hamradioshop.ro
Articole > Echipamente si constructii radio Litere mici Litere medii Litere mari     Comentati acest articol    Tipariti

Amplificator final cu tranzistoare IRF510

Florin Cretu YO8CRZ

In cele ce urmeaza este prezentata versiunea realizata de mine pentru un amplificator cu tranzistoarele IRF510, pe care il folosesc cu succes de aproape 2 ani. Amplificatorul a fost construit pentru a fi folosit impreuna cu un transceiver compatibil SDR1000, insa informatiile prezentate pot fi utile si pentru alte aplicatii ale acestui final de emisie.

Folosirea tranzistoarelor IRF510 in finale de emisie pentru unde scurte nu este de data recenta, existand numeroase realizari practice, cu puteri de la 5W la 500W. Aceste tranzistoare au fost construite pentru aplicatii in comutatie si au un pret de cost foarte redus, in raport cu tranzistoarele special construite pentru aplicatii de RF. Dintre numeroasele finale cu tranzistoare IRF510 realizate de catre radioamatori, poate cel mai cunoscut exemplu il reprezinta amplificatorl realizat de WA2EBY- Mike Kossor si care a fost publicat in revistele QST 3-4 din 1999 si in toate ARRL Handbook care au urmat. Articolul este documentat, cu suficiente explicatii si detalii constructive. Componentele in kit, precum si placile de cablaj, ca si torurile de ferita Amidon, au putut fi procurate pentru un numar de ani de catre amatorii doritori de constructii. Constructia in sine este usoara si rezultatele sunt mai totdeauna bune, permitand obtinerea unei puteri de la 40W la 75W in benzile de unde scurte, cu o putere de excitatie de 1W.

Ce mai poate fi spus in plus la ceea ce a fost deja spus? Unii constructori s-au plans de instabilitatea amplificatorului si de faptul ca in situatia aparitiei unei autooscilatii, tranzistorii se ard, de obicei, instantaneu. Un alt dezavantaj il constituie variatia mare de amplificare in interiorul benzilor de unde scurte.

In cele ce urmeaza, voi incerca cateva explicatii si solutii posibile la aceste probleme, urmate de modul in care am realizat personal acest final de emisie. Am prezentat de asemenea si modul in care trebuie testat si reglat amplificatorul, pentru a fi adus la prametrii functionali acceptabili.

Problemele de stabilitate, mentioante de altfel si de Mike Kossor, au in principiu trei cauze:

1. Transistorul IRF510 are capacitati intrinseci ridicate, pentru ca acest tranzistor nu a fost conceput initial pentru aplicatii in inalta frecventa. In plus, drena este conectata la padul de racire, deci orice capacitate parazita care apare intre acest pad si radiator, este o capacitate in plus la iesire. In aplicatii practice, de multe ori insa, trebuie sa ne descurcam cu ceea ce avem (sau putem procura cu usurinta) si nu cu ceea ce ar fi ideal sa avem.

2. Tranzistorul IRF 510 are o amplificare considerabila in unde scurte, cca. 18-20 dB. In constructia lui WA2EBY, se foloseste un singur releu dublu, pentru a comuta intrarea si iesirea amplificatorului. Traseele cu semnalele de intrare si iesire sunt aduse la acelasi releu, care are capacitati destul de ridicate intre cele doua perechi de contcte. Metoda poate fi ok pentru un amplificator cu un castig de 10-12dB, cum este cazul unui amplificator cu trioda, insa in nici un caz nu este indicata cand amplificarea se apropie de 20dB. Capacitatile parazite intre perechile de contacte la un releu miniatura, pot depasi uneori 2-3pF, valoare suficienta pentru a crea probleme in multe aplicatii. De mentionat ca, amplificatorul are inca un castig pozitiv la frecventa de 150MHz!

3. Pentru simplitate, nu a fost implementata nici un tip de reactie negativa. Utilizarea reactiei negative este o metoda standard, prin care amplificarea poate fi liniarizata in frecventa si stabilitatea imbunatatita.

In shema initiala, s-a incercat imbunatatirea stabilitatii prin reducerea amplificarii (un atenuator de 3-7dB plasat la intrare). Metoda asigura indiscutabil o imbunatatire a stabilitatii si poate fi, de asemenea, utila in situatia in care puterea de excitatie depaseste cca. 1W. In plus, asigura o impedanta de intrare mai aproape de 50 ohmi. Sa nu uitam ca fiecare dB de atenuare duce la imbunatatirea pierderilor de reflexie RL cu dublul acestei valori (puterea reflectata este atenuata inca odata de atenuator).

O alta metoda incercata de Mike Kossor, a fost reducerea impedantei in circuitul de polarizare a grilei. Metoda are insa o eficacitate relativ redusa in cazul dat, si in plus, afecteaza valoarea impedantei de intrare.

Datorita faptului ca acesti tranzistori nu au fost conceputi pentru aplicatii in amplificarea de RF, valoarea mare, in special a capacitatii de intrare, creaza unele probleme in mentinerea unei impedante constante pe intreaga banda HF. Una din consecintele acestei dezadaptari, o reprezinta variatia destul de mare a amplificarii in banda. O alta consecinta o reprezinta fortarea excitatorului sa lucreze cu o impedanta non-optimala pe unele frecvente, ceea ce poate duce la probleme de liniaritate, in special daca excitatorul este "impins" la limita.

In continuare, voi descrie solutia pe care am folosit-o in amplificatorul construit de mine. Acest amplificator este folosit intr-un transceiver SDR1000 si, din acest motiv, unele dintre solutiile constructive folosite, sunt impuse de acest transceiver.

Problemele de stabilitate amplificatorul prezentat au fost complet evitate folosind relee separate pentru comutarea intrarii si iesirii amplificatorului, folosirii unei impedante constante in circuitele de polarizare a grilelor, precum si un circuit de reactie negativa, care asigura si liniarizarea raspunsului in frecventa.

Din punct de vedere constructiv, sunt folosite doua subansamble: amplificatorul final si placa de filtre. Placile de cablaj au 11x7cm pentru amplificator si 18x10.5cm pentru placa cu filtrele trece jos. Ambele placi folosesc atat componente SMD, cat si componente cu terminale. Filtrele sunt comutate cu ajutorul unor relee, asa incat schimbarea benzilor este efectuata in mod automat de transceiverul SDR. Releele folosite, atat pe placa de filtre, cat si pe final, sunt de tip Axicom V23079A1003B301, relee miniatura capabile sa suporte 5A pe contact si cu capacitati parazite reduse.

Pe placa cu filtre se afla logica de control pentru relee, precum si un reflectometru clasic, folosit pentru masurarea puterii directe si reflectate. Reflectometrul foloseste un trafo pe tor de ferita in asa numita punte Bruene. Informatia furnizata de reflectometru este aplicata unui convertor de 8 biti, cu doua canale. Convertorul A/D furnizeaza informatia calculatorului PC, pe care ruleaza programul PowerSDR, prin intermediul portului paralel. Puterea directa sau reflectata este afisata de PowerSDR, pe un instrument ce emuleaza un intrument analogic. De mentionat ca, PowerSDR implementeaza un mecanism de protectie la SWR mare, protejand finalul in situatia unor probleme cauzate de antena sau de o adaptare defectuoasa. PowerSDR implementeaza, de asemenea, un circuit ALC in software, pe baza informatiei furnizate de convertorul A/D. Exista mai mule opinii pro sau contra despre utilitatea unui asemenea sistem. ALC-ul asigura o metoda simpla pentru mentinerea unei puteri de iesire constante in banda HF. Aceasta este foarte utila, in special in situatia cand amplificarea lantului de emisie variaza puternic cu frecventa. In plus, se asigura limitarea puterii de emisie la valori care nu sunt periculoase pentru final si nu duc amplificatorul intr-o zona de operare neliniara (cu distorsiuni). ALC-ul insa, daca nu este corect realizat (constante de timp, amplificare in bucla) poate fi o sursa majora de splatter-e.

Amplificatorul realizat cu tranzistoare IRF510 pune o serie de probleme si in ceea ce priveste racirea. Datorita rezistentei termice ridicate (3.5°C/W) jonctiune-capsula, exista riscul depasirii temperaturii limita, daca nu se iau masuri adecvate de racire. La valoarea de mai sus, nu a fost inclusa rezistenta termica suplimentara introdusa de folia de mica izolatoare, care se introduce intre tranzistor si radiator, precum si vaselina siliconica. Functie de grosimea foliei de mica, se mai adauga deci, inca o rezistenta termica de cca. 0.3°C/W.

Temperatura maxima a jonctiunii este de 150°C. In cursul testelor facute de mine, a rezultat ca puterea disipata per tranzistor poate depasi 25W! Aceasta inseamna ca, se poate admite o temperatura maxima a capsulei de 150-25x(3.5+0.3)=55°C. Orice depasire a acestei temperaturi duce la reducerea fiabilitatii sau chiar distrugerea tranzistorului!!!

Eliminarea excesului de caldura se face cu ajutorul unui radiator, a carui suprafata trebuie sa fie suficient de mare pentru a permite racirea eficienta, respectiv prevenirea depasirii temperaturii de 55°C a capsulei tranzistorului, in conditiile cele mai defavorabile ale temperaturii ambiante. Ca temperatura maxima ambianta in conditii de amator, se poate folosi 40°C. Considerentele de mai sus sunt valabile pentru functionare in regim continuu, de durata, gen PSK31 sau RTTY, cerintele fiind evident mult mai relaxate la functionarea in CW sau SSB.

Pentru a putea folosi un radiator cu dimensiuni reduse, e necesar sa sa recurga la racirea cu aer fortat. Solutia folosita de mine pentru racire, foloseste un radiator cu ventilator, folosit pentru racirea procesoarelor de la calculatoarele PC. Ideea mi-a venit dupa o discutie pe care am avut-o cu Mihai, YO8CCP, si care realizase pentru o aplicatie industriala o rezistenta de sarcina variabila, folosind ca element de racire un astfel de radiator pentru procesoare PC. Mihai a reusit sa disipe pana la 250W cu un radiator ventilat de P4 standard, asa incat am considerat firesc sa folosesc si pentru amplificatorul meu de putere aceeasi idee pentru disiparea caldurii.

In ultimii 7-8 ani, au fost facute progrese majore in realizarea de radiatoare foarte eficiente si cu dimensiuni reduse, pentru PC-uri. Un alt parametru important, este nivelul de zgomot acustic generat de ventilator. Si aici au fost facute progrese importante, pentru ca un calculator care face un zgomot mare, este un calculator care oboseste utilizatorul. Evident, un nivel de zgomot acustic redus este util si pentru radioamatori, pentru obtinerea unui raport semnal/zgomot decent la emisie atunci cand se lucreaza cu un nivel de compresie ridicat (min 20dB, preferabil peste 30dB). Exista astazi o gama larga de radiatoare pentru procesoarele PC. Functie de tipul procesorului folosit, puterea disipata este in domeniul 65-150W (peste 220W pentru un procesor care lucreaza cu overclocking). In consecinta, exista o gama larga de radiatoare disponibile, dintre care unele se preteaza perfect pentru un final de emisie. Personal, am reciclat un radiator de PIII care avea un TDP (Thermal Design Power) de cca. 80W. Acesta asigura o racire eficienta, iar nivelul de zgomot acustic generat este abia perceptibil de la 1m distanta.

Zgomtul acustic insa nu este singura problema a ventilatoarelor. Am avut probleme cu zgomotul electric produs de circuitul de comutatie interna a lui si a trebuit sa folosesc un filtru LC pe circuitul lui de alimentare.

Distorsiunile armonice si de intermodulatie

Exista mai multe tipuri de distorsiuni care afecteaza amplificatoarele de putere, insa cele care sunt relevante pentru un final ce lucreaza cu semnale SSB, sunt distorsiunile armonice si cele de intermodulatie.

Nivelul distorsiunilor armonice este reglementat prin legislatia in vigoare, asa incat trebuie luate masurile de rigoare pentru limitarea armonicilor generate. Pentru un final push-pull, armonicele pare sunt atenuate de catre structura echilibrata, de multe ori doar o filtrare sumara fiind suficienta. Armonicile impare insa (3, 5, 7, etc.), necesita, de obicei, o filtrare de cel putin 30-40 dB, pentru a se indeplini cerintele legale (FCC cere -43dBc sub 30Mhz si -60dBc peste 30MHz)!

Distorsiunile de intermodulatie la un amplificator de putere, reprezinta o problema mai serioasa decat cele armonice, pentru ca sunt imposibil de eliminat prin filtrare. Cele mai problematice sunt, de obicei, distorsiunile de intermodulatie de ordinul 3 si 5 (IM3 si IM5). Pentru testare, se injecteaza doua tonuri cu frecventa apropiata (Δf≈1KHz).

Exista doua metode de masurare a intermodulatiilor pentru amplificatoare de putere:

1. Pentru echipamente profesionale, masurarea nivelului intermodulatiilor se face in raport cu unul din cele doua tonuri. Altfel spus, diferenta relativa dintre un ton si produsul de intermodulatie in dB este nivelul intermodulatiei. Limita acceptata este, de obicei, de 30dB pentru intermodulatii de ordinul 3.

2. Pentru echipamente de radioamatori sau echipamente comerciale ieftine, se aplica un criteriu mult mai relaxat. Intermodulatiile sunt masurate nu in raport cu unul dintre cele doua tonuri, ci cu puterea de varf a celor doua tonuri cumulate, PEP. Puterea de varf este egala cu de 4 ori puterea unui ton, deci cu 6 dB mai mult decat puterea unui ton.

Ca regula generala, un prefinal de emisie trebuie sa fie cat mai "curat " cu putinta, pentru a nu afecta cu intermodulatiile proprii nivelul celor cauzate de etajul final. In practica, prefinalul trebuie sa asigure distorsiuni de intermodulatie mai mici cu cca. 5-6dB decat finalul, pentru a evita efectul cumulativ. Este motivul pentru care, unele transceivere High-End pentru amatori, permit trecerea finalului de emisie in clasa A, pentru a reduce distorsiunile atunci cand se foloseste un amplificator extern de putere mare.

Daca consideram ca intermodulatiile de ordinul 3 sunt de obicei cele mai problematice, panta acestora este de 1/3. Deci, la cresterea puterii cu 1dB, intermodulatiile cresc cu 3dB. In realiate insa, exista intermodulatii semnificative de ordinul 5, 7 sau chiar mai mare, si acestea sunt specificate pentru echipamentele profesionale, insa rareori si pentru cele de amatori. Cu cat aceste intermodulatii sunt mai ridicate, cu atat banda ocupata de o emisiune SSB sau PSK se intinde pe un spectru mai mare de frecventa. Chiar daca unii radioamatori considera ca, in special in concursuri, este util sa ai "splattere", pentru a tine la distanta potentialii concurenti interferatori, metoda in sine este nu numai ilegala, dar si detestabila ca maniera in sine. Evident, problemele cauzate de splattere sunt cu atat mai grave, cu cat puterea folosita este mai mare. De mentionat ca, efectele intermodulatiilor nu se limiteaza doar la distorsiuni care cad in afara, ci si in interiorul benzii ocupate. Rezultatul este o modulatie aspra, cu inteligibilitate mai redusa si cu aspect de compresie excesiva. Iata in continuare o exemplificare a modului in care distorsiunile afecteaza canalul alaturat asa cum se poate vedea pe panadapterul de la PowerSDR, pentru doua semnale receptionate pe banda de 14MHz.


Semnal SSB cu distorsiuni de intermodulatie reduse

Semnal cu distorsiuni de intermodulatie ridicate
(se observa modul in care canalul alaturat este afectat!).

De remarcat ca se poate observa si in ce masura spectrul audio al corespondentului este corect echilibrat, deoarece prezenta excesiva a frecventelor joase in modulatie pune probleme de inteligibilitate la receptie.

Iata de ce este foarte important ca, atunci cand se construieste un final de emisie de putere mare, sa se ia in considerare in modul cel mai serios cu putinta nivelul distorsiunilor create. Exista tendinta de a mari nivelul de excitatie, pana cand puterea de iesire a finalului nu mai creste. Metoda este incorecta, pentru ca finalul este impins in acest fel spre limita de saturatie.

In realitate, cu mult inainte de a se atinge saturarea finalului, distorsiunile de intermodulatie devin inacceptabile! Iata de ce este foarte utila o verificare a nivelului distorsiunilor pe semnal, chiar si numai pentru a afla care sunt limitele amplificatorului pe care il folosim.

Pentru verificarea nivelului de distorsiuni, se poate folosi fie metoda injectarii a doua tonuri, fie urmarirea directa a modulatiei vocale. Probabil cea mai simpla (dar nu si cea mai ieftina!) metoda de masurare a nivelului distorsiunilor pe semnalul de emisie, o reprezinta asa numitele analizoare de modulatie. Am vazut in trecut cateva, produse de Heatkith sau Kenwood, insa raspandirea lor in YO este extrem de redusa. Un osciloscop poate fi folosit cu succes, cel putin in faza initiala de testare. Acestea sunt mai raspandite, si multi radioamatori au acces la un asemenea instrument. Evident, mai simplu este cand avem acces la un analizor de spectru. Masurarea intermodulatiilor in acest caz, se poate face direct si fara dubii de interpretare. Mai nou, o data cu apartia receptoarelor din clasa SDR, se poate folosi chiar si un Softrock pentru a masura cu precizie rezonabila nivelul de intermodulatii, pentru ca in esenta panadapterul este, in fapt, un analizor de spectru FFT de mare viteza.

Reglarea curentului de pauza se face pentru a plasa finalul in clasa de functionare AB. De remarcat ca nivelul curentului de polarizare afecteaza nivelul intermodulatiilor IM3, ca si ponderea celor de ordin 5, 7 sau mai mare. Este posibil ca, pentru anumiti curenti de pauza, sa se obtina un nivel identic al IM3 si IM5! In articolul de referinta din ARRL Handbook scris de Mike Kossor, nivelul curentului de pauza per tranzistor este de 10mA. Cred ca autorul a stabilit acest curent pentru a obtine maxim de randament, respectiv maxim de putere, insa nu si maxim de liniaritate! Pentru o liniaritate acceptabila, a trebuit sa cresc acest curent la cca. 100mA/tranzistor. De mentionat faptul ca, un curent de pauza mai ridicat nu pune probleme suplimentare de incalzire a tranzistoarelor, deoarece in timpul receptiei polarizarea grilelor este adusa la zero. In aceste conditii, am obtinut o putere de aproximativ 40-45W, cu respectarea cerintelor de liniaritate. Pe unele benzi, este posibil sa se obtina o putere ceva mai mare, avand in vedere ca IM3 este inca redus. In cazul meu, excitatorul realizat cu amplificatorul operational dublu OPA2674, nu asigura insa puterea necesara pentru atingerea limitelor acestui final!

Folsirea osciloscopului pentru masurarea distorsiunilor

Osciloscopul este un instrumet extrem de util pentru verificarea si reglarea unui transceiver sau final de emisie. Chiar daca nu este posibila masurarea distorsiunilor cu mare precizie, pentru multe aplicatii amatoricesti este suficient de bun. In continuare sunt prezentate cateva metode pentru verificarea atenuarii purtatorii, rejectiei lateralei nedorite sau estimarii nevelului de intermodulatii de ordinul 3.

Rejectia purtatorii sau a lateralei nedorite. Se injecteaza pentru aceasta un semnal de 1KHz la intrarea de microfon a transceiverului. Nivelul semnalului injectat este ales in asa fel, incat sa se obtina puterea nominala la iesire, insa tensiunea ALC sa ramana zero. Pe osciloscop se observa o situatie ca in figura de mai jos.

Daca perioada riplului este identica cu perioada tonului modulator (daca tonul este 1KHz, perioada riplului este 1ms), atunci avem de-a face cu un riplu cauzat de rejectia insuficienta a purtatorii. Daca perioada riplului este ? din cea a semnalului modulator, atunci riplul este cauzat de atenuarea insuficienta a lateralei nedorite.

Masurarea distorsiunilor de intermodulatie. Se folosesc doua tonuri cu diferenta de cca. 1KHz. Atunci cand se transmit doua tonuri, se poate determina nivelul intermodulatiilor, folosind riplul care apare pe anvelopa. In acest caz (daca preponderent este IM3), se poate calcula nivelul intermodulatiilor cu formula:

Masurarea intermodulatiilor cu ajutorul osciloscopului nu asigura o precizie foarte ridicata, insa, in conditii de amator, poate fi mai mult decat acceptabila. Frecventa celor doua tonuri nu este critica, insa este important ca acestea sa nu fie in relatie armonica si, in plus, ambele trebuie sa cada in banda audio transmisa.

Pentru testare am folosit intensiv facilitatile de testare integrate in PowerSDR. Programul a fost conceput de la inceput cu aceasta functionalitate, care da posibilitatea efectuarii unor reglaje cu acuratete maxima si, in plus, lasa experimentatorului posibilitatea sa testeze diverse tipuri de modulatie sau sa faca o baleiere a intregului spectru de frevente transmise, pentru a vedea liniaritatea in amplitudine.

Metoda de test cu doua tonuri este folosita ca principala metoda de test pentru amplificatoarele SSB, pentru ca este simpla si usor de aplicat. Din pacate insa, folosind ca tonuri de test doar frecventele de 700, respectiv 1900Hz, nu testam insa si modul in care raspunde sursa de alimentare la frecvente mai joase (raspunsul la variatii instantanee de sarcina). In general in SSB, banda de frecventa este limitata in jos la 200Hz (cu exceptia celor care folosesc ESSB si deschid spectrul pana la 40-50Hz...). De remarcat ca, PowerSDR permite reglarea independenta a frecventei celor doua tonuri, functie de necesitati.

Un test bitonal cu frecvente foarte joase este util in multe situatii pentru a determina daca sursa de alimentare se comporta corect. O sursa cu filtraj insuficient sau cu timpi de raspuns defectuosi, duce la cresterea considerabila a intermodulatiilor amplificatoarele de putere. O verificare simpla cu un osciloscop a sursei de alimentare, atunci cand se transmit tonuri de joasa frecventa, poate fi edificatoare. Pentru testarea emitatoarelor folosite pentru transmisii de date, se prefera folosirea unui test cu semnale multiple cu frecvente aleatoare. Acestea au specificatii riguroase, atat pentru intermodulatiile de ordinul 3 cat si pentru cele de ordinul 5 sau chiar ordinul 7.

Revenind la amplificatorul prezentat, daca pe sursa de 28V riplul de tensiune cand se transmite bitonal este mai mare de 0.5Vvv, inseamna ca filtrajul trebuie imbunatatit sau sursa de alimentare trebuie schimbata! Randamentul obtinut este intre 44% pentru benzile de 1.8MHz si 28MHz si 58% in banda 14MHz.

Iata in continuare rezultatul testelor facute cu un osciloscop:


Riplu cauzat de reziduul de purtatoare.
Semnalul transmis a fost cu un singur ton

Riplu cauzat de intermodulatia de ordinul 3.
Se observa ca baza de timp a fost shimbata. Modulatie bitonala.

Iata si o corespondenta intre imaginea de pe osciloscop a semnalului bitonal si imaginea vazuta pe un analizor de spectru:


Se observa aparitia usoara a distorsiunilor pe anvelopa. Acest nivel de distorsiune este inca acceptabil. Modulatie bitonala.

Iata si imaginea corespondenta pe un analizor de spectru. Diferenta relativa intre unul din tonuri si IM3 este de 27dB. Daca se foloseste raportarea la PEP, atunci IM3 este de -33dB


Finalul cu IRF510.
Dimensiunea placii de cablaj este de 11x7cm.


Filtrele trece jos, logica de comutare si reflectometrul.
Dimensiunea cablajului este de 18x10.5cm

Reglare si verificare

Masurarea si reglarea unui amplificator de putere necesita luarea catorva masuri de precautie elementare:
1. Reglarea amplificatorului se face numai pe o sarcina artificiala.
2. Rezistenta de sarcina de putere folosita trebuie sa fie neinductiva si sa fie constanta pe o gama larga de temperatura. Folosirea becurilor in acest scop este total neindicata, pentru ca, inafara de faptul ca rezistenta unui bec veriaza foarte mult cu puterea aplicata, datorita efectului pelicular, impedanta acestuia creste mult odata cu cresterea frecventei.
3. Sursa de alimentare folosita trebuie sa fie bine filtrata si sa asigure protectie la scurtcircuit. Este important sa se poata asigura monitorizarea curentului, in timpul reglajelor.

Pentru verificare si reglare am folosit o rezistenta de sarcina de putere, neinductiva. Intre iesirea amplificatorului si rezistenta de sarcina a fost inseriat un cuplor directional. Cuplorul directional este de constructie proprie si permite masurarea puterii directe si reflectate. Este realizat cu toruri de ferita cu dimensiune suficient de mare pentru a suporta un nivel de putere adecvat masuratorilor efectuate.

Cerintele acestui cuplor directional sunt:

  • Buna liniaritate in frecventa pana la 50MHz
  • Directivitate de cel putin 30dB
  • Atenuare de insertie de maxim 0.15dB

    Cuplorul directional este folosit in acest caz doar pentru a preleva o parte din puterea debitata pe sarcina, pentru ca semnalul sa poata fi apoi vizualizat cu ajutorul unui osciloscop sau al unui analizor de spectru. De mentionat ca, intrumentele de masura aplicate la iesirea cuplorului au practic o influenta nula asupra amplificatorului. Exista sarcini de putere ce ofera o priza de semnal atenuat, insa acestea sunt de obicei de uz profesional si sunt mai rar intalnite in practica radioamatoriceasca. Folosirea cuplorului directional este de altfel si metoda de masura preferata in laboratoarele specializate.

    In plus, se poate vedea foarte usor daca sarcina este cu adevarat constanta pe intrega gama de putere. Cuplorul folosit de mine asigura atenuarea cu 34dB a undei directe si asigura o directivitate tipica de 40dB. Daca e ncesar sa se lucreze cu putere foarte mare, atunci se poate inseria intre cuplor si osciloscop/analizor un atenuator suplimentar de valoare cunoscuta. Daca pe post de analizor de spectru se foloseste un receptor SDR, in acest caz este necesara atenuarea suplimentara a semnalului cu inca 30-40dB. Intre cuplorul directional si iesirea amplificatorului de putere se poate inseria un Watt-metru (de incredere!) pentru masurarea puterii. Este foarte util ca, in cadrul testelor, sa se determine care sunt limitele de utilizare ale amplificatorului pe fiecare banda in parte. Daca se foloseste un transceiver SDR, este simplu sa se seteze puterea maxima utilizata pe fiecare banda in parte.

    Iata in continuare si doua imagini din "preistorie", care arata amplificatorul cu KT931A si placa cu filtrele trece jos, realizat de mine in 1988, a carei schema a fost publicata in revista Radiocomunicatii si Radioamatorism nr. 6/99. Rezultatele obtinute cu acest amplificator au fost foarte bune, folosind dupa cum se observa componente uzuale la timpul respectiv (poate mai putin tranzistorii…). De mentionat ca, in versiunea initiala, am folosit KT930B, ulterior KT931A. Am ars 3 perechi de tranzistori finali in acest amplificator in 10 ani de utilizare (doua chiar la inceput, in timpul testelor initiale cu putere maxima (cca.150W !!!) si una in timp ce eram in emisie si s-a produs o descarcare electrica atmosferica in vecinatate).

    Pe placa cu filtre se poate observa folosirea inductantelor pe aer, pentru ca nu am avut suficiente toruri la aceea vreme cu punct de saturare mare. Se remarca si pozitionarea bobinelor la 90 grade pentru a minimiza degradarea performantelor filtrelor prin cuplajul parazit.

    Cateva elemente de comparatie intre finalul cu IRF510 si cel cu KT931A (cele doua constructii au fost realizate la o distanta in timp de 20 de ani!): In afara de nivelul de putere, care este mai redus (si asta nu cred ca este in nici un caz o involutie, hi, hi...), se remarca dimensiunile considerabil mai mici ale finalului cu IRF510. Lungimea radiatorului pentru finalul cu KT931A este de 30x12cm. Puterea obtinuta cu acest final in regim de siguranta maxima, este de cca. 80W pentru o excitatie de 50mW. La acest nivel de putere a fost capabil sa supravietuiasca la accidente cu sarcina in gol sau in scurt, ori avand la iesire comutat un filtru pe alta frecventa decat frecventa de operare, fara a avea nici un fel de circuite de protectie.

    Incheiere

    30-40W poate nu pare suficient pentru unii radioamatori. Unii ar putea incadra acest nivel de putere la categoria QRP (hi,hi…), insa realitatea este ca aceasta reprezinta doar 4dB sub puterea obtinuta de un tranceiver standard de 100W. Acesta diferenta de putere este observabila in CW, insa in SSB depinde mult de tipul de procesare vocala folosita. Din experienta proprie, am constatat ca multi corespondenti nu au simtit diferente notabile in SSB intre un SDR cu 40W si un TS480 cu 100W, procesorul vocal fiind net superior in SDR. Ce se poate lucra cu 40W? Cunoastem cu totii zicalele care circula pe tema lucrului cu putere redusa, poate cea mai populara fiind: "Viata e prea scurta pentru QRP". Chiar daca nu se poate nega faptul ca puterea mare ajuta in special cand propagarea e proasta sau in pailapuri mari, in afara de putere, mai trebuie insa si altceva pentru a obtine un minim de performanta, calitatea antenei fiind de departe cea mai importanta.

    Si totusi, ce se poate lucra cu un final de 40W in zilele de azi? Sunt unii la care puterea consumata doar de filamentele finalilor este mai mare de 40W, hi, hi...

    O privire aruncata in logul personal arata 110 tari lucrate in decurs de 1 an, operand sporadic (<2 ore pe saptamana), de cele mai multe ori cu cei 40W, intr-un an de minim solar. E mult, e putin, ramane sa judece fiecare.

    Iata o mostra din zona Pacificului a ce se poate lucra cu 40W si o antena directiva compacta, folosind SSB, PSK31, RTTY sau CW.

    In ceea ce ma priveste, ma declar multumit de modul in care functioneaza acest amplificator, avand in vedere costul redus al tranzistoarelor si functionalitatea obtinuta. Daca ar fi sa schimb ceva, poate ca as incerca sa folosesc tranzistoare gen RD16HHF1, produse de Mitsubishi. Este un tranzistor special conceput pentru aplicatii in unde scurte si are capacitati interne mult mai mici decat IRF 510. Tranzistorul foloseste aceeasi capsula ca si IRF510, insa are o rezistenta termica mult mai mica. In plus, padul pentru radiator este conectat la sursa si nu la drena, ceea ce permite montarea directa pe radiatorul conectat la masa, fara folia de mica izolatoare. Acest tip de tranzistor are si avantajul ca poate lucra eficient cu tensiunea de alimentare de 12V. Puterea obtinuta este insa ceva mai mica (cca. 20-25W). Costul este de cca. 5 ori mai mare si, din pacate, e mai putin raspandit ca IRF510, in consecinta fiind ceva mai greu de procurat. Acest tranzistor este folosit in multe finale QRP, disponibile in forma de kit.

    Schemele finalului si a placii cu filtre trece jos nu au fost prezentate, pentru ca rezolutia normala a unei pagini web nu permite o buna vizualizare. In masura in care prezinta interes, este disponibil la cerere un addendum la acest articol in format pdf, ce contine comentarii si detalii constructive suplimentare, schemele, un numar mai mare de imagini ale finalului tranzistorizat, ale transceiverului SDR realizat de mine, precum si mai multe masuratori ale distorsiunilor de intermodulatie. Caracteristica de selectivitate a filtrelor, valorile simulate precum si cele obtinute practic, datele constructive ale bobinelor ca si fisierele Gerber ce contin cablajele, sunt de asemenea disponibile la cerere, prin email adresat autorului.

    Timpul necesar pentru realizarea finalului? Partea cea mai laborioasa a fost proiectarea si executia cablajelor si care mi-a luat cca. doua zile. Realizarea bobinelor, plantarea placilor, precum si reglajul au mai necesitat inca 6-7 ore de munca. Timpul necesar simularilor, masuratorilor extensive ca si validarii performantelor nu a fost inclus in estimarea anterioara, insa in mod cert a depasit timpul necesar constructiei propriu-zise.

    Constructia in sine este simpla, iar varianta prezentata, chiar daca a fost conceputa pentru a fi utilizata cu un transceiver SDR, poate fi usor adaptata si la un transceiver clasic. Rezultatele sunt mai mult decat acceptabile si ofera constructorului satisfactia deosebita a utilizarii unui echipament la care si-a adus nu doar simpla contributie financiara, ci si propria contributie tehnica.

    Florin Cretu YO8CRZ

    Articol aparut la 23-7-2009

    23647

    Inapoi la inceputul articolului
  • Comentarii (12)  

  • Postat de Augustin - YO7LJJ la 2009-07-23 09:29:49 (ora Romaniei)
  • Interesant! Citirea articolului, in speta subiectul SDR, mi-a reamintit placerea de a mesteri cate ceva in timpul liber. Cu prima pornire in acest sens sper sa nu va suparati daca va solicit prin email. 73''

  • Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2009-07-23 11:46:13 (ora Romaniei)
  • Articol scris asa cum trebuie. Ma bucur ca autorul nu a fugit de aspectele dificile ale proiectului home-made, facand excelente comentarii despre aspectele pozitive si negative a hotararii de a folosi elemente neliniare in aplicatii care cer liniaritate. Analiza tehnica a aplicatiei si a metodologiei de masura, detaliile mai mult decat binevenite si lipsite de superficialitatea deseori intalnita in domeniu, fac ca acest articol sa se numere printre cele mai bune articole tehnice aparute in Radioamator.ro .
    Este inviorator faptul ca se abordeaza problematica distorsiunilor de neliniaritate a semnalelor emise, mult mai intens si tehnic decat s-a facut in trecut in literatura tehnica si/sau postarile in lb.romana. O singura fraza m-a contrariat putin, cea care se referea la compresii de minimum 20dB , preferabil peste 30dB. E suficient sa pui un analizor de spectru sa monitorizeze un semnal dublu ton a carui compresie variaza intre 10-35dB (inclusiv excelentele procesoare RF din unele transceivere Kenwood), ca entuziasmul sa se modereze destul de drastic. Consider ca 10dB de compresie este compromisul maximal care poate fi abordat la majoritatea hotaratoare a transceiverelor populare din ultimii 15-20 de ani. Evident, pentru cei care tin cu pedanterie la curatenia spectrala a semnalului emis in eter.
    Felicitari Florin si sper sa mai transpiri si pentru alte articole tehnice de acelasi nivel.
    73 de Morel, 4X1AD

  • Postat de Tibi - YO5OFT la 2009-07-23 16:50:22 (ora Romaniei)
  • Oare cu ce se pot inlocui IRF510? Nu am gasit nicaieri !!!

  • Postat de Florin Cretu - YO8CRZ la 2009-07-24 07:50:22 (ora Romaniei)
  • Morel, multumsc pentru aprecieri. E rezultatul experientei practice...hi,hi.. Referitor la compresia de 20-30dB, am recitit acum acel paragraf si constat ca exprimarea mea a fost confuza. De fapt nu e vorba de 20-30dB de compresie ci de un raport semnal/zgomot-acustic, la emisie. Era in contextul cu zgomotul acustic produs de ventilatoare (turbine) si care devine cu atat mai evident cu cat nivelul de compresie e mai mare. Nu cu multa vreme in urma auzisem pe cineva in banda care la varfuri de modulatie ajungea la S9+15 iar in pauza, zgomotul ventilatorului era la S9… Perfect de acord cu nivelul compresiei de 10dB, pentru rezultate decente. Cam atat este recomandat si pentru un compresor de dinamica clasic, ceea ce arata implementarea defectuasa (economica ?) a procesorului vocal, chiar si atunci cand este facuta in DSP, in cele mai multe din transceiverele japoneze pentru radioamatori. Prin anii ’80 am facut numeroase teste cu clippere de RF si am constatat ca modulatia ramane inca acceptabila si la 20dB compresie, cu conditia sa nu existe zgomot ambiant (ventilator, ecou…). Rezultate apropiate am obtinut si cu un procesor analogic care facea redresarea semnalului, logaritmarea, descompunerea in partea modulata in frecventa si anvelopa, filtrarea anvelopei, urmata de delogaritmare si reconstituirea polaritatii cu un multiplicator in patru cadrane. Foarte frumoasa teoria, insa complexitatea l-a trecut la categoria: exotice… Astazi toate lucrurile astea se pot implementa cu usurinta in DSP. 73 de Florin

  • Postat de Florin Cretu - YO8CRZ la 2009-07-24 08:07:41 (ora Romaniei)
  • Tibi- YO5OFT, Sunt multe firme in tara care vand IRF510. Tocmai m-am uitat la ConexElectronic pe site si este in stoc. 1.9RON/buc. Succes! Florin

  • Postat de George - YO9HSW la 2009-07-24 09:14:44 (ora Romaniei)
  • Ar fi bine sa si puteti vedea tranzistorii inainte de cumparare. Multe componente sunt replici care nu prea au legatura cu firma inscrisa pe capsula. Am luat IRF510 din trei surse de pe piata interna si toate erau "fake".

  • Postat de Tudor - YO3HBN la 2009-07-24 20:54:42 (ora Romaniei)
  • Am si eu un qro de acest tip, am parlit cu el 3 perechi de finali. Merge numai pe antena buna, si in conditii ideale (fara chiciura etc). Ca sa-l fac mai stabil am modificat impedantza de pe intrari, obtinand rezultate - dar peste 7 Mmz puterea scade accentuat, in 14 are 10W.
    Peste cativa ani, cu o noua generatie de semiconductori la pretz convenabil, voi mai incerca. Altfel, e o prezentare completa, pertinenta si onesta a problemelor asociate acestui gen de QRO.

  • Postat de Florin Cretu - YO8CRZ la 2009-07-25 08:13:11 (ora Romaniei)
  • Tudor, ceea ce spui nu face decat sa confirme problemele de stabilitate deja cunoscute ale schemei lui Mike Kossor. Exista insa solutii simple pentru a rezolva problema stabilitatii, de asta am scris articolul. Variatia puternica a castigului in banda pe care ai remarcat-o, se poate datora atat feritelor utilizate cat si capacitatilor suplimentare introduse de cablaj. Exista un condensator in paralel cu trafo de iesire, a carui valoare se poate ajusta intre anumite limite pentru a obtine maxim de amplificare la 10-14MHz. Este foarte important sa fie un condensator de calitate (am folosit mica). Nu am facut probe sistematice pentru a verifica stabilitatea amplificatorului cu diverse sarcini de iesire (asa numitul test « Load Pull », util si pentru verificarea impedantei de iesire optime). Dar am facut o proba la scurt si una la gol cu cca 20W output si a supravietuit fara probleme. Antenele pe care le folosesc eu au SWR < 2 si nu folosesc un cuplor de antena. Ca fapt divers, nu am ars nici un tranzistor in amplificatorul prezentat, ceea ce inseamna ca masurile luate pentru imbunatatirea stabilitatii sunt efective. Este adevarat ca pe piata se gasesc tranzistoare de proveniente uneori dubioase si asta poate fi o problema. Am folosit atat tranzistorii IRF510 produsi de International Rectifier (Digikey) cat si (din curiozitate) o pereche de tranzistoare achizitionata cu 10 ani in urma de la firma Alfa si Omega din Iasi. In acest ultim caz pe tranzistor scrie doar IRF510, nici un logo al fabricantului. Cu tranzistorii « no name » am obtinut o amplificare ceva mai mare, caracteristica amplitudine-frecventa a avut un aspect putin diferit, insa nici acestia nu au oscilat. Evident e greu de spus daca vor merge toti, la cate contrafaceri exista, insa la pretul la care se gasesc, arderea a trei perechi nu cred ca e o catastrofa. Si inca ceva, nici un amplificator nu se testeaza de la inceput cu puterea maxima si fara o sursa protejata. 73 !

  • Postat de Marian - YO3FHX la 2009-07-31 23:02:00 (ora Romaniei)
  • Foarte interesant articolul!De curand am achizitionat niste toruri Amidon si as vrea sa incerc realizarea PA cu IRF 510,de aceea va rog trimiteti-mi si mie schemele (documentatia).Cu multumiri Marian.73!

  • Postat de Gheorghian Romeo - YO8CAN la 2009-08-02 07:19:35 (ora Romaniei)
  • Foarte binevenit articol si ca de obicei, excelent prezentat. Si pe mine ma preocupa realizarea unui etaj final QRO care sa poata functiona si portabil, folosind componente ieftine, deoarece cu tranzisteoare special construite in acest scop care costa mai multe zeci sau pana la o suta de $ pe bucata exista foarte multe scheme si note de aplicatii devenite "standard" inca de la inceputul deceniului '70, echipand, in diverse variante, practic toate transceiverele industriale moderne. A realiza ceva similar ca functionalitate dar cu componente de zeci de ori mai ieftine este intr-adevar o "provocare" pentru un radioamator constructor, care va trebui sa gaseasca solutii tehnice deosebite de cele clasice, pentru a putea face sa lucreze in acest regim tranzistoare care nu au fost dezvoltate in acest scop si se comporta "dificil". Pe de alta parte, trebuie remarcat faptul ca etajul final, la constructiile industriale sau similare, este uneori cea mai costisitoare parte din rig dar si cea mai expusa la defectiuni: regim greu de lucru (electric si termic), sensibilitate la dezadaptari cu sarcina sau descarcari electrice atmosferice care pot periclita, chiar in pofida unor circuite de protectie, validitatea unor tranzistoare care valoreaza semnificativ din costul aparatului.
    In anul trecut am realizat niste experimente pentru punerea la punct a unei scheme de P.A. "low cost", incercand folosirea tranzistoarelor bipolare mai accesibile de putere cu Ft ridicat (2N6341, 2SA1141) cat si cu cu tranzistoare MOSFET din familia IRF. In final am optat pentru IRF510 din cauza castigului in putere mult mai ridicat fatza de cele bipolare (care se comporta in schimb mult mai liniar si mai stabil), lovindu-ma in schimb de problemele foarte bine descrise si in acest articol. Am mai incercat o crestere a castigului la frecvente ridicate, prin inserierea cu portile a cate unei inductante care, cu capacitatea de intrare a portii sa rezoneze in 29MHz, cu rezultate insa foarte modeste (inductanta a rezultat atat de mica incat Q-ul circuitului a fost foarte slab), dar aceasta inductanta, suntata rezistiv cu R de cateva sute de ohmi, inseriata cu fiecare poarta poate avea un efect favorabil pentru stabilitate, constituind un "soc RF" pentru suprimarea unor tendinte de autooscilatii in VHF (cum se practica odinioara la etajele finale cu tuburi, in serie cu grila 1, un RFC//100 ohmi).
    De asemenea am mai incercat circuitul de reactie ca in schema driverului cu IRF510 de la schema P.A. de la SDR1000.
    As dori date mai detaliate despre circuitul de reactie experimentat pentru uniformizarea castigului in frecvente, precum si date despre puterea obtinuta in fiecare banda, cu acest circuit. Daca este posibil mi-ar fi binevenita si o schema completa si alte detalii constructive. Adresa mea de e-mail este : yo8can@yahoo.com
    Cu multumiri, Romi, YO8CAN

  • Postat de Stefan - YO4RIH (yo4rih) la 2009-08-14 18:39:24 (ora Romaniei)
  • Am urmarit cu mult interes tot ce s-a scris pe acest site despre aceste amplificatoare cu IRF-510 si am vazut si adresele mentionate , dar cred ca daca a-ti putea dr. Florin sa ne indicati si o adresa unde sa vedem adaptarile aduse dvs. fata de schea initiala .Multumesc pentru atentie.73

  • Postat de Dan Mihai - (neradioamator) la 2011-06-02 21:06:41 (ora Romaniei)
  • Daca doriti sa facem cercetari si sa discutam privind amplificatoarele rf dati un mesaj la acest mail.

    Scrieti un mic comentariu la acest articol!  

    Opinia dumneavoastra va aparea dupa postare sub articolul "Amplificator final cu tranzistoare IRF510"
    Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse.
    Comentariu *
     
    Trebuie sa va autentificati pentru a putea adauga un comentariu.


    Opiniile exprimate în articole pe acest site aparţin autorilor şi nu reflectă neapărat punctul de vedere al redacţiei.

    Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
    Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Despre Radioamator.ro | Contact