Deska ochran PA
Tranzistorový koncový stupeň je poměrně choulostivé zařízení. Na internetu najdete videa
která demonstrují úžasnou odolnost použitého tranzistoru proti nepřizpůsobení na výstupu. Já
ale nehodlám podobné věci zkoušet s tranzistorem zakoupeným za mé těžce vydělané úspory.
O čem už se tolik nemluví je vysoká citlivost tranzistorů LD-MOS na přebuzení na vstupu. Aby
byl náš tranzistor ochráněn před různými nebezpečnými vlivy navrhl
F1TE
desku ochran které PA chrání před většinu nebezbečných vlivů. Navíc je na desce zdroj předpětí pro
Gate výkonového tranzistoru a teplotní kompenzace klidového proudu.
Já jsem jeho desku použil s malými úpravami které nemají vliv na funkčnost původní desky a
navrhl jsem novou DPS která je díky použití SMD komponent výazně menší než původní která se mi
nějak nechtěla vejít do prostoru, který jsem pro ni měl k dispozici :-).
Hlavním úkolem desky ochran je v případě jakéhokoliv nebezpečného vlivu velmi rychle odpojit buzení PA a přepnout ho do bezindukčního odporu 50Ω kde se budící výkon neškodně spálí. Zároveň vypne předpětí pro G výkonového tranzistoru.
Budící výkon pro PA vstupuje do desky ochran SMA konektorem X1 a odcházi k modulu PA konektorem X2. Výkonovými PIN diodami D1 a D2 se výkon přepíná do bezindukčního odporu R7 nebo do výstupního konektoru. Není nutné abych detailně rozebíral funkci zařízení protože je dobře popsaná na výše uvedených stránkách autora. Nastíním tedy jen stručně hlavní funkčnosti. Nejdůležitější ochrana je proti vysokému budícímu výkonu. Výkon se měří detektorem s diodou D3 a usměrněné napětí pokračuje do OZ U3A. který funguje jako zesilovač jehož výstupní napětí v případě překlopení do kladných hodnot sepne tyristor Q9 a tím aktivuje ochrany. Výkon, při kterém dojde k vypnutí buzení lze nastavit trimrem R16. Měl by být nastaven na rozmezí cca 4,5 až 5W. Nastavte co nejnižší výkon při kterém ještě nedochází k náhodnému vypínání ochran při běžném provozu. Při CW SSB modulačních špičkách má ochrana tendenci vypínat dřív než při FM nebo Digitálních druzích provozu. Proto konečnné nastavení provádějte při CW/SSB. Nenastavujte ale výkon větší než uvedenou hranici 5W. Pokud by ochrany vypínaly i při výkonu blížícím se k 5W je chyba pravděpodobně v budícím zařízení a je nutné ji eliminovat jiným způsobem než zvyšováním výkonu při kterém ochrana vybaví.
Většina amatérů používá TCVRy které mají výstupní výkon na 144MHz okolo 100W. Tyto TCVRy bývají řízeny lépe či hůře fungujícím obvodem ALC. V případě že u takového TCVRu nastavíme výstupní výkon 2W potřebný pro buzení našeho PA dojde po zaklíčování TCVRu k výkonové špičce až 100W po dobu než zabere ALC a omezí výkon na požadované 2W. Takový výkon na vstupu výkonového tranzistoru v PA je smrtící. Proto vybavuje ochrana. Abychom se uvedeným jevům vyhnuli je nutné před ochrannou desku vložit výkonový útlumový článek 10 až 15dB podle výstupního výkonu TCVRu. Můj IC821 má v pásmu 144MHz výstupní výkon jen cca 45W a proto jsem použil útlumový článek 10dB.
Všiměte si praporků z měděného plechu na vstupních i vystupních vedeních. Tyto praporky výrazně zlepšují přizpůsobení útlumového článku v celém kmitočtovém spektru. Pokud máte čím měřit doporučuji tyto praporky vyzkoušet.
Dalším bezpečnostním prvkem je ochrana proti špatnému PSV. Vyhodnocení špatného PSV je realizováno mimo tuto desku. V případě F1TE je toto vyhodnocení na desce měření výkonu a u mě bude na procesorové desce. Pokud je vyhodnoceno špatné PSV sepne se vstup JP3 na zem a tím dojde k zapnutí této ochrany.
Po sepnutí ochrany je tato ochrana aktivní i tehdy pokud již pominuly důvody k jejímu sepnutí. Aby bylo možné ochranu zrušit má ochranná deska vstup reset jehož zkratováním na zem dojde k vynulování aktivní ochrany. Protože chystám diagnostickou procesorovou desku, vyvedl jsem si ven signál "Alarm k CPU". Při sepnutí ochrany je na tomto výstupu LOG 0 a tím se procesorová deska dozví o sepnutí ochrany kterou sama neaktivovala.
Další vstup ochranné desky je PTT. Pokud sepneme PTT deska vytvoří na výstupu POLAR napětí pro G výkonového tranzistoru. Toto napětí vyvolá průchod klidového proudu tranzistorem. Pokud je PTT rozepnuté je na tomto výstupu záporné napětí o velikosti cca 3,5 až 4V. Vstup WSJT/SSB přepíná hodnotu klidového proudu pro tyto druhy provozu. Při WSJT/CW/FM se nastavuje klidový proud přibližně na 300mA, při provozu SSB se nastavuje klidový proud kolem 2,5A. Klidové proudy v těchto režimech se nastavují odpory R29 a R31. Termistor R32 stabilizuje klidový proud při změnách teploty výkonového tranzistoru. Termistor je vsunut do díry vyvrtané v měděné desce která odvádí teplo z tranzistoru.
Celá deska je napájena napětím 12V. 5V pro napájení desky vytváří stabilizátor U2. Při návrhu desky jsem předpokládal potřebu napětí 5V v dalších obvodech a proto jsem si ho vyvedl na výstupní pin +5V. Nakonec ale tento výstup zůstal nevyužitý. Pro napájení záporné větve logiky a OZ potřebujeme i napětí -5V. To vyrábí měnič U1.
Pro diagnostiku v procesorové desce potřebujeme měřit vstupní výkon. Proto jsem do této desky přidal jeho měření. Na popisované desce je umístěn pouze detektor s diodami D10 a D11 a výstupní napětí je vedeno do desky měření výkonů. Ta provádí lineární převod měřeného výkonu na napětí které dále používá procesorová deska pro výpočet výkonu.
Deska je z větší části ozazena SMD technikou. Některé součástky jsou ale osazeny i z horní strany desky. Deska je vyrobena z oboustranného kuprextitu. Horní strana je ponechána vcelku a je připájená ke stínící ohrádce. Tím je zajištěno dobré stínění elektroniky nezbytné při výkonu který je ve skříni PA instalován. Původní deska F1TE nebyla nijak stíněná a z toho jsem měl obavy. Jednotlivé vstupy procházejí stínící ohrádkou průchodkovými kondenzátory a dále do desky přes tlumivky. Já jsem použil vzduchové tlumivky o cca 5ti závitech. Lepší by ale bylo použití feritových perlí nebo feritových tlumivek.
Oživení desky ochran
Nejprve osadíme zdroje U2 a U1 a překontrolujeme výstupní napětí na jejich výstupech. Pokud je vše v pořádku osadíme zbytek desky. Po zapnutí zkontrolujeme napětí na výstupu polar. Mělo by být přibližně - 3,5 až -4V. Dále zkontrolujeme napětí na spínacím vedení. Mělo by být cca 0,8V. Pak zkontrolujenme napětí na PIN diodách D1 a D2. Na anodě D1 by mělo být cca 0V, na anodě D2 by mělo být kladné napětí. Vstupní signál z konektoru X1 je tedy přepnuto do odporu R7. To je výkonový VF odpor 50Ω. Měl by to být odpor pro výkon alespoň cca 20W, já použil 100W odpor který jsem měl v šuplíku. Protože se na něm může ztrácet až 10W (při výkonu TCVRu 100W) je nutné postarat se o jeho chlazení. Já jeho chladící plochu připájel na měděný plech, který je připájen ke stínící ohrádce a je tepelně spojen s chladičem PA.
Pokud je v klidovém stavu vše v pořádku sepneme signál PTT. Rozsvítí se LED Dioda D13. Na výstupu POLAR by se mělo objevit kladné napětí. Velikost tohoto napětí se nastavuje trimry R29 pro třídu B (CW/FM/DIGI) a R31 pro třídu AB (SSB). Třída se přepíná vstupem WSJT/SSB. Velikost napětí na výstupu polar nastavte prozatím v obou třídách na minimum. Zkontrolujte napětí na spínacím vedení. Mělo by být cca 11V. Zkontrolujte napětí na PIN diodách. Tentokrát by mělo být napětí na anodě diody D1, takže je signál přepnutý do výstupního konektoru X2.
Pokud je vše v pořádku, propojíme vstupní konektor JP3. Tím vybavíme ochranné obvody. Měla by se rozsvítit dioda D5. Na výstupu polar by mělo být záporné napětí stejně jako v klidovém stavu. Signál ze vstupního konektoru by měl být opět přepnutý do odporu R7 a na spínacím vedení je napětí kolem 1,4V.
Tím je hotovo stejnosměrné nastavení. Následuje nastavení VF části. Nejprve je nutné nastavit vedení mezi konektory X1 a X2 na co nejlepší odrazy v pásmu 144MHz. To se dělá stlačováním a roztahováním cívek L1 až L3, případně ještě výměnou kondenzátoru C12. Pro tuto operaci je vhodné použít vektorový analyzátor, pokud ho nemáme je možné použít třeba anténní analyzátor jako např. MFJ259 a podobné. V nouzi použijeme běžný PSV metr pro malý výkon do 5ti Wattů. Nastavujeme střídavě při zapnutém a vypnutém PTT, obě nastavení se částečně ovlivňují. Pokud toto nastavení vynecháte, bude zařízení také fungovat ale je lepší mít vše nastavené na optimum.
Na obrázcích vidíme nastavenou charakteristiku měřenou vektorovým analyzátorem:
Nyní můžeme přistoupit k nastavení vypínání ochrany proti přebuzení. k výstupnímu konektoru X2 připojíme VF wattmetr schopný měřit výkon více než 10W trvalého výkonu. Sepneme PTT a do vstupu přivedeme výkon z TCVRU snížený na cca 2W. Postupně výkon zvyšujeme až vybaví ochrana. Trimrem R16 nastavíme citlivost ochrany tak, aby spínala při cca 4,5 až 5W výkonu. Tím je nastavení ochranné desky hotové.
Pokud je ve v pořádku a ochranná deska funguje podle tohoto popisu můžeme připojit výstupní napětí POLAR na G výkonového tranzistoru a nastavit klidové proudy výkonového modulu v obou polohách přepínače WSJT/SSB. Pokud se nám podařilo nastavit proud v poloze WSJT asi 300mA trimrem R29 a proud asi 2,5A v poloze SSB je vše v pořádku a máme ochrannou desku připravenou k provozu. Při nastavování proudu postupujte opatrně. Nastavení v obou třídách se vzájemně ovlivňuje.