Eine Röhren PA ist zwar vorhanden, jedoch stören mich daran ein paar Dinge (lange Vorwärmzeit, Lüfter, Einstellungen bei Bandwechsel usw). Auch wenn damit geplante Wochenend-QSO Runden sehr gut gehen, sind spontane QSO oder "mal reinrufen" mit mehr als 100W nicht möglich. Daraus entstand der Wunsch nach einer Transistor PA. Einschalten und sofort QSO fahren, das ist das Ziel.
Hinweis: in DL ist eine maximale Leistung von 750 Watt zulässig. Die Endstufe wird trotzdem für 1kW ausgelegt denn durch die Reserve nach oben steigt die Qualität des Ausgangssignals.
Vor so einem Projekt empfiehlt sich eine sorgfältige Recherche um Ideen und Informationen zu sammeln.
Möglichkeiten zur Realisierung:
Die erste mir bekannte Mosfet PA stammt aus den 90er Jahren und wurden von Arno DL9AH aufgebaut. Etwas später folgten weitere sehr ähnliche PAs (siehe auch DK6AE, DL4JAL und auch viele OMs im englischsprachigen Raum haben so ein Konzept umgesetzt). Hier werden sehr preisgünstige IRF510 Mosfets verwendet, und zwar sehr viele parallel um den benötigen Strom abdecken zu können.
Ich habe ebenfalls ein paar Experimente mit diesen Transistoren gemacht, die auf den unteren Bändern durchaus ganz gute Ergebnisse lieferten. Es gibt heute auch deutlich leistungsfähigere billige Mosfets welche ebenfalls hohe Schaltgeschwindigkeiten haben um zumindest bis zum 20m Band zu kommen. Das Hauptproblem ist es die Verlustwärme in den Kühlkörper zu bekommen. Die billigen Mosfets sind für Schaltbetrieb mit hohen Wirkungsgraden ausgelegt. Der Wärmewiderstand vom Chip zum Gehäuse ist einfach zu groß um die Verlustleistung im AB Betrieb (Ruhestrom x Versorgungsspannung) schnell an den Kühlkörper abgeben zu können. Beim Einsatz einer wahnwitzig großen Zahl von kleinen IRF510 wurde dieses Problem elegant umschifft, da jeder Transistor seine eigene (geringe) Wärme separat abgeben kann.
Vorteil dieses Konzepts: geringe Kosten für die Transistoren
Nachteil dieses Konzepts: sehr hoher mechanischer Aufwand und kaum mehr Verstärkung über dem 20m Band
Hauptsächlich aufgrund des hohen Aufwands habe ich weitergesucht und man stößt unweigerlich auf Kilowatt Endstufen mit LDMOSFET Transistoren. So ein LDMOSFET beherbergt 2 Mosfets in einem Gehäuse und es gibt Typen die mehr als 1kW schaffen. Das reduziert den mechanischen Aufwand ganz erheblich.
Bei der Suche nach Endstufen mit diesen LDMOSFETs merkt man sehr schnell dass einer vom anderen abschreibt, denn alle Konzepte ähneln sich wie ein Ei dem anderen.
Ein Platinensatz stammt von R3KBO bzw UA3QLC. Viele OMs die diese Platinen betreiben haben durchaus Erfolg, schreiben aber dass die Platine sehr heiß wird und es gibt einige Berichte über entsprechende Umbaumaßnahmen. Eine weitere Platine stammt von einem OM aus Israel und es gibt noch schöne Berichte aus USA von z.B. KF8OD und vor allem von meinem bevorzugten Konzept von W6PQL.
W6PQL hat meiner Meinung nach von allen das beste Layout. Die Leiterbahnführung würde ich schon fast als optimal bezeichnen. Schaltungstechnisch ist es wieder ähnlich zu den anderen Konzepten. Aus irgendeinem Grund hat er auf Schutzdioden verzichtet, das Risiko würde ich aber nicht eingehen wollen. Auch in DL gibt es viele OMs die sich mit dieser Technik befassen, als kleine Auswahl siehe bei: DK4SX, DL5OCD, OV-B26(DH3NAB) und viele andere mehr. Besonders hervorheben möchte ich den Bericht von PA0FRI (mit google übersetzen). Er hat sich enorme Arbeit gemacht und viele Kerntypen und Wicklungsmethoden getestet und sauber dokumentiert. Zu guter Letzt landet aber auch er wieder bei dem üblichen Konzept das auch die anderen benutzen, ein Konzept mit Rohrkernen welche mit Koaxkabel bewickelt sind.
Die Entscheidung:
Ich werde ebenfalls LDMOS Transisoren benutzen und mich auch an das grundsätzliche Konzept der anderen Platinen halten, allerdings ein paar mir wichtige Ergänzungen vornehmen. Das Layout des Ausgangskreises werde ich nach W6PQL machen, besser geht es wirklich nicht.
Auf die Platine sollen zusätzlich:
Die Schaltung:
zunächst die Eingangsseite, von der Eingangsbuchse bis zu den Gates der LD-Mosfets (zum Vergrößern anklicken):
diese Seite enthält die PTT Schaltung mit dem Eingangsrelais sowie die Erzeugung der Vorspannung, welche ich nach W6PQL gemacht habe. Sowohl der Eingang als auch die Gates haben Schutzdioden,
Und hier die Ausgangsseite (zum Vergrößern anklicken):
der Ausgangskreis ist so realisiert wie es fast alle OMs machen. In der Plusleitung ist eine zusätzliche Drossel und die Siebung ist ebenfalls kräftiger ausgefallen als in anderen Aufbauten. Zusätzlich habe ich einen 5 Milliohm-Shunt eingebaut, wo der Strom gemessen werden kann. Und schließlich ist hier auch das Ausgangsrelais, ein kräftiger Relaistyp, der gemeinsam mit dem Eingangsrelais umgeschaltet wird. Damit spare ich mir eine zusätzliche Platine für die RXTX Umschaltung.
Die Platine:
um alle diese Wünsche zu realisieren wurde eine eigene Platine aufgelöst. Die Platine hat eine etwas dickere Kupferauflage (70um, normal sind 35um) und auf der Unterseite eine durchgehende Massefläche. Im folgenden Bild sind zunächst alle SMD Bauteile bestückt:
die Platine wird vor der Montage in zwei Hälften getrennt, den Eingangsschaltkreis und den Ausgangskreis mit Stromversorgung.
Danach folgt die Bestückung mit den Ferritkernen:
links der kleine Rohrkern für den Eingangsübertrager 4:1. Der Schirm des Koaxkabels ist (für jede Hälfte der Gegentaktendstufe) einmal durch den Kern gewickelt. Es ist nicht sofort ersichtlich, aber es handelt sich um genau eine Windung pro Transistorhälfte, also insgesamt 2 Windungen. Der Innenleiter wird doppelt so lang gelassen und nochmals 2x durchgefädelt, insgesamt dann also 4 Windungen.
Den Wicklungssinn der Ausgangskerne hat W6PQL perfekt beschrieben, bei Interesse sehe man seine Bilder an. Ich habe sie genauso gewickelt. Die Kerne oben und unten bilden die 1:9 Transformation, der Kern rechts arbeitet als Balun um das symmetrische Signal an den unsymmetrischen 50 Ohm Ausgang anzupassen.
Der dicke weiße Kern ist die Drossel für die Stromversorgung der Mosfets. Da er mit Lackdraht bewickelt wird habe ich ihn zuerst mit Teflonband (Sanitär-Installationsbedarf) geschützt, sonst könnten die Kanten des Kerns die Lackschicht beschädigen.
Die kleine Drossel rechts ist eine zusätzliche Speisedrossel. In den meisten Konzepten fehlt diese, ich habe mir aber gedacht dass man bei 1 Kilowatt Leistung schon etwas mehr Auswand für die Siebung der Versorgungsspannung treiben sollte.
Rechts oben ist ein Präzisionsshut mit 5 Milliohm zu sehen. Bei Bedarf kann man dort noch einen kleinen Kühlkörper aufschrauben. Bei einem Strom von 35A fallen dort 175mV ab wobei 6 Watt Wärmeleistung entstehen. Bei Dauerbetrieb mit voller Ausgangsleistung werde ich den Shunt also etwas kühlen müssen, ein kleiner Minikühlkörper mit ca. 10 Grad/W sollte ausreichend sein. Die am Shunt abfallende Spannung wird gemessen und daraus der Strom berechnet.
der Kühlkörper:
die Verlustleistung des Doppel-LD-Mosfets ist durch den AB Betrieb sehr hoch. Bei 50V Versorgung und 2A Ruhestrom beträgt die Verlustleistung schon ohne Sendesignal 100 Watt. Im Sendebetrieb kann sie bis zu 500W ansteigen. Ein ausreichend dimensionierter Kühlkörper mit Lüftern ist selbstverständlich, aber man muss die Hitze auch vom Transistor schnell in den Kühlkörper bringen. Ein einfaches Aufschrauben des Transistor auf einen Kühlkörper erfüllt diese Anforderung nicht.
Man löst dieses Problem durch Einsatz eines "Heat-Spreaders", das ist nichts anderes als eine dicke und große Kupferplatte. Der Transistor wird auf diese Kupferplatte direkt aufgelötet und hat somit eine ideale thermische Kopplung. Kupfer ist ein guter Wärmeleiter und erhitzt sich schnell und ziemlich gleichmäßig. Diese Kupferplatte ist auf den eigentlichen Alu-Kühlkörper aufgeschraubt. So kann die Wärme sehr schnell und effektiv vom Transistor in den Kühlkörper gelangen.
Das ist dieser Heat-Spreader:
die Ausfräsung in der Mitte dient der Zentrierung des LDMOSFETs während des Auflötens. Die kleinen Bohrungen sind zur Befestigung der Platinen mit gutem Massekontakt. In die großen gesenken Bohrungen kommen M6 Inbusschrauben mit denen die Kupferplatte fest mit dem Alukühlkörper verschraubt wird. Die anderen Ausfräsungen sind Freistellungen für die Platine an Stellen mit Anschlüssen oder bedrahteten Bauteilen (z.B. Relais). Diese Ausfräsungen braucht man nicht unbedingt, man kann die Kupferplatte einfach auch etwas kleiner machen.
So sieht die Kühleinheit von der anderen Seite aus.
die Kupferplatte ist ein Stück größer als der Alukühlkörper, dort montiere ich später Temperatursensoren.
Das ganze Teil ist 200 x 102 mm groß, die Rippen sind 32mm hoch. Zusammen mit zwei kugelgelagerten und flüsterleisten Papst Lüftern wird ein Wärmewiderstand von 0,05 Grad/Watt erreicht. Bei einer Verlustleistung von satten 500 Watt würde der Kühlkörper also nur 25 Grad wärmer werden. Soviel Kühlleistung braucht man im SSB Betrieb nicht, weshalb die Lüfter eine langsame Stufe haben wo man sie überhaupt nicht mehr hört.
Und hier der aufgelötete Transistor:
zum Löten habe ich Kupferplatte sowie den Mosfet mit Reflow-Lötpaste eingestrichen, und zwar mit bleifreier Lötpaste weil diese das bessere Flussmittel haben. Dann gings in die Küche zur Schnellkochplatte. Kupferplatte direkt draufgelegt, Platte eingeschaltet und nach wenigen Minuten konnte man gut sehen wie die Lötpaste schmilzt. Dann habe ich noch den Mosfet etwas geschoben und gut angedrückt sowie sie beiden zusätzlichen Messinglaschen eingelegt, und das ganze von der Kochplatte weggeschoben. Bis das Lötzinn fest wurde, habe ich den Mosfet noch angedrückt damit er nicht aufschwimmt. Das Lötzinn war nach einer knappen Minute fest.
In Youtube findet man Videos wo zuerst die Kupferplatte auf knapp 400 Grad erhitzt wird (wozu eigentlich so hoch ? Bei mir reichten knapp 250 Grad vollkommen aus) und dann der Mosfet ins flüssige Zinn gelegt wird. Das kann ich nicht empfehlen, der Temperaturschock für den Transistor ist gewaltig, auch wenn es ihm kaum etwas auszumachen scheint. Ich lege den Transistor bereits auf die kalte Kupferplatte, so kann er sich langsam erwärmen.
Montage der Platinen:
Zuletzt wurden die Eingangs-und Ausgangsplatine direkt auf den Kühlkörper (ohne Abstand) geschraubt und Transistor sowie die Masselaschen festgelötet:
natürlich habe ich zuvor bereits die korrekte Funktion der PTT Schaltung, der Relais und der Vorspannungserzeugung getestet.
erste Inbetriebnahme:
wenn man die Kosten eines BLF188 bedenkt, so ist bei der Erstinbetriebnahme eine gewisse Nervosität normal und auch angebracht. Ich gehe langsam und in kleinen Schritten vor.
Als erstes muss man das Poti (Vorspannung) so drehen, dass der Schleifer fast auf Masse liegt. Damit ist die Vorspannung minimal !
Zunächst mal die Verdrahtung:
* +12V von einem kleinen strombegrenzten Netzteil, wird nur für PTT, Relais
und Vorspannung benötigt, evt. noch für die Lüfter.
* Schalter an die PTT Leitung gegen Masse
* an den Ausgang ein qualitativ hochwertiges Oberwellenfilter für eine Frequenz
(ich teste zunächst immer im 40m Band)
* kräftige 50 Ohm Dummyload und parallel dazu ein Oszilloskop
* an den Eingang ein Transceiver
es hat sich gezeigt, dass die Verstärkung sehr hoch ist. Übliche Transceiver mit ihren minimal 3 oder 5 Watt führen bereits zur Vollaussteuerung der PA. Daher habe ich ein 10dB Dämpfungsglied aus 5 Watt Widerständen vorgeschaltet.
Schritt 1:
Als Versorgungsspannung schließe ich ein kleines Netzgerät mit 30 Volt und Strombegrenzung von 2,5A an. Im Falle eines Fehlers wird damit wohl noch nichts passieren.
Jetzt wird das Poti für die Vorspannung solange gedreht bis ein Ruhestrom von 1A fließt (kann später noch erhöht werden)
Jetzt betätigt man die PTT und legt Minimalleistung an, bei mir 3 Watt abzgl. 10dB, also ca. 0,3 Watt. Am Oszilloskop prüfe ich die Ausgangsspannung der PA direkt an der Dummyload. Die Spitze-Spitze Spannung an 50 Ohm kann man sich mit einer Exceltabelle bequem ausdrucken und so mit dem Oszi die Leistung messen: P[Watt] = Uss*Uss/400
Beispiel für ein 10dB Dämpfungsglied:
Bei dieser Anordnung habe ich ca. 15 Watt gemessen, allerdings war das Netzteil da schon über seiner Belastbarkeit und hat runtergeregelt. Aber egal, ich wollte nur wissen ob es prinzipiell funktioniert und keine Fehler da sind.
Schritt 2:
Jetzt kommt das kräftige 50 Volt Netzteil zum Einsatz, ich habe eines mit 20 A Maximalstrom. Die Plusleitung wird über einen Angstwiderstand angeschlossen. Angst deshalb, weil man jetzt immer noch Angst haben sollte dass einem etwas um die Ohren fliegt. Als Widerstand habe ich in der Bastelkiste einen mit 3,9 Ohm / 10 Watt gefunden. Damit wird auch im Kurzschlussfall der Strom kaum größer als 12A, was man dann aber sofort am verkokelnden Angstwiderstand riechen würde.
Damit konnte ich die Ansteuerleistung etwas erhöhen und habe Ausgangsleistungen von knapp 100 Watt gemessen. Jetzt hatte ich die Sicherheit dass alles in Ordnung ist und keine Fehler mehr vorliegen
Schritt 3:
der Angstwiderstand wird entfernt, dass 50V Netzteil also direkt an die Platine angeschlossen.
Die Ansteuerleistung wurde jetzt langsam erhöht, bis bei 520 Watt Ausgangsleistung mit 20A Stromaufnahme die Leistungsgrenze meines Netzteils erreicht war.
Bei den kurzen Testsendungen konnte keine wesentliche Temperaturerhöhung des Kühlkörpers festgestellt werden (ohne Lüfter), daher werde ich später die Lüfter mit nur 5V (statt 12V) langsam laufen lassen wobei sie unhörbar sind. Nur bei Temperaturen über 45 Grad werde ich auf 12V schalten.
Hinweise zum Ausgangsfilter siehe HIER.
Betriebserfahrungen:
Nach mehreren Tagen Funkbetrieb bin ich sehr zufrieden, alles läuft wie geplant.
Die Kühlkörpertemperatur ist bei längeren Durchgängen deutlich. Ich schalte jetzt bei 37 Grad den Lüfter ein und bei unter 33 Grad wieder aus. Bei kurzen SSB Durchgängen wird der Lüfter nicht benötigt, bei längeren Durchgängen aber schon. Dauerstrichbetrieb ist bis zu 2 Minuten möglich, dann erreicht der Kühlkörper mit Lüfter 60 Grad, was ich mir als Maximaltemperatur vorgestellt habe. Da ich Dauerstrich auf Kurzwelle aber nicht benötige (zumindest nicht mit 1kW, denn wozu PSK31 mit 1kW machen), brauche ich mir über die Kühlung keine weiteren Gedanken mehr zu machen.
Das Meanwell-Netzteil hat zwei kleine Lüfter die einen erheblichen Lärm machen. Daher schalte ich das Netzteil nur während des Sendes mit einem Relais ein. Im Empfangsbetrieb ist es vom Netz getrennt, was auch der RX-Empfindlichkeit zugute kommt da die ganzen Meanwell Schaltnetzteile einen Rauschflor von ca. 1 S-Stufe erzeugen.
Das Power/SWR Messgerät (siehe hier) hat 2 Schaltausgänge. Sobald die PTT vom Transceiver gezogen wird schaltet zuerst das Meanwell Netzteil ein und 0,5s später wird die PTT der Endstufe zugeschaltet. Beim Loslassen der PTT gibt es eine kurze Verzögerung von 2 Sekunden bevor das Netzteil ausgeschaltet wird.
Test-QSO:
Am 14.5.17 fand ein 20m QSO mit PA1EJO statt, die Sendeleistung waren 600 Watt. OM Ernst war so freundlich das Signal mit seinem SDR aufzuzeichnen und mir die IQ Datei zur Analyse mit SDR# zuzusenden. Er hatte den SDR an einer Aktivantenne hängen.
Das interessante ist die Breite der Aussendung da man hier z.B. einen falsch eingestellten Ruhestrom erkennen kann. Ich stelle 1,5A ein, das ist etwas weniger als andere OMs die mit 2A oder sogar 2,5A arbeiten. So hohe Ruheströme verbessern die Linearität etwas sorgen andererseits aber für einen schlechten Wirkungsgrad. Daher war ich gespannt wie das Signal mit 1,5A aussieht. Wie man erkennen kann sieht es sehr gut aus. Es ist schmal und ohne Nebenaussendungen, ich bleibe also bei 1,5A Ruhestrom.