Projets:Lab:2020:Ampli 100W
Page référencée dans Passion : Radio Radios logicielles, transmissions numériques, expérimentations HF
Section "HermesLite v.2.0 et ses satellites"
Amplificateur monotransistor LDMoS 100W pour Hermes Lite V2
Par qui ?
Cet amplificateur est le fruit du travail de Mathis DB9MAT, qui a fusionné le développement du filtre passe-bas de N2ADR initialement conçu pour une puissance de 5W maximum (puissance du Hermes Lite "de base"), et de l'amplificateur de WA2EUJ, lauréat d'un concours organisé par la société NXP lors de la sortie des transistors de la famille MRF101 et MRF300.
Le premier travail de Mathis a été de sur-dimensionner le filtre pour qu'il puisse tenir la puissance : inductances sur tores 50 ou T60, condensateurs céramique multicouche haute tension (500V) format 1206... le reste demeure assez proche de l'ampli originel.
Le circuit imprimé utilise un substrat 4 couches dont les deux couches internes ne servent à véhiculer que quelques lignes d'alimentation.
Pour qui ?
Ce projet est d'un niveau "débutant averti".
- Il nécessite une certaine expérience en matière de brasure des composants CMS
- Son assemblage demande quelques bonnes notions de mesure et d'instrumentation, notamment lors de la fabrication des inductances du filtre, qui devront être mesurées précisément une à une.
- Un minimum de compétences mécanique seront nécessaire lors de la "mise en boite" du projet, notamment pour ce qui concerne le maintient des différents éléments dans un coffret (le HermesLite se branche "sous" la carte amplificateur) et la fixation du système de refroidissement du transistor principal.
Cet amplificateur s'adresse à tous les possesseurs de Hermes Lite V2 souhaitant disposer d'un peu plus de puissance que les 5W d'origine sans pour autant dépenser des fortunes. Le transistor de puissance est vendu une trentaine d'Euros (ht) auprès des principaux distributeurs présents en France : Mouser, Farnell, Digikey etc
Les ressources
- Le dépôt Github de DB9MAT qui regroupe tous les fichiers KiCAD nécessaires à l'édition, modification, génération des schémas, du pcb et des fichiers Gerber nécessaires à la fabrication des circuits impirmés
- La BOM interactive qui remplit deux fonctions : elle dresse la liste des composants nécessaires à la fabrication de l'amplificateur, et elle guide pas à pas le monteur au fur et à mesure de la construction, en indiquant la position de chaque composant sur la carte et sa valeur exacte.
Pourquoi
Trois raisons président à la construction de cette extension au Hermes Lite V2.
En premier lieu, se "faire la main" sur un amplificateurs à grand gain (26 dB) de nouvelle génération, sans que l'on ait à dépenser des fortunes. Avec un seul transistor, le MRF101AN, cet amplificateur remplace une cascade de deux, voir trois FET traditionnels coûtant 3 fois plus cher. L'étape suivante consistant à s'intéresser aux composants plus puissants de la même famille, les MRF300AN.
En second lieu, offrir au Hermes Lite une puissance équilibrée par rapport à ses performances de réception, sans trop alourdir la taille ou le poids de l'ensemble d'origine.
Enfin, inciter les propriétaires de cette radio logicielle à saisir leur fer à souder.
Comment
Guide de montage rapide
Principe de fonctionnement
A l'émission, le signal HF du Hermes Lite -5W/ 37dBm maximum- passe par un atténuateur de puissance de 6dB. En sortie de cet atténuateur, le niveau d'excitation n'excède donc pas 30 dBm, soit 1W (environ).
Le gain du transistor se situe aux environs de 26 dB, soit une puissance de sortie maximale de 26+30=55/56dBm, soit 300W crête... et le transistor explose. Heu... non, pas tout à fait. Un feedback Drain-Gate et un réseau d'entrée viennent amortir le gain et contraint l'ensemble à des puissances plus raisonnables.
Le signal HF amplifié passe ensuite dans un transformateur de sortie, montage guanella, pour s'écouler sur la charge de l'émetteur (son antenne).
La tension de polarisation est réglée par potentiomètre électronique (MCP4561) commandé par un bus I2C provenant du Hermes Lite
Ce même bus I2C commande la commutation des filtres passe-bas en fonction de la fréquence de travail sélectionnée par l'opérateur. Ce fonctionnement est strictement identique à celui du filtre N2ADR originel : l'ordre I2C est reçu par un décodeur MCP23008, et ressort au format parallèle sur les ports GP0 à GP7. Un ULN2003 tampone et inverse ces signaux et commute les relais concernés.
Un capteur de courant inséré dans le rail d'alimentation (R34/U7) et un capteur de température (LM35, fixé sur le dissipateur de chaleur du transistor de puissance) expédient deux tensions analogiques sur les ports d'entrée d'un convertisseur analogique/numérique à sortie I2C... informations ensuite envoyées sur le bus I2C à destination du Hermes Lite.
Couplé à la ligne HF de sortie, un coupleur directif type Tandem Match (deux tores en matériau 61, deux amplis op MCP6282E/MS) mesure la puissance directe et le réfléchi en sortie d'amplificateur. Les deux signaux résultants, FWD et REFL repartent sur les broches 19-20 du connecteur arrière du Hermes Lite et sont traités par le fpga et le logiciel client.
Un circuit très simple constitué de Q4, Q3 et D6 fait varier la vitesse d'un ventilateur en fonction de la chaleur dégagée par le transistor de puissance. C'est la diode D6, en contact avec le boitier du MRF101AN, qui sert de capteur de température.
L'alimentation
Cette partie du projet est probablement celle qui désorientera le plus les habitués des montages radio conventionnels. Car le MRF101 a besoin d'une tension d'alimentation de 48 Volts sous une intensité d'environ 4 à 5 ampères. Rappelons qu'un ampli de 100W en classe AB a un rendement situé entre 40 et 45% grand maximum. Pour fournir ces 100W HF, il consommera donc entre 200 et 230W dans les pointes de puissance.
Quatre solutions s'offrent alors à l'opérateur :
- Utiliser une source de courant classique 12V de 16 à 20 ampères et intégrer près de l'amplificateur un "step up" qui transformera le 12V en 48V. Un rail 12 V étant conservé par ailleurs pour fournir l'énergie nécessaire au Hermes Lite.
- Récupérer une alimentation de routeur ou de serveur 48/50 V -il est possible d'en trouver à des prix relativement bas sur le marché de l'occasion des data-center-, et ajouter un convertisseur step-down pour générer le 12V nécessaire au Hermes Lite.
- Dénicher une alimentation à découpage bi-tensions 48/12 V -encore le marché de l'occasion des équipements professionnels.
- Associer deux alimentations fournissant chacun la tension souhaitée.
La première solution est la plus couramment utilisée et probablement la plus sure. En cas de défaillance et court-circuit du step-up, l'amplificateur ne fonctionnera pas puisqu'alimenté en 12V
La seconde solution est probablement la plus dangereuse, car en cas de défaillance du convertisseur step-down, une tension de 48V détruira tous les régulateurs à découpage du Hermes Lite et très probablement l'intégralité de son électronique
La troisième solution est idéale, encore faut-il trouver cet oiseau rare. Le rail 12V doit pouvoir fournir une dizaine de watt.
La quatrième solution est également fiable, mais probablement plus encombrante et moins pratique sur le plan mécanique
L'assemblage
Aucune précaution particulière n'a a être prise, et l'on peut même passer outre la règle du "les bas profils en premier" et "du centre vers la périphérie".
Souder les relais
