Konzeptstudie von Fred DL2NK, 7 MHz Monoband-PA mit Lipo-Power und 1 kWPEP

1   KWPEP – Linear

Telefoniebetrieb

  • mobil
  • portabel
  • stationär

Technische Daten

●       Frequenz7 MHz
●       Ausgangsleistung linear1 kWPEP
●       Sättigungsleistung1,15 kWPEP
●       Eingangsleistung12 WPEP
●       IMD-35 dB
●       Oberwellen-50 dB
●       Stromversorgung48 VDC   4x12V RC-Lipos 100 Wh intern
●       Mobil/Portabel10 bis 48 V DC extern
●       Stationär230 V AC extern
●       Leistungsaufnahme30 W
●       Gewicht PA-Modul1,3 kg
●       Gewicht Lipo-Modul1,1 kg

Komponenten

  • Das Konzept besteht aus 4 Komponenten
  • PA Modul 1kWPEP
  • Lipo-Powerpack 48V 100Wh
  • DC–Wandler 10 bis 48V 30W Mobil/Portabel
  • AC–Laptopnetzteil 230VAC / 48VDC 30W Stationär

Aufbau der Komponenten

Materialkosten der Module

Folgende Materialkosten fielen bei meinen ersten zwei Mustern an:

PA-Modul  komplett ca. 50 Euro
Lipo-Powerpack ca. 40 Euro
DC-Wandler 10 bis 48V ca.  5 Euro
AC-Netzteil 48V ca. 10 Euro
Endstufen-Power FET SIHP10N40D  (1Euro)
RC-Lipo-Akku 3S  2200mAh 30C  (66A max.)
DC-Wandler TE636  DC-DC Boost Step-up Constant Current Mobile Power Supply
AC Laptopnetzteil EADP-48EB-B
Lüfter 24V 2W EEC0252B3

Messergebnisse

Kennlinie @ 1,15kWPEP Sättigung            Kennlinie @ 1kWPEP Linear

●     Oberwellen @ 1kWPEP ●       IMD @ 1kWPEP

Verwendete  Messmittel

  • USB Netzwerkanalysator DG8SAQ
  • USB 2-Kanal Speicher Scope SDS-200
  • USB Spektrumanalysator Signal-Hound
  • Hüllkurvendetektoren zur Kennlinienmessung im XY-Plot

Hinweis

  • Ein Netzwerkanalysator ist erforderlich, um den Resonanztrafo genau auf reelle Drain-Last einzustellen.

Energiekonzept

  • Die PA ist speziell für extrem energiesparenden Betrieb an Modellflug-Lipo-Akkus konzipiert.
  • Die Akkus dienen als preiswerte Hochstromquellen.
  • Der Leistungsbedarf für Telefoniebetrieb errechnet sich wie folgt:
  • Leistungsmittelwert der unkomprimierten Sprache ist -13dBPEP
  • 50% Sendebetrieb -3dB            Kurze Funkpausen     -1dB
  • Summe demnach -17dBPEP
  • Die mittlere Ausgangsleistung ist demnach 20W @ 1kW
  • Die entsprechende mittlere Eingangsleistung liegt dann bei ca. 30W.
  • Im Ladungserhaltungsbetrieb benötigt man also 30W für die Lipos.
  • Die Erhaltungsenergie liefert ein Stepup-Wandler aus 10 bis 48V DC-Quellen.
  • 12V KFZ oder 19V Solarmodul oder 37V E-Bike-Akku usw…
  • Oder ein 230V AC 48V DC 
  • CW-Dauerstrich dagegen würde den Energie- und Kühlbedarf um den Faktor 20 steigern (13dB) !!

Kühlkonzept

  • Entsprechend der vorherigen Rechnung ergibt sich, dass das Kühlkonzept lediglich für eine Verlustleistung bei Telefonie von <30W ausgelegt werden muß !!
  • Voraussetzung für die geringe mittlere Aufnahmeleistung und die geringe Verlustleistung ist ein extrem kleiner Ruhestrom-Leistungsbedarf der FETs. Sonst wäre der Akkubetrieb nicht sinnvoll möglich.
  • Der Ruhestrombedarf liegt bei insgesamt 0,5A und wird weiter reduziert, indem er in den Sprechlücken automatisch um 90% reduziert wird.
  • LDMOS-FETs benötigen für Linearbetrieb den 5-fachen Ruhestrom und wären damit ungeeignet.

Schaltungskonzept

  • Das Schaltungskonzept unterscheidet sich von den Standardkonzepten dadurch, dass kein Breitband-Ferrit-Ausgangsübertrager, sondern ein gekoppelter Luftspulen-Resonanztrafo verwendet wird.
  • Der Oberwellenabstand am Ausgang des Resonanztrafos beträgt ca. 25dB, damit kann ein einfaches PI-Glied einen Wert von >45dB erreichen.
  • Auf einen Empfangsbypass wurde verzichtet, weil die PA im RX-Modus eine Rückwärtsdämpfung von ca. 10dB hat. Eine RX-Vordämpfung von 25dB ist auf dem 40m Band ohne S/N-Verlust zulässig.
  • Die Lipo Akkus werden im Ladeerhaltungsmodus betrieben.
  • Dabei wird eine Ladeendspannung von 48V oder 4V pro Zelle aus Sicherheitsgründen nicht überschritten. Es hat sich über etliche Monate Betrieb gezeigt, daß die Zellenspannungen dabei nicht driften.
  • Eine Unterspannungs-Abschaltung bei <40V verhindert Tiefentladung der Lipo-Akkus.

Der Endstufen Bias wird dabei abgeschaltet.

Schaltungskonzept

  • Die Power-FETs kamen aufgrund einer Ugs-Lieferstreubreite von +-100mV mit einer gemeinsamen Biaseinstellung aus.
  • Wenn jeder FET separat eingestellt werden müßte, wäre das ganze Konzept rel. uninteressant.
  • Schutzschaltungen sind nicht Bestandteil dieser Arbeit.
  • Die Strom- und Spannungsreserven der FETs sind sehr hoch, deshalb wurde auf Schutzschaltungen vorerst verzichtet.
  • Die Sicherung ist so ausgelegt, dass sie bei Telefoniebetrieb noch nicht anspricht.
  • Die PTT-SE-Umschaltung erfolgt über die Koaxleitung zum TRX.
  • Ausgewertet wird der TRX-Zustand *RX = hochohmig* und *TX = niederohmig*.
  • Leistungsüberschwinger des TRX können die FETs zerstören und sind zu vermeiden.
  • Das Schaltbild besteht aus folgenden 4 Teilen:
  • Verstärker
  • Bias-Automatik
  • SE-Umschaltung
  • Unterspannungs-Abschaltung

Schaltbild  1kW 7 MHz Monoband PA

Abschließende Hinweise

  • Trotz des einfachen Designs der Monoband-PA werden für den erfolgreichen Nachbau einige Erfahrungen auf dem Gebiet der Messtechnik vorausgesetzt.
  • Das hängt wesentlich mit dem unkonventionellen, selektiven Verstärkerkonzept zusammen.
  • Das Konzept bietet dafür etliche Vorteile gegenüber konventionellen Breitbandkonzepten.
  • Hohe Modul-Leistung
  • Hohe Verstärkung
  • Prinzipiell kein Diplexer im Oberwellenfilter erforderlich
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Hohe Linearität bis zu 90% der Sättigungsleistung
  • Ber Umgang mit Lipo-Akkus erfordert die strikte Beachtung der physikalischen Eigenschaften, sowie die Einhaltung der Herstellerangaben und deren Sicherheitshinweise.
  • Eine Haftung, für die Funktion der gezeigten Schaltbilder und für Folgeschäden jeglicher Art durch Nachbauten und deren Verwendung, ist ausgeschlossen.

Hier noch einige Bilder zum Portabelbetrieb.

– Monoband PA mit:
– QRP Mini 40 II
– Atlas210
– PV-Modul zum Puffern der PA Lipo Akkus
– PV-Modul zu Laden vom Fahrradakku als Rangeextender mit MPPT Laderegler


Impressum

Friedemann Kombrink
Copyright: DL2NK nur private, keine kommerzielle Nutzung
In articles/publications/discussions please refer to the original design of DL2NK.
Eine Haftung, für die Funktion der gezeigten Schaltbilder und für Folgeschäden jeglicher Art durch Nachbauten und deren Verwendung, ist ausgeschlossen.
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