Eine neue PA für den Charly25 TRX zur HAM Radio 2022

Hallo OM’s,

für alle diejenigen die zur HAM Radio kommen – wir bringen mal wieder etwas HW mit.

Neu ist ein 250W PA Modul für unsere Charly Geräte.
Der Plan ist es, dieses Modul als Basis für gegenwärtige und zukünftige Geräte zu nutzen und zwar in verschiedenen Konstellationen:

– 1 oder 2 PA’s in einem Gehäuse der gegenwärtigen Charly TRX größe, also mit entweder 250W oder 500W out
– evtl. auch 4 Module in einem größeren Gehäuse für 1KW out
– mit lüfterlosem integriertem 1,2KW Hochleistungsnetzteil (zugelassen für die Medizintechnik – natürlich 2x bei Einsatz für 4 Module)
– für einen zukünftigen größeren Charly TRX im 19″ Format mit integrierter PA

Nun wäre ein 250W PA Modul normalerweise nicht der Rede wert, es gibt Mengen davon mit Traum-(Fantasie) Angaben von 600W und 1,2KW. zum Spottpreis im Internet…
Wir haben uns allerdings Mühe gegeben und in Abweichung der allgegenwärtigen Kopien des ehemaligen EB104 Designs von Motorola eine verbesserte Schaltung entwickelt.
(unter Anderem durch den Einsatz hochwertigerer VHF tauglicher Ferrit Kerne, Elimination der üblichen Speisedrossel, TL gerechtem Aufbau und damit Minimierung von Streuinduktivitäten – dies ermöglicht uns den kompletten Verzicht auf Kompensations C’s )

Zielsetzung war es
– den Frequenzbereich zu erweitern – erreicht haben wir 600m bis 4m
– einen gutern Frequenzgang zu erzielen – Messdaten: 160m bis 4 m mit 19,5dB +/-1dB – 600m mit 22dB Verstärkung
– ein robustes Design zu entwerfen – daher 250W mit 2 x 300W tauglichen Transistoren und bei guten IMD Werten (die Sättigungsleistung liegt bei >400W das wären dann die Angaben fürs Werbeblatt im Internet…. hi)
– reduzierte SWR Empfindlichkeit durch Übernahme des Überstrom Schutzschaltungskonzeptes aus unserem Charly TRX mit 20W PA ( bei der 250W PA kommt allerdings ein Hallsensor für +/-20A zum Einsatz und kein High Side Mosfet Schalter wie in der 20W PA)
– die PA erst dann abzuschalten wenn der Transistorstrom zu hoch wird – Abschaltung bei 15A – typischer Betriebsstrom max. 13A bei 50V
– kleine Bauform – 100mm x 160mm
– extrem symmetrisches Design mit aussergewöhnlich guter Unterdrückung der 2. Harmonischen – diese liegt im Bereich -50dBc (dies vereinfacht den Aufau der TP Filter)
– einfache Kühlmöglichkeit durch Einsatz eines 100mmx160mmx10mm Kupfer Heat Spreaders
– möglichst geringe Eigneerwärmung und Reduzierung der Verluste bei hohen Frequenzen (wird möglich durch VHF taugliche Ferrite)

Dieses Modul enhält keine Tiefpassfilter weil diese ein Zusammenschalten mehrerer Module behindern würden.

Wir planen ein eigenes TP-Filter Design dass dann auch den erweiterten Frequenzbereich (also 600m und 4m) mit abdeckt, ob das bis zur HAM Radio noch fertig wird steht noch nicht fest.
Und natürlich planen wir auch passende Splitter und Combiner zu entwerfen.

Hier ein paar Bild des gegenwärtigen Test Boards:

Und last but not least kann dieses Modul natürlich auch in beliebigen anderen Transceiver Designs zum Einsatz kommen – mit den benötigten 2W am Eingang ist es zu allen gängigen 5W QRP Geräten kompatibel.
Passende TP Filter finden sich auch kostengünstig im Internet (natrürlich ohne Erweiterung für 600m und 4m)

Soweit ein kleiner update und dann bis zur Ham Radio.

73,Edwin – DC9OE

Hier noch ein Messbeispiel bei etwas mehr als 200W PEP:

-214_167.jpg
Hier die Ergänzung auf 160m.Betriebspannung 50V/Ruhestrom 1A ich habe bisher keine Versuche zur Optimierung des Ruhestroms unternommen.
Output 2x -47,73dBm = 236W PEP, input ca. 1 Watt.

-214_171.jpg

Hallo Jörg,

danke für Dein Interesse an unserem neuen kleinen Projekt.

Ich mach jetzt schon sehr lange an dem Thema rum (dürften schon mindestens 3 Jahre sein) weil ich mit den bestehenden (im Internet mit Traum-/Fantasiedaten angebotenen) Designs nicht so happy bin.

Sie basieren alle mehr oder weniger auf der Vorarbeit von Motorola mit dem EB104 Board (70er oder 80er Jahre des letzten Jahrhunderts und damit ca. 50Jahre alt…).

Das bringt ein paar Beschränkungen mit sich die mir für unser Projekt nicht gefallen haben und deshalb habe ich im Verlaufe der Zeit größere Berge an Ferrit Material und Trafo Konzepten auf ihre Tauglichkeit hin getestet.

Ziel war es einen möglichst simplen Aufbau mit größerer Breitbandigkeit zu kombinieren und dabei flexibel in der Auslegung der Ausgangsleistung zu sein.

(Messdaten anbei, Verstärkung im Kleinsignal Bereich ist abhängig vom Ruhestrom – ca. 20dB bei 1A )

Das ist glaube ich gelungen:

– Frequenzgang 1,8MHz bis 70MHz  – Verstärkung +20dB (abhängig vom Ruhestrom) +/-1dB, bei 600m/472KHz 22dB

– zuverlässiger Betrieb bei 36V,42V,50V

– Zugehöriger Output (-1dB) 195W, 263W,360W

– Ansteuerleistung für >200W ist <2W

– gute IMD Werte von ca. -36dBc bei >200W

(Beispiel für 160m anbei – 236W PEP auf 1,9MHz, ich habe 160m als Beispiel gewählt um zu zeigen dass dies mit dem 61er Material funktioniert)

Besonderheiten:

– wir Nutzen 61er Material anstatt der üblichen Rollenkerne, das führt zu handwarmen Trafos selbst bei voller Ausgangsleistung

– das ermöglicht auch den erweiterten Frequenzbereich bis 4m, trotzdem erreicht der Trafo mit >80uHy Induktivität auch das 600m Band am unteren Ende (Frequenzgrenze ist 383KHz)

– Konsequentes Transmission Line Design ohne die übliche Twisted Pair Speisedrossel bringt ein paar technische Vorteile

                – keine Kompensation der Trafos notwendig also keine C’s an den Drains oder an den Trafos

                – gute Symmetrie der Schaltung führt zu extrem hoher Unterdrückung der 2. Harmonischen (>50dB – Beispiel anbei)  

– Schutz der PA – wir verzichten auf die übliche Abregelung bei SWR > 1,5 und messen stattdessen den Strom durch den Transistor, dieses Konzept hat sich in unserer 20W PA bewährt

– wie bei unserer 20W PA wird es dadurch möglich auch bei schlechteren SWR’s zu senden u.U. ist lediglich die Leistung zurückzunehmen damit der Überstrom Schutz nicht auslöst

                – Betriebsstrom ist <13A bei Vollausteuerung, die PA schaltet bei >15A ab

                – Die Abschaltung ist temperaturabhängig gestaltet – wird die PA zu heiß schaltet sie zu einem früheren Zeitpunkt ab, d.h. der Funkbetrieb muss nicht unterbrochen werden sondern kann mit reduzierter Leistung fortgeführt werden (z.B. 150W statt 250W), wichtig vielleicht im Notfunkbetrieb

                – Die Gates der Mosfets erhalten Zenerdioden zum Schutz

                – auf dem Board ist ein 20W/-3dB Dämpfungsglied vorgesehen, so dass die PA bei Einsatz des Charly TRX mit seinen max 20W nicht zerstört werden kann

Interessant ist der Wirkungsgrad Verlauf der PA, dieser wird bei den meisten Designs zu den oberen Bändern hin schlechter (durch das verwendet Ferrit Material) . Bei uns ist es genau umgekehrt der Wirkungsgrad wird umso besser je höher die Frequenz ist.

70MHz konnte ich übrigens bisher nur mit 1,25W Input testen weil ich noch keinen Treiber habe – Output 280W, Verstärkung ca. 23dB, das sollte zunächst einmal ausreichen!

Es fehlen jetzt noch:

– ein Tiefpassfilter mit integriertem Predistortion Koppler

– Splitter und Combiner um mehrere dieser Boards zusammenschalten zu können (2 für 500W oder 4 für 1KW)

(ob sich die volle Bandbreite mit der Combiner/Splitter Variante abdecken lässt ist noch nicht klar, bisher habe ich noch keine Veröffentlichung gesehen bei der 600m bis 4m abgedeckt wird…)

Nächste Schritte:

– am Layout gibt es noch ein paar kleine Änderung wegen nicht lieferbarer Bauteile (LM317HV) und der Änderung einiger Widerstände

– Der Masseanschluss wird verlagert um 4 Befestigungslöcher zu haben

Die bisherige Erfahrung zeigt die PA als sehr robust, an dem Testaufbau sieht man dass ich sie nicht auf dem Kühlkörper festgeschraubt habe, Leistungstests bis >450W Output (11W Input) haben bisher nicht zu Ausfällen geführt, auch hab ich einmal vergessen den Dummy Load anzuschließen – ging auch problemlos.

Sobald die TP Filter fertig sind teste ich mal an der Antenne bei schlechteren SWR’s um sicherzugehen dass es keine Überraschungen gibt.

Zukunft:

Da diese PA doch recht gut funktioniert kommt natürlich der Wunsch auf einen Schritt weiter zu gehen.

Sollte es uns gelingen die anvisierten Industrie Transistoren geliefert zu kriegen (was sich als ziemlich schwierig erweist…) wird es eine 600W PA mit gleichem Design Prinzip und 72V Betriebsspannung geben.

Allerdings sind wir da auf spezielle Halbleiter angewiesen – die üblichen BLFxxx sind für diesen Zweck ungeeignet.

(der Beschaffungsvorgang ist aber dank Industrie Connections auf einem guten Wege … hi)

Gruß/73, Edwin – DC9OE  

Weitere Informationen und Beiträge zum Projekt findet Ihr im Forum von CQ-NRW.de

250V Mosfet

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