Wzmacniacz KF 1..30MHz/20W @ 12V

Wzmacniacz HF (0..30 MHz) 20W/12V. Nie jest to duże urządzenie, ale za to całkiem skuteczne. W sam raz dla miłośników TRX-ów QRP (jak i ja), ale także QRO, bo to całe 20W outputu (WOW!) z możliwością dalszego zwiększania mocy. Chociaż wiadomo, że w skutecznej transmisji nie chodzi o moc, tylko o dobry budżet łącza – kluczowy jest dobry tor antenowy i skuteczna antena :-), Co tu wiele pisać – robocza fotografia poniżej:

PA_HF_1

Wzmacniacz jest pomysłu i konstrukcji Jerzego SQ7JHM i zamierzam użyć go także we własnych konstrukcjach. Te 20W mocy wyjściowej na antenie 50 Ohm przy zasilaniu tylko 12V, to na prawdę coś dobrego – nie tylko przy pracy w terenie (wreszcie da się solidnie pogadać na SSB). A oto i schemat elektryczny:

PA_HF_scheme

W układzie pracują bardzo przyzwoite tranzystory MOSFET (takie na prawdę nadające się do w.cz. / HF na wielu pasmach) typu RD16HHF1 (prod. Mitsubishi) a rozwiązania transformatorów sprzęgających nie budzą żadnych zastrzeżeń (przemyślane, solidne, staranne – wyczuwa się duże doświadczenie konstruktora). Na szczególną uwagę zasługuje konstrukcja sumującego transformatora wyjściowego Tr2 (BN-43/3312), w której dobre wykorzystanie światła otworów rdzenia osiągnięto poprzez wprasowanie w nie dobrze przewodzących rurek, pochodzących z anten teleskopowych (drugie uzwojenie w izolacji silikonowej poprowadzono w ich wnętrzu).

Z mojej strony garść dygresji technicznych. Otóż tranzystory FET (JFET, MOSFET) mają coś takiego, jak tzw. „punkt autokompensacji termicznej”. Na charakterystyce Ids=f(Vgs) jest to takie miejsce (punkt pracy – ang. „operating point”), który nie ulega zmianie pod wpływem temperatury. Z karty katalogowej tranzystora RD16HHF1 można odczytać, że dla tego elementu punkt autokompensacji termicznej typowo znajduje się w okolicach Vgs=6.4V, Ids=2.5A:

RD16HHF1_Ids=f(Vgs)

Jak wynika z powyższej charakterystyki, „poniżej” tego punktu pracy wzrost temperatury tranzystora spowoduje wzrost prądu drenu Ids (i dalsze nagrzewanie półprzewodnika). Z kolei „powyżej” punktu autokompensacji nagrzewanie spowoduje spadek Ids i osłabi grzanie tranzystora („naturalna obrona” przed przegrzaniem i uszkodzeniem struktury półprzewodnika). Warto o tym pamiętać projektując PA HF z tranzystorami FET i dobierając ich punkty pracy, bo widać, że tranzystor polowy „broni się sam” przed przegrzaniem, ale dopiero po przekroczeniu określonego prądu drenu Ids. Zatem generalnie punkty pracy MOSFET-ów i warunki ich chłodzenia należy dobierać tak, by nie miały szans ulec uszkodzeniu termicznemu przed osiągnięciem i przekroczeniem punktu autokompensacji termicznej. W przypadku tego rodzaju wzmacniaczy oczywiście należy brać pod uwagę raczej średnią wartość Ids, niż minimalny prąd drenu w statycznym punkcie pracy (gdy nie jest nadawany żaden sygnał).

Przed rozpoczęciem pomiarów i regulacji jeszcze trochę parametrów z karty katalogowej tranzystora RD16HHF1. Widzimy tu sporą odporność na uszkodzenia (od napięcia, prądu i wysokiej temperatury półprzewodnika) oraz znakomite walory wzmacniające w całym pasmie KF (HF) – aż do 30 MHz:

RD16HHF1_basic_params

Dobre własności wzmacniające w szerokim pasmie częstotliwości nie dziwią, skoro mamy do czynienia z tak małymi pojemnościami złącz (np. w porównaniu z tranzystorami przełączającymi VMOS z serii IRF5x0):

RD16HHF1_capacity_params

oraz z doskonałymi charakterystykami przenoszenia mocy przy niewygórowanych wymaganiach:

RD16HHF1_Pout_params

Po tak obszernym wprowadzeniu do tematu możemy wreszcie zobaczyć naszą gwiazdę „na stole operacyjnym” – przed uzbrojeniem wzmacniacza na stanowisku pomiarowym:

IMGP9011 IMGP9012

oraz po przygotowaniu do pomiarów (układ okablowany, z podłączonym zasilaniem 12V, dodatkowym kondensatorem filtrującym 2200uF, włącznikiem PTT i sztucznym obciążeniem 50Ω):

IMGP9084 IMGP9087 IMGP9088 IMGP9104

Po ciekawych dyskusjach Jerzy SQ7JHM stwierdził, że zastosowane tranzystory można wstępnie ustawić na mniejsze prądy spoczynkowe Ids0 („i-de-es-zero”), niż 400mA (jak pierwotnie ustaliliśmy) – np. na ok. 250 mA. No cóż, może pójdziemy dalej „w dół” z wartością spoczynkową Ids0, bo przecież pożyteczny i wygodny wzmacniacz HF do małego TRX-a powinien być jednak jak najbardziej oszczędny w konsumowaniu energii elektrycznej – zwłaszcza przy pracy w terenie.

Pomierzyłem wzmocnienie tego urządzenia (ang. power gain) w zakresie od 1 do 30 MHz – w zależności od punktów pracy (prądów drenów Ids0) wszystkich trzech tranzystorów MOSFET (T1..T3). Właściwie, to ustawianie dokładnie tego samego punktu pracy w driver’ze T1, pracującym w klasie „A” (lub – co najwyżej – „AB”) oraz w parze końcowej T2-T3, pracującej w klasie zbliżonej do „2B”, nieco mija się z celem (inne zapotrzebowania). Jakkolwiek, daje się poczynić pewne spostrzeżenia i przy takim uproszczonym podejściu. Przeliczone i wykreślone charakterystyki poniżej:

PA_HF_pwr_gain_qrp

Opisane powyżej pomiary wykonano przy wysterowaniu urządzenia niewielką mocą – wprost z wyjścia bufora analogowego generatora DDS wg mojej konstrukcji. Z tego powodu osiągane moce wyjściowe nie przekraczały pojedynczych watów (QRP->QRPP) a sam wzmacniacz pracował bardzo liniowo. Proste wnioski z powyższych pomiarów są następujące:

  • zwiększenie wszystkich spoczynkowych prądów Ids0 z 200 do 300 mA daje wzrost wzmocnienia średnio o ok. 2.4 dB w całym analizowanym pasmie częstotliwości (niemało),
  • dalsze zwiększenie wszystkich spoczynkowych prądów Ids0 o kolejne 100 mA (z 300 do 400 mA) daje wzrost wzmocnienia średnio już tylko o ok. 1.5 dB,
  • deklarowana przez Autora tego projektu SQ7JHM nierównomierność charakterystyki przenoszenia faktycznie jest dobrze utrzymana w całym analizowanym pasmie.

W ten sposób potwierdzona została przydatność opisywanego wzmacniacza do pracy w całym pasmie KF, jednak ze wskazaniem na optymalizację punktów pracy (spoczynkowe prądy drenów Ids0) – osobno dla drivera T1 oraz dla pary końcowej T2-T3. Dlaczego tak? Bo widać wyraźnie, że zwiększanie wartości powyżej Ids0 poza pewne granice nie poprawia dalej wzmocnienia urządzenia a na pewno zwiększa zużycie energii zasilania i – tym samym – pogarsza parametry pracy przez niepotrzebne nagrzewanie układu.

Następnie wykonano pomiary z analizatorem widma – dla wszystkich możliwych kombinacji:

  • Ids0(T1) = 100, 200 .. 600 mA,
  • Ids0(T2, T3) = 100, 200 .. 600 mA,
  • Pout = 3W (umownie tutaj – QRP) oraz Pout = 15W (umownie tutaj – QRO).

Czyli wykonano łącznie 6*6*2=72 pomiary. Wnioski są dość ciekawe, ale spójrzmy najpierw na tabelki z wynikami. Mierzono analizatorem widma w oscyloskopie cyfrowym:

Jak widać, dla QRP sprawność η zawsze była bardzo kiepska a podnoszenie punktów pracy w górę i tak nie dawało znaczącej poprawy współczynnika THD:

QRP_CHAR

Natomiast dla QRO faktycznie wystąpiło pewne optimum THD dla wszystkich Ids0=400mA, ale nie jest ono zbyt wyraziste (16.2% vs. przeciętnie 18..20%). W ostatniej z tabelek dla QRO podano nieco syntetyczny „wskaźnik optymalizacyjny”, obrazujący stosunek η/THD. Regulacje punktów pracy zdominowały sprawność η a nie współczynnik THD:

QRO_CHAR

Wydaje się zatem, że w wypadku tego wzmacniacza należy obowiązkowo zadbać o bardzo dobre wyjściowe pi-filtry dolnoprzepustowe.

Zainteresowało mnie także to, co jest przyczyną takiego stanu rzeczy (mała sprawność wzmacniacza przy dużej zawartości harmonicznych na wyjściu) i jak sobie z tym problemem poradzić w praktyce konstruktora? Zajrzałem ponownie do karty katalogowej zastosowanych tranzystorów MOSFET z serii RD16, gdzie znalazłem następującą wzmiankę:

„5. In order to maximize reliability of the equipment, it is better to keep the devices temperature low. It is recommended to utilize a sufficient sized heat-sink in conjunction with other cooling methods as needed (fan, etc.) to keep the channel temperature for RD series products lower than 120deg/C (in case of Tchmax=150deg/C) ,140deg/C(in case of Tchmax=175deg/C) under standard conditions.”
Jest to jawna zachęta do tego, by nie dochodzić z temperaturą kanału do 120 stopni Celsjusza.  Ale przy pracy „na granicach możliwości” tych tranzystorów może być to trudne. Zwłaszcza przy nie wystarczającym chłodzeniu (też jest o tym mowa powyżej). Wyczuwam, że ten tranzystor ma wąski kanał, dzięki czemu ma malutkie pojemności: bramki, wyjściową i zwrotną. Ale wąski kanał, to spore opory i przykre konsekwencje na skutek nagrzewania (gorsze odprowadzanie ciepła i nie tylko). Szacunkowo, z poniższej charakterystyki wynika tyle, że w nasyceniu (Rdson) jest to oporność rzędu 1 Ohm, czyli sporo jak na tranzystor MOSFET:

RD16_Ids=f(Vds)

Warto podkreślić, że charakterystyki dotyczą Ta=25 stopni Celsjusza (temperatura najbliższego otoczenia tranzystora MOSFET), którą w praktyce bardzo trudno będzie utrzymać w normalnych warunkach pracy … No cóż – zawsze jest coś za coś … :-/.
 
Konstruktorom zdecydowanym na stosowanie tych przydatnych w całym pasmie KF (HF) tranzystorów MOSFET z serii RD16 polecam przede wszystkim głęboką troskę o:
  • bardzo dobre chłodzenie (automatyczna kontrola temperatury i obciążenia byłyby niezwykle cenne),
  • sensowną automatyczną kalibrację prądów spoczynkowych, by nie grzać na próżno tranzystorów, skoro nie daje to nic w zamian … :-(.

A na koniec zamieszczam jeszcze (jako ciekawostkę, bo brak miejsca na więcej takich materiałów) kilka zrzutów ekranowych z oscyloskopu – analizatora widma, które zwyczajnie pokazują to, jak wyglądały: sygnał sterujący oraz sygnały wyjściowe dla QRO i QRP:

INPUT_PTT_OFF OUTPUT_HighPwr OUTPUT_LowPwr

Widać na nich to, że zarówno przy mniejszych jak i przy większych mocach wyjściowych wypadkowy poziom zniekształceń THD był podobny (wyraźne różnice dla 2-giej harmonicznej, która jednak nie była dominującym składnikiem współczynnika THD).

Prezentację i dyskusję całego materiału przeprowadzono na spotkaniu w Burzeninie, w dniu 13.09.2015r. Oto propozycje dalszych metod analizy oraz poprawy parametrów pracy tego wzmacniacza KF, które udało mi się odnotować w trakcie intensywnej dyskusji:

  • optymalne metody wentylacji i chłodzenia oraz automatyczne sterowanie chłodzeniem,
  • ocena IMD3 za pomocą tzw. „próby dwutonowej” – znaczenie tej metody (moim zdaniem nieco ograniczone w przypadku, gdy prosta ocena THD wypada wysoce niezadowalająco),
  • dobór napięcia zasilania (w miarę możliwości) oraz dobór prądowych punktów pracy (także dynamiczny) vs. THD, IMD3 a także sprawność wzmacniacza,
  • dobór ilości stopni, ich wzmocnień oraz właściwego ograniczenia pasma wzmacniacza vs. odporność na zakłócenia zewnętrzne i stabilność pracy wzmacniacza (skłonność do tzw. „podwzbudzania”),
  • rola prawidłowego zasilania (odsprzężenia i pułapki dla w.cz.) oraz ekranowania na poprawność pracy wzmacniacza,
  • metody stabilnej regulacji statycznych punktów pracy – dobór właściwych źródeł napięcia, rezystorów regulacyjnych oraz ewentualnych oporów w źródłach tranzystorów,
  • wpływ symetrii charakterystyk tranzystorów w parach oraz zapasów strumieni rdzeni (względem nasycenia) na liniowość pracy wzmacniacza,
  • zastosowanie bezpieczników – czy stosować, jakie i w których miejscach?
  • znaczenie obecności niewielkich oporników (rzędu kilku omów) lub tzw. „koralików” ferrytowych w obwodach sterowania bramek tranzystorów MOSFET dla poprawności pracy wzmacniacza,
  • wybór alternatywnych tranzystorów w.cz. o lepszych parametrach statycznych – zwłaszcza przy pracy ze znacznymi temperaturami kanału.

Opisane wyżej aspekty będą przedmiotem dalszych analiz – przed powstaniem docelowego projektu. Przedtem jednak trzeba będzie zajrzeć „w głąb” mechaniki badanego urządzenia … :-).

C.d.n.

4 thoughts on “Wzmacniacz KF 1..30MHz/20W @ 12V

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *