又手持の「ハム機器の作成」CQ出版社刊にも同様な記事を見つけ、主に両者を参考として製作に臨む事にしました。


2・ねらい :
手軽に持運ぶために超軽量・小型化をする事が第一目的でした。出来れば川田さんのリニアと同じ位の大きさ・重量にしたい。親機は私が山岳移動に持ち歩くミズホのピコ6(MX6S)、東京ハイパワーのHT750、あるいはヤエスのFT690mkIIなどを想定しました。リニアアンプの出力は親機からの入力値にもよりますが10W程度の出力は欲しいものです。

又いくら小型軽量でも電力を沢山消費するようではバッテリーの大型化につながり重量増加で山岳移動にはNGです。パワーモジュールを用いたアンプは製作が簡単になり良いのですが、反面、効率が悪く電力消費が激しいので、今回は川田さんと同様に効率の優れて省電力なRFトランジスタを用いたリニアアンプ、ディスクリート方式のアンプの完成を目指しました。


又川田さんは放熱板を使用されていなかったのですが、今回はケースも小型化したためにやや放熱に不安があり小さな放熱板を使用してみました。(といっても手持ちの放熱板を適当につけただけなので気休め程度の効果しかないかもしれません。ないよりましだろうという発想です。)

(リニアの中身。ピンク色
の筒が入力部のコイル。
出力部には耐圧の大きな
エアトリマを2個用いた。)

3・全体像:
通常リニアアンプには使う周波数に特化させた、50メガなら50メガ専用、といったアンプと、広い周波数で使える広帯域アンプに分れるようです。リニアアンプの心臓部である増幅素子(パワートランジスタ)は通常十数Ωという低いインピーダンスで効率よく動作するそうですが、一方同軸ケーブルをはじめとしたアマチュア無線機器の出力信号はすべて50Ωインピーダンスですので、リニアアンプではこれを増幅素子にふさわしい数十Ω値に変換し、又素子によって増幅された信号も50Ωに変換し直してやる必要があります。このインピーダンス変換をどう実現するかによって、特定周波数に特化したアンプと広い周波数で使えるアンプの違いができあがるようです。

周波数固定のアンプでは増幅素子への入力部、素子からの出力部にコイルとコンデンサによるインピーダンスのマッチング回路を設けますが、一方で広帯域アンプの場合はコイルとコンデンサによるマッチング回路ではなく入力部・出力部ともにトロイダルコアを用いたインピーダンス変換トランスを用います。

ここで作ったったアンプは前者の、50メガバンドに特化したリニアアンプです。これは入手できた資料(川田さんの製作記事、「ハム機器の製作」CQ出版社刊)がその方式であったからです。作り方のしっかりした物でないと製作は難しい、と感じたのです。(後者の方式による出力5W程度の50メガ用小型軽量リニアアンプにも別途トライしています。記事参照方)


4・素子の選定:
心臓部のパワートランジスタには三菱の2SC1945を用いました。1個400円程度でした。このトランジスタの定格はCQ出版社の「高周波デバイス規格表」によると「27MHz帯電力増幅用・HF帯移動無線用、出力10〜14WのAB級増幅用」との事です。HF用のトランジスタを50メガ帯で使うので若干の利得の低下があるかもしれません。川田さんの製作例も、「ハム機器の製作」でも使っている素子は2SC2086なのですが、もうこの石は製造中止で入手が困難です。そこで同等品のこのトランジスタを使いました。同じくCB用の2SC1969(三菱)も使えると思います。ちなみに2SC1945はミズホのピコシリーズの純正10Wリニアアンプにも使われている素子です。


5・構成:
構成は以下の通りとなっています。全体に大きく7個のブロックから成立っています。

1)アッテネータ部:アンプをオーバードライブさせぬように親機からの入力信号を適切な値に減衰させます。又これは親機とアンプ素子間のSWR改善にも役立ちます。π型に抵抗を組み、その値の組み合せによって減衰値が決ります。今回は効率よく信号を増幅したかったので入れていません。

2)入力マッチング部:
親機からの出力、50Ωのインピーダンスをリニアアンプが効率よく動作するように低インピーダンスに変換させる回路、入力マッチング回路です。コイル(可変コイル、実際には東光のモノコイルを使用)と可変コンデンサ(トリマ)、それに500V耐圧のディップマイカコンデンサの組み合わせで成ります。

3)バイアス電源部:
バイアス電流を流す回路です。アンプをリニアアンプとして AB級増幅させてやるためには常にバイアス電流をトランジスタのベースにかける必要があります。ここは電圧を安定化させる必要があるので通常は三端子レギュレータ (78L05、7805など)で12vを5Vに安定化させます。今回は参考書とした「AYO'Sハム機器の製作」から三端子レギュレータではなくツェナダイオードRD6.8Fを用いました。一時側に12Vをかけると2次側に5.2Vが出力されます。(12-6.8=5.2) 沢山ついているコンデンサは回り込み・パワートランジスタの自己発振防止用です。又可変抵抗はアイドリング電流(後述)を適切な値に調整するために使います。ダイオードはパワートランジスタが熱暴走による自己破壊を起すのを防ぐためのバイアス安定化のもので、実際の基板ではパワートランジスタに密着させる形で配線します(熱結合)。密着させた個所に放熱シリコンをたっぷり塗ります。このダイオードを付け忘れたりすると電源投入とともにパワートランジスタは一瞬にしてお陀仏となります。

4)増幅部:
入力信号を増幅する心臓部です。RFパワートランジスタ2SC1945です。

5)電源部:
パワートランジスタのコレクタに電源(12Vから13.8V)を供給します。コンデンサとフェライトコアによるコイルはどちらも回り込み・パワートランジスタの自己発振防止用のものです。又電源を万一逆接してしまった時の防止用にグランドとの間にダイオードを付けています。もちろん電源線(+)にヒューズが必要です。

6)出力マッチング部:
パワートランジスタで増幅された信号を同軸線・空中線のインピーダンスである50Ωに変換する部分です。効率よく出力が出るようにマッチングを図ります。コイルと可変コンデンサ(トリマ)から成ります。ここで注意すべきは耐圧の大きなトリマを使う事です。同じ定格値でも耐圧の小さなコンデンサ(50V耐圧など)では十分な出力が出ない事が考えられるとの事ですので、500V耐圧程度のディップマイカコンデンサ、又トリマも500V耐圧の大型のセラミックトリマを使います。

7)ローパスフィルタ部:
パワートランジスタで増幅された信号は高調波を含んでいるのでこれをコイルとコンデンサから成るローパスフィルタで除去します。フィルタにはT型とπ型がありますが文献によるとπ型の方が前段に与える影響が少なく、 FBなようです。フィルタのコイルとコンデンサの値は周波数やT型かπ型かによっていくつかの決った値があります。又使うトロイダルコアの選定も電力によって変ってきます。今回はπ型のフィルタとしました。π型の場合一段のみの挿入では高調波除去能力が充分とはいえず3、4段の多段接続をするようです。私はスペースの都合上1段接続としてしまいましたが、これではフィルタとしては不充分だと思います。

8)アンプON/OFF切替え部:
リレーによりアンプのON/OFF(アンプONかスルー)を切替えます。12V用2回路のリレーを用います。損失についてですが 50MHzあたりですと高価な高周波リレーを用いなくとも通常のリレーで大丈夫なようです。リレーの電源部にグランドとの間に入れてあるダイオードはリレー動作時の逆起電力を防止する目的、とのことで、リレーを用いる時は定番的に使うようです。尚リレーのON/OFFは動作させるにはFMだとキャリアを用いる事が出来ますが(キャリコン)SSBだと難しいです。そこで最も回路が簡単で済むように私は無線機のハンドマイクを自作してみました。2回路の押しボタンとコンデンサマイクですぐに出来ます。2回路の一方のスイッチはPTTに、もう一方のスイッチはリレーと12V電源部に結線されているのでPTTを押すと自動的にリレーに12Vが供給されてリレーONとなります。又既存のマイクの中にマイクロスイッチを仕込みPTTと連動でONに出来るような配線をすることも可能だと思います。又、送信時に同軸ケーブルにDCが乗るような無線機ではそれを取出してリレーの ON/OFFに使えそうです。


6・製作:
製作は生基板に必要なランドをエポキシで貼っていく、という方式です。こうするとグランドが広く取れ動作が安定するらしいです。予めに各ランドに載せる部品を考え加工(部品づけなど)をしてから貼っていくのも手かもしれません。まずは生基板を前にして各々のブロックをだいたいどの辺に設けるか決めます。上記の7個のブロックの順に組立てていくと良いと思います。(ただし最後のリレー部のみは基板調整後にとりつけます。) 通常は放熱板などが必要な事からパワートランジスタの位置で全てが決ってしまいそうです。

又実際の親機への接続ではリニアアンプのRF-IN部のコネクタに台座付きのBNCメスコネクタを使う事により親機とリニアアンプを直接つなぐ事が出来るようにしました。移動運用では変換コネクタや同軸線などの忘れ物をする事がえてしてありますが、こうすることによりリニアアンプとの接続は簡単です。またこれによりケーブルやコネクタなど一部持つ必要がなくなるのでわずかですが軽量化も実現できます。(このコネクタの存在はローカルの7M1XPR・青木さんより教えていただきました。秋月電子通商で入手可能です。)


7・調整:
基板が出来上れば調整です。調整は大きく分けてアイドリング電流の調整、入力・出力のマッチング調整の2つとなります。調整を始める前に完成した基板を以下のようにセットします。

−回路の入力部に親機からの入力をSWR計を介してつなげる。(SWR計は1W程度でも計測できるものが望ましい。)
−回路の終端を電力計を通し50Ωでターミネイトする。(終端型電力計が便利。)
−12V電源に基板をつなげる。トランジスタのコレクタ部のみは電流計(DC200mA程度)を通じて電源とつなげる。ベース部は電源に直接つなげます。
−ベース部の半固定抵抗を抵抗値最大になるようにセットします。
−尚トランジスタは仮の放熱版につなげます。(大型の放熱版がFB)

1)アイドリング電流調整:
リニアアンプをAB級動作させるためには常時トランジスタのコレクタに一定の電流を流す必要があります。これがアイドリング電流です。トランジスタのベースにつながっている半固定抵抗の値を変える事によりコレクタへのアイドリング電流の値が変化します。上記のように基板をセットしたら電源を入れましょう。次にベース部の半固定抵抗を少しづつ抵抗値0Ωの方向に回していきます。なにがしかの電流がコレクタに流れているのが電流計を通じてわかります。これで電流計が 100mAになるまでゆっくりと半固定抵抗を回し100mWで止めます。これでアイドリング電流の設定は終りです。もしここで電流がぐんぐんと加速度的に増えてしまうようだとトランジスタが破壊されてしまうので即座に電源を切ります。(といってもまず間に合わなくてトランジスタが飛んでしまいます。) これはトランジスタと密着して付いているダイオードの付け忘れ、あるいはハンダづけ不良、又は熱結合不充分、といった事が原因だと思います。このダイオードはトランジスタの熱暴走の防止という重要な役割をしているのでハンダづけはしっかりと、放熱シリコングリスをしっかり塗布してトランジスタに密着させて付けます。

2)入・出力部マッチング調整:
50Ωの入力信号をトランジスタへ効率よく入力させ、その出力を50Ωに効率よく変換させる、インピーダンス変換の調整を行います。上記の基板セッティング状態で、コレクタ部も電流計を介さずに直接12V電源につなぎます。次に親機から電波を発射します。出来ればCWが調整しやすいのでFBです。SSBの場合はマイク端子からトーンジェネレータなどでトーンを注入すれば同様に調整がしやすいです。どうでしょう、パワー計が触れるはずです。入力部につないであるSWR計が1近辺を示すように入力部のトリマとコイルを回し調節ます。トリマは金属製ではなくセラミックドライバなどで回します。(FCZのキットのアクリル棒を加工して作る調整棒が安くてFBです。)コイルとコンデンサを回しSWRが最小1になれば今度は出力系の 2つのトリマをまわし出力部のパワー計の値が最大になるように調節します。これを変える事により入力部のSWRも変りますので再び入力系を調節、1に近くし、又出力系のトリマを出力最大になるように回します。これを何度か繰返していくと入力部のSWRが最低(殆ど1)になり出力は最大になるポイントがあります。そこで調整終了です。1Wを入力した場合は多分7.8W程度の出力になっているはずです。私の場合は電源電圧12.5Vで1W入力時(親機=ピコ6)に出力約8W、2W入力時(親機= HT750)に出力約12W、2.5W入力時(親機=FT690mkII)時に出力約14Wとなりました。

これで調整終了です。後はケースに基板を収め配線をすれば完成となります。ダミーロードにつなぎ動作させてみましょう。他の無線機があれば変調がモニタ出来ます。


8・上手く動かない時・・:
自分の経験から、こんなことがありましたのでご参考になるかは分りませんが・・

1)パワーが出ない−
RFプローブがあれば何処が悪いのか検出するのに便利です。信号の入力部から順にプローブの検針をあてていき針がきちんと振れるかを調べていきます。2SC1945の前段(ベース)と後段(コレクタ)では当然後段の方が強く振れているはずです。そうでなければ何処かが違うわけです。

又高周波信号の入出力部のコンデサの耐圧は大丈夫でしょうか?参考書(「AYO'Sハム機器の製作」CQ出版社刊では通常の小型のセラミックコンデンサではなく500V耐圧の大型のディップマイカコンデンサを使うようになっています。私も最初の製作時には小型化のために50V耐圧の小型のトリマ、セラミックコンデサなどを使ったのですが、その時のパワーはmax5W程度になってしまい、それを大型に替えたらきちんと所定の出力が得られた事があります。

−ここまでOKでパワーが出ない時はローパスフィルタが怪しいです。コイル、コンデンサの定数はあっているか、接続はどうか確認します。只ローパスフィルタは挿入によるなにがしかの損失があります。前段と比べて急激にパワーが落ちるような事があれば定数に問題があるはずです。

2)トランジスタが発振してしまう:
信号を入力しないのにパワー計が振れてしまう。
−電源にバイパスコンデンサを適宜追加してみたらどうでしょうか
−もしかしたらトランジスタの信号の入力部と出力部のレイアウト上の位置の関係で発振してしまう事もあるかもしれません。両者は出来るだけ離した方が良いとの事を聞いた事があります。又グランド面が狭いと動作が安定せず発振等の原因につながりやすくやはりトラブルのもとです。

3)変調音がひずむ:
トランジスタをオーバードライブさせていないか?アッテネータの必要性・定数を見直す必要があるかもしれません。又アイドリング電流の値は適切か。けちると直線性の低い増幅になってしまうとのことです。


9・総評:
ディスクリートのアンプは回路と調整が複雑ですが、反面消費電流も小さく効率の良いアンプなので山岳移動にはもってこいです。再現性確認のため2号機も作成してみましたがどちらも良く動作しております。


10・定格:
最後に当アンプの定格値を記します。
消費電流:スタンバイ時140mA、ピーク時1.9A(電源電圧12.5v)、尚リレーの消費電流は30mA
出力:1W入力時(親機=ピコ6)に出力約8W、2W入力時(親機=HT750)に出力約 12W、2.5W入力時(親機=FT690mkII)約14W
サイズ(放熱板・コネクタ類除く)5x8x3cm
重量150g

11・部品一式

半導体 −RFトランジスタ:2SC1945 x 1個 (RF増幅用)
−ツェナダイオードRD6.8F x 1個 (ベース電源安定化用)
−ダイオード:汎用ダイオード(1S1588等) x1個 (RFトランジスタ熱結合用)、
10E1 x 2個 (リレー逆起電力防止用、電源逆接対策用 各1)
発光ダイオード x 1個 (電源ON表示用)
コンデンサ −120pFディップマイカ、500v耐圧 x 1個 (入力マッチング部用)
−70pFセラミックトリマ、直径7mm程度の小さなもので可 x 1個 (入力マッチング部用)
−22pFディップマイカ、500V耐圧 x 1個 (出力マッチング部用)
−50pFセラミックトリマ(エアトリマ可),500V耐圧 x 2個 (出力マッチング部用)
−10μF電解コンデンサ x 3個 (パスコン用)
−0.01μFセラッミクコンデンサ x 2個 (パスコン用)
−0.1μFセラミックコンデンサ x 2個 (パスコン用)
−56pFディップマイカ、500v耐圧 x 2個 (ロ-パスフィルタ用)
コイル類 −東光モノコイルM25T x 1個 (入力マッチング部用)・・・秋葉原T-ZONEパーツショップにて購入
−フェライトビーズFB101 x 1個 (ベース電源部用)
−フェライトビーズFB225 x 1個 (コレクタ電源部用)
−トロイダルコアT80-10 x 1個 (ローパスフィルタ用)
抵抗 −1KΩ半固定抵抗 x 1個 (アイドリング電流調整用)
−1KΩ x 1個 (発光ダイオード用)
小物 −ケース(タカチのYM80)
−BNCオス台座付きコネクタ、メス台座付きコネクタ各1個・・・秋葉原秋月電子にて購入
−リレー12V2回路用 x 1個(オムロンG5V2)
−スイッチ x 1個(主電源用)
−直径0.8mmエナメル線 適宜 (コイル、ローパスフィルタ用)
−線材 適宜
−放熱板
−同軸線0.8DV 適宜 (BNCとリレー間、リレーと基板間接続用)
−DC電源ジャック x 2個 (主電源用、リレーON/OFF用)


12・π型アッテネータの定数・π型ローパスフィルタの組み合わせ:

アッテネータ・ローパスフィルタ、ともにπの形に組み合わすのでどちらもπ型と呼ばれています。アッテネータの定数は適切な入力値になるように親機の出力に応じて決定します。今回は1〜2.5W程度の入力電力なので入れませんでしたが、親機−リニアアンプ間のSWRの改善や変調の歪みなどを防ぐ意味で何がしかのアッテネータの挿入をしたほうがFBです。

又ローパスフィルタも何種類か使用出来るトロイダルコアの種類があります。通過電力が大きくなるにつれコンデンサも耐圧の大きなもの(500V耐圧のディップマイカなど)が必要になります。今回は500Vのディップマイカコンデンサを使いました。

1) アッテネータの定数

減衰量 R1,R2 (Ω) R3 (Ω)
0.8 (-1dB) 910 5.6
0.6 (-2dB) 470 12
0.5 (-3dB) 300 18
0.4 (-4dB) 270 24
0.3 (-5dB) 180 30
0.2 (-7dB) 130 47
0.1 (-10dB) 100 75

2) ローパスフィルタの組み合わせ

コア材と巻き数 コンデンサ (pF)
T37-6、0.8mm径エナメル線7回巻き 60
T50-10、0.8mm径エナメル線7回巻き 60
T80-10、0.8mm径エナメル線6回巻き 56


13・回路図
本リニアアンプの回路図は別添の通りです。

(出典:「AYO'sハム機器の製作」丹羽一夫著CQ出版社刊、「トライダルコア活用百科」山村英穂著CQ出版社刊、「つくるハム実用アクセサリー」高山繁一著CQ出版社刊、「レッツハミング97年1月号」マガジンランド社刊、JS1MLQ軽量リニアアンプ製作記事)


Copyright:7M3LKF,Y.Zushi 2000/4/5


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