Nach längerer Nachentwicklungszeit ist jetzt eine stabile Betriebsversion fertig geworden.
Ursprüngliche Idee war, ein Verstärkermodul von Victor, UA3QLC einzusetzen. Victor vertreibt dieses und weitere Module im Internet. Meine Absicht dabei war, nicht wochenlang mit Ferriten für die Breitbandübertrager experimentieren zu müssen.
So sah die Ausgangstransformation mit Leitungstrafos des originalen Victor-Boards aus (1. Ausführung).
Die ersten Messungen mit diesem Board fielen nicht zufriedenstellend aus. Auf 160 m war die maximal erzielbare Leistung von bis zu 1,2 kW vorhanden, zu höheren Frequenzen fiel sie aber stetig ab und ich erzielte auf 10 m kaum noch 600 W.
Es schien also zunächst nichts anderes übrig zu bleiben, als das Modul zu modifizieren. Es wurde schließlich mehrfach geändert: Die Modifikationen betrafen den Balun, die beiden Leitungstrafos, den Speisespannungs-Symmetriertrafo, alle in mehrfach geänderter Ausführung, in unterschiedlicher Wickeltechnik und mit unterschiedlichen Ferritmaterialien. Die einzelnen Ausführungen wurden immer zuerst messtechnisch bewertet. Leider waren die erzielten Verbesserungen immer noch unbefriedigend.
Da in meinem käuflich erworbenen LDMOS-Verstärker "nur" ein klassischer Breitbandtrafo eingesetzt ist, habe ich versucht, die für die Ausgangstransformation mit Leitungstrafos insgesamt notwendige Zahl von vier Kernen durch nur maximal 2 eines Breitbandtrafos zu ersetzen. Es wurden rund 8 Varianten mit unterschiedlichen Ferritmaterialien, Rohr- und Doppellochkernen und unterschiedlicher Wickeltechnik untersucht. Die Messtechnik ergab, dass eine breitbandige Anpassung nur mir kapazitiver Kompensation der Streuinduktivität an Ein- und Ausgang zu erzielen war.
Mit dieser simplen Breitbandtrafo-Anordnung konnte zum ersten Mal ein vergleichsweise ausgewogener Frequenzgang mit hinreichender Leistung von 20 m bis 10 m erzielt werden. Leider dafür etwas zu geringe Leistung am unteren Frequenzende.
Mit jeweils zwei hintereinander gesetzten Ferritrohrkernen wären Permeabilität und Kopplung auch bei tiefen Frequenzen sicher hinreichend gewesen - leider war in meinem bereits angefertigten Gehäuse kein Platz mehr für eine solche Anordnung.
Daher habe ich wieder eine Version mit Leitungstrafos aufgebaut, allerdings diesmal mit Ferritrohrkernen sehr viel geringerer Permeabilität (Material Amidon 61). Mit dieser Version war zum ersten Mal auch bei 10 m eine Leistung von gut 800 W zu erreichen. Die dennoch sehr hohe Verstärkung wurde mit einem nur bei 160 und 80 m aktivierten Dämpfungsglied so reduziert, dass mit einer Ansteuerung von etwa 30 W auf allen Bändern gleichermaßen die legale Leistung erreicht werden konnte.
Leider ergab eine erste Intermodulationsmessung einen völlig unzureichenden IM3-Abstand selbst bei nur 500 W Output. Hier schienen die Ferritrohre aus Material 61 in die Sättigung zu geraten.
Erst der Einsatz von Thora-T1-Kernen auf einem signifikant verbesserten Platinenlayout führten zu einer befriedigenden Lösung. Besonders das Layout der Platine ohne zusätzliche Verbindungsleitungen zur Verknüpfung der beiden 1:9-Trafos, sondern mit direkter Verschaltung der beiden Koaxialkabel (siehe Layout von W6PQL) und der zusätzlichen kapazitiven Kompensation der Streuinduktivitäten ließen die Ausgangsleistung auf den höheren Bänden auf zufriedenstellende Werte ansteigen.
Die Schaltung der gesamten zentralen Verstärkereinheit wurde ebenfalls zwischenzeitlich mehrfach modifiziert. Der aktuelle Zustand zeigt ein Eingangsdämpfungsglied von -6 dB mit abnehmender Dämpfung zu höheren Frequenzen (Kompensation des Frequenzgangs der Eingangs- und Ausgangstransformation), einen modifizierten Eingangsübertrager mit einem Übersetzungsverhältnis von 4:1 und niederohmige eingangsseitige Lasten an den Gates zur Gewährleistung einer symmetrischen Fet-Aussteuerung. Zur Sicherheit vor Überschreitung der kritischen geringen Grenzspannungen der Gates durch ALC-Überschwinger sind diese halbwellenweise durch schnelle Schalt- und in Serie geschaltete Zenerdioden geschützt. Zusätzlich sind, ebenfalls halbwellenweise, Suppressordioden parallel zum Trafoeingang geschaltet. Die Drains sind mit jeweils 330 pF kapazitiv nach Masse belastet und weisen einen zusätzlichen Kondensator von Drain zu Drain auf. Zwischen Leitungstrafos und Balun ist noch ein Kompensations-C von 22 pF eingefügt.
Die Schaltung des Eingangsteils zeigt die Sende-/Empfangsumschaltung, den eingangsseitigen Messrichtkoppler und das Eingangsdämpfungsglied. Eine mit dem Relais zuschaltbare Dämpfung von 5 dB wird nur auf den Bändern 160 m und 80 m aktiviert.
Da ich die PA nicht mit voller Transceiverleistung aussteuren möchte (IM3 des Steuersenders!), ist im Eingang der PA nur ein 8-dB-Dämpfungsglied vorgesehen und ein Richtkoppler, der die Leistung von etwa 30 W bei Nennaussteuerung misst und bei Übersteuerung die Bias-Spannung abschaltet. Der Richtkoppler ist eine einfache Ausführung mit einem Doppellochkern und etwa 20 dB Koppeldämpfung.
Das ist die Eingangsplatine mit der Sende-/Empfangsumschaltung, dem Eingangsdämpfungsglied und dem Messrichtkoppler für die Eingangsleistung. Genauigkeit des Richtkopplers: 0,12 dB. Das in den Eingang der PA gemessene SWR ist breitbandig besser als 1,3.
UA3QLC bietet im Internet auch Oberwellenfilter. Diese sind - für ausreichende HF-Strombelastbarkeit - an den Positionen der Kapazitäten mit teilweise mehr als 10 Keramik-Chip-Cs parallel bestückt. Nach Messungen einiger OMs neigen diese bei hoher Leistung und tiefen Frequenzen dennoch zur Überhitzung. Ich habe daher das Filter selbst entworfen und als Kondensatoren bedrahtete 1-kV-Glimmer-Cs eingesetzt. Die "krummen" C-Werte, die sich beim Entwurf für mindestens 26 dB Reflexionsdämpfung der Filterzüge ergeben, sind jeweils durch 2 Kondensatoren zusammengesetzt. Abweichungen von wenigen pF vom Sollwert sind dabei zulässig.
Typischer Verlauf von S21 (Transmission) und S11 (Eingangsreflexion) der Tiefpässe, exemplarisch dargestellt am 80-m-Tiefpass
Eine Filterschaltung mit Serieninduktivitäten an Ein- und Ausgang erlaubt das Heraustrimmen der Blindanteile der Zuleitung und Relaiskontakte durch einfaches Verschieben der Windungen auf den Ringkernen. Nur der notwendigerweise steilflankigere Tiefpass für 30/20 m war mit einer höheren Ordnungzahl realisiert worden. Die Cs an Ein- und Ausgang mussten geringfügig nachdimensioniert werden (Die Schaltung zeigt Rechenwerte. Nachdimensionierung von Leiterplattenlayout und Umgebung abhängig).
Das bestückte Oberwellenfilter mit Luftspulen, Ringkernspulen und 1-kV-Glimmerkondensatoren. Alle Tiefpässe sind so ausgelegt, dass die Durchgangsdämpfung höchstens 0,2 dB und die Reflexionsdämpfung im Durchlassbereich wenigstens 26 dB beträgt. Die typischen bedrahteten Keramikkondensatoren (blaue Isolationsfarbe, COG), die man auch für 2 kV und mehr erhält, wurden getestet und ergaben eine messbar höhere Durchgangsdämpfung. Das erschien mir unbrauchbar! Es sind 6 Tiefpässe realisiert für 160 m, 80 m, 40 m, 30/20 m, 17/15 m und 12/10 m.
So sehen meine beiden Leistungs-Richtkoppler im Ausgangspfad aus. Die einfache Version (links) zwischen Verstärkermodul und Tiefpassfiltern soll detektieren, ob man den richtigen Tiefpass geschaltet hat. Außerdem soll er das Ausgangs-SWR messen und bei SWR >2 die PA abschalten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Abschaltung nicht z.B. durch die 3. Oberwelle erfolgt, denn diese ist bei einer Gegentaktstufe typischerweise nur etwa 10 dB unterdrückt und wird natürlich zwischen Verstärkermodul und Tiefpass ebenso bewertet wie reflektierte Nutzleistung. Der präzise (kompensierte) Koppler am Ausgang dient nur der genauen Anzeige von Leistung und SWR. (Genauigkeit besser 2,5 %).
Die kleinen verzinnten Blechgehäuse findet man z. B. beim Verlag UKW-Berichte. Zur Konstruktion der Koppler siehe auch unter >Projekte "Automatisch anzeigender SWR- und Leistungsmesser".
Die Steuerung wertet die Ausgangsspannungen der beiden Richtkoppler vor und nach dem Verstärkermodul aus, gibt ein sinnvolles Timing der einzelnen Aktivierungen vor und sperrt die PTT im Standby, bei Fehlbedienung oder Betriebsfehlern. Eine solche Baugruppe entwerfe ich gerne diskret - so lässt sie sich am Einfachsten durchschauen, dimensionieren und testen. Die eingangsseitige Abschaltung bei Übersteuerung erfolgt mit einer gewissen Verzögerung, um Abschalten wegen ALC-Überschwingern zu vermeiden.
Die Steuerungs-Leiterplatte wird auf der Rückseite der Frontplatte montiert. Alle Betriebszustände und das eingeschaltete Band werden mit LEDs signalisiert.
Es ist mir gelungen, nochmals das bereits 2008 aufgebaute Leistungs- und SWR-Meter (siehe Projekte) zusammen zu bauen und die Software darauf zu laden. Durch seine Genauigkeit bietet es sich perfekt für den Einbau in die PA an. Auch diese Baugruppe ist direkt auf der Rückseite der Frontplatte montiert.
Die Versorgung der 12-V-Spannungsbaugruppen ist einfach. Ich habe ein kleines Schaltnetzteil verwendet und zur Versorgung der Lüfter eine simple Temperaturregelung aufgebaut. Der NTC hat Wärmekontakt mit dem Kupferblock des Verstärkermoduls. Das Verstärkermodul wird aus einem Netzteil mit 50 V und 32 A versorgt.
Aktuelle Blockschaltung der PA.
Die PA muss mechanisch stabil und weitgehend HF-dicht "verpackt" werden. Dazu sind aufwändige Metallarbeiten erforderlich. Das Gehäuse wurde nach der für mich bereits traditionellen Methode der Verschraubung von Aluminiumplatten mittels Profilschienen aufgebaut. Die Frontplatte habe ich bei der Schaeffer-AG, Berlin fräsen lassen.
Für eine funktionierende Kühlung sind ausreichende Luftein- und auslässe vorzusehen.
Nachdem die Oberflächenbehandlung der Gehäuseteile abgeschlossen ist, hier einige Bilder der fertig montierten PA.
Der Blick in die "Innereien" zeigt auf der Rückfront die große Platine mit den Tiefpässen. Links hinten in der Ecke ist der Ausgangsrichtkoppler zur Messung von Leistung und SWR. Vor den Tiefpässen ist das große Kühlaggregat für die PA montiert. Darauf links die Eingangsplatine mit der Sende-/Empfangsumschaltung. Rechts daneben der große Kupferblock mit dem PA-Modul. Ganz rechts der Richtkoppler, der zwischen PA-Modul und Oberwellenfilter geschaltet ist. Vorne ist unten das 50-V/32-A-Netzteil angeordnet und darauf das kleine 12-V-Schaltnetzteil montiert. Ganz vorne erkennt man die Frontplatte, deren Rückseite die Steuerungsplatine und das Anzeigemodul für Leistung und SWR trägt.
Hier nochmals deutlicher aus einer anderen Perspektive: Links hinten der Ausgangsrichtkoppler und rechts daneben die Tiefpässe. Davor die Verstärkereinheit.
Hier erkennt man die Beschaltung des BLF188 mit den eingangsseitigen Sicherheitskomponenten und den Kompensationskondensatoren an den Drains.
Hier nochmals die Dioden zum Schutz der Gates, die Widerstände zur symmetrischen Aussteuerung der Gates, die Suppressordioden vor dem Eingangstrafo und schließlich die Kompensations-Cs an den Drains. Im Vordergrund das nur im 160-m- und 80-m-Band aktivierte Dämpfungsglied.
So sieht die Front meiner neuen PA aus. Links der Bandwahlschalter mit der LED-Anzeige, in der Mitte die Schalter für Netz, Standby und Reset (im Fehlerfall). Darüber die dazu gehörigen Signalisierungsanzeigen und ganz rechts das Display für die Leistungs- und SWR-Anzeige. Schlicht und funktionell.
Die Rückseite der PA ist selbsterklärend.
Aktuelle Messergebnisse: Mögliche Betriebsleistung etwa 800 W je Band mit deutlicher Reserve. Der IM-Abstand beträgt bei Ansteuerung mit dem IC-7700 mit 40 dBc IM3-Abstand bei 25 W Ansteuerleistung und knapp 600 W Output der PA mindestens 30 dBc! (3 A Ruhestrom, ohne Gegenkopplung!).
Die Schutzschaltungen haben sich insofern bewährt, als ALC-Überschwinger z. B. meines FT-897 oder des IC-756proIII keinerlei Auswirkung auf die Abschaltung der PA haben oder - im schlimmsten Fall - zur Zerstörung des LDMOS-Fets führen. Die Begrenzerschaltung hat außerdem, wie sich nach ausgiebigen Messungen herausgestellt hat, keinerlei Auswirkungen auf die Linearität des Verstärkers.
Mit dem IC-756proIII kombiniert macht die PA eine gute Figur. Das Signal wird als sehr sauber beurteilt.
Noch ein Hinweis: Auch ich habe den überschwänglichen Aussagen geglaubt, ein BLF188 sei "unkaputtbar". Das Gegenteil ist der Fall! Abgesehen von den äußerst empfindlichen Gates sollte man beachten, dass die Kurzschluss-Demos im Internet mit der im Datenblatt angegebenen Betriebsweise, nämlich nur mit Mikrosekundenimpulsen durchgeführt wurden. Einmal ein falsch geschaltetes Oberwellenfilter am Ausgang und ein kurzen Druck auf die CW-Taste - und schon ist der BLF188 hin. Konnte es nicht glauben, aber es hat sich leider mehrfach bewahrheitet!
Auch bin ich nicht geneigt, die unglaubwürdigen Fantasiewerte bezüglich Ausgangsleistung und Intermodulation mancher Selbstbauer von Verstärkern mit nur einem BLF188 im Internet zu akzeptieren. Es kann nicht sein, dass ein BLF188 in einer Standardschaltung ohne Gegenkopplung plötzlich nicht nur eine extrem hohe Leistung bis 30 MHz liefert, sondern auch noch um bis zu 10 dB bessere Intermodulationswerte zeigt. Hier ist gesunde Skepsis angebracht!
Trotz erheblicher Bedenken habe ich zur Verbesserung der Linearität noch eine Gegenkopplung eingeführt. Sie besteht aus zwei belastbaren Widerständen von 500 Ohm vom jeweiligen Drain zum Gate (vor dem Serien-C). Die Verbesserung des IM-Abstands liegt aber nur bei einigen wenigen dB. Nach einem Fehlerfall wurde sie allerdings wieder entfernt! Daher Vorsicht!