Amplificatoare liniare cu tranzistoare VMosfet IRF 510
(sinteză)
Vakarcs Szilárd
Acest articol este bazat în mare măsură pe ideile din articolul de specialitate de pe Internet al lui LY2HT, unui radioamator din Lituania şi este o descriere a amplificatorul liniar care foloseşte două tranzistoare Mosfet IRF 510, construcţie similară cu cel al lui WA2EBY, K5OOR, F6BQU, DK7ZB, DL9AH şi WA1GPO. Proiectul lui LY2HT este undeva la mijlocul evoluţiei ideii de a construi liniare pentru HF cu ajutorul tranzistoarelor concepute iniţial pentru comutare rapidă. Alte proiecte similare, mai puţin documentate ştiinţific, datorate amatorilor din India (Gajjar Dinesh, Ashhar Farhan) pot fi găsite pe Internet folosind un program de căutare, cum ar fi Google, Mozilla, Altavista sau Metacrawler.
Tranzistoarele VMosfet de tip IRF (International Rectifier®™) sunt destul de ieftine, chiar foarte ieftine faţă de semiconductoare RF tradiţionale epitaxial-planare MRF (Motorola). Modelele care pot fi folosite sunt IRF 510...540 (100 V), 710...840 (500 V), sau cele cu sigla IRFP care au o tensiune de lucru de 1000 V ceea ce ar permite alimentarea lor direct de la priză. Cel mai potrivit tranzistor pentru QRP ar fi IRF 540 care are o rezistenţă proprie de 0,06 Ω, dar este şi cel mai scump dintre ele. Alt avantaj al liniarelor cu Mosfet este faptul că nu necesită un stabilizator de tensiune sofisticat, doar un redresor corespunzător care să asigure curentul de lucru al tranzistorului. Tensiunea este reglată printr-o diodă Z de maxim 36 V, de putere medie, cca 2 A, iar curentul trece prin una-două tranzistoare de putere. Cu cât tensiunea de lucru creşte, cu atât curentul absorbit de semiconductorul RF este mai mic. Căldura radiată este şi ea ascendentă, şi trebuie luate măsuri adecvate să nu depăşească 80-90° C.
Principala problemă a acestor tranzistoare faţă de cele clasice o reprezintă sensibilitatea la variaţiile sarcinii la drain, la influenţele electrostatice şi variaţia puterii radiate în funcţie de frecvenţa de lucru. Amplificatoarele rezultate vor lucra în clasa A şi AB. Dacă dorim să folosim CW, PSK şi SSB, acestea ne pot fi de mare folos. În clasa C, deci pentru cei care sunt interesaţi de FM aceste tranzistoare nu pot fi utilizate (deocamdată), ori ar rezulta un randament foarte scăzut, tocmai pentru că tensiunea de poartă - sursă nu poate depăşi cca 4.7 V. Altfel, din cauza autooscilării semiconductorului, acesta se va distruge discret, fără să dea vreun semn de avertizare (încălzire, fum, miros de ars, etc.)
Pentru că VMosfeturile sunt semnificativ mai ieftine decât tranzistoarele RF, distrugerea lor pe parcursul experimentării nu creează pierderi financiare deosebite, totuşi reglarea lor necesită anumite cunoştinţe despre modul de lucru ale acestora, motiv pentru care selectarea atentă (acelaşi lot de producţie, aceeaşi rezistenţă proprie) este primul pas spre succes. Am amintit selectare pentru că în aproape toate proiectele prezentate au fost folosite circuite push-pull (contrafază, paralel), ceea ce înseamnă că tranzistoarele trebuie să aibă aceleaşi caracteristici tehnice, deoarece simetrizarea ulterioară nu este posibilă. Pentru aceasta există o serie de proiecte destinate radioamatorilor autorizaţi care au scopul de a îndepărta vălul de pe acest mister şi de a menţine VMosfeturile un timp cât mai îndelungat în exploatare în montajele lor viitoare. De aceea am decis să compar câteva dintre proiectele accesibile pe Internet.
Un studiu destul de interesant dedicat amplificatoarelor liniare cu tranzistoare IRF este semnat de germanul DK7ZB, Martin Steyer, în revista Funkamateur (43/8/726 şi mai ales în 46/7/820-23). Faţă de LY2HT, Steyer a experimentat şi cu tensiunea de lucru de 36 V. Steyer mai citează în studiul său o lucrare a lui DL9AH, Arno Weidemann, care a construit un liniar din mai multe tranzistoare Mosfet legate push-pull. Articolul lui Steyer mai menţionează avantajele şi dezavantajele transformatoarelor de simetrizare 1:4 şi 1:9 utilizate la diferite construcţii, adptate la diferite tipuri de antenă, fapt ce nu este menţionat la nici unul dintre ceilalţi amatori citaţi aici.
Descrierea liniarului mamut care ar fi debitat 750 W am găsit-o republicată în anuarul Rádiótechnika (136 - 143/1999) din Ungaria, şi este vorba de 16 perechi (!) de tranzistoare legate push-pull, alimentate de la o sursă în comutaţie foarte interesantă. Tensiunea de lucru este de 100 V, iar curentul necesar de doar 2 A. Proiectul pare foare ambiţios, cu multe detalii tehnice şi de construcţie, dar este greu reproductibil din cauza numărului mare de semiconductoare folosite, dar şi de transformatoare de simetrizare.
Francezul F6BQU, Luc Pistorius, prezintă în Megahertz Magazine, dar şi pe pagina sa web dedicată construcţiilor HF versiunea sa de amplificator HF care funcţionează pe aceleaşi principii, fiind foarte compact şi arătos. Descrierea este urmată de un cablaj bine conceput şi uşor reproductibil, de lista componentelor.
WA2EBY din SUA a publicat versiunea sa în ARRL Handbook, denumit Kossor Amplifier combinând proiectul său cu un modul de filtru de armonici acţionat cu un comutator circular dublu. Cablajul celor două module se poate folosi cu succes. Valorile pieselor se pot stabili cu ajutorul proiectului descris de LY2HT. Probabil că descrierea completă apărută în ARRL se poate comanda contra cost prin pagina web www.hfprojects.com. Acolo se mai poate consulta un număr de şase fişiere PDF care prezintă etapele construirii unui amplificator cu VMosfet şi tehnica acordării curentului gate. Voi reveni la acest subiect cu o lucrare viitoare. Modelul lui este vândut împreună cu o sursă în comutaţie, dar care nu este reprezentat din punct de vedere schematic. Mai mult, cablajul postat pe Internet diferă substanţial de construcţia reprezentată. Probabil că circuitul oferit publicului este o versiune mai veche. El poate fi consultat la sfârşitul articolului despre proiectul Falara, apărut recent pe această pagina web.
Devenit celebru prin Proiectul Falara publicat în ARRL din iunie 2003, WA1GPO Jim Valdes uimeşte cititorii cu liniarul său care foloseşte două 2SC2312C, o sursă reglabilă de tensiune cu LM 317L, RF vox şi un filtru de armonici cuplat cu relee, comandat cu un yaxley simplu. Valorile bobinelor sunt identice cu cele prezentate de WA2EBY.(Vezi Valdez2.pdf)
Ashhar Farhan (www.phonestack.com/farhan/bitx.html) prezintă în cadrul proiectului său BITX, care acoperă un transceiver SSB bidirecţional, amplificatorul liniar compus dintr-un singur IRF 510 care debitează 6 W la o tensiune de 12 V, iar Gajjar Dinesh (VU2FD) descrie în pagina oficială a radioamatorilor din India un amplificator compus dintr-un singur IRF 840 (500 V), folosind o sursă de 50 şi de 100 V, rezultând cca 50, respectiv 80 W HF pe 7 Mhz.
K5OOR a realizat pentru proiectul său un alimentator în comutaţie combinat cu un convertor 12/28 V DC/DC pentru a amplifica semnalele unui microtransceiver destinat transmisiilor în aer liber, alimentat de la baterii de 12V. Ansamblul este deosebit de compact şi este prevăzut cu filtru de armonici pentru principalele benzi HF de radioamatori, comutarea se face cu un yaxley cu două circuite. Liniarul este acţionat printr-un circuit RF VOX, ceea ce înseamnă că filtrele de armonici împreună cu ansamblul liniarului sunt deconectate de pe traseul de recepţie, ele funcţionează doar când acesta este în emisie. Pentru o recepţie de bandă largă cu ajutorul lui FT 817 (0.5 - 470 Mhz) această construcţie se prezintă ca un avantaj, însă la alte receptoare mai simple, făcute de amatori ar fi totuşi util ca filtrele de armonici să fie tot timpul activate, astfel îmbunătăţindu-se dramatic randamentul şi selectivitatea receptorului.
WA2EBY prezintă un filtru de armonici uşor diferit de cel pregătit de K5OOR, şi anume comandat prin nu mai puţin de 10 relee, câte două pentru fiecare bandă, pentru a evita probleme ce pot apărea dacă nu dispunem de un comutator ecranat, cu disc, adecvat pentru RF. Ceea ce nu menţioneză în prezentarea sa este dacă releele folosite rezistă la 50 W RF, puterea maximă suportată de inelele de ferită.
DL6AST a experimentat şi realizat două modele de liniare, cu un singur Mosfet şi cu două, legate în paralel. Din descrierea sa rezultă că urmăreşte ideea lui WA2EBY, dar a completat montajul cu un ampermetru care indică puterea emisă. Cele trei diode Z au menirea de a proteja tranzistoarele de supracurent şi variaţiile excesive de tensiune, fixându-l la maxim 90 V.
Prezentare
Ideile proiectului de faţă au apărut în revista QST, rezultatul acestor experimente este acest amplificator de bandă largă cu parametri foarte buni, la care poate fi ataşat şi un filtru de armonici. Este destinat pentru a completa un transceiver QRP FT 817 care emite cu cel mult 5W. Puterea debitată a acestui amplificator depinde de tensiunea de lucru şi de banda de frecvenţă în care dorim să emitem, cum ar fi:
La 12 V puterea este de 5 - 8 W
La 13,8 V puterea este de 12 - 22 W
La 24 VCC, puterea este de 25 - 65 W, vârful se atinge la 10 Mhz.
La 28 VCC puterea este de 33 - 75 W, vârful se atinge la 10 Mhz.
Modul de funcţionare
Semnalul este introdus prin modulul atenuatorului, el trece filtrat de L3 spre T1 (1:1) defazor (180o) care îl acordează la impedanţa tranzistoarelor MOSFET, legate push pull. T2 colectează semnalele amplificate alternativ de cele două tranzistoare şi le transmite către T3. T3 acordează impedanţa construcţiei cu cea a antenei, la 50 de ohmi. Dioda Z de 5.1 V stabilizează tensiunea sursă - poartă împreună cu ajutorul rezistorului R11, care mai poate fi acordat cu ajutorul celor două trimere R1 şi R2. De aceste acorduri fine depinde funcţionarea corectă a tranzistoarelor Mosfet, şi implicit a liniarului prezentat. Tensiunea gate nu poate depăşi 1/3 de tensiune maximă admisă a tranzistorului IRF510 (100 V), adică cca 30 V, valoare dată la 25oC a elementului semiconductor, în timp ce pe durata transmisiei acesta se încălzeşte la cca 95oC, ceea ce implică reducerea tensiunii gate admisă cu mult sub valoarea de laborator.
Atenuatorul
este compus din R8, 9 şi 10. Acesta serveşte la protecţia amplificatorului liniar împotriva semnalelor excesive. Tabelul de mai jos exemplifică valorile RF şi ale rezistoarelor (2W Pdis)
Construcţia
Autorul a folosit atât piese obişnuite (inductivităţi, diode), cât şi SMD (condensatoare, rezistenţe). Cablajul imprimat este cel pentru HF, de tip insulă. Tranzistoarele se montează pe radiatoare mari folosind izolatoare de mică şi pastă de silicon pentru a produce un contact termic cât mai bun. Se poate monta şi un ventilator mic, folosit la răcirea microprocesoarelor PC ceea ce va micşora suprafaţa necesară de radiatoare pasive. Cablajul, în forma de document pdf se poate prelua de la descrierea proiectului Falara, apărută recent pe această pagină web.
Filtrul de armonici se montează pe placă, pentru una-două game de frecvenţă, iar cablul coaxial să fie de 50 Ω, impedanţa antenei şi amplificatorului. Filtrele se confecţionează folosind toruri de ferită (Amidon, Micrometals), de tip T 50-2 (roşu) sau -6 (galben), care are un coeficient termic superior, deci şi o stabilitate mai bună.
 Transformatorul T1 este făcut pe un miez FT50-43, are 10 spire bifilare din CuZ de 0.5 - 0.7 mm, înfăşurate la 270o. Acest material poate fi înlocuit cu orice inel care are AL de 400 - 600 - 1000 şi diametru de 10 - 14 mm.
Transformatorul T2 este făcut pe un miez FT50-43 format din două inele, are 10 spire bifilare din CuZ de 0.7 - 0.8 mm, înfăşurate la 270o. Acest material poate fi înlocuit cu orice inel care are AL de 400 - 600 - 1000 şi diametru de 10 - 14 mm.
Transformatorul T3 este confecţionat de preferinţă din material BN-43-3312, fiind un miez binocular de bandă largă, având semnul de culoare roz sau verde, cu o lăţime de cca 10 - 16 mm şi o lungime de 2 - 3 cm. Se poate înlocui cu orice alt material, de tip oală, sau cu două tuburi feromagnetice lipite în paralel, ori inele din material 43 alăturate şi lipite corespunzător să formeze două tuburi parelele care au AL de 400 - 600 - 1000.
Primarul are 2 spire, secundarul 3 spire din cablu coaxial de diametru mic, gen RG 174, ideal ar fi produsul Microdot D260-4118-0000.
Se folosesc de preferinţă conductori izolaţi cu teflon sau fluoroplast. Se fixează la cca 0.8 - 1,5 mm de cablaj.
Releul este unul miniatură, de 12 V, nepolarizat, sau cu polarizare adecvată, având o rezistenţă a bobinei de cca 1 K. Dacă amplificatorul va fi alimentat atât la 12 V, cât şi la 28 V, se va folosi un releu bitensional sau obligatoriu un stabilizator de tensiune de 15 V pentru a proteja releul de supratensiune. În schemă este reprezentat un circuit de acest fel. Dacă montajul este făcut corect, el foloseşte cca 100 mA fără modulaţie, iar cu modulaţie cca 1,5 A la 13.8V. Autorul, LY2HT, exploatează acest amplificator de multă vreme fără probleme, dar numai pe 80 m şi la o putere de maxim 35 - 40 W, deoarece inelele Amidon de mărimea 50 nu rezistă la puteri mai mari. Există posibilitatea de a folosi bobine cu miez de aer făcute din sârmă de CuZ de 1 - 2 mm grosime. Valorile bobinelor se pot afla din tabelele nomografice de specialitate, destinate radioamatorilor, sau se preiau datele filtrelor liniarelor cu tuburi de mare putere.
Cablajul imprimat poate fi confectionat urmand instructiunile din acest fisier.
Concluzie
Montajele cu un singur tranzistor sunt mai simple, debitează putere ceva mai mare, iar cele în push-pull sunt mai greu de confecţionat, dar par să aibă o fiabilitate superioară şi prezintă o liniaritate mai bună pe toate benzile de radioamatori, adică variaţiile puterii de emisie nu sunt atât de diferite la capetele benzilor.
Un liniar cu tuburi de aceeaşi putere pare mai simplu de făcut, însă tensiunea de lucru este de cca 20 de ori mai mare, dar şi pericolul de electrocutare prin arc electric ce se poate produce la tensiuni mari şi contacte defectuoase. Proiectele destinate radioamatorilor trebuie să fie atât uşor reproductibile, cât şi sigure în exploatare. În consecinţă, cei mai mulţi radioamatori premiază proiectele care au un grad ridicat de siguranţă, costuri foarte scăzute şi dau posibilitatea de a îmbunătăţi montajul făcut. Utilizatorii acestor amplificatoare le consideră unelte secundare pentru expediţii, pentru alimentare de la acumulatori auto, pentru trafic QRP sau le creează pentru dotarea unui QTH mai puţin costisitor.
Problemele ce pot apărea la confecţionarea acestor amplificatoare este procurarea de materiale 43 şi a inelelor Amidon. Adresa producătorului de miezuri binoculare 43: Amidon, Inc, 240 Briggs Ave, Costa Mesa, Ca 92626, USA. Tel. 1-800-898-1883, 714-850-4660, fax 714-850-1163. Este de menţionat că taxele poştale sunt destul de mari şi este puţin probabil că rentează dacă comandaţi una-două piese (3 - 5 dolari +TP). Dacă decideţi să cumpăraţi on-line, trebuie să aveţi un card bancar internaţional.
- Vakarcs Szilárd
-
Articol aparut la
8-11-2005
53513
Inapoi la inceputul articolului
|
