Wzmacniacz KF 100 W z tranzystorem MRF101

Firma NXP wprowadziła w roku 2018 na rynek nowe tranzystory mocy MRF101 i MRF300. Sa one zaprojektowane dla średnich i dużych poziomów mocy w zakresie częstotliwości radiowych, gdzie oferta nie jest tak bogata. Dlaczego są one wyjątkowo interesujące dla amatorskiej społeczności radiowej?
– Po pierwsze – są tanie dzięki zastosowaniu standardowych obudów plastikowych.
– Po drugie – są znakomite w wyniku zastosowania najnowszej technologii LDMOS.
– Po trzecie – są łatwe do  projektowaniu i budowy wzmacniaczy mocy zarówno KF, jak i UKF.

W związku wprowadzeniem tych produktów firma NXP w maju 2019 r. ogłosiła konkurs pod nazwą „Homebrew RF Design Challenge”. W listopadzie 2019 r. ogłoszono wyniki – pierwsze miejsce zdobył Jim WA2EUJ za rozwiązanie  „An MRF101AN broadband amplifier design with 1 W input, 100 W output, 1.8-54 MHz amplifier deck”. Z pewnością w wygraniu konkursu pomógł znakomicie zrobiony materiał video. Podstawowa dokumentacja projektu, obejmująca schemat i wykaz elementów jest dostępna jest TUTAJ. Konstrukcja robi wrażenie dzięki małym rozmiarom, taniości oraz  łatwości wykonania. Wykorzystano w niej standardowy radiator z wiatrakiem do chłodzenia procesorów w komputerach stacjonarnych.

 

 

 

 

Pokazana wyżej wersja MRF101_EVB_REV_B umożliwia zastosowania PTT, dlatego tylko ona będzie dalej omawiana. Prostota schematu jest uderzająca. Polaryzacja bramki MOSFETa Q1 ma termiczną kompensację za pomocą diody D1. Podanie napięcia większego od 3 V na wejście BIAS_OFF powoduje wyłączenie tranzystora mocy Q1. Rezystory połączone szeregowo z pojemnością C6 zapewniają silne ujemne sprzężenie zwrotne, bardzo korzystne ze względu na stabilność i liniowość pracy. Wyjściowy transformator dopasowujący 4:1 to typowy (tani) podwójny dławik t.zw. „common mode choke”, stosowany często w układach filtrujących zasilanie. Niesamowite w tym zastosowaniu dławika jest to, jak znacznie upraszcza konstrukcję wzmacniacza. Zamiast ręcznie nawijanych cewek na rdzeniach ferrytowych wystarczy wlutować na płytkę gotowy i łatwo dostępny element…

Tranzystor MRF101 wymaga wysokiego napięcia zasilającego, najlepiej 50 V. Każdy by chciał, aby dało się bezpośrednio wykorzystać typowy zasilacz czy akumulator 13,8 V. Ale rozwiązanie z tranzystorem wysokonapięciowym ma sporo zalet. Impedancja wyjściowa takiego tranzystora jest większa, i łatwiej dopasować ja do wyjścia 50 omów. Prądy pobierane z zasilacza są znacznie mniejsze, a więc konstrukcja może być „delikatniejsza” i mniej stratna, bez grubych ścieżek i przewodów.

Tranzystor pracuje w klasie AB, a więc zniekształcenia nieliniowe będą z pewnością większe niż we wzmacniaczu dwu-tranzystorowym. Jak wiadomo, w idealnie symetrycznym wzmacniaczu push-pull parzyste harmoniczne się znoszą. Tutaj ten efekt nie występuje, czyli nasz wzmacniacz w żadnym przypadku nie może być podłączony do anteny bez (i to dobrego) filtru pasmowego na wyjściu.

Postanowiłem sprawdzić osobiście co to rozwiązanie jest warte i zamówiłem płytki oraz komponenty, czego rezultat widać niżej.

 

 

 

 

 

Zmontowałem stanowisko pomiarowe jak na fotografii poniżej. Źródło sygnału to SunSDR z tłumikiem 10 dB. Żółty miernik służy do pomiaru prądu pobieranego z zasilacza 50 V. Do wyjścia dołączone jest sztuczne obciążenie 50 omów 100 W i wskaźnik mocy (niekalibrowany). Do pomiarów używam oscyloskopu SDS 1202X-E. Jest to cyfrowy oscyloskop o paśmie 200 MHz i próbkowaniu 1 Gs/s. Do określenia mocy na obciążeniu używam wartości skutecznej napięcia na obciążeniu zgodnie z zależnością P = U2 / R . Producent nie specyfikuje, jaka jest dokładność pomiaru oscyloskopu, ale zakładając, że mamy do czynienia z sygnałem próbkowanym w domenie cyfrowej, nie powinna być gorsza od 10 %.

Autor projektu Jim WA2EUJ sugeruje ustawienie prądu spoczynkowego Iq na 100 mA. Moim zdanie to zbyt konserwatywna wartość, sprawdziłem że wpływ na liniowość jest zauważalny, dlatego zwiększyłem Iq do 200 mA. Poniżej pokazano kształt sygnału na obciążeniu 50 omów dołączonym do wyjścia dla 3650 kHz i mocy ok. 100 W. Pobór prądu z zasilacza 50 V wynosił 3,02 A, a więc sprawność wzmacniacza była 66,2 %.

f=3650 kHz, 100 W, Iq = 200 mA

 

 

 

 

 

Poniższa seria zdjęć pokazuje wpływ mocy wyjściowej na kształt sygnału na obciążeniu 50 omów dla 14200 kHz. Trzeba zaznaczyć, że wartość mocy została obliczona na podstawie wartości skutecznej napięcia (widocznej pod oscylogramem), a więc jest to całkowita moc sygnały wraz z jego harmonicznymi. Do oszacowania próbowałem użyć funkcję wyznaczania widma sygnału za pomocą szybkiej transformaty Fouriera FFT, w jaką jest wyposażony SDS 1202X-E. Niestety rozdzielczość odczytu wartości pików na ekranie jest słaba. Mogżna szacunkowo określić, że dla 100 W pierwsza harmoniczna był ok. 13 dB niższa niż podstawowa (czyli na poziomie 5 W), a trzecia ok. 23 dB niższa niż podstawowa (czyli na poziomie 0,5 W).

f=14200 kHz, 25 W, Iq = 200 mA
f=14200 kHz, 50 W, Iq = 200 mA

 

 

 

 

 

f=14200 kHz, 75 W, Iq = 200 mA
f=14200 kHz, 100 W, Iq = 200 mA

.

 

 

 

 

Sprawdziłem działanie wzmacniacza bez filtrów pasmowych na sztucznym obciążeniu w zakresie 1,8 – 52 MHz. Udało się uzyskać 100 W (według wartości skutecznej napięcia) w pełnym zakresie częstotliwości. Maksymalna moc sterująca nie przekraczała 1,2 W (na podstawie nastaw SunSDR, niezweryfikowanych oscyloskopem). Oznacza to wzmocnienie rzędu 20 dB – nieźle! Poniżej pokazano sygnały 100 W dla różnych częstotliwości.

f=1900 kHz, 100 W, Iq = 400 mA
f= 3650 kHz, 100 W, Iq = 400 mA
f= 7100 kHz, 100 W, Iq = 400 mA

 

 

 

 

 

f= 14200 kHz, 100 W, Iq = 400 mA
f= 28800 kHz, 100 W, Iq = 400 mA
f= 50500 kHz, 100 W, Iq = 400 mA

 

 

 

 

 

Do dalszych prób postanowiłem wykonać filtr pasmowy na pasmo 80 m. Jim WA2EUJ opracował w tych samych rozmiarach 5×5 cm odpowiednią płytkę, której schemat jest poniżej. Zmontowałem na płytce uniwersalnej filtr tylko na pasmo 80 m, gdzie pojemności CA=CJ=560 pF, CC=CG=220 pF, CE=1200 pF, LA=LB=1,7 uH (17 zwojów na T68-2). Pomiar tłumienia na drugiej harmonicznej, czyli 7,3 MHz za pomocą generatora i oscyloskopu dał wynik 21 dB.

 

 

 

 

Sygnał dla mocy wyjściowej 86 W pokazany jest niżej.Prąd pobierany z zasilacza był 2,81 A, a więc sprawność wzmacniacza była 61,2 %. Całkiem przyzwoicie! Maksimum, co udało mi się „wycisnąć” to 93 W, ale przy bardzo silnej już kompresji charakterystyki przejściowej, co jest zauważalne powyżej 80 W. Uważam, że 80W jest to rozsądna maksymalna wartość użyteczna mocy wyjściowej bez wchodzenia w zakres dużych nieliniowości pracy tranzystora. Pokusiłem się na pomiar zniekształceń nieliniowych. Wynik nie jest super-dokładny, ponieważ funkcja FFT w oscyloskopie ma małą rozdzielczość, ale można oszacować, że druga harmoniczna jest o ponad 44 dB niżej, niż podstawowa – patrz niżej (prążek o częstotliwości 2,5 razy większej jest na podobnym poziomie – czy ktoś potrafi go wytłumaczyć?). Próbna łączność w paśmie 80 m została zrobiona (tnx SP5ELA), i nie stwierdzono problemów z sygnałem.

f= 3650 kHz, 86 W, Iq = 200 mA
f= 3650 kHz, 85 W, FFT

 

 

 

 

 

 

W projekcie wykorzystano tranzystor MRF101AN, istnieje jego bliźniacza  wersja w obudowie będącej lustrzanym odbiciem MRF101BN. To znakomity pomysł, który ułatwia budowę wzmacniaczy typu push-pull. Uważam, że takiego wykonanie wzmacniacza o mocy wyjściowej rzędu 200 W jest stosunkowo łatwe, chętnie bym to sprawdził. Niestety nie jest mi taki wzmacniacz do niczego potrzebny, i nie mam bodźca. Może ktoś chce pociągnąć temat? Chętnie nawiążę współpracę. Nota bene na tych tranzystorach da się także zrobić wzmacniacz na pasmo 144 MHz.

Jim WA2EUJ opracował również układ przełączania N/O z mostkiem SWR. Jest on wykonany również w module 5×5 cm, co umożliwia montaż typu „kanapka” wszystkich 3 płytek i zachowanie małych rozmiarów całości. Jest też wersja 7-pasmowa filtrów, ale płytka ma rozmiary 10×7,5 cm.

Do zasilania Jim rekomenduje zasilacz impulsowy AC/DC 50V/200 typu EPP-200-48, łatwo dostępny także w Polsce. Można też wykorzystać dwa tanie zasilacze 24V połączone w szereg. W przypadku zasilania z akumulatora samochodowego 13,8 V niezbędna jest przetwornica podwyższająca napięcie. Na aukcyjnych portalach internetowych można łatwo znaleźć niedrogie przetwornice DC/DC. Dobre wyniki z tym wzmacniaczem może dać popularny moduł konwertera step-up 1200 W o maksymalnych zakresach napięcia wejściowego 10-60 V i wyjściowego 12-83 V. Może się wydawać, że 1200 W to gruba przesada dla wzmacniacza 100 W. Ale jeśli wzmacniacz MRF101 przy 50 V zasilania będzie wymagał w skrajnym przypadku prądu rzędu 4 A, (co jest znacznie poniżej dopuszczalnej mocy i prądu wyjściowego przetwornicy), to wtedy dla 12 V na wejściu i przy założeniu 90% sprawności przetwarzania DC/DC prąd wejściowy przetwornicy wyniesie 18,5 A! Jest to wartość już bardzo bliska 20 A, czyli maksymalnej wartości prądu wejściowego tego konwertera step-up. W układzie modelowym zasilanym z taką przetwornicę wykonałem serię pomiarów dla 3650 kHz:

Wzmacniacz z filtrem i przetwornicą step-up

 

 

 

 

 

 

 

Pwy [W] vs. Pwe [W]
Pwy [W] vs. Pwe [W]
Wzmocnienie [dB] vs. Pwy [W]
Wzmocnienie [dB] vs. Pwy [W]
 

 

 

 

 

 

Izas [A] vs. Pwy [W]
Sprawność [%] vs. Pwy [W]
 

 

 

 

 

 

 

Drugie miejsce w  konkursie  „Homebrew RF Design Challenge”  zdobyło rozwiązanie Razvana M0HZH – wzmacniacz 600 W na tranzystorach MRF300. Ta konstrukcja jest zdecydowanie ciekawsza technicznie, i trudniejsza do wykonania. Jednak w stosunku do znanych rozwiązań jest rewelacyjnie prosta i ma znakomite osiągi! Tu także kusi mnie, aby  wykonać swoją wersję takiego wzmacniacza. Mam nawet tranzystory. Może ktoś chce pociągnąć i ten temat? Chętnie nawiążę współpracę.

W magazynie „Świat Radio” nr 6/2020 na stronach 46-50 opublikowano mój artykuł pt. „Wzmacniacz HF na MRF101”, gdzie można znaleźć dodatkowe szczegóły na temat konstrukcji.

Jasne jest, że jak zamawiałem komponenty do budowy wzmacniacza, to nie na jedną sztukę. Jeśli jest ktoś chętny to mogę odstąpić niepotrzebne mi już częściowo zmontowane płytki (kontakt przez qrz.com).

Mirek SP5GNI

Skomentuj

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *