Wzmacniacz 300W – 144MHz

Kiedyś zakupiłem tzw. NXF RF ESSENTIALS KIT z tranzystorem MRF300AN, przy zastosowaniu którego można budować wzmacniacze mocy na różne zakresy częstotliwości, w tym również na pasmo amatorskie 2 m. Konstrukcja tego modułu jest dokładnie opisana w nocie katalogowej tranzystora MRF300 produkcji firmy NXP, więc nie będę jej tu szczegółowo opisywał.

Przedmiotem opisu będzie reszta układu, czyli pomiary parametrów pracy i zabezpieczenia przed przekroczeniem ich dopuszczalnych wartości.

Dodatkowym warunkiem jaki założyłem przy opracowywaniu układu, było maksymalne wykorzystanie starszych (przewlekanych) elementów elektronicznych, które każdy z nas ma zmagazynowane w szufladach oraz łatwość montażu tych elementów.

Konstrukcja została sprawdzona w praktyce podczas IARU 2m CONTEST 2022 przez naszą grupę SN9AT i okazała się w pełni działająca, a więc nic nie stoi na przeszkodzie, aby zmontować ten układ w technice SMD.

Urządzenie składa się z kilku bloków: wspomnianej już płytki wzmacniacza MRF300, bloku przełączająco – pomiarowego w tym płytki miernika SWR, płytki pomiaru prądu drenu, płytki pomiaru temperatury rozpraszacza – radiatora.

Głównym blokiem jest płyta pomiarowo – zabezpieczająca, która wyłącza wzmacniacz w razie przekroczenia któregoś z czterech parametrów i generuje odpowiedni alarm.

Następnym blokiem jest układ wyświetlania pomiarów parametrów i rodzajów alarmów, oraz ustawiania parametrów pomocniczych, zrealizowany na mikrokontrolerze Atmega z zestawu Arduino wraz z wyświetlaczem LCD 2×20 znaków. Ważnym uzupełnieniem jest chłodzenie za pomocą dwóch wentylatorów włączanych w razie potrzeby, po osiągnięciu ustawionych w programie wartości granicznych temperatury.

1. Układ przełączania i pomiarów.

Przełączanie dokonywane jest za pomocą przekaźników RELPOL RM85-2021-35-1012, które włączają antenę na wyjście wzmacniacza i podają sterowanie z TRX-a na jego wejście. Dodatkowo składnikiem tego układu jest przekaźnik K2 (NEC EC2-12NF), który podaje napięcie bias na bramkę tranzystora MRF300 z odpowiednim opóźnieniem. Przekaźnik ten znajduje się na płycie zabezpieczeń. Wyłączenie napięcia zasilania MRF300 wykonuje przekaźnik K3, który w docelowej wersji został zastąpiony szybko działającym wyłącznikiem elektronicznym na tranzystorze IRFP250N i miniaturowej przetwornicy izolowanej 12/12V.

Na diodach D2 i D3 zbudowany jest pomiar wejściowego napięcia sterowania wzmacniacza, a na diodach D5 i D6 pomiar napięcia sterującego bramkę tranzystora MRF300. Pomiar prądu drenu wykonuje płytka z układem ACS758, zaś temperatura jest mierzona przez układ LM35.

SWR jest mierzony przy użyciu sprzęgacza kierunkowego i diod D9 do D12.

2. Płyta pomiarowo – zabezpieczająca.

Napięcia będące wynikiem pomiarów mocy padającej i mocy odbitej, pomiaru napięcia sterowania bramki MRF300 oraz pomiaru prądu drenu i temperatury radiatora są podawane na wejścia czterech komparatorów LM393 bezpośrednio, bądź w przypadku mocy padającej i mocy odbitej przez wieloobrotowe potencjometry regulacyjne. Potencjometry te są tak ustawione, że w przypadku gdy odpowiednie napięcia, czyli np. 6 V dla FWD i 3 V dla REV (odpowiada to SWR = 3 – można wybrać inny stosunek napięć np dla SWR=2,5), następuje zrównanie napięć na wejściach komparatora U7B np. do napięcia 1,5 V wtedy każde przekroczenie stosunku napięć FVD/REV ponad 2 (czyli SWR > 3) powoduje zmianę stanu na wyjściu tego komparatora i wystąpienie alarmu.

Pozostałe napięcia pomiarowe są porównywane z napięciami odniesienia ustawionymi za pomocą wieloobrotowych potencjometrów regulacyjnych i w przypadku przekroczenia tych wartości wzmacniacz jest wyłączany i występuje alarm. Każdy alarm jest zapamiętywany w pamięci alarmów na czterech przerzutnikach typu D 74LS74 U9A do U10B. Na wyjściach przerzutników poprzez układ negatorów 74LS06 włączone są diody LED D15 do D18 które sygnalizują pojawienie się przekroczenia parametrów. Jednocześnie pojawienie się stanu alarmu na wyjściu przerzutnika poprzez bramkę U11A zdejmuje sterowanie bazy tranzystora Q12 co powoduje wyłączenie napięcia 50 V zasilającego płytkę PA. Dodatkowo następuje blokada napięcia PTT tranzystorem Q6 i uruchomienie buzzera przez tranzystor Q10.

Tranzystory Q8, Q9 i Q11 tworzą układ resetowania alarmu wyzwalany przyciskiem SW3 oraz w czasie włączania napięcia zasilania – resetowany jest również mikrokontroler.

Na komparatorach U2A i U2B zbudowany jest sekwenser, który po wystąpieniu sygnału PTT (GND) z TRX lub z Arduino kolejno przełącza przekaźniki antenowe, a następnie przekaźnikiem K2 podaje napięcie polaryzacji bramki (bias) MRF300.

3. Układ sterowania funkcjami pomocniczymi, pomiaru parametrów i wyświetlania alarmów.

Blok ten znajduje się na płycie pomiarowo – zabezpieczającej zawiera płytkę Arduino Nano V3 i wyświetlacz LCD 2 x 20 znaków.

Funkcje poszczególnych wyprowadzeń Arduino Nano:

2 lcd d7 A0 FWD det

3 lcd d6 A1 REV det

4 lcd d5 A2 Drive det

5 lcd d4 A3 Temp det

6 lcd EN A4 PTT input

7 lcd RS A5 PTT stop

8 Hi SWR A6 Uklaw det

9 Hi Drive A7 I dren det

10 Hi I dren

11 Hi temp

12 PTT ON

13 Fan full

Piny cyfrowe 2 do 7 obsługują wyświetlacz LCD, do pinów 8 do 11 doprowadzone są wyjścia przerzutników pamięci alarmów, co pozwala na rozpoznanie alarmu, wyświetlenie wartości parametru, który ten alarm spowodował i zablokowanie PTT za pomocą pinu A5. Pin 12 służy do uruchamiania PTT w przypadku wykorzystywania HF VOX, kiedy to po pojawieniu się mocy w.cz na wejściu uruchamiane jest PTT (po przekroczeniu wartości mocy ustawionej jako parametr w programie), a następnie wyłączenie PTT po czasie opóźnienia, który to czas też można ustawić w programie. Pin 13 włącza drugi wentylator po osiągnięciu nastawionej w programie temperatury granicznej.

Piny analogowe: A0 i A1 mierzą napięcia fali padającej i odbitej następnie obliczany jest współczynnik SWR prezentowany na wyświetlaczu. A2 mierzy wysterowanie, którego przybliżona wartość jest też wyświetlana, tak jak temperatura zmierzona za pośrednictwem A3, oraz prąd drenu mierzony przez A7. Wejście A6 obsługuje prostą „napięciową” trzy klawiszową klawiaturę.

Opisane rozwiązania są prototypowe, przewidziane są usprawnienia, takie jak wspomniany szybki wyłącznik napięcia 50 V, który został już wykonany, oraz dokładny pomiar napięcia sterowania bramki MRF300 z użyciem płytki na AD361ARM, który będzie sterował układem szybkiego wyłączania tego sterowania z użyciem wyłącznika na diodach PIN który jest w opracowaniu.

Bartosz Pastuszak SP3CAI

Konstrukcja na dzień dzisiejszy została wykonana w dwóch egzemplarzach. Bartosza SP3CAI oraz Marka SP2NNO i Sebastiana SP9TDA. Poniżej prezentujemy zdjęcia obydwóch egzemplarzy:

Bartka SP3CAI: