Projets:Lab:2020:Ampli 100W
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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. Les quelques personnes ayant souvent joué avec ce genre de step-up recommandent d'acquérir des convertisseurs 1200W... et ne pas espérer en tirer plus de 300W, compte tenu de la qualité très discutable des composants passifs périphériques.
- 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
- Assembler le bloc "alimentation 48V" avec son filtre, ses découplages et son capteur de courant. Attention à la tension de service de C67, C70 à C72, qui doivent supporter 50V permanent. Rechercher des composants 100 à 200V.
- Passer ensuite aux périphériques situés autour de l'emplacement de Q1. La diode 1N4148 est soudée en "pont" de manière à pouvoir toucher le boitier du MRF101. C66 doit pouvoir tenir la tension d'alimentation et la puissance HF. Prévoir 500V mini de tension de service.
- Braser ensuite les composants du réflectomètre (sur la droite de la photo), puis ceux destinés au décodage I2C de la commutation de bande. Ajoutez également les condensateurs de découplage de chaque relais, ainsi que les by-pass de ferrite assurant le filtrage du rail 3.3V des relais.
- Câbler le petit circuit de commande du ventilateur du P.A. (en bas du cliché) ainsi que les découplages de la seconde rangée de relais et ferrites associées.
- Sur la face supérieure du circuit, installer le transformateur de sortie du P.A. et les condensateurs C75, C76 et C62, tous avec une tension de service de 500V mini. Si l'on ne peut trouver des condensateurs au format 1206 avec de telles tenues en tension, utiliser des MLCC au format 1111 soudés sur la tranche.
En profiter pour ajouter le seul filtre passe-haut "réception" (L15/16 et condensateurs associés, format 0805 basse tension)
Souder ensuite la totalité des capacités du filtre (C6, C12, C25 ….. C11, C24, C36). Ce sont tous des condensateurs mlcc format 1206, 500V de tension de service. Continuer sur le chemin HF en partant de l’antenne -C75, C76, C66, C62 sont également des condensateurs 500 V. Puis C56, C59 (100 V, condensateurs situés sur le chemin 2W HF)
Braser ensuite toutes les résistances de puissance 2 ou 3W format 2512, y compris celles situés sous le pcb, coté réflectomètre.
Assembler ensuite les composants tout au long du rail 48V : le shunt R34, les deux straps (résistances 0 Ohm) R14, R35, puis les condensateurs céramique C70 à C72 et le condensateur électrolytique C67 qui tous doivent afficher une tension de service de 63 V à 100V minimum.
Achevez d’installer les passifs « classiques » sur tous les emplacements laissés vides (section réflectomètre, contrôle du ventilateur Q4, Q3 et composants périphériques, circuit de courant de repos du transistor final), le connecteur BNC de sortie.
A ce stade, n’installez ni le transistor MRF101AN, ni son capteur de température LM35,
ni l’enroulement primaire de T1 (simple boucle)
ni les connecteurs verticaux de liaison J2, J9, J10
Bobinez les selfs du filtre passe-bas L1 à L12 et les deux tores T1 et T2 du réflectomètre. Le diamètre du fil émaillé importe peu, entre 6 et 8 dixièmes de mm. A l’exception de ces deux transformateurs, chaque inductance doit être mesurée à l’analyseur ou au capacimètre, si possible à sa fréquence nominale de fonctionnement. Les inductances des bandes 160, 80 et 60m utilisent des tores T50-2, les bandes 40/30 m et 20/17m des T50-6, et la bande 15/10m des T50-10. Le filtre 160m peut être construit avec du matériau 1.
L’inductance de 224 nH pour le filtre 30 MHz, même sur matériau 10 ou 17, ne comporte que très peu de spires,
et son réglage peut être délicat. Afin d’augmenter le facteur de qualité de la self, faciliter son réglage
et améliorer la répartition du fil émaillé sur le tore, on peut réaliser le bobinage « deux fils en main », soudés 2 à 2. (voir photo)
Vérification du filtre
- Brancher une alimentation entre 2,5 et 3.3V, point chaud sur le rail situé en amont de FB1 (voir photo) et point froid sur le plan de masse le plus facilement accessible . Souder un second fil de masse de 10 cm qui servira à faire commuter les relais bande après bande durant les mesures
- Souder provisoirement un connecteur SMA sur J2-2/J2/1 (voir photo)
- Souder provisoirement un connecteur SMA sur le point 3 de T1 après avoir légèrement gratté le vernis épargne pour dégager un point de masse pour le connecteur en question.
- souder un fil «baladeur » de 10 ou 12 cm relié à la masse à une extrémité, l’autre bout dénudé et étamé sur 2mm. Il servira de fil de commande pour commuter les filtres un à un.
- Brancher, après étalonnage 1/60 MHz, un analyseur scalaire ou vectoriel sur les connecteurs ainsi posés.
- Lancer un balayage. Par défaut, lorsque tous les relais sont au repos, c’est le filtre 160m qui est en service.
- Pour commuter les filtres les uns après les autres, il suffit d’appliquer l’extrémité du « fil de commutation » sur l’une des perles ferrites situées sur les lignes de commande des relais (FB9, 11, 13, 15 et 17)
- Le résultat doit être équivalent à la capture ci-après. En cas de mesure erronée, vérifier la qualité des soudures sur le filtre « fautif ». Il peut arriver qu’une brasure de condensateur soit sèche.
- Dessouder les deux connecteurs SMA, le fil de commutation, les fils d’alimentation provisoires 3.3V.
- Souder la boucle du primaire de T1
Ainsi s’achève la procédure de test du filtre passe-bas.
Mécanique
Tailler une plaque de blindage avec les réserves nécessaires au passage du transistor de puissance et de son capteur, ainsi que des connecteurs verticaux de liaison J2, J9, J10 et éventuellement un connecteur SMA sur l’entrée de l’amplificateur (J2 1,2 et 3, voir photo)
Ce blindage n’est absolument pas obligatoire. Il réduit fortement le rayonnement des alimentations à découpage du hl2, régulateurs situés à la verticale des bobines des filtres. Ces rayonnements sont surtout très présents sur la bande 160 m, mais les versions de gateware les plus récentes permettent d’asservir la fréquence de fonctionnement de ces régulateurs, et ainsi légèrement décaler la zone de perturbation.
Ce blindage et maintenu par 6 entretoises de xxx mm et doit affleurer le bloc de filtrage du rail 50 V (L14).
La carte Hermes Lite v2.x sera elle-même fixée par 4 entretoises de xxx mm de haut.
En comptant l’épaisseur d’une plaque alu de 1.5mm, les deux cartes sont éloignées l’une de l’autre de xxx mm.
- Installer les trois connecteurs assurant la liaison entre la carte SDR et l'amplificateur. Ces connecteurs peuvent être de simples prolongateurs femelle-femelle type Berg ou AMP, ou des séries kk ou kp Molex avec détrompeur.
- La liaison HF (sortie 5W vers amplificateur) peut être soit réalisée avec ces mêmes connecteurs, soit assurée par une "queue de cochon" SMA. Dans ce dernier ca, il faudra souder un connecteur "SMA Edge" dont les picots de masse auront été coupés et/ou retaillés
ATTENTION : J10 vient en regard d’un connecteur 5 broches partant des broches 4 à 14 de DB1, autrement dit la rangée « intérieure » du pcb, un trou de décalage par rapport à la broche 1-2.
- Fixer un dissipateur de chaleur à 90° par rapport au plan du circuit imprimé.
- Une fois le dissipateur fermement positionné, visser les deux boitiers TO220 : le MRF101AN et son capteur de température LM35.
- Poser, si ce n’est déjà fait, la diode « à fil » 1N4148 en contact physique avec le MRF10AN. Elle sert de capteur de température destiné à régler la vitesse du ventilateur du P.A.(voir photo ci-dessus)
- Confectionner 3 raccords femelle-femelle de liaison pour les connecteurs J10, J9 et J2. Si l’on compte utiliser des connecteurs « fil à carte » de type Molex KK, il risque d’être nécessaire de retailler légèrement le « housing » sur sa hauteur, selon la longueur des entretoises qui auront été choisies. Si l’on compte utiliser une liaison sma/sma entre les deux cartes, penser à utiliser un cordon avec une SMA coudée
- Monter le sandwich pcb amplificateur/blindage intermédiaire/hermeslite2, en prenant garde à bien positionner les connecteurs de liaison durant l’assemblage. Ne pas oublier de relier la sortie 5W du Hermes Lite V2 à l'entrée amplificateur. Les ports "TX Low" et "RX Only" seront directement repiqués sur la carte principale du Hermes Lite.
- Ajouter un dissipateur de chaleur pour les deux petits transistors LDMoS du HermesLite, lesquels, dépourvus de boitier alu, ne possèdent plus aucun moyen d’évacuer les calories.
Etape finale : le réglage du courant de repos
Le réglage du Bias est réalisé automatiquement par le truchement d'une option spécifique de Spark SDR
