КВ усилитель 1 КВт на двух LDMOS

[EW3MM]

Поскольку к моей конструкции был проявлен интерес со стороны многих радиолюбителей, с одобрения администрации было решено создать отдельную тему. Постараюсь более подробно описать все особенности и нюансы конструкции.

Усилитель построен на двух MRFE6VP61K25GS. Выбор пал именно на эти транзисторы по причине привлекательной цены (по 90$) на Aliexpress у проверенного продавца.

Не смотря на то, что пара таких транзисторов может много больше, цель была уложиться в киловатт увеличив надежность конструкции и принципиально отказаться от ШПТЛ в пользу обычного ШПТ.

Транзисторы припаяны к медному основанию. Никакой особенной технологии не применялось. Паяльную насту XGZ40 нанес на подложки транзисторов, не залуживая. Затем на разогретой медной пластине этой же пастой пролудил место для транзисторов в заранее профрезированной на глубину 0.5 мм канавке. Положил, подвигал, прижал небольшим грузом и дал остыть.

Вложение 375929 Вложение 375930

Выходной трансформатор 1:9 состоит из четырех ферритовых бочек Fair Rite 2661102002 (61 материал). Медные трубки от систем кондиционирования внешним диаметром 12 мм и толщиной стенки чуть более 1 мм. Щеки из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм, фрезерованы на ЧПУ.

Вложение 375931

Вторичную обмотку (3 витка) делал в трех вариантах:
1. Кабелем RG-402.
2. Тремя сложенными кабелями RG-316.
3. Девятью сложенными посеребренными PTFE внешним диаметром 1.5 мм.
Второй и третий вариант примерно одинаково лучше первого. Остановился на третьем.
Трансформатор умеренно нагревается. Благодаря тому, что используемые вентиляторы выходят за пределы невысокого радиатора, они обдувают всю плату, в том числе трансформатор. Поэтому на его нагреве можно не заострять внимание.

Вложение 375926 Вложение 375927 Вложение 375928

Входной трансформатор 1:4 изначально был выполнен на ферритовом бинокле BN-43-202.
Затем заменил на BN-43-3312, получив лучшее согласование на диапазонах 1.8-3.5 Мгц.
Первичная - два витка, двумя вместе сложенными PTFE внешним диаметром 1.5 мм.
Вторичная - 2 медные трубки и щеки, изготовленные на ЧПУ. Классика, короче.

Ввиду большой суммарной емкости затворов двух LDMOS, классическая коррекция конденсатором параллельно вторичной обмотке не помогла. Сильный завал сопротивления на ВЧ удалось компенсировать другим способом - резисторами 6.6 ом и небольшой последовательной индуктивностью (см. схему).
Кстати, почти такой же положительный результат я получал, добавляя ООС со стоков на затворы цепочкой резистор(500 ом) + конденсатор(0.1 мкф). В итоге склонился к первому варианту без ООС.

Цепь смещения с термокоррекцией на симуляторе показала идеальную зависимость тока покоя (напряжения смещения) от температуры (2.1 мВ/град). Воплощенная в железе работает также очень хорошо, хотя немного сложнее классической. ОУ LM358 я специально расположил ближе к вентилятору, потому как операционник, нагреваясь от медного основания немного плывет.

Экспериментируя с разными значения тока покоя, определил, как самое оптимальное значение - 1.5 А на каждую сборку.
После настройки смещения желательно, отключив ФНЧ и глядя на экран анализатора спектра, вращая в очень небольших пределах один из подстроечников смещения, убить вторую гармонику на -60 dB.

Первый входной аттенюатор -10 dB собран в виде бутерброда из двух ваттных резисторов. Можно использовать компактный фланцевый, поместив на радиатор. У меня к ним доверия нет - сделал по-старинке.
Второй аттенюатор -10 dB частотнозависимый на плате УМ. Плавно уменьшает затухание на 3.5 dB от 1.8 до 50 Мгц.

Вложение 375934 Вложение 375935

Шесть секций ФНЧ сгруппированы следующим образом:
1.8/3.5-5.3/7-10/14-18/21-28/50-54
Все кольца T130. Кольца немного греются, поэтому плата установлена в воздушный поток вентиляторов.
Реле OMRON G2RL-1-E с временем включения не более 10 мс. Это важно для нормальной и правильной работы в режиме автоматического переключения.
Конденсаторы ATC100C. В секции 50-54 Мгц - ATC100B.
Мелкие 10 и 22 пф - китайская глина 1808 на 3кВ.

Вложение 375932

Тандем-матч собран на плате ФНЧ. Схема классическая, заострять на ней внимание нет смысла.

Реле обхода - вакуумные KILOVAC HC-1. Время включения 3.5 мс. К тому же они практически бесшумные.

Плата УМ соединяется с платой ФНЧ кабелем RG-142 длиной 85...90 см.

Вложение 375933

Платы изготовлены методом фрезеровки на ЧПУ из стеклотекстолита времен СССР толщиной 2 мм и очень жирной фольгой. Поэтому полигоны не усилены ничем, просто залужены. Не греются.

Блок питания FlatPack2 третьей ревизии, прошит на 48 вольт.
Как шить и как использовать блоки питания более ранних ревизий можно прочитать здесь http://www.cqham.ru/forum/showthread...%FF-Flatpack-2

На боковой части алюминиевого радиатора собрано два параметрических стабилизатора напряжения на 27 вольт (для HC-1) и 12 вольт для остальных потребителей. Транзисторы TIP142 в корпусе TO-247.
Дисплей потребляет 0.6 А, поэтому LM7805 необходим теплоотвод.
BTS50085 почти не греется, достаточно небольшого полигона под ней.

Вложение 375941

Все защиты реализованы программно:
1. От превышения выходной мощности
2. От превышения отраженной (косвенно КСВ).
3. От превышения тока стоков
4. От превышения напряжения питания выходного каскада
5. От превышения температуры радиатора
6. От неправильного выбора секции ФНЧ (время реакции 25 мсек)
Время реакции защит 1...4 - не более 100 мксек.
При срабатывании любой защиты отключается все, что можно отключить, кроме реле ФНЧ.
Алгоритм защиты 6 - в течение 25 мсек мощность меньше 30 Вт, а ток больше 5 А.
При срабатывании зашиты 5, бипер будет подавать короткий звуковой сигнал с длинной паузой.
Сбросить ошибку нельзя до тех пор, пока температура не уменьшится на 15 градусов.

Вычислительной частью является микроконтроллер PIC18F458. В отличие от AVR, которые пробиваются статикой и не переносят ВЧ наводки, МК этого производителя (не зря Microchip сожрала AVR) давно зарекомендовал себя, как надежное устройство из бюджетных вариантов.
Также, ввиду особенностей этого МК, если он даже зависнет, что маловероятно, порты перейдут в Z-состояние и через резисторы, подтягивающие затворы 2N7002 к массе, последние закроются и пропадут все сигналы управления чем-либо.
МК работает на частоте 4x10 Мгц. Не исключены совсем небольшие помехи на кратных частотах в режиме приема.
А вот китайский Nextion ВЧ наводок боится. Очень желательно отделить его металлической пластиной и пропустить четыре соединяющих провода несколькими витками через ферритовую трубку ближе к дисплею.

Программно реализован автоматический бенддекодер. Нет необходимости использовать какие-либо внешние сигналы для переключения ФНЧ. Также присутствует возможность выбирать секции ФНЧ вручную.
Последовательность работы декодера следующая:
1. Поступает сигнал PTT.
2. Включаются оба реле обхода одновременно.
3. Задержка включения реле обхода - 5 мс (по умолчанию).
4. Цикл измерения частоты длительностью 3 мс.
5. Переключение соответствующих реле ФНЧ.
6. Задержка для реле ФНЧ - 10 мс (по умолчанию).
7. Включается BIAS.
Значения пунктов 3 и 6 можно изменять в бОльшую сторону в меню настроек.
Пункт 4 может повторяться до тех пор пока, в соответствии с алгоритмом достоверно не вычислится частота сигнала, и пока присутствует сигнал PTT.

Алгоритм измерения частоты:
Цикл разбит на 30 итераций.
В каждой, в течение 100 мксек происходит подсчет количества импульсов ВЧ сигнала.
В каждой итерации обновляется максимальное измеренное значение, оно сравнивается с текущим измеренным. Если разница превышает 1 Мгц, инкрементируется счетчик ошибок.
Если счетчик ошибок в конце цикла не превышает 30% от количества итераций, считается, что максимальное, постоянно обновляемое значение частоты валидно.
Иначе измерение повторяется, пока присутствует сигнал PTT.
В телеграфе амплитуда сигнала псевдослучайная и повторения не требуются, на 99% измерение происходит корректно в первом цикле, поэтому первый символ не теряется даже на больших скоростях.
В SSB такой алгоритм необходим, потому как сигнал стохастический.

Индикация, управление/настройки - сенсорный 5-ти дюймовый дисплей Nextion NX8048K050.

Все вычисления и тяжелые формулы перенесены в контроллер дисплея, чтобы сэкономить временные ресурсы МК, отвечающего за активацию защит. Поэтому защита по КСВ не реализована. Этот параметр вычисляется в дисплее исключительно для индикации.

Гистерезис второй скорости вентилятора - 5 градусов.
Настройки и последние состояния сохраняются в EEPROM и восстанавливаются после включения.

Файл проекта для Nextion (HMI) можно редактировать в среде Nextion Editor под свой вкус и цвет, изменять что угодно.
Для изменения заставки необходим рисунок разрешением 800x480.

Обзорное видео (индикация, управление, ток, мощность, гармоники):
https://youtu.be/cJLrz4Bv3TI

Ответы на вопросы по автоматическому бенддекодеру в режиме CW:
https://youtu.be/NY5LwHiy1AI
https://youtu.be/QjopixwJeLM

Несколько свежих фотографий, чтоб понять концепцию расположения элементов конструкции.

Вложение 375936 Вложение 375937 Вложение 375938 Вложение 375939 Вложение 375940

[RX3PX]

RX3PX, такая прошивка выложена

Это не такая прошивка, я не много ошибся написав выше, что использую ФНЧ DL2KQ, в этом УМ плата UA4HNU на 2 антенны - хотелось бы сохранить. эту опцию коммутации антенн,
но иметь 600вт вариант.

[RX3PX]

вот эти попробовал подготовить - различия у них только коррекция Бар линейки.
как доеду домой протестирую

[Oleg60]

Добрый день, может у кого ещё остались комплекты плат, возможно отдельно плата контроллера? Спасибо.

[RA9YON]

EW3MM, подскажите пожалуйста, какого размера и толщины медной пластины достаточно для отвода тепла на алюминиевый радиатор размером 200*150*70мм с толщиной основания 15мм.
Метод крепления и сами транзисторы, такие как у вас в описании.
Думаю применить размер меди 100*150. А вот с толщиной не могу определится. 6,8,10,12,14,16.... Какую брать...Основание алюминиевого радиатора 15 мм, может не стоит брать "сильно толстую" медь, наверное могут возникнуть проблемы при монтаже транзистора к ней.
Прошу высказать Вашу точку зрения на этот счёт.
Думаю многим будет интересно.

[EW3MM]

Прошу высказать Вашу точку зрения на этот счёт.

Проблем с монтажом не будет ни при каких вариантах толщины.
Чем толще медь, тем лучше. Минимум 10 мм.

[Alex31]

Думаю применить размер меди 100*150. А вот с толщиной не могу определится. 6,8,10,12,14,16.... Какую брать...

Смотрите примерную модель этого процесса:



1. Включаем передачу.

2. Кристалл транзистора мгновенно раскаляется до очень больших температур.

3. Эту температуру он передаёт на фланец (подложку). На этом участке мы ничего сделать не можем, т.к. кристалл приварен к фланцу на заводе.

4. Далее тепло от фланца переходит на медную, демпферную пластину. Задача этой пластины принять на себя тепловой удар очень высокой температуры и как можно быстрее её увести дальше.

5. Когда пластина тонкая, левый рисунок, тепло (красные стрелки) очень быстро от фланца транзистора достигает алюминиевого радиатора. Алюминий же переносит тепло очень плохо (по сравнению с медью), поэтому тепло быстро уходить уже никуда не сможет. В этом месте образуется тепловая "баня". Размер этой "бани" на левом рисунке условно 44 единицы.

6. Когда пластина толстая, правый рисунок. Тепло теперь идёт не только строго вертикально вниз, а ещё и уходит в бока. Таким образом, площадь тепловой "бани" в месте контакта меди с алюминием значительно увеличивается, до условных 77 единиц. А чем больше площадь этой "бани", тем меньше её температура, а значит и меньше нагрев самого кристалла транзистора.

Такая модель будет эффективно работать при системе охлаждения "медный брусок - алюминиевый брусок". Если вместо алюминия поставить набор плоских, медных тепловых трубок, на которые установить компьютерный кулер, так же на медных тепловых трубках, то толщину медной демпферной пластины нужно наоборот, немного уменьшить. Чтобы тепло от транзистора не задерживалось в медном бруске, а как можно быстрее уходило на тепловые трубки. Но, слишком сильно тоже уменьшать нельзя, т.к. тепловой удар при включении УМ на передачу у транзисторов никуда не исчезает.

Таким образом, если главный радиатор алюминиевый, дюралевый, то, чем толще медная демпферная пластина, тем лучше.
Если главный радиатор на медных тепловых трубках, толщину демпферной пластины нужно уменьшать.

[RA9YON]

Собрал контроллер, прошивка PIC с этого сообщения (8.1).
Схема авторская, под одну антенну.
Получил дисплей NX8048P070-011C, подскажите как адаптировать прошивку под этот вариант дисплея?
Боюсь "окирпичить" дисплей, прошив чем то "не тем".

[RX3PX]

Тут выложил разные варианты прошивок дисплея, в том числе 7". Все проверены.

[RX3PX]

Протестировал сегодня софт, теперь линейка ксв показывает значения ксв не зависимо от входной мощьности.