IW3SGT - THE MIKROBOOSTER un piccolo amplificatore QRPP (0,5-1W) per le LF/MF (50-500kHz)

Mi serviva qualcosa per cominciare i primi esperimenti nella nuova banda dei 630m (472-479 kHz) e dovevo tener conto delle mie sorgenti: un generatore di funzioni HP "stagionato" (50mV-10V), un oscillatore canned opportunamente diviso (5V TTL) e non meno importante il mio Kenwood TS590S che dispone l'uscita drive con circa 0 dBm (220mV). Volevo qualcosa di semplice e robusto, 200mW in classe C erano più che sufficienti, magari anche con una banda passante abbondante che arrivi ai 137kHz. Non ho "inventato" niente, ho semplicemente modificato uno schema già sperimentato da altri colleghi OM per i beacon QRPP in HF (ad esempio qui: http://www.hanssummers.com/qrsskit.htm dove si trovano anche vari kit) ottenendo un amplificatore che "tirato" arriva a 2W su 50 Ohm. Il trimmer che regola la tensione DC sul GATE dei MOS è necessario per far lavorare i dispositivi leggermente fuori dalla classe C così aumenta la potenza di uscita e si eliminano gli spike sul DRAIN dei MOS. La resistenze sui SOURCE, aggiunte nella versione V1, mi sono state utili per uniformare le correnti a vuoto dei 4 MOS visto che questi semiconduttori presentano una dispersione delle caratteristiche marcata anche se appartenenti allo stesso lotto. Nella versione V2 ho aggiunto un trasformatore 2:1 in uscita per adattare l'uscita a 50 Ohm e nella V3 il trasformatore ha sostituito l'induttanza tra il positivo di alimentazione e i DRAIN.

Schema dell'ultima versione V3 (clicca qui o sull'immagine per ingrandirla):

Piedinatura 2N7000 e BC547B:

Per il trasformatore di uscita ho usato un toroide della EPCOS (codice B64290L618X830, Ring core R 25.3x14.8x10, N30, 4620nH, specifiche: http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0090/0900766b80090f86.pdf), 16 spire per il primario e 8 per il secondario. Per il dimensionamento del filtro passa basso per la banda dei 630m ho usato il programma Elsie della Tonne Software scaricabile qui http://tonnesoftware.com/elsie.html (suggerito da Matteo IV3YNB). Per sapere quante spire dovevo avvolgere sui toroidi della Amidon (T68-3) ho usato un altro programma: Mini Ring Core Calculator di DL5QWB, scaricabile qui: http://www.dl5swb.de/html/mini_ring_core_calculator.htm . I valori di induttanza sono stati misurati con un ponte RLC della TTI e con il tuttofare MFJ259B confermando l’affidabilità del software. Per i 18uH avvolgere 30 spire su T68-3, e per 29uH avvolgere 39 spire su T68-3.

Il primo prototipo (V0) in fase di costruzione, come al solito su millefori:

Il primo prototipo (V0) senza le resistenze sui SOURCE:

Le prime prove e le modifiche passo passo, dalla versione V0 alla V3 V1 - Le prime prove le ho fatte regolando la corrente a vuoto dei MOS sui 40mA ipotizzando circa 10mA per MOS. Provando vari MOS, anche di lotti diversi, solo con le resistenze di 12 Ohm sul SOURCE sono riuscito a contenere le variazioni di assorbimento sull’ordine di +- 3mA a dispositivo.

Prove su carico da 50 Ohm senza filtro passa basso in uscita. Da notare che la forma d'onda in uscita non presenta gli spike (pericolosi per i MOS) tipici delle classi C/D dovuti alla commutazione ON-OFF su un induttore.

Prove su carico da 50 Ohm con filtro passa basso, 0,5W out (2W in) e 1W out (2,9W IN):

Aumentando la corrente di riposo da 40mA a 280mA si ottengono ben 2W out (4,3 IN) ma i MOS diventano roventi:

V2 - Visto che il rendimento aumentava con l'aumento della potenza in uscita era evidente che l'amplificatore soffriva di un disadattamento di impedenza. Secondo le formule del ARRL Handbook il carico in uscita è pari a V2/P, dove V è la tensione di alimentazione e P è la potenza di uscita, nel mio caso con 13V e 0,5W siamo a 340 Ohm e con 1W a 170 Ohm. In pratica è necessario un trasformatore in uscita a scendere per un rapporto spire compreso tra 2,6 e 1,8. Dopo vari esperimenti, il compromesso migliore per restare nel range 0.5-1W era con un primario di 8 spire e un secondario di 4. Regolato l'assorbimento dei MOS a vuoto a circa 60mA si ottengono 0,5W out con circa 2Vpp in con un assorbimento totale di 90mA per un rendimento del 43%. Con i 15V di alimentazione e 5Vpp IN si arriva a una potenza massima di 1W con un assorbimento totale di 127mA per un rendimento del 54%. A 1W out i MOS non sono eccessivamente caldi neanche dopo 60 minuti di key down ! Aumentando la tensione di alimentazione a 18V la potenza in uscita aumenta, il rendimento scende e  i MOS cominciano a scaldare in modo sensibile. La banda passante senza filtro a -3dB va da 50kHz a 500kHz con un leggero massimo (+0.8dB) a 200kHz.

Misure

Test di 1 ora a 1W key-down della versione V2

Verifica armoniche nel range 0-2MHz a 1W out (-48dBc e -53dBc)

V3 - sostituzione dell'induttanza sul DRAIN con un trasformatore con rapporto spire 16:8 ed eliminazione del trasformatore 8:4.

Schema del filtro passa basso del 7° ordine:

La risposta calcolata:

L'analisi Montecarlo (tolleranza componenti de 10%):

La realizzazione:

La risposta in frequenza: Normalizzando  si ottiene: 499 kHz > -1 dB 546 kHz > -2 dB 575 kHz > -3 dB 643 kHz > -6 dB 715 kHz > -10 dB 788 kHz > -15 dB 897 kHz > -20 dB 978 kHz > -25 dB 1114 kHz > -30 dB 1203 kHz > -35 dB 1334 kHz > -40 dB 1406 kHz > -45 dB 1500 kHz > -50 dB Attenuazione in banda da 0.5dB a 50kHz a 1dB a 499kHz. (l'Agilent si piantava perciò l'ho fatto a mano)

 

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