Speziell auf exotischen Bändern, wie 630m, ist WSPR sehr interessant. Auf 630m dürfen wir max. 1 Watt Strahlungsleistung machen. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser stark verkürzten und sehr niedrig hängenden Antennen sehr klein, oft unter 1%. Daher benötigt man einiges an elektrischer Leistung um die 1 Watt HF Abstrahlung überhaupt zu erreichen.
Die folgende PA ist eine klassische Gegentaktendstufe mit MOSFET Transistoren. Sie ist universell einsetzbar und je nach Transistorbestückung auf für höhere Bänder bis über 50 MHz benutzbar. Es kommt im wesentlichen nur auf die Gate-Kapazität der ausgewählten MOSFETs an. Auf 630m (474,2 kHz) ist diese relativ unkritisch weshalb wir uns für sehr robuste Transistoren aus dem Schaltnetzteilbereich entschieden haben. Diese sind billig und enorm kräftig.
Highlights:
* über 200 Watt auf 474,2 kHz (bei Ub=22V)
* Verstärkung von ca. 25 dB
* Wirkungsgrad >70%
* Class AB (C)
* Betrieb von 12 bis 24 Volt
* sehr preiswerte MOSFETs
Diese PA wurde aufgrund des besseren Wirkungsgrads
von der 500W PA ersetzt. Ich habe aber noch ein paar
Platinen vorrätig.
Die PA bringt folgende Leistung:
Versorgungsspannung 13,8V:
85 Watt Ausgangsleistung bei ca. 6,8A Stromaufnahme.
Versorgungsspannung 22V:
200 Watt Ausgangsleistung bei ca. 10,5A Stromaufnahme.
Alle Versorgungsspannungen zwischen 10 und 24 Volt sind bei diesen Transistoren möglich.
Die Spannung von 20 Volt ist für diese Transistoren ideal. Hier spielen sie ihre volle Leistung aus. Natürlich kann man auch andere MOSFETs nehmen, wie z.B. den bekannten IRF530 usw. Je nach Transistordaten wird man dann andere Leistungen bei anderen Versorgungsspannungen erzielen.
Hier das Schaltbild (zum Vergrößern anklicken):
Die PA arbeitet im Gegentaktbetrieb, ohne Ruhestrom im C-Betrieb. Bei Vollaussteuerung gibt es nur mehr wenig Verzerrungen, welche aber ohnehin vom Ausgangsfilter entfernt werden. Wer die PA linear betreiben möchte der bestückt die Potis für die Ruhestromeinstellung und stellt ca. 100 bis 300 mA je Transistor ein um in den linearen Bereich der Kennlinie zu kommen, natürlich auf Kosten des Wirkungsgrads, die PA wird dann deutlich mehr Strom aufnehmen und man darf die max. Verlustleistung der Transistoren nicht überschreiten.
Der PTT Anschluss wird wie allgemein üblich zum Senden auf Masse gezogen. Dadurch werden die Relais durchgeschalten und die Ruheströme (falls benutzt) freigegeben. Im Empfangsbetrieb ist der Ruhestrom 0. Mit Hilde der Relais kann die PA hinter einen Transceiver geschaltet werden (dann die beiden RX-Bypassanschlüsse mit einem Stück dünnem Koaxkabel verbinden), oder man schließt separate Sender und Empfänger an, in dem Fall wird der Empfänger am RX-Bypassanschluss am Ausgang der PA angeschlossen. Diese Betriebsart nutzen wir bei der U02-DDS WSPR Bake. Die Bake wird am Eingang der PA angeschlossen. Ein separater Empfänger wird am RX-Bypassanschluss angeschlossen. Somit können wir die gleiche Antenne zum Senden und Empfangen nutzen.
Die PA braucht ca. 0,4 Watt (maximal) Ansteuerung für volle Ausgangsleistung. Hat man zuviel Ansteuerleistung, so bestückt man das Dämpfungsglied am Eingang. Für die U02-11-Band-PA brauchen wir ein -10dB Dämpfungsglied.
Hier das Platinenlayout (zum Vergrößern anklicken):
Die Platine hat die Abmessungen von 134 x 79 mm. Sie wird direkt auf einen Kühlkörper geschraubt, die Endstufe gibt dann mehr als 200 Watt ab.
Die Transistoren müssen mit Glimmerscheiben isoliert montiert werden. Sie werden zunächst nicht eingelötet sondern nur lose, von unten, in die Platinen gesteckt. Dann werden sowohl Platine als auch Transistoren mit dem Kühlkörper verschraubt. Als letztes lötet man die Transistoren an.
Stromversorgung:
An einem Netzteil mit 13,8V liefert diese PA ca. 85 Watt bei 6,8A Stromaufnahme. Für die volle Leistung benötigt man 24 Volt bei ca. 12 Ampere. 24V Schaltnetzteile bekommt man im Elektronikhandel ziemlich günstig. Diese haben den Vorteil dass sie eine Strombegrenzung haben. Falls mal ein MOSFET durchbrennen sollten, dann knallt es nicht so laut, und die Schaltung ist geschützt.
Technische Hinweise:
Diese Platine enthält eine Universal Gegentakt-PA. Je nach Transistorbestückung kann sie einen weiten Frequenz- und Leistungsbereich abdecken.
Frequenzbereich:
Dieser wird durch die Gatekapazität der Mosfets begrenzt. Den Wert entnimmt man dem Datenblatt. Für 500kHz sollte er nicht mehr als 5000pF betragen, denn 5000 pF entsprechen einem Eingangswiderstand von Xc = 1/(2*PI*frequenz*C) = 1/(2*3,14*500kHz*5000pF) = 63 Ohm. Bei so einem kleinen Eingangswiderstand fließt schon einiges an Eingangsleistung. Die preiswerten Power-Mosfets haben meist Kapazitäten in diesem Bereich.
Für höhere Frequenzen muss man Transistoren mit deutlich geringeren Gate-Kapazitäten verwenden. So geht der beliebte IRF510 bis zum 20m Band, da er nur 180 pF hat. Er hat verträgt deutlich weniger Strom und ist im Gegentakt bis ca. 30 Watt einsetzbar. Will man in der Frequenz noch höher hinauf, so muss man die bekannten Mitsubishi RDxxHHF1 einsetzen die bis über 60 MHz gehen.
Leistungsbereich:
Wenn man die Datenblätter der Power MOSFETs liest, so könnte man meinen, dass es kein Problem ist eine 1kW PA mit 2 Transistoren zu bauen. Spannungen von 600 Volt bei Strömen von 30A sind normal für diese Mosfets. So einfach ist es aber dann noch nicht, denn die maximale Leistung wird durch die Temperatur, Versorgungsspannung, Strom und Verlustleistung begrenzt.
Dazu enthält jedes Datenblatt eine Kurve mit der "Safe Operating Area", also dem Bereich in dem der Transistor betrieben werden darf.
Das Hauptproblem ist, dass Mosfets mit steigender Temperatur deutlich schlechter werden. Daher ist die maximale Leistung bei heißem Kühlkörper merkbar geringer als bei kaltem. Außerdem riskiert man einen Durchbruch der Drain-Source Strecke, wenn die Temperatur steigt und man damit über die maximale "innere" Temperatur des Transistors kommt, was schneller geht als man denkt. Hier ein Beispiel:
Ein Mosfet hat einen inneren Wärmewiderstand (Substrat zum Gehäuse) von 0,5 Grad/Watt. Hinzu kommt die Glimmerscheibe und Wärmeleitpaste mit vielleicht nochmal 0,5 Grad/Watt. Bevor also die Temperatur bis zum Kühlkörper kommt, haben wir bereits 1 Grad/Watt. Was das bedeutet soll in einem Beispiel gezeigt werden:
Der von mir benutzte Mosfet verträgt eine absolut maximale Temperatur von 150 Grad. Wenn ich dafür sorge (z.B. mit einem Temperaturschalter) dass der Kühlkörper niemals wärmer als 60 Grad werden kann, so habe ich noch 150 - 60 = 90 Grad Reserve. Da wir natürlich nicht ins extreme gehen wollen geben wir noch etwas Toleranz hinzu und nehmen eine Temperaturreserve von 70 Grad an.
Wie vorher beschrieben, ist der Wärmewiderstand zwischen dem Transistor und dem Kühlkörper 1 Grad/Watt. Das bedeutet, dass wir die 70 Grad Temperaturerhöhung bei einer Leistung von 70 Watt erreichen. Bei zwei Transistoren das doppelte, also 140 Watt. Im C Betrieb mit seinem guten Wirkungsgrad dürfte das kein Problem sein. Im linearen AB Betrieb muss man jedoch unbedingt darauf achten.
Das große Problem ist: die Wärme des Siliziums muss auf den Kühlkörper gebracht werden. Daher sind bei Transistoren im TO220 Gehäuse nicht mehr als 150 Watt (sinnvoll 100W) machbar. Mit den von mir benutzten Mosfets im TO247 Gehäuse geht es deutlich besser..