HSTRX module 13 : PA PushPull MF,HF,VHF

Voila l’amplificateur de puissance utilisé sur le HSTRX .

Schéma (cliquez sur l’image pour agrandir ):

Wideband RD16HHF1 amplifier

C’est un amplificateur en pushPull « classique », utilisant des transistors spécifiquement adaptés pour des montages de puissance en radiofréquences, les Mitsubishi RD16HHF1.

Il fonctionne en classe AB, ce qui lui confère  une linéarité suffisante pour être utilisé en phonie ou en PSK.

Le fonctionnement en large bande interdit d’utiliser des adaptations d’impédance d’entrée et de sortie accordées, elle seront donc assurées par des transformateur large bande, construit avec des ferrites à haute perméabilité.

Le matériel utilisé sera du 43 de chez fair rite .

voila le comportement en fréquence de ce matériel.

43 material properties

On remarque qu’une fois les 1Mhz passés, la permeabilité magnétique se dégrade. Nous retournerons cette limitation à notre avantage afin d’essayer d’obtenir un « accord mou », sur une plage de fréquences importante  en compensant la réactance du transformateur par une capacité ( C16 de 270pF). Normalement un circuit accordé ne résonne qu’a une fréquence donnée, mais si la valeur de l’inductance décroit rapidement quand la fréquence augmente, ce qui est le cas à partir de 1Mhz avec le 43,  cette « pseudo résonance » peut s’étaler sur une plage de fréquences importante. Il faut alors déterminer la valeur de cette capacité de « compensation » en fonction de la plage de fréquence recherchée. Une valeur trop élevée va handicaper les performances sur les plus hautes fréquences, alors qu’une valeur trop faible risque de provoquer un affaissement prématuré du gain sur les fréquences intermédiaires.

A titre d’information, l’absence du condensateur de compensation des réactances ( c16 ) fait chuter la puissance de sortie de 3dB à 30Mhz ( 9W au lieux de 16.5W). La mesure n’a pas été faite pour 50 MHz.

Le  montage est aussi doté d’un circuits de contre-réaction sur chaque transistor ( L6,R1,C1) et ( L7,C2,R2).
son rôle est double:

  • il améliore la linéarité, ce qui limite l’intermodulation dans le cas général et la distorsion en phonie.
  • il aplanie les variations de gain sur la bande passante de l’amplificateur.

Ce circuit contient deux petites perles de ferrite en en matériel 43, c’est assez inhabituel. A l’origine je les aies mises pour me débarrasser d’une auto-oscillation ( à 240Mhz) qui n’arrivait que avec un circuit de contre-réaction. A ces fréquences élevées ces perles de ferrite présentent une impédance ( réelle) de plusieurs centaines d’ohms, et une réactance négligeable. Ceci revenait à « débrancher la contre réaction » pour les fréquences ou se produisaient l’auto-oscillation. La solution fonctionne bien.

Un effet de bord, inattendu a été que ces ferrites ont amélioré l’aplatissement du gain.  Elles présentent 4 Ohms de résistance par MHz ce qui implique par exemple qu’elles sont comparables à des résistances de 200 Ohms à 50Mhz. Il faut alors comprendre qu’a cette fréquence la résistance de  feedback totale n’est plus de 150 Ohms, mais de 150 Ohms + 200 Ohms, soit 350 Ohms. En réduisant le niveau de la contre-réaction, nous  compensons ( en partie ) la perte de gain des transistors de puissance quand la fréquence augmente. Ceci se fait au détriment de la linéarité, mais à l’utilisation cela ne semble pas avoir posé de problèmes.

La conséquence est que l’impédance d’entrée de l’amplificateur augmente avec la fréquence. Elle est de l’ordre de 38 Ohms pour la bande des 80M, progresse a 55 Ohms pour la bande des 10M, et atteint 75 Ohms sur la bande des 6M.

Les réglages des deux tensions de bias sont séparés, ceci est nécessaire pour équilibrer l’amplificateur  car les deux transistors sont forcement différents. Voila quelques conséquences  amenées par un amplificateur qui ne serait pas équilibré:

  • Un transistor peut fournir peu de puissance et l’autre beaucoup plus, ce qui peut aboutir à une destruction de celui qui est polarisé au niveau le plus important.
  • L’amplificateur peut avoir plus de gain sur les alternances positives que sur les alternances négatives ( ou l’inverse ), ce qui aboutit à une génération d’harmoniques H2. Ce sont les plus difficiles à filtrer ensuite car les plus proches de la fréquence de fonctionnement.
  • La transition entre les alternances positives et négatives peut présenter une discontinuité, ce qui détériore la linéarité en général, et pour les petits signaux en particulier.

Sur cet amplificateur j’ai réglé les niveaux de bias pour avoir environ 350mA dans chaque transistor au repos ( donc 700mA consommés sans que aucun signal ne soit appliqué à l’entrée) , le constructeur conseille une valeur optimale de 500mA par transistor.

Il faut savoir que augmenter ce courant de polarisation améliore le gain, la puissance maximale fournie,  et la linéarité de l’amplificateur, mais décroit son rendement et accroît son dégagement thermique. On cherche donc un compromis. Si nous continuons à augmenter le niveau de polarisation à l’extrême ( afin que chaque transistor soit en permanence polarisé) nous nous retrouverons avec un amplificateur en classe A. Si à l’inverse nous réglons la polarisation à un niveau de quelques mA, l’amplificateur va alors fonctionner en classe B. Si nous descendons encore plus bas et que aucun des deux transistor ne soit polarisé pendant une partie du cycle, nous sommes alors en classe C.

Construction ( cliquez sur l’image pour agrandir)

Prototype builded

Le prototype réalisé porte les stigmates des différents essais effectués, étalés sur plusieurs mois. Si il devait être reconstruit, il serait plus « propre ».

Détails du transformateur de sortie

Output transformer

Le transformateur de sortie est la « clef » d’une fonctionnement en large bande. Il doit être construit afin de maximiser le couplage magnétique entre le primaire et le secondaire, afin de pouvoir conserver un bon rendement quand les propriétés de la ferrite se dégradent. Plusieurs solutions ont été essayées, par exemple en utilisant un transformateur symétriseur indépendant du transformateur d’adaptation d’impédance de sortie, comme sur le PennyWhistle.

vous pourrez trouver ici  pas mal d’essais réalisés par un radioamateur japonais.

Ce qui a donné les meilleurs résultats, c’est l’utilisation d’un seul transformateur. Le primaire s’occupant de fournir l’alimentation symétrique, et le secondaire la sortie adaptée en impédance. Afin de maximiser le couplage magnétique le secondaire est placé à l’intérieur du primaire. Ceci a été rendu possible en supprimant la partie centrale d’un cable coaxial et en insérant a l’intérieur de la tresse du fil émaillé ( bifilaire) de la plus grosse section possible afin de maximiser le couplage. Ici il s’agit de fil de 0.65mm de section. Le danger est d’avoir un contact électrique entre ce fil émaillé et la tresse du coaxial ( il serait certainement fatal aux transistors de sortie), il faudra donc bien veiller à ne pas abîmer le vernis protecteur, et utiliser un testeur de continuité pour s’assurer de ne pas avoir provoqué un court circuit.

Ne pas tenter d’innover en utilisant un seul tour ( avec le point milieu pris a mi chemin sur le coté opposé), afin de pouvoir utiliser des petits tubes en cuivre à la place d’un coaxial, ça ne fonctionnerait pas ( ou alors très mal). Voir ici une explication claire et exhaustive du pourquoi. https://ludens.cl/Electron/mosfetamps/amps.html

 

Donc, pour le construire:

  • prendre une quinzaine de cm de coaxial RG316
  • tirer doucement, avec une pince, le conducteur central, normalement ça doit venir et seule la tresse doit rester a l’intérieur.
  • prendre un peu plus de 30cm de fil émaillé de 0.65mm de diamètre ( vernis compris)
  • le plier en deux en aplatissant bien l’arrondi au niveau de la pliure ( on peut abimer le vernis à cet endroit la, ce n’est pas génant.
  • glisser doucement ce bifilaire jusqu’a ce qu’il ressorte de l’autre coté( il n’est pas nécessaire de le torsader, il va être tellement serré dans le coaxial qu’il va rester bien joint).
  • faire deux tours avec ce cable dans une ferrite BN43-3312 ( ça rentre de justesse, en forçant un petit peu).
  • pour faire ressortir la gaine du coaxial, il faut dénuder quelques cm de coaxial et puis l’écarter doucement avec un outil qui ne peut pas abimer le vernis ( j’ai utilisé des cure dents en bois), et sortir toujours avec le même outil le bifilaire.
  • ensuite on dénude la partie centrale du coaxial afin de faire le point millieu, et on soude un fil de sortie dessus.
  • Et pour finir on relié les brins de bifilaire pour arriver à faire l’équivalent des 4 tours du secondaire.

Pour comparaison, dans les premiers essais ou j’utilisais des transformateurs de sortie avec des fils émaillés torsadés ( bi-filaire et tri-filaires), et aucune compensation des réactances, je ne dépassais pas 4W de puissance de sortie sur la bande des 10M. Utiliser des transistors HF performants comme le sont les RD16HHF1 n’est pas suffisant. Les performances serons médiocres si un soin important n’est pas donné aux transformateurs de sortie.

Performances

Wideband performances

Ces mesures de performances ont été effectuées à l’aide d’un oscilloscope correctement calibré sur ces fréquences, avec un filtre passe bas de sortie adapté a chaque bande et sur une charge de 50 Ohms. Mesurer la puissance de sortie d’un amplificateur sans filtre passe bas n’a aucun sens. L’amplificateur était alimenté en 12.6V ( mesure prise en émission sur l’alimentation du point central).

L’amplificateur est utilisable des 630M  ( 474khz ) jusqu’a la bande des 6M( 52Mhz ). la puissance maximale, de 19.8W est atteinte pour les fréquences entre 3.5Mhz et 14Mhz. Sur les extrêmes la puissance est de 14.7W à 474Khz et de 16.3W à 52MHz.

à la fréquence maximale ( 52MHz), la puissance de sortie est très peut dégradée, mais le gain a sensiblement décliné. Pour utiliser cet amplificateur à sa puissance maximale sur la bande des 6M il faut prévoir un driver capable de fournir  2W. Mais si on se limite aux bandes décamétriques, 1W de puissance de driver suffit.

A la puissance maximale le rendement est de l’ordre de 50%, ce qui implique que l’amplificateur doit être refroidit avec un radiateur capable de dissiper au minimum 20W de thermique. La dessus, ne pas hésiter à prendre une marge de sécurité importante.

Pour ceux qui voudraient construire ce PA.

La pluspart des éléments se trouvent facilement, mis à part les ferrite des transformateurs et les transistors.

la BN43-3312 se trouve chez RS  : https://fr.rs-online.com/web/p/products/4673602/

le FT50-43 se trouve facilement, par exemple chez kits and parts http://kitsandparts.com/toroids.php

Pour les transistors vous pouvez les remplacer par des RD15HVF1 qui sont comparables et plus faciles à trouver. Méfiance avec les RD16HHF1 « neufs », beaucoup sont des contrefaçons.

Remerciements

Je tiens à remercier tous ceux qui m’oint aidé de leurs conseils ( et documentations) pendant la mise au point de ce PA, ils s’agit de Georges F6CER, Francis F6AWN, Marc F6ITU, Jean Pierre F5MI, Alain F6FKN.

David, F4HTQ le 19/10/2018

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