Jak je známo, podíl polovodičových PA se mezi radioamatéry stále zvyšuje. Pokud v praktickém provozu nemáte o investici do takového PA přijít, musíte ho provozovat buď velmi krotce, nebo tento SSPA musí být dobře chráněn příslušnými ochrannými obvody. Základní ochranou polovodičového PA jsou obvody, které zajišťují, aby výkonový  tranzistor pracoval v povolených teplotních mezích, reflektometrická ochrana a v neposlední řadě ochrana proti překročení maximálního napájecího proudu. U lineárního PA s bipolárními tranzistory k tomu ještě přistupuje obvod pro předpětí výkonového tranzistoru. Na našem webu jsme se již věnovali jak zdrojům předpětí,  reflektometrické ochraně, tak i hlídání teplotního režimu SSPA - viz zde, zde, zde, zde, zde a zde.  Všechny zmíněné ochranné obvody musí indikovat minimálně dva stavy: první stav indikuje dosažení nějaké maximální provozní hodnoty, což vede buď k vyvolání nějaké akce (například zapnutí chladicího ventilátoru na plný výkon), nebo alespoň varuje operátora nějakým výrazným hlasitým a optickým alarmem, aby poněkud stáhnul výkon, nebo nechal PA alespoň na chvíli odpočinout, aby se ochladil. Při dosažení druhého, kritického limitu sledovaného parametru musí dojít k zablokování PA, t.j. PA nelze zapnout (zablokování přepnutí výkonového polovodičového modulu do režimu TX - toto zablokování ovšem NESMÍ zablokovat přepnutí anténního relé PA do režimu TX, aby v případě paralelního provozu více PA, neboli multibeamingu, nedošlo ke zničení vstupu RX, nebo LNA!). Alarmové výstupy (dosažení kritického stavu) těchto jednotlivých ochranných obvodů musí také zablokovat PA na dostatečně dlouhý čas, aby si operátor dosažení kritického limitu opravdu všimnul a přizpůsobil tomu své chování, takže do stavu "PA připraven k provozu" by se PA neměl ze stavu zablokování vrátit dříve, než cca za 20 až 30 vteřin, aby nedošlo k relaxování ochranných obvodů. Toto zpoždění zvládne jednoduchý ochranný obvod s mikročipákem, který dnes umí naprogramovat každý třetí student (nebo, pro konstruktéry s "klasickou" obvodovou znalostí, popíšu někdy později klasický obvod složený z běžných CMOS logických obvodů). Nakonec bych při výčtu užitečných podpůrných obvodů PA připomněl vhodný sekvencer pro přepínání RX/TX a anténního relé. Tento obvod by měl být vestavěn vždy přímo v PA. Řešení "inteligentního PA" se sekvencerem je v praxi lepší, než "hloupý PA" ovládaný externím "sekvencerovým modulem" protože v takovém případě musí být sekvencer propojen s PTT, PA (případně více PA) a anténním relé řadou vodičů s konektory, což vede snadno k možnosti nějakého toho "vaklu", či omylu, který by mohl snadno způsobit zničení PA, nebo alespoň LNA - proto je lepší vestavět sekvencer do každého PA. Jedno z možných řešení běžného sekvenceru je tady.

Opusťme nyní úvod a věnujme se dosud chybějícímu návodu na zhotovení obvodu pro monitoring napájecího proudu. Nejprve si definujme požadavky pro takový  obvod:

• obvod musí být schopen správně a stabilně pracovat i při malém úbytku napětí na snímacím odporu (obvykle pro každý jednotlivý modul SSPA) okolo 0,2 až 0,9V

• na výstupu tohoto obvodu musí být vygenerovány na výstupu dva logické výstupy - jeden bude indikovat dosažení limitního provozního stavu, druhý dosažení kritického stavu hlídané veličiny

• obvod monitoringu napájecího proudu musí být schopen pracovat ze stabilizovaného "servisního" napájecího napětí, které je o dost nižší, než "silové" stabilizované napájecí napětí pro výkonový modul, na jehož napěťové úrovni je zapojen odpor pro snímání napájecího proudu.

• obvod musí být dostatečně rychlý, aby byl schopen PA ochránit dříve, než jeho provozní zatížení přesáhne kritickou hodnotu. Protože buzení lineárního radioamatérského PA může nabývat maximální strmosti růstu dané maximálním modulačním kmitočtem hlasové modulace, musí být ochrana schopna odstavit PA za čas kratší, než 0,2 milisekundy.

• obvod musí být dostatečně teplotně stabilní. Teplota v PA se může měnit od pár stupňů nad nulou po cca 40 až 50 stupňů Celsia a změna rozhodovacích úrovní musí být v rámci těchto provozních teplot (a dlouhodobě) marginální.

• obvod musí mít určitou vnitřní hysterezi. Konec vyhlášení alarmového stavu musí nastat při nižší hodnotě proudu, než při které byl alarm vyhlášen.

• konstrukce musí být opakovatelná v radioamatérských podmínkách

Řešení zadání:

Uvedené požadavky jsem zkoušel řešit dvěma různými způsoby, nakonec jsem první, jednodušší  konstrukci zavrhnul z důvodu horší teplotní stability. Obvod, který nabízím radioamatérské komunitě, je určen pro napájecí stabilizované napětí 24V a pro kontrolu "silového" napájecího proudu tranzistorového PA s napájecím napětím 28 až 30VDC. S ohledem na svou obvodovou konstrukci bude však stejně dobře pracovat i při napájecím napětí 24 V a monitoringem napájecího proudu PA modulů při napětí 48 až 52V, jakož i pro kontrolu napájecího napětí 13,8V a stabilizovaném napětí cca 9V (pouze bude možné zapotřebí při malém napájecím napětí upravit zisk operačního zesilovače).

Blokové schema zapojení monitoringu napájecího proudu:

Napěťový úbytek ve větvi napájení PA modulu by pro napětí 28 až 52V neměl být (pro limit maximálního povoleného provozního proudu) větší, než cca 0,8V, pro napájení 13,8V cca 0,3V. Na místě snímacího odporu by měl být odpor s velmi nízkou teplotní závislostí a hodnotou okolo 0,1 Ohmu (i méně), buď navinutý z konstantanu, nebo se pro tyto účely vyrábějí odpory v pouzdru TO220, které jsou izolované od dosedací chladicí plošky. Mají jen tu nevýhodu, že je u nás obvyklí prodejci součástek nemají ve svém sortimentu. Vzor například zde: http://www.ohmite.com/cgi-bin/showpage.cgi?product=tbh

Výstupy z obvodu modulu komparátoru pro monitoring napájecího proudu jsou odporovým děličem přizpůsobeny pro 5V CMOS logiku ovládacího mikropočítače. V případě změny napájecího stabilizovaného napětí 24V na jiné bude zapotřebí výstupní odporový dělič obou výstupů upravit.Napájecí stabilizované napětí (24V) se při provozu PA nesmí prolamovat, protože monitorovací modul nemá pro komparátory nastavených veličin žádný vnitřní stabilizátor.

Schema obvodu je zde:

Na svém vstupu má obvod dva napěťové děliče R1 + R3 a R2 + R4/R5, jejichž hodnoty se nesmí lišit o více, než 1% (vyberte vhodné odpory digitálním multimetrem z více kusů). Tyto napěťové děliče umožňují zpracovávat informaci o úbytku ve větvi napájení PA modulu při napájecím napětí vyšším, než je napájecí napětí operačních zesilovačů. R4 (220k) je na desce neosazený, pozice slouží jen pro prípadné nastavení stejného dělicího poměru obou napěťových děličů a není obvykle jzapotřebí ej používat a něco nastavovat. Vstupní zesilovač má zisk zhruba 10x. Při nulovém proudu tekoucím obvodem napájení PA bude na výstupu vstupního operačního zesilovače napětí cca 1,45V, protože použitý "korunový čtyřnásobný operák" není typu "rail to rail". Pokud byste chtěli hodnotu proudu pro PA modul indikovat nějakým bargrafem, připojte paralelně k R15a emitorový sledovač a v serii červenou LED jako cca 1,3V "zenerku", abyste toto napětí snížili k nule... Oddělovací zesilovač zesiluje jen o něco více, než jedenkrát, pokud by proto jeho zesiílení bylo malé (optimálně by na výstupu druhého operáku mělo být při maximálním proudu PA napětí cca 10V), zvýšíte jeho zisk snížením hodnoty R15. Výstupní dva komparátory jsou zcela běžné, práh indikace dosažení limitního stavu se nastaví (nejlépe víceotáčkovými) trimry R24 a R25. Hodnota R18 a R19 určuje míru hystereze komparátorů. Při daných hodnotách je cca 5%, čím větší je hodnota těchto odporů, tím menší bude hystereze. Na obvodu není nic záludného a v případě správného osazení bude fungovat na první zapojení. Pokud používáme v PA více sdružených polovodičových výkonových modulů, měl by mít uvedený kontrolní obvod každý z jednotlivých modulů. V případě, že budete chtít pro kontrolu proudů jednotlivých výkonových jednotek PA použít bargrafy, můžete použít toto zapojení. Pokud je vstupní rozdílové napětí (úbytek na měřicím odporu) malé a zisk vstupního operačního zesiloavče nestačí na vybuzení celé jednotky tak, aby bylo možné nastavit limity proudového omezení, lze snížit hodnotu vstupních odporů děliče napětí R1 a R2 - například také na 39k. Je však třeba dbát na to, aby hodnoty R1 a R2 a také R3 a R5 byly skutečně stejné (tolerance musí být menší než 100 ohmů).

Mechanická konstrukce:

Kontrolní obvod je postaven na běžném jednostranném plošném spoji o rozměrech 35 x 40mm (jeden modul - takže níže uvedený, čtyřnásobný motiv plošného spoje je dlouhý 140mm). Malý rozměr byl zvolen z důvodu záměny původního, ne zcela povedeného testovacího obvodu pro monitoring proudu PA 70cm. Deska plošných spojů již bohužel není pro umístění všech součástek dostatečně velká, a tak bylo zvoleno umístění odporů "na stojáka" a v obvodu je i jedna drátová propojka. Desku plošných spojů můžete objednat zde za cenu podobnou cenám uvedeným tady. Označení desky tohoto obvodu je OK1VPZ A26. Motiv plošného spoje desky a osazovací schema je tady:

Pokud by se někdo odhodlal a chtěl plošný spoj navrhnout pro použití SMD součástek, bude samozřejmě možné rozměry desky ještě výrazně zmenšit. Vzhledem k tomu, že jsem to nepotřeboval a na SMD součástky už hůře vidím, zůstal jsem u "klasické konstrukce":

Tolik k této konstrukci, na které sice obvodově vůbec nic objevného není, ale která přesto (možná) někomu může pomoci k tomu, že investice do polovodičového PA nezůstane promrhána. Přeji Vám hodně úspěchů a potěšení z pěkných výsledků v závodech a super DXů na VKV pásmech.

73 de OK1VPZ

Ještě pár fotek coby příloha:

Osm monitorovacích modulů, připravených pro instalaci do nového tranzistorového PA	Pohled ze strany spojů	Srovnání nepodařeného starého a složitějšího nového modulu pro monitoring PA (140 x 40mm)