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U02 – SDR
Baumappe
Erweiterungen des OV U02
zu den Lima SDR RX und TX Platinen
100W MOSFET Gegentakt PA
Version: 1.2
Autor und Entwickler: DJ0ABR
OVV-U02 und Tester der Prototypen: DH5RAE
Die hier beschriebenen Baugruppen und alle zugehörigen
Informationen sind für rein private Zwecke frei verfügbar. Jede kommerzielle
Nutzung, jegliche Vervielfältigung oder Veröffentlichung (auch im Internet)
bedarf unserer Zustimmung. Wir weisen ausdrücklich darauf hin, dass diese
Baubeschreibung nur für technisch versierte Funkamateure vorgesehen ist. Vor
dem Aufbau sind alle Details sorgfältig zu prüfen, wir übernehmen keinerlei
Haftung für Irrtümer oder Fehler, die einwandfreie Funktion der Baugruppen
oder die Vollständigkeit oder Fehlerfreiheit der Stücklisten. Wer nicht über
die erforderlichen Fachkenntnisse verfügt, oder kein lizensierter Funkamateur
ist, darf diese Baugruppen nicht in Betrieb nehmen ! Bei einer Inbetriebnahmen
ist durch geeignete Messmittel festzustellen ob die gesetzlichen Grenzwerte
eingehalten werden.
Diese 100W-PA ist eine ganz eigenständige Gegentaktendstufe mit den bekannten RD100HF1 Mistubishi MOSFETs wie sie zB auch im FT950 zum Einsatz kommen. Sie benötigt einige Watt Eingangsleistung und passt dadurch optimal zur U02-10W-PA. Man baut also zunächst die 10W-PA auf und kann diese dann bei Bedarf mit der 100W-PA erweitern. Beide PAs haben 50 Ohm Ein- und Ausgänge und können daher auch separat zum Einsatz kommen.
Im Internet finden sich viele Ansätze eine solche 100W-PA zu bauen, die meisten davon verliefen im Sand und man hört nichts mehr davon.
Nachdem ich diese PA gebaut habe, weiß ich auch warum: Diese 100W-PA ist das mit Abstand komplizierteste Projekt das ich seit langem in Angriff genommen hatte. Hier kommt es auf jede Kleinigkeit an, Layout, Kernmaterial, Kondensatoren, Kompensierung usw usw. , oh mann das hat mich einge schlaflose Nächte gekostet. Jeder der so ein Projekt in Angriff nimmt sollte genug Proviant zuhause haben um sich längere Zeit im Bastelkeller verkriechen zu können.
Die meisten Schaltungsvorschläge sind einer Applikationsschrift nachempfunden: ANVHF027B(RD100HHF1 PP).pdf. Diese habe ich ebenfalls nachgebaut, die Ergebnisse waren aber ernüchternd. Offensichtlich funtioniert diese Schaltung nur mit den originalen Ferritmaterialien die es bei uns nicht gibt. Daher musste ich dieses Konzept auf Amidon-Kerne umändern, was nach ca. 8 ausprobierten Kernen endlich geklappt hat.
Entscheident ist auch ein optimales Layout um die hohen HF Ströme niederohmig leiten zu können, hier kommt es auf jedem mm an. Alle Pfade mit hohem Stromfluss sind sehr kurz und dick ausgeführt sind und die Kondensatoren als SMDs montiert sind um Induktivitäten durch Anschlussdrähte zu vermeiden. Außerdem wurde ein großer Eingangsübertrager gewählt. Es hat sich herausgestellt, dass der gerne verwendete BN43-202 auf 160m nicht ideal ist, selbst dann nicht wenn man zwei parallel schaltet.
Diesmal ist der Frequenzgang sehr gut und es werden folgende Leistungen erreicht (an einer Dummyload):
| Band | absolute Maximalleistung |
Nutzbare Leistung [W] |
Stromaufnahme bei 100 W |
Wirkungsgrad bei 100 W |
| 160m | 156 W | 120 W | 13,7 | 54,9 % |
| 80m | 156 W | 120 W | 16,7 | 45,0 % |
| 40m | 121 W | 105 W | 13,5 | 55,7 % |
| 30m | 144 W | 110 W | 16,1 | 46,7 % |
| 20m | 132 W | 110 W | 15,3 | 49,1 % |
| 17m | 150 W | 120 W | 15,7 | 47,9 % |
| 15m | 150 W | 120 W | 13,2 | 57,0 % |
| 12m | 160 W | 125 W | 16,1 | 46,7 % |
| 10m | 150 W | 120 W | 19,6 | 38,4 % |
Üblicherweise wird man mit der "nutzbaren Leistung" arbeiten, da
dort die Linearität noch gut ist (z.B. für SSB).
Für CW oder FM kann man natürlich ans Maximum gehen da dort die Linearität
nicht entscheidend ist.
Jedenfalls ist das Ziel auf allen Bändern sichere 100 W zu erreichen erfüllt. Dafür ist eine Eingangsleistung von 5 bis 10W erforderlich womit diese 100W-PA optimal zur 10W-PA passt.
Die Welligkeit von 1,8 MHz bis 30 MHz ist mit maximal 1,1 dB auch recht gut
für eine Endstufe dieser Leistungsklasse.
Ich habe durch einen hohen Ruhestrom von insgesamt 4A nur einen mäßigen
Wirkungsgrad erreicht, allerdings ist bei höheren Ruheströmen die Linearität
besser was mir wichtiger war als ein paar Ampere zu sparen.
Wer mit Maximalleistung arbeiten will sollte ein kräftiges Netzteil haben, da die Endstufe dann schon mal bis zu 28 A konsumieren kann.
Schaltung (zum Vergrößern anklicken):
Stückliste:
sämtliche Bauteile sind in SMD Ausführung vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass mit bedrahteten Bauteilen keine guten Ergebnisse erreicht werden können. Damit ihr es einfach habt, habe ich die großen 1206er SMD Teile genommen. Die Montage ist damit wirklich kein Problem.
Der Eingangstrafo TR1 ist auf der Ein- und Ausgangsseite kompensiert um ein gutes Eingangs-SWR zu erhalten.
Die beiden MOSFETs haben zwei antiserielle Z-Dioden am Eingang. Diese schützen das empfindliche Gate vor Überspannung die bei Bastel- oder Einstellarbeiten auftreten könnte. Auch R8 und R9 sind Schutzwiderstände. Die Transistoren werden als letztes eingebaut, bis dahin sollte man sie wie rohe Eier behandeln und keinesfalls statische Aufladung auf das Gate bringen. Achtet man auf gute Erdung von Hand, Lötkolben und Arbeitsunterlage, so kann kaum was passieren.
Mit den Potis R18 und R19 werden in jedem Transistor 2A Ruhestrom eingestellt.
Auch der Ausgangstrafo ist kräftig kompensiert. Gerade auf der Ausgangsseite muss alles so kurz und niederohmig wie möglich sein, daher sind vor allem hier kräftige SMD Bauteile oberste Pflicht. Das dankt die Endstufe durch eine satte Leistungsabgabe von weit über 100 Watt. Auf manchen Bändern habe ich Maximalleistungen von bis zu 190 Watt gemessen.
Die Sende-/Empfangsumschaltung wird mit je einem Relais am Eingang und einem am Ausgang durchgeführt. Im RX Betrieb wird das Empfangssignal von RTX-Bypass1 zu RX-Bypass2 geführt und zwar durch ein externes Koaxkabel. Dieses externe Kabel vermindert das Risiko von Verkopplungen zwischen Ein- und Ausgang.
Mit der Steckbrücke JP3 kann man einstellen ob die PTT Leitung bei TX auf Plus oder auf Masse ist. Beim Lima SDR geht sie bei TX auf Plus.
Bestückungsplan:
Layout Bestückungsseite:
Bestückungshinweise:
Noch ein Hinweis von DJ8UZ: beim Ausgangsrelais ist nur ein Schaltkontakt benutzt, der andere frei. Man könnte beide Kontakte parallelschalten um die Stromfestigkeit zu erhöhen. Dazu werden einfach mit 3 Drahtbrücken auf der Platinenunterseite die Relaiskontakte verbunden.
Ist man soweit, so ist die Platine fertig grundbestückt. Jetzt fehlen noch die Trafos, die 100W-Mosfets sowie die beiden Rs und Cs der Gegenkopplung, welche später direkt über die Mosfets gelötet werden.
Jetzt ist es an der Zeit die Trafos herzustellen:
TR1: Die Ausgangswicklung besteht aus einer einzigen Windung mit 1,8qmm versilberter Teflonlitze. In der Mitte der Windung kratzt man die Isolation ab und lötet dort die Anzapfung hin. Jetzt kann man für die Eingangsseite 2 Windungen mit versilberter Teflonlitze mit ca. 0,22qmm (oder was immer man bekommen kann und hineinpasst) bewickeln.
TR2: Die Wicklung zu den Mosfets besteht aus einer Windung mit Mittelanzapfung. Diese Windung wird mit enormen Strömen belastet und muss außerdem von 1.8MHz bis 30MHz optimal koppeln. Das ist mit einfachem Draht unmöglich. Daher wird hier eine spezielle Konstruktion gemacht, wie sie bei solchen Endstufen üblich ist.
Man steckt zwei dünne Messingröhrchen durch die Löcher des Doppellochkerns. Jedes Röhrchen stellt eine halbe Windung dar. Bei der Mittelanzapfung verbindet man die Röhrchen. Die Ausgangswicklung aus 5 Windungen versilberter Teflonlitze 1,8qmm wird durch die Röhrchen gewickelt. Das ergibt eine optimale Kopplung zwischen Ein- und Ausgang. Zur Befestigung und Anschluss der Messingröhrchen fertigt man aus Resten von kupferkaschierten Platinen entsprechende Halteplatten.
Die SMD Kondensatoren C20, C23, C26 und C30 werden direkt auf diese Halteplatten gelötet.
Jetzt bestückt man die Trafos TR1 und TR2 auf die Platine.
Bevor wir die Mosfets bestücken, müssen wir die Montage am Kühlkörper vorbereiten:
Dazu legen wir die Platine auf den Kühlkörper und zeichnen die vier Befestigungslöcher an. Die Löcher werden gebohrt und M3 Gewinde geschnitten (zum Bohren und Schneiden unbedingt Öl verwenden !).
Jetzt wird die Platine mit 4mm (bis max. 5mm) Abstandshaltern probeweise leicht auf dem Kühlkörper montiert.
Jetzt können wir die Mosfets in den Ausschnitt der Platine legen. Der abgeschrägte Anschluss der Mosfets zeigt zum Ausgangstrafo ! Wir richten die Mosfets gerade aus und zeichnen die vier Befestigungslöcher für die Mosfets an. Nun wird alles wieder abgeschraubt und die Löcher für die Mosfets in den Kühlkörper gebohrt und wieder M3 Gewinde hineingeschnitten.
Nun ist alles zur endgültigen Montage fertig. Als erstes wird die Platine mit den 4mm Abstandshaltern festgeschraubt, dann die Mosfets hineingelegt (vorher mit wenig Wärmeleitpaste bestreichen), ausgerichtet und ebenfalls festgeschraubt. Unter die Schrauben legt man 3mm-Lötösen welche als zusätzliche Masseverbindung benutzt werden.
Die Mosfets können jetzt mit der Platine satt verlötet werden. Auch die M3 Lötösen werden jetzt verlötet.
Als letzte Arbeit werden noch die Bauteile der Gegenkopplung eingebaut. Diese Serienschaltung eines 2W Widerstands und eines 100nF Kondensators wird vom Drain zum Gate des Mosfests direkt über dem Mosfet festgelötet.
Hinweis zur Gegenkopplung: größere Widerstände R16 und R17 ergeben mehr Verstärkung aber schlechtere Oberwellen. Ich arbeite derzeit mit 56 Ohm. Es ist auch möglich 100 Ohm zu benutzen, hinauf bis 330 Ohm. Man sollte jedoch immer möglichst unter 100 Ohm bleiben wenn die Verstärkung reicht, was sie bei Ansteuerung durch die 10W-PA auf jedenfall tut.
Die Endstufe ist jetzt fertig zur Inbetriebnahme.
Inbetriebnahme:
Mit einem Durchgangsprüfer stellt man die beiden Potis so ein, dass die Schleifer auf Masse liegen (das ist eine wichtige Sicherheitsmaßnahme !!!)
An den Antennenausgang schließt man ein Wattmeter und eine passende Dummyload an.
Den Eingang schließt man vorerst mit einem 50 Ohm Widerstand ab (ungefähr 50 Ohm, 47 oder 56 Ohm ist auch gut).
Jetzt schließt man über ein Strommessgerät die Versorgungsspannung von +13,8 Volt an. Es wird dringend empfohlen ein Netzgerät mit einstellbarer Strombegrenzung zu benutzen und die Strombegrenzung auf 5A einzustellen.
Jetzt stellt man die PTT Leitung so ein, dass Sendebetrieb vorliegt (siehe auch JP3).
Die Endstufe wird nur wenige 100mA aufnehmen, das ist der Strom den die beiden Relais brauchen. Fließt mehr Strom, so liegt ein Fehler vor und man muss sofort abschalten und den Fehler suchen.
Ruhestrom:
Jetzt dreht man ein Poti langsam auf, zunächst passiert gar nicht, ab einem gewissen Punkt beginnt die Stromaufnahme anzusteigen. Man stellt das Poti so ein, dass der Strom um 2A ansteigt. Danach stellt man das zweite Poti ein, wiederum auf 2A mehr Strom. Insgesamt werden jetzt also etwas mehr als 4A fließen.
Jetzt schaltet man die Versorgungsspannung wieder ab.
Funktionstest:
Die Endstufe ist jetzt soweit um das erste Mal mit HF gespeist zu werden. Man schließt an den Eingang eine HF Quelle (Generator, Transceiver usw) mit 7 MHz und einer Leistung von unter 1 Watt an.
Jetzt schaltet man die Versorgungsspannung ein und schaltet die PTT auf Sendebetrieb. Am Ausgang der Endstufe wird man jetzt eine Leistung von (ungefähr) 10 Watt messen. Hat man ein ausreichend kräftiges Netzteil (30A), so kann man die Eingangsleistung erhöhen und die Endstufe voll aussteuern. Dabei ist zu beachten, dass man die Endstufe nicht überfährt, also bitte nicht mit einem 100W Transceiver hineinsenden ! Besser man nimmt die 10W PA von unserem SDR als Steuersender.
Hat man alles sauber aufgebaut, so kann man von 160m bis 10m überall eine Ausgangsleistung von 100W erreichen. Zwischen Endstufe und Antenne MUSS UNBEDINGT das TX-Tiefpassfilter geschaltet werden !
Mißt man das Ausgangssignal hinter diesem Tiefpassfilter an der Dummyload mit einem Oszilloskop, so wird man dieses Bild sehen:
In diesem Bild habe ich eine Spannung von ca. 200Vss gemessen. Das entspricht an 50 Ohm Last einer Leistung von genau 100 Watt.
In diesem Bild habe ich höher ausgesteuert, die gemessene Spannung ist ca. 280 Volt (Tastkopf 10:1), das sind satte 200 Watt. Man sieht, dass der Sinus dabei leicht verbogen ist. Die dadurch entstehenden Oberwellen werden im Tiefpassfilter gut entfernt, sodass nur mehr ein sauberes Signal an die Antenne gelangt. Diese Messung habe ich nur des Interesses wegen gemacht um die Grenzen dieser MOSFETs auszutesten, dazu muss man R16 und R17 auf 330 Ohm erhöhen sowie eine sehr geringe Stehwelle haben. Im praktischen Betrieb wird man nicht an diese Leistungsgrenzen gehen.
An der Antenne:
Stehwellenverhältnisse von über 1,5:1 sind für eine kräftige PA nicht mehr so gut. Handelsübliche Transceiver beginnen dann die Ausgangsleistung zu reduzieren. Das können wir leider nicht machen und müssen daher auf Handarbeit vertrauen. Daher ist es wichtig, dass man darauf achtet nur in eine gut abgestimmte Antenne mit den vollen 100W zu fahren. Die Transistoren halten zwar auch schlechte Stehwellen ganz gut aus, aber die Qualität des Ausgangssignals leidet darunter.
Man sollte einen Antennentuner benutzen und bei Leistungen von ca. 10 bis 20W abstimmen. Sobald die Antenne abgestimmt ist, kann man voll aufdrehen. Das Display hat eine Schutzschaltung. Bei zu großer Leistung und schlechter Stehwelle wird automatisch das 10dB Dämpfungsglied eingeschaltet. Das ist aber nur eine Notschaltung wenn man darauf vergisst. Bereits vorher verursacht einen schlechte Stehwelle Verzerrungen !
Wenn man darauf achtet dass das Stehwellenverhältnis immer besser als 1,5:1 ist, dann steht dem Betrieb mit hoher Leistung nichts mehr im Wege.
Bilder sagen mehr als 1000 Worte:
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Ausgangsseite von TR2. Eine dünne Platte aus einem Platinenrest ist mit den beiden Messingröhrchen (welche durch die Löcher des Kerns gehen) verlötet. Diese Leiterplatte ist der +Ub Anschluss. Links unten ist die Kupferfläche ein wenig entfernt um auf der Platinen keinen Kurzschluss zu machen. |
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Die Ausgangswicklung besteht aus versilberter Teflonlitze 0,2qmm. Dieser Litzendraht wird 3-fach genommen und die Wicklung (5 Windungen) hergestellt. Die drei Einzeldrähte werden an den Enden einfach verbunden. So erhält man eine HF mäßig günstige Wicklung die auch auf 30MHz noch guten Wirkungsgrad hat. |
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Auf der anderen Seite von TR2 verlötet man ebenfalls eine dünne Platte aus Platinenrest mit den Messingröhrchen. Hier wird die Kupferfläche aber genau in der Mitte getrennt, sodass zwei Kupferflächen entstehen, für jedes Messingröhrchen eine. |
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Diese beiden Kupferflächen werden dann mit drei Kondensatoren 1nF/100V und einem 680pF/100V verbunden. Man kann je zwei dieser Kondensatoren huckepack übereinander löten (oben ist es so gemacht, unten sind sie nebeneinander). |
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der fertige Kern wird auf die Platine gelötet, hier die Ausgangsseite. Die Plus-Leitung wird dick festgelötet. Man beachte dass links andere Leiterbahnen unter dem Kern sind, daher muss die Kupferfläche hier etwas weggefeilt werden, wie oben schon erwähnt. |
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Und hier ein Eingangsseite für die MOSFETs. Die beiden Kupferflächen werden satt mit der entsprechenden Leiterbahn verlötet. Vor dem Kern sieht man noch je 3 Kondensatoren 1nF/100V welche genau wie im Bild gezeigt auf die Platine gelötet werden. |
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Hier der Eingangstrafo TR1. Die Eingangswicklung besteht aus 2 Windungen Teflonlitze 0,22qmm. Die Ausgangswicklung aus einer einzelnen Windung Teflonlitze 1,8qmm. Diese wird, wie im Bild zu sehen, in der Mitte angezapft und mit Masse verlötet. |
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Der Eingangstrafo TR1 von oben. |
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und hier die fertig bestückte und am Kühlkörper montierte Platine. |
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die MOSFETs werden erstmal probeweise lose in die Platine gelegt. Das abgeschrägte Beinchen zeigt zum Ausgangstrafo. Jetzt kann man die Befestigungslöcher anzeichnen, bohren und die Gewinde schneiden, was hier im Bild bereits gemacht ist. |
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VOR dem Löten werden die MOSFETs erstmal festgeschraubt. Unter die Schrauben kommen noch 6 Lötösen genauso wie im Bild gezeigt. |
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jetzt können die MOSFETs und die Lötösen verlötet werden. |
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Hier die 10W PA und darüber die 100 W PA fast fertig und
einsatzbereit.
Fast ? ja, fast, denn die Gegenkopplungsbauteile fehlen noch. |
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Je ein 56Ohm/2Watt Widerstand und ein 100nF Kondensator
werden in Reihe geschaltet und direkt über die MOSFETs gelötet. So kurz
wie möglich vom Ausgangspin (Drain) zum Eingangspin (Gate) der Mosfets.
Jetzt ist die Endstufe fertig und bereit zum Abgleich. |
Bei einem Endstufentransistor war nach fast 2 Monaten Betrieb das Gate plötzlich durchgeschlagen, der Transistor defekt.
Ursache war vermutlich eine permantene Überlastung der Endstufe, da es mir Spaß machte aus dem Ding über 150 Watt (bis 180 Watt) herauszuholen obwohl sie nur für 100W konstruiert ist.
Daher wurden folgende Änderung der Bestückung vorgenommen:
 | die Schutzdioden am Gate wurden auf 15 Volt reduziert (D3, D4, D5, D6) |
Schaltplan und Stückliste wurden auf den neuesten Stand gebracht.
außerdem sollte die Ausgangsleistung möglichst nicht über 120 Watt betragen. Das kann sowieso nur passieren, wenn die 10 Watt Endstufe (welche als Treiber dient) viel mehr als 10 Watt schafft (meine schafft über 20 Watt, was aber nicht normal ist). In dem Fall sollte das Dämpfungsglied am Eingang der 10W PA vergrößert werden damit die Ausgangsleistung nicht zu hoch werden kann.
hier ein wirklich sehr schönes Gerät von Karl-Heinz: