Konstrukce polovodičového 800W PA OK1VPZ pro 70cm        

V naší reportáži z Polního dne 2010 byl zmíněn nový polovodičový PA pro pásmo 70cm. I když na této konstrukci není nic zvlášť zajímavého, možná že přesto  čtenářům webu OK2KKW přijdou vhod nějaké fotky a krátký komentář k jeho konstrukci.

PA je postaven ze dvou 400W polovodičových bloků, koupených v Polsku, pravděpodobně zdemontovaných při upgrade základnových stanic mobilních telefonů některé z amerických sítí v pásmu 460MHz, kde pracoval v předimenzovaném telekomunikačním režimu s výkonem cca 100W. PA je osazen čtyřmi dvojitými PA tranzistory SD56120M a na budicím stupni dvěma XRF9045. Každý z PA modulů se skládá ze dvou samostatných PA zesilovacích traktů po cca 200W, na vstupu a výstupu sdružených pomocí 90° hybridních členů, tvořených mikropásky na teflonovém tišťáku 0,8mm. Pozor, tyto zesilovací moduly nejsou identické, pravý a levý se liší rozložením součástek a otvory pro upevnění. 200W PA moduly, ze kterých je sestaven 400W PA blok jsou přišroubovány na hliníkové podložce o tloušťce cca 8mm, která rozvádí teplo z výkonových tranzistorů po celé ploše chladiče a lze je proto snadno z chladicího bloku demontovat. To jsem využil, 400W PA bloky demontoval na jednotlivé komponenty (po demontáži nám zbyde pro tento PA nevyužitelný cirkulátor - je pouze na 100W -  a směrová vazba na výstupu), a chladiče odříznul, protože byly příliš velké, těžké a pro radioamatérský provoz s nuceným chlazením ventilátory nepotřebné.  Zbylé části chladiče o šířce cca 11 cm se s výhodou použijí pro nějakou jinou konstrukci. Nikoli posledním důvodem zmenšení chladičů bylo to, že všechny PA od roku 1985 stavím do šířky 19-ti palců, aby je bylo možné zasunout do klasického telekomunikačního stojanu a nechtěl jsem, aby právě tento PA byl rozměrově nekompatibilní. :-)

Chladicí bloky jsem použil jako součást nosné konstrukce PA a sešrouboval jsem je do jakéhosi rámu s pomocí hliníkových jeklů 30x30mm, které jsou na svých koncích vyvložkované Al hranolem 25x25. Jekly přesahují do strany oba chladicí bloky obou PA a jsou do nich přišroubovány bočnice z Al desky o tlouštce 8mm (stačilo by 6mm, ale 8mm hliníkovou desku jsem kdysi dostal a teď ji s výhodou využil). Doprostřed bočnic jsou zapuštěny vyklápěcí vševojskové držáky, které se daly koupit u Drbala. Na dně PA je uprostřed obou chladičů na 2mm Al plechu přišroubován spínaný zdroj Meanwell 27V/56A. S těmito zdroji, které mimochodem používá i DB6NT, mám dobré zkušenosti, jsou spolehlivé a neruší. U nás je koupíte tady. Zdroj se dá vytrimrovat na 29,5V DC, má přepěťovou, tepelnou i nadproudovou ochranu a ve špičkách je schopen dávat pohodlně přes 60A, což je pro tento PA právě tak na limitu povoleného proudu obou PA bloků. Vedle spínaného zdroje jsou po obou stranách (v jinak těžko využitelném prostoru pod chladicími žebry) RLC filtry, které mají za úkol odstranit z napájecího napětí zbývající špičky, které spínaný zdroj produkuje.

Chlazení obou PA bloků je řešeno pomocí tunelů z AL 2mm plechu, které jsou ohnuty do tvaru U a vyvložkovány dalším plechem lichoběžníkového tvaru, který nutí vzduch protékat chladicími žebry. Na předním panelu do tohoto tunelu foukají dva 80x80 axiální větráky 24V (provozované na 29V), na zadním panelu jsou v každém z chladicích tunelů dva stejné větráky, které vzduch z PA naopak odsávají. Větráky běží při vysílání a pokud teplota chladičů přesáhne 40°C, tak běží i při příjmu. Chlazení PA je více, než dostatečné.

Nad spínaným zdrojem se našlo místo pro vstupní směrovou vazbu, 90° dělič budicího výkonu, 90° sdružovač výstupů obou PA a směrová odbočnice pro měření a reflektometrickou ochranu. Úplně v horním patře je elektronika pro ovládání a monitorování celého PA.

Po sestavení mechaniky jsem do chladičů opět namontoval bloky výkonových PA zesilovačů (nezapomenout na vhodnou teplovodivou vazelínu).

Do dokončení popisu mechaniky zbývá jen přední panel, který nese 2 ručkové měřáky (pro sumární proud a sumární špičkový výstupní VF výkon), vedle dva dvojité bargrafy, indikující napájecí proud a výkon každého z obou bloků PA zvlášť. Na zadním panelu se mezi ventilátory a konektory našlo místo pro koaxiální relé Tohtsu.

Toliko k popisu mechanické konstrukce. Možná, že bych jen zmínil, že oba PA bloky jsou schopny na 70cm dávat 400W výkonu při kompresi okolo 1dB a proto není radno pro SSB provoz z nich mačkat více. Zisk každého z PA bloků se pohybuje okolo 38 až 39 dB, podle kusu (pro 400W out a napájení 29V). Klidový proud PA bloku se pohybuje okolo 3A a při výkonu 400W je účinnost cca 45% (při proudu cca 31A). Každý z PA bloků je schopen na 70cm dávat i větší výkon, což jsme si omylem při oživování otestovali - při brutálním přebuzení (komprese byla cca 6dB) dal jeden z PA výkon téměř 600W při 44A napájecím proudu. Takový režim ovšem důrazně nedoporučuji - za prvé by takový PA těžko přežil první závod, za druhé by svými spletry rušil od Šumavy až k Tatrám... Výkonové omezení tohoto PA je i ve sdružovači s mikropáskovými obvody na výstupu každého z PA bloků - přestože (nebo spíše právě proto, že...) jsou mikropásky na teflonovém tišťáku, jejich tepelné zatížení je v provozu značné, což způsobuje teplotní roztahování tišťáku a může dojít k popraskání prokovů, což vede k degradaci sdružovače. Do budoucna proto asi bude vhodné se poohlédnout po nějakém jiném řešení, nebo si nechat plošné spoje sdružovačů vyrobit do rezervy... Slyšel jsem, že v Polsku už některé radioamatéry porucha mikropáskového sdružovače stála zničení několika tranzistorů SD56120M. Pozn. - holý 400W blok nesplňuje požadavky na potlačení harmonického vyzařování na 23cm. Druhá harmonická je díky symetrickému zapojení přes -50dB. Při propojení obou 400W bloků úroveň harmonických ještě poklesne, nicméně 3 harmonická by i tak ještě nesplňovala požadavky ČTÚ. Vyřešil jsem to proto koaxiálním odlaďovačem na 23cm.

Tak, jak jsou pro radioamatérské použití poddimenzovány mikropáskové sdružovače každého z PA bloků (nezapomeňme, že v originálu každý PA dával jen 100W out), předimenzoval jsem naopak mikropáskový sdružovač obou PA. Obrázek najdete dole. Pro slučování výkonových polovodičových PA se nehodí Wilkinsonův sdružovač, naopak je třeba použít fázovaný 90-ti stupňový sdružovač, který zajistí dokonalou izolaci mezi oběma PA bloky, aby i v případě poruchy jednoho z nich (například i v případě pouhé ztráty buzení, či napájení) se na výstup PA nemohl dostat výkon z druhého PA. V případě použití 90° sdružovače  se při poruše jednoho PA na výstup sdružovače přenese výkon 25% a druhých 25% skončí v dostatečně dimenzovaném zakončovacím odporu, zapojeném na 4 portu sdružovače (a na kterém je možno měřit výkon, vznikající nevyvážeností obou PA). U Wilkinsonu, který má zakončovací odpor zapojen příčkově mezi oba porty PA, není možné v případě poruchy jednoho PA zajistit jeho dostatečné chlazení, příčkový  odpor  vzápětí shoří a funkční PA pak bude posílat do druhého PA odzadu nezanedbatelnou část výkonu a navíc bude na svém výstupu hrubě nezakončen, což může vést i k fatální poruše obou PA bloků. Přesto se však takové zapojení u radioamatérských konstrukcí, jejichž tvůrci si tuto základní záležitost neuvědomují, stále znovu a znovu opakuje. Wilkinson je ale možné (a vhodné) použít u děliče na vstupu obou PA, protože v tom obvodu nekolují velké výkony a protože Wilkinson nemá na svých obou výstupech 90° fázový posun, nutný pro výstupní sdružovač, tak takového posunu jednoduše dosáhnete zařazením lambda/4 fázovacího vedení zařazeného do jednoho z jeho výstupů.

Závěrem zmíním ještě jednu fíčurku našeho nového polovodičového PA: protože každý polovodičový PA je citlivý na správné zacházení a s tím souvisí nutnost průběžného informování operátora o různých provozních parametrech (výkon, proud, teplota, PSV, atd...) je zapotřebí v polovodičovém PA měřit a na základě výsledků měření provozovat v PA automatické ochrany, a to minimálně nadproudová ochrana, přepěťová ochrana, ochrana proti přehřátí, ochrana proti špatnému PSV (SWR) na výstupu, ochrana proti přebuzení - a u PA, který se skládá z několika paralelních výkonových modulů, také ochrana proti rozbalancování sdružovaných PA modulů. To vede k velkému počtu měřených parametrů a rozhodování, zda naměřený parametr je OK, či již dosáhnul úroveň varování, či dokonce alarmu, kdy je nutno, aby se zabránilo poškození PA, zablokovat jeho funkci. Obvykle se tyto parametry sledují pomocí nějakého měřicího zařízení s displayem na předním panelu PA. Bohužel v naší konstrukci pro takový alfanumerický display na panelu nebylo místo a tak OK1BAF udělal takové mikroprocesorové šidítko, které jakýkoli parametr, vybočující z nastavených limitů, ohlásí telegraficky pomocí vestavěného malého reproduktorku. Vida, k čemu jsou mikroprocesory dobré...  :-)

Toliko povídání a nyní už jen pár fotek, dokladujících danou konstrukci.
73 de OK1VPZ


Pohled na provozovaný PA zepředu

a zezadu

Polotovar PA se chladicími tunely

deska ovládání a monitoringu

pohled shora po demontáži desky ovl.

a po demontáži sdružovače

 

pohled shora na polotovar PA


propojování ovládací desky

pohled do skuliny zadního panelu

a na koaxiální relé

pohled na detektory RF a SWR

sestavování...

sestavování II.

poznámky při oživování

a po oživení...

detail uchycení sdružovače

parametry vazby a vstupního děliče

výstupní sdružovač

sdružovač by OK1VPZ

polotovar PA zezadu

a zboku

zdroj a filtry mezi chladiči

bočník z konstantanu pro měření proudu

konstrukce

přední panel zezadu

parametry sdružovače

chladicí tunely

vstupní děliče

vstupní děliče, detail

pohled na vestavěný zdroj shora

a zpředu

a po zasunutí chladicích tunelů

zdroj s filtry

a ještě jednou

odříznutý zbytek chladiče

a zbytek (š.11cm) z druhé strany

pohled zboku po sundání bočnice

a po sundání krytu PA

ještě zblízka

a detail

detail budiče

deska ovládání ventilátorů

měříme i vyvážení obou polovin PA

připojení výstupního konektoru

pohled na hotový PA zezadu

zepředu

a nejfotogeničtější záběr

Budoucí spokojený uživatel...