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09/12/2020 - New !

Luca IK5XLB, durante la costruzione del suo amplificatore lineare, ha eseguito alcune misurazioni molto interessanti sul SunSDR2-PRO e sullo Yaesu FT857De per scongiurare la rottura dello stadio finale LDMOS. L'articolo che potete leggere di seguito è il resoconto dell'analisi che Luca ha condiviso nel gruppo italiano SunSDR. E' interessante notare come le misure sul ragio SunSDR2-PRO siano praticamente perfette e come, nell'utilizzo dell'FT817De, il circuito di protezione di DJ0ABR impedisca che gli spike di potenza raggiungano l'amplificatore LDMOS.

Durante la costruzione di un amplificatore HF a stato solido ho affrontato il problema di come proteggere il prezioso LDMOS dal sovrapilotaggio di ingresso. E’ infatti noto quanto gli LDMOS siano soggetti a rottura se viene applicata una potenza superiore, anche di poco, al massimo tollerabile dal dispositivo. Questo valore può variare a seconda del modello, ma si aggira sempre dai 2 ai 5w. Quasi tutti gli amplificatori a stato solido commerciali ed i pallet usati per l’autocostruzione sono dotati di attenuatori in ingresso e dovrebbero avere un’attenuazione tale da ridurre la potenza del trasmettitore a livelli idonei di pilotaggio dell’amplificatore senza eccedere. Per non incorrere ai problemi di sovrapilotaggio dovuti ad un errato settaggio della potenza di uscita del trasmettitore si potrebbe usare un attenuatore che obbliga a trasmettere a piena potenza con la radio, i tipici 100w per esempio, dissipare circa 95w in calore con l’attenuatore ed essere sicuri che all’LDMOS non saranno mai applicate potenze eccessive in ingresso…. Almeno in teoria (vedremo in seguito).
Ci sono vari sistemi per non “sprecare” in calore la potenza del trasmettitore prima di arrivare al transistor dell’amplificatore, tipo settare una potenza più bassa compatibile all’attenuatore dell’amplificatore, ma gli errori di settaggio sono sempre dietro l’angolo. Un’altro modo è usare l’ALC della radio, cioè un segnale in genere costituito da una tensione negativa che l’amplificatore fornisce alla radio che fa diminuire la potenza di pilotaggio qualora l’amplificatore sia pilotato con una potenza superiore alla necessaria. Questo sistema però deve fare i conti sulla velocità con la quale l’amplificatore reagisce al sovrapilotaggio e la conseguente velocità di risposta della radio nel ridurre la potenza, in questo tempo, in dinamica, l’LDMOS può essere soggetto  a pericolosi livelli di potenza in ingresso. Un’altro sistema per salvaguardare il transistor dell’amplificatore è un misuratore di potenza di ingresso all’amplificatore, che se ecceduta, manda in protezione l’amplificatore stesso. Anche in questo caso la velocità nel misurare la potenza è fondamentale. Generalmente viene usato un accoppiatore direzionale e la misura viene affidata al microprocessore del controller, troppo lento per reagire in tempo ed essere sicuri che l’LDMOS non si sia danneggiato.
Un’altro problema che si presenta e che è ampiamente trattato nei vari forum radioamatoriali è quello degli spike dei trasmettitori commerciali, ovvero un momento iniziale all’attivazione del PTT in cui la potenza erogata è maggiore di quella impostata. Leggendo sul web sembra che alcuni trasmettitori soffrano più di altri di questo fenomeno.
Dato che l’amplificatore che sto costruendo sarà utilizzato in combinazione di un SunSDR2 Pro e che sui forum sembrerebbe che tale radio abbia portato alla rottura di alcuni amplificatori allo stato solido proprio per questo motivo, ho voluto fare alcune misurazioni confrontando il comportamento del SunSDR e di un Yaesu FT-857e che ho a disposizione.
Ho semplicemente collegato la radio ad un carico fittizio di 50 Ohm e tramite un oscilloscopio digitale ho monitorato la tensione RF all’inizio della trasmissione con la modalità di trigger in “single” ovvero viene congelata sullo schermo l’immagine della forma d’onda nel momento in cui la tensione supera il livello di trigger impostato. E’ possibile quindi vedere se e quando la potenza erogata dal trasmettitore supera quella impostata e vedere il comportamento della RF nel momento del passaggio in trasmissione nonché misurare la potenza erogata in regime stazionario e nel transitorio dello spike iniziale.

Il primo ad essere analizzato è stato il SunSDR2 Pro, queste le forme d’onda nel momento del passaggio in trasmissione usando il comando TUNE in SSB, in FM ed in CW

SunSDR 5w Tune

La base dei tempi è di 2ms per divisione così da visualizzare il passaggio in TX ed i successivi 18ms.

Non c’è alcuno spike iniziale e la potenza max è di 5.2W misurate dal valore Pk-Pk visualizzato in basso sulla sinistra dello schermo (46.4 Volt). La potenza media invece è di circa 4.84W evidenziata dai cursori verticali (delta Y = 44 volt). Ricordo che misurando il valore picco picco della tensione RF su di un carico di 50 Ohm è possibile ricavare la potenza reale, basta usare l’apposita formula o uno dei tanti convertitori online, per esempio:

https://www.random-science-tools.com/electronics/dBm-Watts-volts.htm

La banda passante dell’oscilloscopio è sufficientemente buona (200Mhz) tanto che riesce anche con questa base dei tempi a misurare il periodo della sinusoide Prd=140ns infatti trasmettevo sui 40mt.

Anche ad altri valori di potenza il comportamento non cambia.

SunSDR 10w Tune

SunSDR 18w Tune

Ho notato un piccolo glitch (non spike) qualche decina di millisecondi prima della portante principale, forse dovuto al rimbalzo del relais della commutazione TX, che comunque ha valori di potenza inferiori alla potenza nominale, quindi non preoccupante

Anche in CW la trasmissione sembra estremamente pulita

SunSDR 18W CW

Quando ho monitorato il comportamento dello Yaesu FT-857e ho notato spiacevolmente che presentava all’inizio della trasmissione un notevole spike a tutti i livelli di potenza impostata e proporzionale a quest’ultima. Questo fenomeno si presenta con la radio settata su FM, PKT e portante fissa.

FT-857e 5W FM

Si può notare che con una potenza impostata sulla radio di 5W, lo spike iniziale arriva ad un massimo di 38w ed il tempo in cui la potenza dello spike iniziale supera la potenza nominale è di ben 3.5 millisecondi.

Di seguito altre misurazioni a diverse potenze impostate

FT-857e 10W (potenza reale dopo spike 10.5W e picco dello spike = 36W)

FT-857e 50W (potenza reale dopo spike 46.9W e picco dello spike = 125,4W)

FT-857e 100W (potenza reale dopo spike 92W e picco dello spike = 149W)

A potenze basse il fenomeno è molto marcato con potenze di picco superiori alla nominale di molte volte (piu di 7 volte a 5w) e decresce all’aumentare della potenza, ma il fenomeno è sempre marcato con il 50% in piu della potenza impostata anche a 100w!

Sinceramente non mi fiderei a pilotare un amplificatore allo stato solido non dotato di idonee protezioni o accorgimenti dello stadio di ingresso con il mio Yaesu, mentre mi sentirei molto più tranquillo con il SunSDR !!!

Anche per i motivi di cui sopra, ho deciso di scegliere un progetto per l’autocostruzione del mio amplificatore che avesse delle protezioni veloci e sicure che limitassero la tensione sui gate dell’LDMOS in caso di spike iniziali e di breve durata, nonché dotare l’amplificatore di un misuratore di potenza di ingresso che mandasse in protezione lo stesso in caso di sbagliata impostazione della potenza di pilotaggio.

La scelta è caduta su di un progetto di DJ0ABR che ha affrontato professionalmente la progettazione del pallet, lo stadio dei filtri LPF e del controller mettendo a disposizione della comunità radioamatoriale sia gli schemi, i files per la realizzazione dei circuiti stampati e i firmware del controller. Devo ringraziare Kurt per l’ottimo lavoro svolto e per la notevole quantità di cose che mi ha permesso di imparare anche se non l’ho mai contattato direttamente.

Il circuito di ingresso del pallet è il seguente:

Le protezioni dal sovrapilotaggio sono inserite in due punti distinti, uno prima del trasformatore di ingresso, nel centro dell’attenuatore a T da 4db costituito da R1,R2,R3,R19,R20. L’altra protezione è inserita a valle del trasformatore di ingresso, direttamente sul gate dell’LDMOS.

Entrambi i circuiti di protezione sono costituiti dall’antiparallelo della serie di un diodo veloce e di uno Zener o TVS chiaramente polarizzato inversamente verso massa. I due rami sono interessati uno per quanto riguarda la semionda positiva e l’altro per quella negativa. La tensione del TVS o zener piu la caduta sul diodo in serie determinano la tensione massima positiva e negativa di quel punto. Il circuito cerchiato di rosso per esempio ha due TVS da 15v nominali, quindi la tensione in quel punto viene limitata a non piu di 30-35v picco picco.

Esistono anche TVS bidirezionali che non necessitano del diodo in serie, ma l’autore di questo progetto ha scelto quelli unidirezionali…

NOTA: a monte del circuito di figura, tra la radio ed il pallet ho inserito un’ulteriore attenuatore da 3db.

Questa è la forma d’onda all’ingresso del trasformatore con un pilotaggio di 5w con spike.

FT-857e 5W – IN trasfo

Si può notare che l’inviluppo dello spike iniziale è “potato” ad una Vpp di 34.8v dai componenti cerchiati in rosso dello schematico.

FT-857e 10W – IN trasfo

Con una potenza di pilotaggio della radio di 10W lo spike è livellato sempre sui 36Vpp (3.2Watt) che è piu o meno la tensione Vpp dei 10W in quel punto dopo gli attenuatori. Si evince che la massima potenza di ingresso dell’amplificatore a monte degli attenuatori è di 10W, oltre tale valore i TVS andrebbero in conduzione costantemente limitando la tensione a non oltre i 36Vpp. Se triplichiamo la potenza di ingresso c’è il rischio di bruciare i TVS dato che in regime costante riescono a dissipare 5W al massimo mentre per diverse decine di msec riescono a sopportare diverse decine di Watt. E’ per questo che è opportuno che il controller dell’amplificatore misuri tramite un accoppiatore direzionale la potenza in ingresso e mandi in protezione se il trasmettitore è impostato per una potenza di molto superiore a quella a cui lavora l’amplificatore (nel circuito e attenuatori usati in questo progetto 10W) oppure di usare l’ALC che faccia ridurre la potenza del trasmettitore.

FT-857e 20W – IN trasfo

Anche con 20w di pilotaggio la tensione in ingresso al trasformatore non va oltre i 37Vpp.

I componenti evidenziati dai cerchi celesti hanno la stessa funzione vista in precedenza, questa volta la rete monta dei diodi zener e sono inseriti direttamente sui gate dell’LDMOS a valle del trasformatore di ingresso 4:1
Si può notare che le due tensioni di zener sono differenti, per la parte positiva del segnale 8.2Volt, mentre per la negativa 4.7Volt, questo perché in quel punto è applicata anche la tensione continua e positiva del Bias che trasla la sinusuide verso i positivi di 2-3 volt (a seconda del punto di lavoro e la classe di funzionamento scelto per l’ampli). E’ importante applicare una protezione anche in questo punto, direttamente sui Gate per “potare” eventuali picchi di tensione o spike che possono essere generati da eventuali autooscillazioni ecc…

Questa è la forma d’onda del Gate

NOTA: Il calcolo della potenza fatto in precedenza utilizzando la Vpp non è più valido, adesso siamo dopo il trasformatore 4:1 e l’impedenza di ingresso del transistor non è 50 Ohm!

Chiaramente l’intervento dei TVS e e degli zener aberrano la sinusoide della portante. Dalle forme d’onda di seguito si vede che con un pilotaggio di 5W e quindi senza che i TVS e gli zener intervengano, la sinusoide è bella pulita, mentre è distorta quando le protezioni intervengono non solo sullo spike ma anche dopo quando per esempio la potenza di pilotaggio è 20W.

Anche in questo caso la tensione picco-picco del gate non supera mai quella imposta dalle reti di protezione rimanendo quindi al di sotto di valori potenzialmente pericolosi. Le reti RC R4-C1 e R5-C2 smorzano e “addolciscono” un pò le pendenze della sinusoide distorta dai TVS e dagli zener.

FT-857e 5W – Forma d’onda gate LDMOS

FT-857e 20W – Forma d’onda gate LDMOS distorta

Conclusioni:

Premetto che non sono un tecnico specializzato in RF e che ho cercato di analizzare ed interpretare il circuito dell’amplificatore che sto autocostruendo. Il problema degli spike iniziali e del sovrapilotaggio è reale ma ci sono varie tecniche e soluzioni circuitali che preservano i delicati transistor di potenza, almeno per quanto riguarda lo stadio di ingresso.
Non ho a disposizione gli schemi elettrici dei pallet reperibili in commercio, ma anche guardando le foto dei pallet stessi non mi è sembrato di vedere queste reti di protezione in molte realizzazioni. Considerato il costo dei componenti necessari (meno di 2 euro per tutti) e della loro efficacia, non capisco perché non vengano adottati sistematicamente.

Non ho monitorato tutte le possibili condizioni di trasmissione (trasmissione tramite ingresso tasto CW, modi digitali con ingresso audio da scheda audio o cavo audio virtuale su SunSDR ecc… ) ma non ho mai notato spike anomali sul SunSDR2 pro anche se alcuni possessori di tale radio imputano proprio a questi spike anomali la rottura del proprio amplificatore. Sono invece sistematici gli spike sullo Yaesu Ft-857e. Mi prometto di fare altre misurazioni su altri RTX in mio possesso come l’FT-1000mp o altri Kenwwood.

Durante le prove in potenza del mio amplificatore che a quel momento non disponeva delle protezioni di SWR eccessivo sull’uscita e sull’errata selezione del filtro LPF, ho purtroppo bruciato un transistor LDMOS, proprio per aver trasmesso con un filtro diverso da quello della banda su cui trasmettevo. Anche se l’LDMOS fosse da 65volt (MRFX1K80h) e sottoalimentato a 50v, non è stato sufficiente ad evitarne la rottura. Ricordo che è estremamente importante avere protezioni veloci ed efficienti perché gli imprevisti o delle semplici distrazioni possono essere fatali per gli estremamente performanti, ma anche estremamente delicati LDMOS!

73’s de IK5XLB
Luca