Erste Veröffentlichung und Vorstellung einer wassergekühlten Hochleistungsendstufe mit 1.5 kW für den Bereich 1.8 MHz bis 54 MHz von Klaus (DL3KP) und seinem Sohn Christian (DO3CBP)

Wir sind ein 2017 gegründetes kleines Startup Unternehmen im Raum Gießen und beschäftigen uns
vorwiegend mit HF-Technik im Amateurfunk, wie HF-PAs und SDR.
Wir führten umfangreiche Marktanalysen im Bereich Leistungsendstufen durch und fanden eine
signifikante Lücke zwischen featurelosen Pallets und kommerziellen Endstufen wie Expert, KPA1500,
PG-XL, etc., welche bekanntermaßen in einem sehr hohen Preissegment angesiedelt sind.
 
Wir entwickelten dann ein wassergekühltes Monster-Pallet in Combinertechnik, siehe QRZ.com à DL3KP.
Diese Endstufe war zu groß, zu schwer und zu teuer, der Wirkungsgrad war auch nicht gut, bzw. entsprach
nicht unseren Anforderungen und Erwartungen. Wir entschlossen uns dann ein für den Markt adäquates Pallet mit vielen sinnvollen integrierten Features zu entwickeln.
 
Das Prototypenstadium wurde erfolgreich abgeschlossen und wir bereiten nun die Serienfertigung vor.
 
Das ist die erste Veröffentlichung unseres Projektes!
 
Wir planen auch einen 2-teiligen Artikel in der CQ-DL, um ein noch breiteres Publikum anzusprechen und sind
mächtig stolz auf unsere sehr gelungene Entwicklung von Funkamateuren für Funkamateure.
Die faire Gestaltung der Verkaufspreise für das schmale FA Budget sprechen da wohl für sich. Die nicht unerheblichen
Entwicklungskosten wurden aus Eigenmitteln finanziert.
 
Das Team besteht aus 2 Entwicklern mit entsprechendem professionellem Background, also „vom Fach“, hi.
Um die Namen und Rufzeichen nicht zu vergessen, wir sind Klaus (DL3KP) und mein Sohn Christian (DO3CBP), welcher
auch ein professioneller und erfahrener Schaltungs- und Layoutentwickler ist.
Wir sind eher selten auf den Bändern zu hören, da wir unsere Zeit meist lötkolbenschwingend oder vor dem Bildschirm verbringen. 😊
 
Für Fragen o.Ä. stehen wir gerne zur Verfügung. Vielen Dank und bleib gesund!
 
73
Christian und Klaus

 

Vorstellung einer wassergekühlten Hochleistungsendstufe mit 1.5 kW
Ausgangsleistung für den Bereich 1.8 MHz bis 54 MHz
 

Im Folgenden möchten wir Dir und der CQ-NRW Gemeinde das Ergebnis der aktuellen Entwicklung präsentieren:

Wir haben diverse LDMOS Transistoren evaluiert und getestet und haben uns für den latest and greatest Ampleon ART2K0FE entschieden, welcher durch herausragende Eigenschaften und 65V Technik glänzt. Der MRFX1K80NR5 in 65V Technik ist ebenfalls sehr gut, aber deutlich teurer.

Das Konzept mit 2 LDMOS und damit die Verteilung der Ströme und Verlustleistung macht nur Sinn bei 1:16 Transformern in aufwendiger TLT Technik, siehe KPA1500, PG-XL, etc. Ein einzelner LDMOS ist da überfordert.

Zwei parallelgeschaltete LDMOS im Push-Pull Betrieb erfordern ein Matched-Pair und 2x Bias, welche im Nulldurchgang zu nichtlinearen Verzerrungen führen (IMD3), das kam für uns nicht infrage.

Unser Konzept basiert auf einem leise luftgekühlten 1:9 Ausgangstrafo mit einem LDMOS und ist damit wesentlich einfacher, deutlich robuster und sehr preiswert. Einzige Challenge war die Bandbreite bis 54 MHz mit gutem Output von 1.35 kW bei 6m zu realisieren.

2 kW Output sind bandabhängig auch erreichbar, bei einer Versorgungsspannung von 62V.

Der Transistor wird mit einem Aluprofil auf die Kupferplatte geclampt. Nur so ist ein gleichmäßiger Andruck über die gesamte Fläche möglich. Diese Praxis hat bei uns in Kombination mit „Liquid Metal“ als Wärmeleitmaterial die besten Ergebnisse erzielt was sowohl den Wärmekontakt als auch den elektrischen Kontakt von Source nach Masse betrifft.

Die vierlagige Leiterplatte mit 4x 70um Kupferauflage sorgt auch für eine sehr gute Stromtragfähigkeit und Wärmeableitung.

Auf dem Board mit den Abmessungen 230mm x 100mm x 50mm sind folgende Anschlüsse vorhanden:

  • 4x SMA Buchsen für 2x Input mit max. 4W und 100W, Output und Pre-Distortion
  • 2x SMA Buchsen für die Einschleifung eines LPF
  • 2x Cinch für PTT und ALC
  • 1x XT60 Buchse für die 50V – 62V Spannungsversorgung
  • 3x Molex Stecker für den Anschluss von 2 temperaturgeregelten, PWM Lüftern und Wasserpumpe
  • 2-polige Schraubklemme 12V / 4A max., um z.B. QRP Transceiver, SDR, etc. zu versorgen.
  • 10-poliger Pfostenstecker für die Bereitstellung von diversen Messwerten. Dazu ist ein PA-Controller mit Display geplant, auf dem alle Betriebszustände dargestellt und überwacht werden.
  • 3-poliger Pfostenstecker für den Anschluss eines Power-/SWR Meters, z.B. für WaveNode oder ein analoges Kreuzzeiger Instrument, oder auch diverser LCD Power-/SWR Meter ist möglich, wenn die Ausgangsspannungen von 0-12V (logarithmisch) passen.

Auf dem Board sind folgende Komponenten integriert:

  • TX/RX Switching mit schnellen standfesten Relais
  • Eine aufwendige temperaturkompensierte BIAS Erzeugung mit störfestem niederohmigen Ausgang nach einer Ampleon Applikation, welche für unseren Zweck optimiert wurde
  • Temperaturgeregelte PWM Lüftersteuerung mit bis zu 3 Ausgängen
  • Hochintegrierter low EMI 12V 8A Schaltregler
  • Statisch einstellbare ALC Negativspannung zur Vermeidung der leider immer noch produzierten Power Overshoots zu Beginn der Aussendung diverser auch moderner Transceiver, welche im Millisekunden Bereich die Gates zerstören können. Damit wird die max. Ausgangsleistung des Transceivers festgelegt, was auch eine Übersteuerung der Endstufe vermeidet. TVS-Dioden sorgen für zusätzlichen Schutz vor Überspannung.
  • Weitere notwendige Schutzschaltungen wurden in analoger sehr reaktionsschneller Technik realisiert. Das übliche Konzept einer Mikrocontroller gesteuerten Schutzschaltung erschien uns als ungeeignet, da die Latenzzeit zu groß ist und eine Zerstörung des LDMOS oftmals nicht verhindern kann. Diese unzureichende Reaktionszeit dürfte nur wenigen Funkamateuren bekannt sein.
    Nach einer Abschaltung kann die Endstufe via Taster oder Controller reaktiviert werden.
  • Rote LEDs zeigen den jeweiligen Fehlerfall an, grüne die Anwesenheit der Spannungen.
  • Die Schutzschaltungen beinhalten die Abschaltung bei Überstrom, zu hoher Ausgangsleistung, und high SWR. Die Grenzen sind mittels Potis voreingestellt, z.B. > 35A, > 2kW und > 1:3 SWR.

Eine Temperatur von > 75 °C schaltet den PTT mittels Bimetall-Schalter ab und gibt den Betrieb ab
40 °C wieder automatisch frei.

Diesen Betriebszustand haben wir bislang mit unserer Wasserkühlung nicht erreichen können, hi.

Die Wasserkühlung erlaubt einen Dauerstrichbetrieb bei max. Ausgangsleistung, welcher von keiner auf dem Markt erhältlichen Endstufe nur im Ansatz erreicht werden kann, da die Luftkühlung es einfach nicht hergibt. Ein Full-Power Key-Down über 5 Minuten und länger lässt die Endstufe relativ kalt, und ist nach 2-3 Minuten wieder heruntergekühlt. Zu berücksichtigen ist eine Eigenschaft des LDMOS, welcher bei kleiner Ausgangsleistung (z.B. 500W) einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad hat, und damit eine erheblich höhere Verlustleistung produziert, welche dann schnell abgeführt werden muss. Das ist der ultimative Test, welcher die Grenzen der Luftkühlung aufzeigt, und eigentlich immer verschwiegen wird. Unsere Wasserkühlung wird auch damit spielend fertig, eine Case-Temperatur des LDMOS von 100 Grad wurde auch in diesem Betrieb nicht überschritten.

Die Stunde der Wahrheit kommt bei hartem Contestbetrieb mit digitalen Betriebsarten wie FT8, oder auch AM- und FM-Betrieb. Die kommerziellen Endstufen schalten dann wegen Überhitzung ab. Dazu kommt ein sehr lauter Lüfterbetrieb, welcher durchaus Staubsaugerlevel erreicht, hi.

Eine wartungsfreie All-In-One Wasserkühlung als fix und fertig integrierte Lösung ist in der Evaluierungsphase und sollte bei einem Serieneinsatz alle Vorbehalte gegenüber einer Wasserkühlung hinsichtlich Aufwand wie Radiator-, und Pumpenmontage, Verschlauchung, Befüllung und Entlüftung ausräumen.

Weitere Informationen wie z.B. umfangreiche Messungen der Ausgangsleistung über die gesamte Bandbreite von 1.8 MHz bis 54 MHz, sowie IMD3 können im angehängten Datasheet eingesehen werden.

Wir haben das EATON Schaltnetzteil Typ APR48 3G für den Einsatz validiert und eine Modifikation mit einstellbarer Versorgungsspannung von 54V bis 63V eingebaut (Poti). Dieses Netzteil passt optimal zu unserer Endstufe und schaltet bei > 38A zuverlässig ab.

Ein Huawei R4850G2 Schaltnetzteil ist in der Evaluierungsphase.

Weiterhin haben wir den Betrieb mit einem für E-Bikes verfügbaren Lithium-Ion Akku-Pack getestet und das S039-3 von Unit Pack Power mit 52V und 13 Ah qualifiziert. Damit eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten für Portable- und Mobil-Betrieb inklusive QRP-Transceiver Versorgung. Praktischerweise kann man an dem im Akkupack integrierten USB-Port ein Smartphone oder andere 5V Geräte aufladen.

Die Akkupacks können bei einschlägigen Händlern erworben werden, die gibt es nicht bei uns.

Sicher erwartet der Leser auch die Bekanntgabe des Verkaufspreises.

Der Einführungspreis unserer ezPower MAX LDMOS-PA inkl. der integrierten Wasserkühlung beträgt 1.680 €, jetzt noch ohne die gesetzliche 19% MwSt.

Ab einem gewissen Umsatz müssen wir die 19% draufschlagen, was den Abgabepreis auf 1990 € erhöht.

Somit wären die ersten 15-20 LDMOS-PAs in 2021 die Stückzahlgrenze für den knapp 300 € niedrigeren Preis.

Die EATON Netzteile können für je 300 € geordert werden. Der Aufwand der Modifikationen ist sehr hoch, da das Netzteil vernietet ist und kein zugänglicher Programmierstecker existiert.

Hardwaremods, Reprogrammierung, Lüftermod und ein Testlauf müssen von uns vorgenommen werden.

Vorbestellungen können ab jetzt per E-Mail (c.proch@pa-pallet.com) und ab Montag, den 15.02.2021 auch auf unserer Webpage

www.pa-pallet.com entgegengenommen werden.


Update 16.02.2021- Electrical Specifications  Vorstellung ezPower MAX LDMOS PA

ezPOWER-MAX
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DJ1YR,René
DJ1YR,René
Gast
1 Monat zuvor

Hallo,

wenn ich mir das hier so durchlese, wirkt das wenig „Professionell“ (warum man das auch unbedingt sein will, keine Ahnung).
Eine Casetemp von 100°C ist schon kritisch, da die Alterung dann exponentiell zu nimmt, selbst 80°C kommen in diesen Bereich. (Tj-Temp liegt weit höher)
Und sorry, die Lösung ist das Geld definitiv nicht Wert, 4Layer braucht es nicht, hier wurde einfach alles auf eine Platine gepresst, keine „Innovation“,lt. Bild einen 9:1 Ausgangtrafo, gut für max. 1KW, dann läuft der LDMOS in die Fehlanpassung bei 50V Vd.
Eure Webseite bedarf es unbedingt einer Fertigstellung, keine Info´s, keine richtigen Messungen usw. dafür zahlt euch keiner 1700€ für ein PA Modul.

Zuletzt bearbeitet 1 Monat zuvor von DJ1YR,René
René
René
Gast
1 Monat zuvor

Hallo,

ganz nettes Projekt, für was werden die 4Layer benötigt?
Sind die 1680€ only Pallet? Hier Schreibt ihr von PA?

DL5RW Ralf
Gast
2 Monate zuvor

Hallo, ich hab mir das auch mal angesehen. In der ersten Euphorie wollte ich schon bestellen. Nach genauemen hinsehen aber muß ich sagen, das warum auch immer kein LPF enthalten ist, kein Netzteil enthalten ist (kostet extra 300€), kein Gehäuse, etc.. Das heißt, für knapp 2000€ bekomm ich ein 1,5KW/2KW Pallet ohne was darum.
Da warte ich aber mal noch ein gutes Stück ab bevor ich da einsteige. 73 Ralf

Alexander Kade
Alexander Kade
Gast
2 Monate zuvor

Hallo Jörg,
danke für den Artikel. Die Messdaten sind leider unzulänglich. Hier wird nicht darauf eingegangen bei welcher Leistung der IMD3 gemessen wurde. Zudem kann ich keinen Hinweis darauf finden, warum bei der Messung kein LPF verwendet wurde, wie es üblich ist.
Gerade die Angabe „Band Everage“ IMD3 macht stutzig.
73 Alex DL1KD

Christian Proch
Antwort an  Alexander Kade
2 Monate zuvor

Hallo Alexander,

vielen Dank für den Hinweis.

Der IMD3 wurde bei 1 kW Two-Tone gemessen, Datenblatt wird korrigiert.

Ein LPF gehört nicht zum Lieferumfang, deshalb wurde auch ohne gemessen.

Die IMD3-Messung (Intermodulations-Abstand 3. Ordnung) ist nicht zu verwechseln mit der Messung der harmonischen Oberwellen.

IMD3 „Average of all Bands“ ist der durchschnittliche IMD3 über alle Bänder.

Für weitere Fragen stehen wir gerne zur Verfügung.

73 Christian, DO3CBP

Zuletzt bearbeitet 2 Monate zuvor von Christian Proch
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