Посмотрев разработку и характеристики полученные NXP, мы видим безумную неравномерность усиления в полосе 1,8-30 МГц, что подтверждает проблему неравномерного коэффициента усиления в этом частотном диапазоне самого транзистора.
На наш взгляд, "чудо параметры" этого транзистора сильно преувеличены.
В продолжение этой темы, выкладываем статью от PA3GZK, который боролся с этой проблемой путем изменения трансформаторов и т.д., что оказалось бесполезным.
Статья была опубликована
ЗДЕСЬ INLEIDING
Dit project is voornamelijk een samenwerkingsverband tussen PA3GZK en mij (PAØFRI). Feitelijk is de eerste ermee begonnen. Na lang aandringen heeft mij overgehaald om, ondanks mijn negatieve ervaring met transistor HF versterkers, toch mee te experimenteren. Het zal duidelijk zijn dat er dikwijls over spontane ideeën van gedachten gewisseld wordt, om het daarna uitgebreid in de parktijk te testen. Het eindresultaat van beide versterkers zal grotendeels hetzelfde zijn, maar met kleine individuele verschillen.
Inmiddels weten wij dat er behoorlijk wat belangstellenden zijn die dit experiment volgen. Zij werden enigszins afgeschrikt door onze gesneuvelde transistors en gaan pas (na)bouwen) als onze PA's het goed en veilig doen!
ADVIES
Als u van plan bent om een PA met deze FET te maken volg dan het onderstaande advies:
Het bouwen van een 9-band HF versterker met buizen of transistors is geen sinecure. Velen zijn eraan begonnen en zijn er voortijdig mee gestopt.
Deze BLF188XR transistor is niet zo robuust als de fabrikant beweert, zeker als men ermee experimenteert. Samen met twee andere enthousiastelingen hebben wij een bewezen ervaring met het bouwen, modificeren of herstellen van buizen en transistor versterkers. Ondanks alle voorzichtigheid begaven bij ieder van ons twee FETs. Jammer genoeg was niet altijd duidelijk waarom een FET de geest gaf. Een zeer onbevredigende beleving!
Reserveer alvast, in overleg met xyl of laat haar in zalige onwetendheid, wat pecunia voor een tweede FET!
Bent u niet zo’n bouwer of techneut, schaf dan een kant en klaar “palet” aan waar u zelf stapsgewijs andere (bescherm) systemen kunt toevoegen.
Bouw eventueel een palet letterlijk na, zoals dat van W6PQL. Of u hetzelfde resultaat bereikt is niet zeker is onze ervaring.
Begin met een 40 à 45 Volt voeding
Begrens de stroom tot 30 Amp.
Zorg voor een stabiele vaste bias spanning.
Gebruik een ten minste 10 mm dikke koperen plaat als “onderlegger” tussen de FET en een voldoende groot koelblok.
Gebruik ferriet kern materiaal waarvan de herkomst betrouwbaar is en niet iets zonder garantie van een vlooienmarkt of een aanbieder op eBay.
Voorkom vonkvorming, zoals dat bij voorbeeld ontstaat als per ongeluk de voeding afgekoppeld wordt terwijl er nog sturing is. Door de tegen-EMK van de trafo aan de drains wordt het een dermate hoge spanning dat zij het begeven.
Gebruik bij voorkeur een low-pass-filter (LPF) voor elke band.
Zorg ervoor dat altijd de juiste LPF voor een band ingeschakeld is.
Neem voldoende afstand in acht tussen de printsporen onderling en naar drain en massa; minimaal 2 mm.
Het schoonste signaal met één FET verkrijgt men met een zendvermogen van 600 à 800 Watt.
Als men 1 kW of meer vermogen wenst, maak dan een PA met 2 × BLF188XR.
HOEVEEL KOST ZELFBOUW?
U ziet in de boodschappenlijst dat eigenbouw toch aardig in de papieren gaat zitten. Bij de bovenste zes bedragen is door mij al minder betaald dan gebuikelijk, omdat op Internet naar de meest gunstige prijs inclusief verzending gezocht werd. De control board of een vergelijkbaar ontwerp is zelf te maken, maar iemand bood het nieuwe en complete setje van W6PQL tegen een schappelijke prijs aan. Dat was een mooie gelegenheid om het systeem zelf op de proef te stellen.
Veel van de spullen waar een vraagteken achter staat, zijn in de loop der jaren als voorraad in de rommelkist beland. Ze hebben wel geld gekost voor een lagere prijs of door gebruik te maken van aanbiedingen of goedkoop verworven op een vlooienmarkt.
Door middel van de lijst en wat u al heeft, kan men zelf inschatten wat de totale kosten van een eigenbouw apparaat gaan worden. Niet iedereen zal er gemakkelijk geld voor over hebben, maar bedenk ook het volgende:
Zelfbouw geeft veel vodoening en de ervaring en kennis die men ermee verkrijgt, kan men niet met een opleiding in een leslokaal opdoen. Een cursus is niet goedkoop en kost veel vrijetijd.
Omdat de aanvankelijk gebruikte Laird buiskernen niet geschikt bleken te zijn voor de hierboven afgebeelde impedantie transformator, werden kernen besteld van mix #61 materiaal, zodat PA3GZK er drie trafo's mee kon maken. Een schakeling wordt met zo'n varkensneus systeem eenvoudiger dan met een transmissielijn transformator. De secundaire winding is met 50 Ohm coaxkabel uitgevoerd om een dikke geleider te verkrijgen. Daartoe werden de afscherming en binnenader met elkaar verbonden. Bij testen bleek dat de diameter van de winding toch belangrijk is voor de output en met een dikkere geleider nog een winst van ongeveer 100 W zendvermogen bereikt kan worden. PA3HBT heeft onlangss één van de transformators in zijn versterker gemonteerd en het resultaat is in de tabel afgebeeld. Het vermogen is gemeten tussen dummy load en low-pass-filter (LPF).
Het laatste is van een Sailor Marine set en de hogere harmonischen worden met een hoog-doorlaat-filter (HPF) naar een weerstand afgevoerd. De afbeelding is slechts één van de LPF's en dient om het principe te laten zien. Bij twee van de experimenteerders werden de weerstanden heet als Laird ferriet kernen gemonteerd waren. Een teken dat daarmee veel harmonischen geproduceerd werden. Het merkwaardige is nu dat met het mix #61 type de weerstanden per band vijwel niet in temperatuur stegen, zodat er kennelijk veel minder harmonischen in de weerstand weggewerkt hoeven te worden. Verder in dit artikel kan men dit zelf vaststellen bij het vergelijken van de spectrum analysator beelden tussen zendvermogen met mix #61 ferriet en met Laird ferriet.
Er werden weer een paar BLF188XR's aangeschaft en PA3GZK plaatste FET en de afgebeelde trafo in zijn versterker. Het resultaat komt grotendeels overeen met dat van PA3HBT. De laatste heeft in zijn versterker een Freescale MRFE6VP61K25HR5 FET.
De versterker van PA3GZK is feitelijk klaar omdat hij tevreden is over het resultaat. Zo verwonderlijk is dat niet als men het rendement, de harmonischen onderdrukking en het IMD gedrag in beschouwing neemt. Dat zal duidelijk zijn als de volgende afbeeldingen met enige ervaring bekeken worden.
Let op: Als de output gemeten wordt zonder LPF wijst de wattmeter veel meer aan omdat het HF signaal een blokgolf is! Na een LPF wordt het een sinus en dan geeft de meter minder (het werkelijke) zendvermogen aan. Het schoonste signaal heeft men met LPF en maximaal 500 à 600 zendvermogen. Wil men meer ouput, dan is het beter om een PA te maken met 2 × BLF188XR. Het is mij opgevallen dat fabrikanten van HF versterkers met deze FET of een vergelijkbaar type er ook twee monteren om aan 1kW zendvermogen te komen.
PA3GZK's BLF188XR HF versterker ingebouwd in het karkas van een Sailor Marine zender met nog aanwezige LPF.
Ook het midden van de FET wordt zo goed mogelijk aangedrukt door middel van afgeknipte en gelijmde hittebestendige #O# ringen.
Tussen de onderkant van het aandrukblok op de FET zitten drie zwarte gelijmde stukken afgeknipte #O#ringen van een hittebestendige soort. Deze verende methode op de kunststof bovenkant is naar onze mening de beste manier om de transistor zo volledig mogelijk contact te laten maken met de Cu onderplaat, zodat optimale warmte geleiding plaats vindt.
Om een defecte halfgeleider gemakkelijker te kunnen vervangen zijn de lippen van de FET met stroken bladkoper aan de rest van de componenten verbonden. Door het aanbrengen van boogjes, hoeft men alleen met een soldeerbout de strook te verwarmen en met een dunne schroevendraaier op te lichten, zodat de strook los komt van de rest. Op deze manier hoeft men niet aan de FET zelf te solderen. De boogjes vangen ook het uitzetten en inkrimpen van de lippen op. De strookjes zijn ook aangebracht over de lippen van de source om de verbinding met de printplaaten kort en goed geleidend te maken.
Aangedreven met een tweetonen signaal en bij 650 W output is de 3de Orde IMD = -41,58 dBm, dat is beter dan een gemiddelde PA met buizen!
Het volgende stond als commentaar bij een artikel op het Internet:
"IMD figures? It is amazing just about all the solid state amplifier construction pages never list IMD."
Harmonischen output met LPF.
Onderdrukking: Center Freq (CF) - 2de Harmonische = -49.03 dBm; CF - 3de Hermonische = -44.19 dBm
Met LPF onderdrukking: CF - 2de Harmonische = -33.9 dBm; CF - 3de Hermonische = -34.4 dBm
Deze grafiek staat op een site van een bekende Amerikaan die met Laird buiskernen aan de uitgang van de FET werkt. Onze ervaring is dat met de Laird's veel meer harmonischen ontstaan dan met #61 ferriet en dat is duidelijk in de grafiek te zien als men het vergelijkt met het beeld erboven.
Harmonischen output zonder LPF.
Dit schema staat nog niet vast.
Als mijn vrijetijd het toelaat zal verder gegaan worden met het hierboven afgebeelde schema. De sensor is een ondersteboven gemonteerde SD335/BD135 transistor, basis en collector zijn met elkaar verbonden. Het is dan een "super" diode, maar het is alleen gebruikt om een gemakkelijke montage mogelijk te maken. De bovenkant (met opdruk) komt dus op het drukblok of dicht bij de FET en bij de montage wordt tussen schroef en transistor een isolatieplaatje gebruikt.
Terugkoppeling is niet toegepast omdat er bij verminderd zendvermogen geen voordeel mee te behalen is. Bovendien kan er, als er iets fout gaat, op de gate een te grote spanning van de drain komen. Met terugkoppeling wordt de ingang van de FET breedbandiger en harmonischen worden gereduceerd. Hetzelfde wordt bereikt met de 33 Ohm weerstand over de gates en de lagere (≈ 800 W) output.
De 1N4148 diodes bij de gates dienen als bescherming tegen te grote HF of DC spanning. Er moet nog getest worden of het als zodanig werkt en hoeveel diodes er in serie nodig zijn.
De eettafel voor onbepaalde tijd bezet als werktafel omdat het in de shack een zooitje was.
BLF188XR
Deze power mosfet is niet goedkoop en het loont de moeite om op Internet een betrouwbare en billijke aanbieding te vinden. Tijdens mijn zoektocht bleek dat in Roemenië iemand met een positieve internationale beoordeling er al veel geleverd had. Het prijsverschil, inclusief verzending, met de goedkoopste Nederlandse leverancier was ongeveer ? 40,00 en het was aangetekend en wel binnen drie dagen in huis (fig»).
Deze FET's zijn bijna niet stuk te krijgen, behalve bij onvoldoende thermische geleiding en met teveel drive. Volgens ervaringsdeskundigen: "Zie je in de praktijk een felle lichtflits, vergezeld van een matig knalletje gevolgd door een 'baalgevoel'; weer een transistor naar de kl.....ten.
De enige manier om die honderden Watts met de kleine flens te laten wegvloeien, is solderen of met een aandrukblok monteren op een Cu-"heatspreader". Deze koperen plaat komt dus tussen FET en een groot Alu koelblok. De laatste wordt door een ventilator gekoeld.
Jammer genoeg heeft de FET bij het exeperimenteren nogal eens bij meerdere bouwers het loodje gelegd en niet altijd was het #waarom# duidelijk. Een verklaring zou zijn dat door statische elektriciteit er intern een beschadiging is ontstaan, dat niet direct effect heeft op een goede werking. Echter bij de plek ontstaat langzamerhand een groei van beschadigingen tot er uiteindelijk een definitief defect ontstaat.
Het ziet er naar uit dat de FET alleen nog met deze opdruk geleverd wordt.
Voor zover ik het kan beoordelen, ontbeekt bij (Chinese?) namaak "NXP" of een nummer in de linker bovenhoek .
Op ALIBABA worden met BLF188XR's zonder enige opdruk geadverteerd!
De bovenste FET ging met ongeveer 600W op 40m kapot met een LPF voor 80 m. Er vond vonkoverslag plaats tussen drain en massa, waardoor kennelijk de maximale drainspanning overschreden werd.
NEP (FAKE) BLF578
Om toch goedkoper verder te kunnen experimenteren, bestelde PA3GZK in Hong Kong, bij One-stop chip shops, sinds 11.04.14 eBay lid chipsupermarket, een BLF578 voor ongeveer $100,-. Toen hij na het openen van het pakje de FET goed bekeek, rezen al twijfels over het produkt. Voor de zekerheid werd de weerstand van de drain en gate gemeten. De meter gaf geen enkele waarde aan en dat zou voor de drain toch iets in de buurt van 10 MOhm moeten zijn. Nadat de FET gemonteerd was, kon geen ruststroom vastgesteld worden, zelfs niet met 2.5 Volt bias spanning. Om de situatie rustig te overdenken werd de voedingsspanning afgeschakeld. Na enige tijd werd de spanning toch maar weer ingeschakeld.
Nep (fake) BLF578. Het lettertype is ook anders dan gebruikelijk bij NXP en de inkepingen bij de drains ontbreken!
Wat volgde was een luide knal met lichtflits en van het keramiek en drain waren delen verbrand. Vermoedelijk bestond de FET alleen uit de behuizing. Het toeval wil dat PA3GZK een paar jaar eerder een IC uit China had ontvangen waar ook niets in zat. Dat was overduidelijk gebleken toen het ding uit elkaar gehaald werd; het was "leeg"!
Bij de advertentie stond deze foto (fig»). Een ander beeld dan de geleverde BLF578 waar bovendien de bekende inkepingen aan de drain lippen ontbreken. Het is mij trouwens opgevallen dat dezelfde foto ook gebruikt wordt door andere adverteerders op eBay en gelijksoortige veilingen. Laat u dus niet misleiden door een foto van een origineel produkt.
Vrijwel direct nadat er een negatieve beoordeling over de transactie op eBay was geplaatst, waren er geen aanbiedingen meer van genoemde shop op eBay te vinden! Het zou mij niets verbazen als er binnenkort onder een nieuwe naam weer een handel opgezet wordt.
FERRIET PIJP
Het type ferriet waarvan pijpjes of ringkernen gemaakt zijn, is vooral belangrijk bij het werken met groot vermogen. Een vriend van mij kocht bij een Russische adverteerder een compleet opgebouwde print ("pallet") van een 1 kW HF versterker, zonder BLF188. Helaas bleek het geclaimde zendvermogen bij lange na niet haalbaar, op 10 m zelfs maar 300 W. Het kwam niet door de BLF188XR, want dat was een originele van de Nederlandse fabrikant NXP. Het lag aan het gebruikte ferriet, dat werd namelijk gloeiend heet! Toen alles vervangen werd door ferriet pijpjes van Laird Technologies type 28B1020-100, kwam het volle vermogen eruit en bovendien (fig») werden de "Laird's" veel minder warm. Het kan onder andere besteld worden bij Mouser Electronics Netherlands.
Gezien de prijs/verzendkosten verhouding, per stuk ex. BTW ? 0,906 en verzending ? 20,- werden er 20 st. besteld als eigen voorraad voor eventueel toekomstige projecten.
Inmiddels is gebleken dat de Laird kernen minder geschikt zijn voor varkensneus model transformators (fig») en het beter doen als ze gebruikt worden als transmissielijn transformator of als kern voor een smoorspoel.
Zowel met twee als met vier pijpjes lukte het niet om hetzelfde vermogen te verkrijgen als met transmissielijn trafo's. Bovendien werden de Lairds behoorlijk heet. Kennelijk moet voor een "gewone" (fig») trafo een andere ferriet samenstelling (µ = 125?) gebruikt worden!
Als transmissielijn transformator werden bij mij deze ferriet pijpjes van Laird behoorlijk warm tijdens het experimenteren. De temperatuur liep op tot 55°C, te heet om aan te pakken, terwijl het koelblok met een zacht "fluisterende" ventilator maar 35°C werd! Het is mij nog niet duidelijk of deze temperatuur wel of geen schade brengt aan de samenstelling van het ferriet. Het valt mij op dan geen enkele handelaar of publicist van en over BLF188XR versterkers het heeft over de temperatuur van det ferriet componenten.
Daarom werd overgestapt op mix #61 en uit testen bleek dat een grote varkensneus van dit ferriet materiaal een transformator opleverde dat breedbandiger was en met langdurige QSO's niet warmer werd dan ongveer 30 à 35ºC. Bovendien werd de schakeling eenvoudiger dan met transmissielijn trafo's.
TRANSMISSIELIJN TRANSFORMATOR
Een transmissielijn transformator werkt breedbandiger dan een varkensneus model transformator. Daarom wordt in veel ontwerpen het afgebeelde («fig) systeem toegepast. Voor sommige lezers zal de werking niet meteen duidelijk zijn, maar hoogstwaarschijnlijk groeit het begrip als men alle tekeningen bestudeert. Per drain zorgt een 1 ÷ 4 impedantietransformator voor het aanpassen van 50 Ohm aan de uitgang. De drain wordt dan belast met 50 ÷ 4 = 12.5 Ohm. De helft van beide transformators staan parallel aan elkaar en de impedantie voor beide drains samen wordt dan 12.5 ÷ 2 = 6.25 Ohm. Er ontstaat een 1 ÷ 3 transformator met een impedantie verhouding van 1 ÷ 9. Met 50 Ohm aan de uitgang is de impedantie voor de drains dan 50 ÷ 9 = 5.55 Ohm. Merkwaardig, twee verschillende uitkomsten.
Het verschil (0.7 Ohm) is niet zo groot maar ik moet er eens rustig over nadenken welke conclusie de juiste is.
Om 50 Ohm » 12.5 Ohm te transformeren, heeft men een coaxkabel nodig van Z² = 50 × 12.5 » Z = 25 Ohm. Dat heeft niet iedereen zomaar liggen, maar door twee 50 Ohm kabels parallel te schakelen komt men er ook aan.
Voor het transformeren van 50 Ohm » 5.55 Ohm wordt een coaxkabel van Z² = 50 × 5.55 » Z = 16.66 Ohm gebruikt. Dat kan door 3 × 50 Ohm parallel te schakelen: 50 ÷ 3 = 16.67 Ohm.
PA3GZK maakte 1 ÷ 9 impedantie trafo's met 15 Ohm en 25 Ohm kabels en heeft daarbij geen noemenswaardig verschil in het zendvermogen vastgesteld. Naderhand heb ik dat ook gedaan en het resultaat wordt in een van de volgende onderwerpen in een grafiek afgebeeld.
Zo vreemd is dat niet want de lengte van de coax is erg kort ten opzichte de frequentie, ook als men de elektrische verlenging door het magnetische materiaal meerekent.
Als men RG58 gebruikt of een gelijkwaardige Teflon coaxkabel, dan kunnen er maar 3 windingen gelegd worden op Laird buiskernen (elders in dit artikel). Een («fig) oplossing van dat probleem ziet u in de tekening. Bovendien is een dikkere RG58 type coaxkabel beter geschikt voor Hf stroom dan de dunnere kabels die meestal voor dergelijke systemen gebruikt worden.
Transformatie 1 ÷ 4 of 1 ÷ 9
Door mij werd getest met een 1 ÷ 4 of 1 ÷ 9 transmissielijn transformator voor aanpassing aan een 50 Ohm belasting. Op sommige banden gaf het eerste systeem meer output en op andere banden het tweede systeem. Gemiddeld gezien leverde het 1 ÷ 9 systeem het meeste zendvermogen. Mijn indruk is ecchter dat een 1 ÷ 6 aanpassing een goed compromis zou zijn.
De belasting voor een klasse AB versterker is RL = V²/2Po. Bij een niet lineaire industriële 13.56 MHz PA rekent men in plaats van factor 2 met factor 1.2. Voor één helft van de FET met 50 Volt voeding en 500 Watt output is dan is RL = V²/1.2Po, RL = 50²/1.2 × 500 = 4.17 Ohm. Omdat het een balansschakeling is wordt de belasting RL = 2 × 4.17 Ohm = 8.34 Ohm voor 1000 Watt zendvermogen. Dat moet getransformeerd worden naar 50 Ohm.
De impedanties verhouden zich als 50 ÷ 8.43 = 1 ÷ 5.99, afgerond is dat een aanpassing van 1 ÷ 6. Het is amusant dat mijn indruk geldt voor een niet lineaire versterker of zou een 1 ÷ 6 overzetting het toch beter doen?
Om 50 Ohm » 8.43 Ohm te transformeren, heeft men een coaxkabel nodig van Z² = 50 × 8.43 » Z = 20.5 Ohm. W6PQL gebruikt TC-18 (=17 Ohm) coax voor zijn transmissielijn systeem en dat benadert min of meer de berekende 20.5 Ohm.
Mijn amateuristische overpeinzingen zullen misschien anderen met meer kennis van de materie aan het denken zetten.