Charly25 – Kleines Update zum 250W PA Modul, aus dem Forum CQ-NRW.de von Edwin DC9OE

Hallo OM’s,

unser 250W PA Modul hat in der Zwischenzeit ein paar Updates erfahren, deshalb möchte ich hier einmal die Änderungen vorstellen und auch einmal ein paar aktuelle Messdaten dazu mitliefern.
Wir werden dieses jahr wieder auf der Amateurfunktagung vertreten sein und dann unsere gesamte HW (und natürlich auch die SW) mitbringen.

Gerade in der Produktion befindet sich auch die erste Prototyp Version der für unsere PA Module notwendigen TP Filter, diese werden wir dann hoffentlich ebenfalls in einer funktionsfähigen Version zeigen können.

Aber zurück zum PA Modul, was hat sich geändert?

Das Modul ist zunächst einmal für 250W Ausgangsleistung ausgelegt, dabei besteht unsere Definition von Ausgangsleistung darin, dass man diese 250W auch parktisch und auf Dauer nutzen kann.
Und zwar mit allen Betriebsarten und uneingeschränkt ! (also ohne kleingedruckte Einschränkungen in der Bedienungsanleitung…)
Wir versprechen auch keine 80%+ Wirkungsgrad weil diese im A/B Betrieb einer PA und mit sinnvollen IMD Werten nicht erreichbar sind.
Was wir versprechen ist ein sehr breitbandiges und zuverlässiges PA Modul.

Um sicherzugehen dass das möglich ist wurden die ersten Prototypen entsprechenden Stresstests unterzogen und u.A. mit >400W PEP und >350W CW Ausgangsleistung betrieben.
Dabei zeigte sich das die eingesetzten Dickschicht SMD Widerstände nicht grosszügig genug dimensioniert waren – sie wurden daher ersetzt und durch 50W Dickschichtwiderstände die nun mit auf dem Kupfer Heatspreader sitzen ersetzt.

Da die maximal mögliche Ausgangsleitung (nicht die empfohlene…!) jenseits der 300W liegt haben wir einen soliden N-Anschluß am Ausgang vorgesehen.
(das trägt der Tatsache Rechnung dass der eine oder andere vielleicht die Grenzen der Technik testen möchte… hi)

Hier nun das Modul in der jetzigen Version:

Da die PA für 250 W Dauerleistung ausgelegt ist hier die zugehörigen Messdaten:

Die etwas geringere Verstärkung bei 6m wurde in der Zwischenzeit behoben – Ursache war ein Frequenzgang der über 100MHz hinausging – diesen haben wir nun auf etwas mehr als 80MHz beschränkt.
Interessant ist noch zu sehen, dass im Gegensatz zu allen anderen vorgestellten Designs, bei uns der Wirkungsgrad zu den höheren Bändern hin zunimmt.

Hier nun der Frequenzgang am unteren Ende um zu zeigen dass 600m noch ereichbar sind :

Ursache ist der Einsatz hochwertigerer Ferrit Materialien für die Transmission Line Trafos im Ausgang
(die typischen Bastellösungen verwenden hier EMV Ferrite die für eine gute Dämpfung bei höheren Frequenzen designed sind – das ist aber nicht sehr nützlich wenn die PA oberhalb von 10m noch gute Daten aufweisen soll – 4m sind damit gar nicht erreichbar)

Am Eingang der PA ist ein Dämpfungsglied integriert – das bringt die notwendige Eingangsleistung auf die für unseren Charly TRX sinnvollen Werte von 7 bis 8Watt Steuerleistung.
Wer das Modul mit einem 5W QRP Gerät betreiben möchte kann die 3 Widerstände des Dämpfungsgliedes entfernen und kommt dann mit 3,5W bis 4W Treiberleistung aus.

Dann der Gesamtfrequenzgang nun am oberen Ende auf ca. 80MHz begrenzt (mit einer Induktivität vor den Gates der Mosfets):

Der Gesamtfrequenzgang:

Intermodulationswerte bei 320W PEP Output:

Intermodulationswerte bei 420W PEP:
Anmerkung – ich werde bei Gelegenheit mal die Predistortion bei 420W PEP testen, das sollte die IMD um mindesten 15dB verbessern und damit in einen sehr guten Bereich bringen
Knapp -25dBc bzw 31dB PEP scheinen uns nicht gut genug für die direkte Nutzung ohne Predistortion.

Das wars mit dem kleinen Überblick , wer Wünsche, Fragen, Kommentare hat entweder hier im Forum oder per Mail an
edwin.richter@smartradioconcepts.com

73,Edwin – DC9OE


… kleine Ergänzung noch zu ein paar Features.

Ein hall sensor misst die Stromaufnahme der PA Transitoren und schaltet die Gate Spannung ab wenn mehr als 14A fliessen.
Zudem wird die Ausgansgspannung des Hall Sensors auf einen Steckkontakt gelegt, das ermöglicht es die Stromaufnahme des Transistors auf einem Instrument anzuzeigen.
Später bauen wir dafür einen A/D Wandler ein so dass die Stromaufnahme auch in Thetis und Power SDR angezeigt werden kann.

Diese Vorgehensweise hat sich im Charly TRX sehr bewährt und schützt die Transitoren sehr zuverlässig.
An den Gates gibt es dann noch Schutz Dioden zur Spannungsbegrenzung.
Somit sollte das Modul weitestgehend unkaputtbar sein, es sei denn es stirbt den Hitzetot weil jemnad versucht 400W CW im Dauerstrich zu fahren…..

Die PTT wird übrigens über Optokoppler gegen ground geschaltet.

73,Edwin – DC9OE


Liebe OM’s,
manchmal lernt man auch aus Denkfehlern und Fehlannahmen und die daraus gewonnen Erkenntnisse möchte ich Euch nicht vorenthalten. Aber zurück zur PA – was ist passiert? Zunächst einmal habe ich ein funktionierendes PA Modul zerlegt mit der Idee den Unterschied zwischen den derzeit eingesetzten Ferrit Doppellochkernen und den Standard Ferriten zu testen die für EMV Anwendungen verwendet werden.
Eingesetzt habe ich dafür 4 Stück Würth Rollenkerne Typ 742 700 77, Material 7W380.Jeweils 2 Kerne wurden mit 25Ohm/RG316 bewickelt und zu einem 1:4 Transmission Line Trafo verschaltet.Hier ein Bild:

!zu4 Rollenkerntrafo.JPG

Die Kerne habe ich im Gegensatz zum vorher verwendeten Doppellochkern nur mit 2 Wdg. belegt weil die Permeabilität der Würth kerne höher ist, der ursprüngliche Trafo erreicht mit 3Wdg. 85uH auf der 50 Ohm Seite, bei den Würth Kernen sind es trotz reduzierter Windungszahl 161uH.

Erster Test 250W CW Output bei 51MHz – Wirkungsgrad etwas schlechter als mit Doppellochkern – ABER meine Erwartungshaltung war die das sich die Kerne erwärmen – tun sie aber nicht – lediglich das Kabel wird warm….
Okay wenn sich bei 6m nix erwärmt dann bei 160m – Test mit 250W Output – Kerne erwärmen sich nicht.

Damit ist meine Annahme und auch die Erfahrung mit vielen anderen Trafos wiederlegt – ein korrekt ausgeführter TL Trafo führt zu Minimalbelastung der Kerne und vermeidet daher deren Aufheizung (schreiben auch die Lehrbücher, liess sich blos bisher in der Praxis nicht umsetzen)
Lediglich die mit 61er Ferritkern erfahrene verbesserte Effizienz bei höheren Frequenzen zeigt sich nicht mehr, aber ich denke das ist zu verschmerzen….

Hier wäre der Test eigentlich beendet gewesen, mit der Erkenntnis das herkömmliches Ferrit Material sehr wohl gut geeignet ist eine KW PA zu bauen – wäre mir nicht aufgefallen dass sich auch der Frequenzgang verändert hat….

Also wurde der Eingangstrafo, der vorher schon mal auf seine Tauglichkeit bis 160MHz getestet worden war mit kleineren Kompensations C`s versehen um einen erweiterten Frequenzbereich zu ermöglichen — und siehe da – 2m schien plötzlich erreichbar…..

Ein Test mit dem gerade herumliegenden BAOFENG 5R mit 3,3W Output ergab dieses Bild:

3300mW Baofeng 2m.jpg

88Watt Output auf 146MHz bei 3,3W input – macht ca. 17dB Verstärkung …. erstaunlich…. 2m war erreicht….

Es wurden noch ein paar kleinere Optimierungen vorgenommen und im Endergebnis konnte sich ein Frequenzgang von 472KHz bis 160MHz sehen lassen:
(den Ruhestrom hab ich für die Messung auf 600mA/Transistor erhöht weil es mehr dem realen Power Betrieb entspricht – bei höheren Strömen steigt bei Mosfets die Verstärkung das ist im echten Betrieb der Fall)

1-2A Ruhestrom.jpg

Damit erübrigt sich nun die Entwicklung einer eigenständigen 2m PA für unseren zukünftig erweiterten Charly 25 TRX und wir können uns bei der PA Entwicklung auf 70cm,23cm und 13cm konzentrieren.

Anbei noch die detaillierten Daten des verwendeten Rollenkerns, dieser kostet bei Mouser 2,88€/Stück, ein Trafo also 11,52€ (plus MWSt und Kabelkosten für ein paar cm RG316/25)

Ich hoffe damit mal wieder zum Basteln angeregt zu haben – eine 100W Version eines solchen Verstärkers sollte auch problemlos mit MRF101 realisierbar sein – dabei lassen sich die Trafos aber nicht verkleinern weil sonst das Kabel nich mehr durch die Kerne passt.

73,Edwin – DC9OE

Dateianhänge
Würth_Kern.JPG

 

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