Denne artikel blev først bragt i det danske radioamatør tidsskrift "OZ" i december 2008

I artiklen blev der desværre indført mange meningsforstyrrende fejl, så her er originalteksten.

600W 50MHz Dual PA,

eller ”Imens vi venter på solpletter”.

Af Thomas Gosvig OZ1JTE, 2750 Ballerup.

Motivationen.

Da jeg i længere tid havde haft nogle kraftige bipolare transistorer til at ligge i skuffen, og samtidig havde haft god held med at bygge et 400W 6m PA med ovenstående transistorer, som er af typen TH430 eller SD1728 som de også kendes under, så havde jeg igennem et stykke tid taget tilløb til et dobbelt PA, hvor ideen var at kombinere 2 stk. PA moduler sammen i et enkelt high power system.

Da tiden omkring opbygningen ikke bød på meget aktivitet på 6m, så var det en god tid at ofre på optimering af stationen, i stedet for dagligt at lytte til sus på radioen.

Jeg havde tidligere på året ydermere fået et kraftigt HF PA trin til båndene under 28Mhz, så pludselig føltes de 100W på 6m ikke af meget, så alt i alt var tiden inde til at gå i gang.

Søgen.

Jeg tyggede Internettet godt igennem for at finde en egnet konstruktion, men da valget var faldet på transistorer, så blev udbudet meget kraftigt reduceret, da mange stadig er nervøse for high-power selvbyg med ”solid state”.

Selv om google er din ven, så fandt jeg intet på nettet jeg rigtig troede på, og jeg kunne godt mærke, at hvis jeg ville have den konstruktion jeg havde behov for og stolede på, så var der kun en mulighed, nemlig at lave det hele selv fra grunden.

Det jeg ledte efter på nettet var en push-pull konstruktion til 48V, som indeholdt alt lige fra relæskift med sequencer, over komplette PA konstruktioner, til et sikringskredsløb der garanterede at ens dyrebare transistorer ikke forlod konstruktionen i utide. Det optimale var en styreeffekt på omkring 100W der skulle forstærkes til omkring 600W.

Hvis det var rigtig godt, så skulle der selvfølgelig være printudlæg til det hele.

Ovenstående viste sig at være ønsketænkning. Så samtidig med at jeg besluttede at ville lave denne konstruktion selv, så fik jeg også en chance for at betale lidt tilbage til alle dem jeg har nasset på i de sidste mange år, ved at få gode ideer og projekter foræret på Internettet.

Delkomponenter.

Jeg besluttede at lave det hele med en del byggeklodser i form af mindre print. Disse kunne nemt erstattes, hvis jeg under opbygningen kunne fornemme at jeg havde brug for noget andet eller bedre.

Jeg havde aldrig før lavet andet end håndtegninger på servietter eller anden forhåndenværende papir, men jeg fornemmede at jeg, for at kunne styre det hele, måtte i gang med både schematic programmer og PCB programmer.

Valget faldt på DesignWorks ekspress (Litt. 1) til tegning af diagrammer, og ExpressPCB (Litt.2) til printudlægningen.

Selv om jeg aldrig rigtigt havde rodet med denne typer programmer før, skulle der kun nogen få timers øvelse til, før man følte at man var godt i gang.

Disse 2 programmer kan varmt anbefales til uøvede personer lige som mig, og på trods af at disse ovenstående programmer er gratis, så syntes jeg da at resultatet er blevet hæderligt.

Byggestenene består herefter, som det også fremgår af blokdiagrammet, af en strømforsyningsdel, et indgangsprint med kombineret indgangsrelæ, powersplitter og båndpasfilter. Derefter er der så de 2 PA moduler der hver uden problemer giver 300W output fra de 2 stk. 250W udgangstransistorer. Signalerne bliver så, efter at have passeret igennem et print med en SWR bro, samlet på næste print der består af en kombiner og et lavpas filter. Til sidst passerer signalet som nu er et rent og pænt 50MHz signal på 600W et coaxrelæ før det går til antennebøsningen.


Controller print	Båndpass

Sikring og styring.

Der er nogen ting man ikke kan overlade til tilfældighederne når man bygger transistor PA trin i denne klasse. Se evt. (Litt. 3) for ”What makes a good solid state amp”.

Ting som timing af relæskift, og mulighed for at lukke ned omgående for styreeffekten ved en fejl har afgørende betydning for stabiliteten af sådan et trin.

I det hele taget kan timing af ALC loop, og andre beskyttelses kredsløb være temmelig kritiske.

Typiske fejl der kan opstå i sådan et trin, og derved skade transistorerne, er højt VSWR, for højt output, og et åbent antennerelæ i skifteøjeblikket. Disse nævnte ting kan alle medføre den hyppigste dødsårsag for udgangstransistorer, nemlig at second breakdown spændingen overskrides, (Litt 4).

Derudover er der blandt andre, flere sekundære ting som varme, overspænding, selvsving osv. man skal have respekt for når man designer et sådan trin.

Til at tage sig af de fejl jeg har vurderet til at være af størst betydning er der lavet en del sikringskredsløb, der alle overvåges af et controller print. Dette har til opgave at lukke ned for styreeffekten og gå i fejl tilstand, hvis noget går galt.

Der er ”nødbremse” for second breakdown, højt SWR, højt output, og for at undgå forhøjet IMD, og ”domino brik” effekten ved fejl på en enkelt transistor, så har jeg også taget en nedlukning med, der registrerer en forskel i output på de 2 PA moduler.

Udover nedlukning- eller nødbremsefunktionen er der på dette print også selve PTT styringen med en sequencer, der styrer rækkefølgen på indgangsrelæ, bias forspænding, og antennerelæ, både ved normalt skift, og i en fejl situation.

Alt ovenstående er næsten skabt til at blive bestyret af en PIC kreds, men jeg har valgt at lave det hele i god gammeldags teknik.


Power supply	Combiner, Lavpas og coaxrelæ

Konstruktionens print.

Denne konstruktion er nok ikke et udpræget begynder projekt, og jeg vil derfor ikke gå så meget i detaljer omkring de enkelte komponenters funktion, da de fleste der vil benytte denne ide til at forme deres egen konstruktion, eller måske helt prøve at kopiere projektet, sikkert allerede kender de enkelte deles funktion. Jeg har også skruet en smule ned for den teoretiske del, da jeg selv under planlægningen af trinnet følte at jeg godt kunne finde meget tør teori, men manglede lidt en artikel som beskrev ”Sådan har jeg gjort”.

Jeg vil i stedet prøve at fokusere på de ting som voldte mig de største overvejelser.

Om strømforsyningen er der ikke meget at sige. Denne laver ud fra de 48V både +12V og +24V som bruges af flere af printene.

+24V laves af en LM317T som er valgt pga. den høje spænding der ligger over kredsen, og ellers bare en fast 12V regulator til at lave +12V med.

Indgangs signalet der bliver skiftet ind af indgangsrelæet passerer et båndpass filter der er afstemt til lige at dække 50-52MHz. 3db punkterne ligger omkring 43-55MHz, og da filteret er rimelig skrapt, så er der et indsætningstab på ca. 1dB.

Indsætningstabet er her ikke prioriteret særlig højt, da der burde være nok gain i vores transistorer, og det derfor er mere klogt at få renset godt op i input signalet. Gain’et i disse transistorer er meget stort ved lave frekvenser, og da der samtidig ikke er meget modkobling i trinnet på lave frekvenser, så kan det være fatalt at lukke bare et enkelt lille ”hik” ind på en lav frekvens, fra en uren styresender.

Efter båndpass filteret sidder så en af de komponenter der sikkert kan give anledning til mest bekymring. Selve signal splitteren.

Under mit design overvejede jeg mange forskellige typer af splittere og kombinere. Valget faldt på en bredbåndet transmissionslinje type, viklet på noget ferrit der egner sig til disse frekvenser, med

en permabilitet på omkring 100. Denne type har fordele som god båndbredde, lavt indsætningstab, ukritisk opbygning mm., som gjorde valget nemt.

En afart af denne type, viklet med enkelt wire, kan findes i OZ7TA Jørgens artikel fra 1990 (Litt.5).

For forståelsens skyld er det nok nemmere at se samme komponent i kombiner funktionen, da man her har 2 stk. 50 ohms signaler der via en ”symmetri transformator/Balun” lægges sammen til 1 stk. 25 ohms signal, for derefter at gå ind i endnu en transformator, der omsætter de 25 til 50 ohm via en 1:2 transformation.

Selve splitteren som er helt magen til, virker så præcis modsat. Denne består også af en autotransformer der omsætter 50 ohm impedansen til 25 ohm, og en symmetri trafo der har til opgave at splitte denne 25 ohm impedans til 2 stk. 50 ohms porte.

Da viklemetoden kan være lidt kryptisk har jeg forsøgt at synliggøre dette med billeder.

Det er af afgørende betydning af faserne er helt ens på de forskellige porte, så det enkelte PA trin arbejder på nøjagtig samme del af signalkurven på et givent tidspunkt. Det er derfor igen vigtigt at bruge nøjagtig ens kabellængder på de 2 porte i begge tilfælde.

Ved måling på selve splitteren sagde min mini VNA et indsætningstab på 3,2 dB på begge porte og fasefejlen var under 1 grad.

Tabet igennem hele splitteren med båndpass og relæ var ca. 4,2 dB til begge porte. (Husk at de første 3 dB kommer bare ved at dele signalet ud til 2).

Her er det på sin plads at forklare lidt om det forholdsvise høje indsætningstab i indgangen.

For igen at ligge vægt på beskyttelsen af trinnet, så var det vigtigt for mig at kunne udstyre trinnet med 100W fra min radio, da jeg så ikke ved et uheld pludselig kom til at skrue for meget op for inputtet, med en deraf overstyring af trinnet. Derfor blev der i designet lagt et indsætningstab i indgangens båndpass filter. At det senere viste sig at jeg godt kunne have brugt ca. 0,5db af dette tab, da mit gain i det samlet trin ikke helt nåede målet var så en detalje til senere.


Detaljer 5:7(1:2) trafo	Detaljer Combiner trafo

Anderledes blev indsætningstabet prioriteret højere på lavpass filteret ved kombineren, og her er tabet på lavpassfilteret alene ca. 0,22 dB og tabet igennem selve kombineren ca. 0,11dB. Målingerne skal tages med nogen måleusikkerhed, men synes at være tilfredsstillende.

Symmetritransformatorerne er viklet på PERMAX 56 ferrit fra Ferroperm i Lyngby, og selve 5:7 transformatorerne(1:2), er viklet på Phillips 4C65 toroider som er limet sammen i passende antal til at håndtere effekten. Se i øvrigt styklisten.

PA modulerne.

PA modulerne er selvfølgelig selve omdrejningspunktet i denne konstruktion. Målet var 100W ind skulle give 600W ud. Ved at splitte indgangssignalet ud til 4 transistorer, som i dette tilfælde er 2x2 i pushpull, så havde vi ca. 20W styring til hver transistor. Dette burde så kunne drive

disse TH430’ere op til det ønskede output, da gain i forhold til databladet (Litt.6) burde ligge et sted imellem 14,5 og 10dB der er de opgivne tal ved hhv. 30 og 70MHz.

Det viste sig dog at én ting er gain i et single frekvensafstemt trin, og et andet er det opnåelige gain i bredbåndsteknik som her. Her er 8-10db nok mere realistisk på 50MHz.

Selvom den gennemgående ide har været at optimere for 50MHz hele vejen igennem, så er PA modulet lavet på en måde der nemt lader sig omdanne til andre frekvenser, da ingen af filterne sidder på dette print.

Under de indledende øvelser havde jeg lavet trinnet helt uden modkobling, og havde uden problemer 120W output ved 2,5W ind(17db) på 14MHz, så jeg fandt hurtigt ud af at der skulle indføres noget modkobling for at det hele ikke var for hysterisk på lave frekvenser, da gainet ville stige yderligere ved endnu lavere frekvenser. Derfor blev det ovenstående båndpass filter blandt andet indskudt.

Den modkobling som består af R9/R8 sammen med C12/C13 er gjort mindre betydende på 50MHz ved at indskyde en ferritperle på modkoblingens vej, og derved gøre denne modkobling frekvensafhængig. Også de HF drossler jeg har brugt i bias forsyningen har fået en 50MHz optimering, da de oprindeligt bestod af en 6-huls kerne med 3½ vikling, men er blevet modificeret til kun at bestå af 1½ vikling.

Ellers er det meste opbygget ganske traditionelt, og hvis man ønsker lidt mere basis viden om emnet, så henvises til det uundværlige tema hæfte som OZ7TA Jørgen har udarbejdet i OZ i 1990, (Litt.7). Jeg har tit følt mig som ”Troldmandens lærling” når jeg har tygget dette hæfte igennem, og en af de resultater der kom ud af dette kan ses i min artikel fra april 2007, som også giver lidt mere teoretisk gennemgang af de enkelte komponenter.(Litt.8).

Men der er bestemt også nogen nye ting at finde i dette beskrevne PA trin.

Jeg har hele tiden ville gøre alt for at passe på mine dyrebare transistorer, og derfor er der indført nogle lidt speciale kredsløb.

Den føromtalte second breakdown, kan med god sikkerhed undgås hvis man søger for at monitere kollekter spændingen på vores transistorer, og søger for at lukke ned eller begrænse ved en værdi der nærmer sig et faretruende niveau.

Nu er det sikkert de færreste der gider sidde med 4 diodeprober og kikke på denne spænding, så derfor er der fast indskudt netop sådan en ”diodeprobe”, der har til opgave fast at overvåge kollekter spændingen, og ved et faretruende niveau melde til vores controller print at vi nu må lukke ned, for at undgå en overskridelse af transistorens data.

Man kunne her vælge kun at fjerne evt. bias, med deraf lavere gain, men jeg spiller det sikre kort og stopper trinnet helt. Værdien på R1 på controller printet, bestemmer hvornår der lukkes ned. Jeg har valgt et sted omkring 96V hvor der stadig er god plads op til loftet på 110V. Her kan de modige godt give lidt mere gas.

Ved 96V begynder signalet at blive shuntet internt på trinnet via 22 Ohm.


Detaljer PA Modul	Detaljer PA Modul


SWR bro	Udgangs trafo	Bagside tilslutninger

SWR bro.

Denne kender de fleste, og de 2 ens print som sidder efter hver PA-modul har til opgave at detektere både et højt SWR, men også spids effekten fra hvert af de 2 trin.

Koblingen er lidt anderledes end den sædvanlige med midtpunktsudtag på transformatoren, og signalet fra både reflected porten og forward porten bliver her ”lagt sammen” til en spænding der altså fortæller os noget omkring hvor meget trinnet ”sveder” med hensyn til output og SWR.

De 2 signaler fra hhv. det ene trin og det andet trin bliver så ført til controllerprintet, hvor det vurderes. En spidsspænding som er bestemt af D1 på controllerprintet, bestemmer hvor hysteriske vi skal være omkring nødbremsen.

Når nu disse 2 signaler i forvejen er på controllerprintet, så bliver de også sammenlignet af U1, som bestemmer om forskellen er så stor på de 2 trins output at vi igen lukker trinnet.

På SWR broen findes også et negativt output, der bruges til ALC styring af 6M stationen.

Output indicator.

Denne enhed er lidt en ”ekstra”, som giver lidt liv i shacket når der råbes i mikrofonen.

Et VU-meter, der ikke kan bruges til så meget andet end at se der er liv i trinnet.

Jeg har ikke lavet print til denne del, men det hele lader sig nemt klistre op på et hul print.

Opbygningen.

Som tidligere beskrevet har jeg lavet nogle print til konstruktionen, og selvom jeg gjorde mig umage med orienteringen her i mit første rigtige forsøg med print, så smuttede den lidt ved de transistorer i TO220 hus, så husk at være meget opmærksom med ben forbindelserne ved Q3/Q4 på PA modulet og U1/U2 på strømforsyningen, hvor sidstnævnte dog kan monteres korrekt hvis de sidder under printet.

Jeg har opbygget mit trin på 2 sammensatte køleprofiler, der måler 22x29cm.

Generelt er alt lavet på dobbeltsidet print, med den ene side som ubrudt stelflade. Vær dog opmærksom på at der skal laves en enkelt forbindelse på PA modulerne, imellem katoderne på diodebankene D5-12 og D13-20. Denne forbindelse kan med fordel etableres med tyndt teflonkabel under printet.

Husk masser af stel gennemføringer for at skabe god kontakt imellem stelfladerne på over og underside af printene. Dette er især vigtigt på PA modulerne, og omkring udgangstransistorerne.

Nogen af printene har jeg for nemheds skyld vendt med banerne opad, under designfasen.

I øvrigt håber jeg at billederne siger det meste.

Husk at stelle bunden af udgangstransistorerne med en lille loddeflig, og lav samtidig et lille hvidblik tag hen over hoved på dem.

Opnåede resultater.

De 2 trin giver snildt 300Watt fra sig enkeltvis, men gainet blev ikke helt så stort i trinnet som jeg havde håbet. Jeg havde håbet på min. 9db, men jeg fik ca. 8,5db.

Når vi trækker vores 1,1db tab fra i indgangens båndpassfilter, så er der ca. 7,4db tilbage, og med 100W input giver dette så 525Watt ud af trinnet. Altså ikke helt nok input til at kunne udstyre trinnet til 600W. Et båndpass filter i indgangen med et tab på 0,5db, ville give 600W out.

Herefter var der så 2 muligheder. Enten at designe et nyt båndpassfilter i indgangen med mindre tab, som nemt kunne realiseres, (Litt. 9), eller at stoppe her og give min antenne lidt fred, da den kun var opgivet til at kunne håndtere 400Watt. Jeg stoppede, og selvom jeg stoppede her, så skal det selvfølgelig prøves på et tidspunkt, at bygge et andet båndpass filter, og slække lidt på nødbremserne.

Ved en virkningsgrad på omkring 57 % trækker trinnet lige under 20A, så du skal have en stor og gedigen 48V strømforsyning klar når du fyre kanonen af.

De mange målinger som jeg bla. har taget med min mini-VNA på filter, og splitter/kombiner vil jeg ligge ud på min hjemmeside, sammen med andre relevante ting omkring trinnet. (Litt. 10).

Hvor langt de modigste tør presse dette trin ved jeg ikke, men der er ingen tvivl om at netop med disse transistorer jeg har brugt, så kan der godt gives en del mere gas end det jeg er stoppet ved her.

Måske en 1:3 trafo i udgangen, og sikringskredsløbene tilrettet, så burde der nok kunne hentes en del flere watter ud... Hvis du tør, og har input signal nok.

Efterskrift.

Trinnet her er et 50MHz trin, og den teknik der er brugt er klassisk HF teknik, så derfor ville trinnet frekvensmæssigt snildt kunne bygges til at køre alle HF bånd. Med lidt mere frekvensafhægig modkobling, og en smule lav frekvens kompensering af udgangstransformatoren, vil trinnet her kunne dække 1.8-30Mhz. Måske endda 50Mhz kunne komme med i sådan et design, med lidt lavere gain.

Selvom jeg var heldig at redde mig udgangstrasistorerne på nogen kasserede print fra en marine radio, så er der intet der hindre at opbygge trinnet med andre transistorer. Værdierne på kapaciteterne der sidder tæt på de enkelte transistorer skal så, som altid, findes ved forsøg.

Det er ikke for at være krukket eller andet, at jeg har flettet lidt engelsk tekst ind i diagrammer mm., men syntes det kunne være fint, hvis flere kunne bruge nogen af mine ideer til noget.

Jeg har udeladt en del af den teoretiske gennemgang, men vil gerne på e-mail forsøge at svare på evt. spørgsmål, hvis noget er uklart.