Amplificatore HF lowcost – RR


Illustrazione 1: file: IMGP0152

Amplificatore HF per apparati QRP

Negli ultimi lustri gli apparati e la pratica del QRP in decametriche sono diventati sempre più diffusi. Molti gli apparecchi commerciali e le soluzioni personali che erogano al massimo 5W nelle bande più tradizionali del mondo ham. Vi sono però situazioni in cui può essere conveniente o semplicemente desiderato disporre di 10-13dB in più (50-100W) di potenza senza per questo doversi dotare di un altero apparato radio. La scelta più ovvia e far seguire al QRP uno stadio di amplificazione. Certo si può acquistare pronto all’uso: le proposte commerciali in tal senso non mancano, ma vogliamo mettere il gusto di lavorare almeno un po’ col saldatore e regalarci un prodotto “su misura”? Certo, fare tutto da zero può essere complicato e probabilmente al di fuori dalla portata di molti radioamatori: per fortuna un kit cinese ci viene in aiuto come base di partenza..

Il kit di partenza

La base per questo progetto è un kit proposta su vari siti di e-commerce cinesi, in varie versioni. Quello che considereremo in questa esperienza è la versione da 70W nominali, il cui costo non supera la consueta pizza con birra. Questo lo rende molto attraente, ma come vedremo la sua economicità viene in parte ridotta dal costo delle parti accessorie necessarie al suo completamento e buon utilizzo. Però, funziona, ed è un ottimo banco di scuola su cui fare pratica.

Note generali

Questo detto, vediamolo più da vicino, analizzando in primis lo schema elettrico:

 


Illustrazione 2: Schema elettrico dell'amplificatore file:Schema_elettrico.jpg

Si tratta di un amplificatore a larga banda in configurazione push-pull, molto tradizionale, realizzato con componenti economici ma tutto sommato razionale e ben pensato. I dispositivi attivi sono dei IRF530N, molto comuni ed economici. In particolare una delle parti più “ostiche” da replicare in casa per il principiante, cioè il circuito stampato, è di buona qualità e già prevede le connessioni per eventuali filtri d’uscita.

Note preliminari di attenzione

Nel kit che riceverete c’è “circa tutto”: la preparazione delle buste è un po’ artigianale e non vi meravigliate se magari qualche componente sarà doppio o non corrispondente allo schema. Buona cosa quindi prima di iniziare l’assemblaggio, verificare di avere tutte le parti necessarie e corrette.

Sicuramente nel kit non c’è l’aletta per raffreddare i transistor, che quindi andrà procurata. In linea di massima, una con resistenza termica di circa 2K/W andrà bene. Il circuito prevede l’uscita per alimentare in continuo una piccola ventola: al lettore valutarne l’utilizzo a seconda dell’impiego. In linea di massima, i pro e contro della ventolina si possono riassumere come sotto indicato:

Pro

Cons

Riduzione peso e ingrombro aletta

Maggiore consumo, percepibile specie in ricezione

Può offrire un margine di sicurezza nel dimensionamento del dissipatore specie nel caso di utilizzo in alta quota e/o al sole

Eventuale rumorosità

 

Può bloccarsi, riducendo quindi la capacità di dissipare dell’aletta

 

Sul circuito stampato è indicata una resistenza marcata R6 che non ho trovato fra le parti né in alcuno degli schemi in rete. Il suo compito è bilanciare meglio gli ingressi dei due dispositivi attivi. Nel mio prototipo ho rilevato un percepibile miglioramento nell’affidabilità, il consiglio quindi è di impiegarla.

I condensatori ceramici nel kit sono da 10nF, mentre in vari punti, specie nei bypass delle alimentazioni sarebbe meglio fossero da 100nF. La mia soluzione è applicare sopra a quello originale un altro chip da 100nF.

I dispositivi attivi forniti non sempre sono di “eccelsa qualità” e talora pure spaiati come produttore. Per ottenere il massimo come guadagno, potenza massima e stabilità è opportuno che siano più “gemelli” possibile: senza richiedere componenti selezionati, impiegare una coppia di originari IR è consigliato e darà indubbi vantaggi.

Piano di montaggio

Proprio la mancanza di istruzioni a corredo per il montaggio è il primo scoglio da superare. Per fortuna internet aiuta e vi si possono trovare vari riferimenti da cui trarre perlomeno ispirazione.

Nel dubbio comunque, riporto qua una immagine del mio esemplare completamente e correttamente assemblato.


Illustrazione 3: L'amplificatore completamente montato sul dissipatore file:DSCF0021.JPG

Note per il montaggio

Cominciare come sempre dai componenti più piccoli per poi passare a quelli più ingombranti

Usare lega saldante di buona qualità

Prestare attenzione nell’avvolgimento dei trasformatori: la sottile guaina del cavo può spelarsi facilmente nelle pieghe a contatto con i tubetti nelle ferriti, mandando tutto in cortocircuito.

Qualche goccia di colla a caldo o simile può aiutare a fissare i componenti più voluminosi e mitigare l’effetto di urti e vibrazioni sugli stessi, specie durante il trasporto o operazioni da mezzi mobili.

Prove e prestazioni

Per i test di prestazioni, ho impiegato una alimentazione a 13,8V e settato tramite RV1 una corrente di riposo di circa 150mA totale dei due dispositivi, valore che si è rivelato buon compromesso fra guadagno, potenza massima, efficienza, stabilità.

Vediamo ora nella tabella seguente i risultati ottenuti:

 

Vcc= 13.8V; I0=150mA; Pin=1W

 

 

 

 

 

 

MHz

Pout W

Icc A

Eff%

Gain dB

Pd W

1,85

76

9,4

58%

18,8

54

3,6

80

10

58%

19,0

58

7,1

70

9,4

54%

18,5

60

10,1

50

8

45%

17,0

60

14,2

40

6,9

42%

16,0

55

18,1

27

5,2

37%

14,3

45

21,2

26

4,5

41%

14,1

36

24,4

20

4,4

32%

13,0

41

28,5

22

3,8

41%

13,4

30

 

 

 

 

 

 

Vcc= 13.8V; I0=150mA; Pin=2W

 

 

 

 

 

 

MHz

Pout W

Icc A

Eff%

Gain dB

Pd W

1,85

100

10

71%

20,0

38

3,6

94

10,2

66%

19,7

47

7,1

88

10

63%

19,4

50

10,1

68

8,6

56%

18,3

51

14,2

56

8

50%

17,5

54

18,1

48

7

49%

16,8

49

21,2

54

6,2

62%

17,3

32

24,4

46

5,8

56%

16,6

34

28,5

50

5,2

68%

17,0

22

 

I risultati sono più che positivi: il complesso offre un ottimo guadagno e una efficienza più che adeguata. La potenza massima viene raggiunta come prevedibile alle frequenze più basse e rimane pressoché costante sui 50W dai 14MHz a salire. Oltre il dichiarato l’estensione di frequenza: l’amplificatore è capace di operare senza problemi anche in 160 MHz, mentre viene dichiarato usabile da 3,5MHz a salire.

Vediamo nel grafico seguente una sintesi della potenza d’uscita al variare della frequenza e del pilotaggio.


Illustrazione 4: Potenza in uscita al variare del livello di pilotaggio e della frequenza file:Pout1-2W.png

Tutto bene quindi? Non proprio.. o almeno non completamente.

Il basso costo, la semplicità, l’alto guadagno hanno un prezzo da pagare: le armoniche in uscita. Il livello della seconda è principalmente legato al bilanciamento dell’amplificatore e non è difficile ottenere un -30dBc nelle condizioni di misure sopra indicate. Peggiore la situazione per la terza e quinta armonica, generate dalle non linearità dei singoli dispositivi attivi e dalla scelta del loro punto di lavoro. Purtroppo, livelli di -15dBc sono facilmente ottenibili e questo rende francamente l’amplificatore non adeguato ad essere connesso direttamente ad una antenna trasmittente. Occorre come sempre in questi casi filtrare, il come e il quanto, lo analizzeremo nel capitolo seguente.

I filtri

Come appena visto, l’amplificatore non brilla per linearità e i prodotti armonici all’uscita sono di cospicua ampiezza. Vediamo ora migliorare la situazione “quanto basta” nel modo meno complesso e costoso.

Anzitutto valutiamo i bisogni, ponendoci l’obiettivo di mantenere tutti i segnali indesiderati almeno 50dB al di sotto del principale. In altri termini, non inviare più di 1mW all’antenna di segnale armonico. Tutto sommato, considerando l’uso prevedibile e l’aspetto didattiche che può avere la realizzazione il risultato se non ottimo credo possa considerarsi adeguato.

Dalle misure eseguite, serve quindi una serie minima di filtri che attenuino almeno 20dB la seconda armonica e almeno 35dB la terza.

Per il calcolo dei filtri ho considerato le seguenti condizioni:

  • basso ripple in banda

  • minimizzazione dei componenti impiegati (minor costi ed ingombro)

Il filtro più “piatto” è noto come Butterworth, ma paga questa sua qualità con una pendenza di taglio non particolarmente elevata in prossimità della frequenza di taglio. La seconda scelta sono i filtri Chebyshev, che al prezzo di un ripple “accettabile” in banda utile offrono un taglio più netto.

Per minimizzare il numero dei componenti è opportuno disegnare i filtri in modo che possano coprire più bande possibile, pur garantendo le attenuazioni richieste.

Dopo alcune simulazioni e ragionamenti, credo che la seguente possa essere una buona soluzione di compromesso.

 

Banda MHz

2f

3f

fc

Att. 2f

Att. 3f

L1

L2

L3

L4

C1

C2

C3

1,8

3,6

5,4

2,5

25

44

4,14

7,13

4,14

 

1981

1981

 

3,65

7,3

11,0

5

25

45

2,07

3,57

2,07

 

991

991

 

7,1

14,2

21,3

9

30

48

1,15

1,98

1,15

 

550

550

 

10,1

20,2

30,3

15

17

39

0,668

1,15

0,668

 

320

320

 

14,2

28,4

42,6

 

36

56

 

 

18,1

36,2

54,3

32

16

50

0,314

0,557

0,557

0,314

151

167

151

21,2

42,4

63,6

30

30

62

24,5

49

73,5

30

42

71

28,5

57

85,5

30

54

81

 

Banda MHz

Schema

Risposta simulata

1,8

file: HF160m.JPG

file: LPF160m.jpg

3,65

File: filtroHF80m.JPG

file: LPF80m.jpg

7,1

file: filtroHF40m.JPG

file: LPF40m.jpg

10,1

14,2

file: filtroHF3020.JPG

file: LPF30-20.jpg

18,1

21,2

24,5

28,5