Broadband ενισχυτής FM - 150W

4.5 5 4 Product


Για τους φίλους της ραδιοφωνίας των FM, έχουμε κατασκευάσει έναν αποδοτικό και ταυτόχρονα οικονομικό ενισχυτή RF. Η ονομαστική ισχύς εξόδου του ενισχυτή είναι 150W αλλά μπορεί να φθάσει και να ξεπεράσει τα 170W. Για πλήρη ισχύ στην έξοδο απαιτούνται γύρω στα 3.5W οδήγηση. Ο ενισχυτής δεν απαιτεί κανένα συντονισμό (είναι ευρείας ζώνης - broadband) κι αποδίδει εξίσου καλά σε ολόκληρη την μπάντα των FM. Το σχέδιο βασίζεται στο διπλό τρανζίστορ MOSFET MRF9180. Εναλλακτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν κι άλλα παρόμοια τρανζίστορ. Για παράδειγμα, δοκιμάσαμε και το πιο δημοφιλές MRF186, το οποίο, αν και πολύ ακριβότερο, αποδίδει γύρω στα 100W. 

Η πλακέτα του ενισχυτή χρησιμοποιεί γραμμές τύπου μικρο-ταινίας (micro-strip), έχει ενσωματωμένο φίλτρο αρμονικών και κατευθυντικό ζεύκτη (coupler) για την ένδειξη της οδεύουσας και της επιστρεφόμενης ισχύος. Τόσο η είσοδος όσο και η έξοδος του ενισχυτή, είναι φτιαγμένες για σύνθετη αντίσταση 50 Ω.

Για πλήρη ισχύ στην έξοδο απαιτούνται γύρω στα 3.5W οδήγηση. Η τυπική απόδοση του ενισχυτή είναι γύρω στα 70% και η ενίσχυση ισχύος είναι περίπου 17db. Το ενσωματωμένο φίλτρο αρμονικών παρέχει επαρκή απόσβεση αρμονικών και στην περίπτωση που ο ενισχυτής οδηγηθεί από έναν καλό πομπό, το επίπεδο των αρμονικών και παρασιτικών στην έξοδο είναι χαμηλότερo από 40db σε σχέση με το φέρον (-40dbc). Ο κατευθυντικός ζεύκτης που περιλαμβάνεται στην πλακέτα παρέχει δύο εξόδους για ταυτόχρονη απεικόνιση τόσο της οδεύουσας (FW) όσο και της επιστρεφόμενης (RW) ισχύος. Η τάση που εμφανίζεται σε κάθε έξοδο του κατευθυντικού ζεύκτη είναι εκθετική συνάρτηση της ισχύος. Αυτό οφείλεται στην εν γένει εκθετική συμπεριφορά των διόδων που χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές ισχύος. Οι ίδιες τάσεις όμως είναι γραμμικές όσον αφορά την έκφραση της ισχύος σε db (dbm or dbW).  

Το ηλεκτρονικό σχέδιο του ενισχυτή FM - 150W
Εικονα 1. Το ηλεκτρονικό σχέδιο του ενισχυτή FM - 150W

Ο ενισχυτής χρειάζεται τροφοδοσία 26V συνεχές. Για ισχύ 150W  στην έξοδο, η κατανάλωση ρεύματος είναι γύρω στα 7.5A. Ο ενισχυτής μπορεί να αποδόσει ισχύ έως και 200W στην έξοδο και το ρεύμα τροφοδοσίας μπορεί να φθάσει έως τα 9A αλλά καλύτερα να μην υπερβείτε τα 9Α διότι  το τρανζίστορ θα κινδυνεύει να καεί. Εννοείται φυσικά ότι σε όλες τις περιπτώσεις απαιτείται μια καλή και μεγάλη σχετικά ψύκτρα.

Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε μία ψύκτρα αλουμινίου, διαστάσεων  20x12x8 εκατοστών. Η χρήση ενός ισχυρού ανεμιστήρα για ψύξη είναι επίσης απαραίτητη. Πάνω στο κέλυφος του τρανζίστορ, η θερμοκρασία ανέρχεται ή και πολλές φορές υπερβαίνει τους 60οC, ενώ με χρήση ανεμιστήρα, η τυπική θερμοκρασία της ψύκτρας είναι γύρω στους 30 με 45οC.

Πώς να κατασκευάσετε τον ενισχυτή

Ο ενισχυτής των 150W για τα FM μπορεί να κατασκευαστεί εύκολα στο τυπωμένο κύκλωμα (πλακέτα) που παρουσιάζουμε παρακάτω. Η κατασκευή παρουσιάζει μερικά κρίσιμα σημεία, όπως ο μετασχηματιστής T1 τύπου balun (από ασύμετρη είσοδο σε συμμετρική έξοδο) και τα δικτυώματα προσαρμογής της εξόδου που αποτελούνται από ομοαξονικά καλώδια συγκεκριμένου τύπου. Ο μετασχηματιστής T1 είναι υπεύθυνος για τη σωστή προσαρμογή σύνθετων αντιστάσεων στην είσοδο του κυκλώματος και κατασκευάζεται πάνω σε ένα φερρίτη σχήματος "κιάλια". Αναλυτικές οδηγίες για την κατασκευή του T1 παρέχονται παρακάτω.

Το MRF9180 έχει βασικά σχεδιαστεί για βιομηχανική χρήση σε συχνότητες 865 με 895MHz. Είναι εκ φύσεως ευρείας ζώνης (broadband) και δεν έχει εσωτερικό δικτύωμα προσαρμογής οπότε μπορεί να λειτουργήσει καλά και σε χαμηλότερες συχνότητες, όπως και στα FM (87-108MHz). Το MRF9180 περιέχει εσωτερικά ένα ζεύγος από συμπληρωματικά MOSFET και το κάθε MOSFET παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση εισόδoυ γύρω στα 10 Ωμ (στα FM). Όταν το ζεύγος οδηγηθεί συμμετρικά (balanced),η συνολική αντίσταση εισόδου του ζεύγους γίνεται περίπου στα 5 Ωμ κι επομένως μπορεί να προσαρμοστεί στα 50 Ωμ της εισόδου με ένα μετασχηματιστή προσαρμογής 10 προς 1. Ένας τέτοιος μετασχηματιστής απαιτείται να έχει λόγο σπειρών 3.2 προς 1. Η πιο κοντινή ακέραια τιμή είναι το 3:1 κι έτσι ο Τ1 κατασκευάζεται τελικά με λόγο σπειρών 3 προς 1.

Ο broadband ενισχυτής FΜ των 150W
Φωτογραφία 1. Ο broadband ενισχυτής FΜ των 150W

Το δικτύωμα προσαρμογής στην έξοδο του τρανζίστορ αποτελείται από τα ομοαξονικά καλώδια CB1, CB2 και CB3. Δεδομένου ότι ο ενισχυτής είναι broadband, δεν απαιτείται η κατασκευή δικτυωμάτων συντονισμού κι όλα τα υπόλοιπα στοιχεία της κατασκευής εκτός από το μετασχηματιστή Τ1 και το δικτύωμα προσαρμογής της εξόδου, είναι σχετικά απλά. Οφείλουμε να ομολογήσουμε όμως ότι απαιτείται και κάποια σχετική εμπειρία κι ιδιαίτερη προσοχή για την κατασκευή των πηνίων  του φίλτρου αλλά και των υπολοίπων πηνίων.

Το τυπωμένο κύκλωμα (πλακέτα) έχει κάποιες γραμμές μεταφοράς σήματος τύπου μικρο-ταινίας (micro-strip). Οι διαστάσεις (μήκος και πλάτος) των γραμμών μεταφοράς είναι προσεκτικά υπολογισμένες και καθορίζουν τόσο τη σύνθετη αντίσταση των γραμμών  αλλά και την απαιτούμενη χρονική καθυστέρηση για τα σήματα που διαδίδονται σε αυτές τς γραμμές. Οι απαιτούμενες διαστάσεις έχουν υπολογιστεί για πλακέτα κατασκευασμένη από FR4 (εποξική) πάχους 1.5mm που τυπικά παρουσιάζει διηλεκτρική σταθερά er=4.5 (@100MHz). Γι΄αυτό είναι σημαντικό να χρησιμοποιήσετε πλακέτα αποκλειστικά από FR4 και πάχους 1.5mm, διότι σε διαφορετική περίπτωση το κύκλωμα δε θα λειτουργήσει σωστά. Αν επιθυμείτε να κατασκευάσετε το τυπωμένο κύκλωμα σε κάποιο διαφορετικό υλικό (π.χ τεφλόν ή βακελίτη) θα πρέπει να αλλάξετε και προσαρμόσετε τα μήκη και τα πλάτη των γραμμών microstrip, στη διηλεκτρική σταθερά του υλικού που θα χρησιμοποιήσετε.

Οδηγίες συναρμολόγησης της πλακέτας του ενισχυτή FM των 150W
Εικόνα 2. Πώς να συναρμολογήσετε την πλακέτα του ενισχυτή FM των 150W

Στην πλευρά του τυπωμένου κυκλώματος που υπάρχουν οι γραμμές, θα πρέπει να κολληθούν όλα τα εξαρτήματα. Η άλλη πλευρά της πλακέτας αποτελείται εξ' ολοκλήρου από χαλκό και λειτουργεί ως επίπεδο γείωσης. Η πλευρά του επιπέδου γείωσης εφάπτεται απευθείας πάνω στην ψύκτρα. Κάποια εξαρτήματα ή πίστες του τυπωμένου, θα πρέπει να συνδεθούν με τη γείωση. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται vias (συρματάκια που ενώνουν την άνω πλευρά με την κάτω) σε ορισμένα σημεία του τυπωμένου. 

Οι πυκνωτές που θα χρησιμοποιήσετε στην κατασκευή θα πρέπει να είναι κεραμικοί, μικρής όσο το δυνατό ανοχής. Οι πυκνωτές που βρίσκονται στα κυκλώματα εξόδου θα πρέπει να αντέχουν 100V τουλάχιστο. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πυκνωτές επιφανειακής στήριξης (SMD) ή ακόμη και κλασσικούς (through hole). Στην πλακέτα ταιριάζουν και οι δύο τύποι αλλά θα πρέπει να προσέξετε να  χρησιμοποιήσετε κεραμικούς και να αποφύγετε τους πολυ- στρωματικούς (multilayer).

Το τυπωμένο κύκλωμα έχει σχεδιαστεί βασικά για πυκνωτές επιφανειακής στήριξης τύπου 1210 (3.2 x 2.5mm), ωστόσο ταιριάζουν επίσης και  πυκνωτές SMD διαστάσεων 1206, 1218 ή και 2010 χωρίς κανένα πρόβλημα. Μπορείτε επίσης αντί  για πυκνωτές επιφανειακής στήριξης, να χρησιμοποιήσετε και κλασσικούς πυκνωτές. Ταιριάζουν κι αυτοί στο τυπωμένο αλλά θα πρέπει να κολληθούν από τη μία όψη, ως να πρόκειται για επιφανειακής στήριξης. Για τους πυκνωτές C16-19 και C20-25 είναι προτιμότερο να χρησιμοποιήσετε κεραμικούς πυκνωτές τύπου ATC.

Όλες οι αντιστάσεις θα πρέπει να είναι ανοχής 5% ή καλύτερης (μικρότερης ανοχής). Ο προτιμητέος τύπος αντιστάσεων είναι οι επιφανειακής στήριξης διαστάσεων 1210 (3.2 x 2.5mm). Όπως όμως και στους πυκνωτές, έτσι και στις αντιστάσεις, μπορείτε εξίσου καλά να χρησιμοποιήσετε κι αντιστάσεις διαστάσεων 1206, 1218 ή 2010 χωρίς κανένα πρόβλημα. Υπάρχουν μόνο δύο εξαιρέσεις όσον αφορά τις R1 και R2. Αυτές οι δύο αντιστάσεις θα πρέπει να είναι είτε τύπου 2512 SMD ή κλασικές (through – hole) τύπου 1/4W.

Τα πηνία L1, L2 και L3 αποτελούνται από 3 σπείρες σύρματος περιέλιξης AWG 18 (διατομή 1mm), με εσωτερική διάμετρο σπειρών 6mm. Το RFC2 είναι ένα αποπνικτικό πηνίο υψηλών συχνοτήτων (high  frequency rf choke) και κατασκευάζεται από 4 σπείρες σύρματος περιέλιξης AWG 18. Οι σπείρες του RFC2 θα πρέπει να τυλιχθούν σε ένα τοροειδή φερρίτη τύπου TF9X8X5 της Ferrocore. Ο συγκεκριμένος φερρίτης είναι κράματος Ni-Zn και προορίζεται για χρήση σε TVs και ραδιόφωνα FM και AM. Η αυτεπαγωγή που παρουσιάζει το RFC2 είναι περίπου 22 με 33uH και δεν είναι κρίσιμη, οπότε μπορείτε αν θέλετε να κατασκευάσετε το RFC2 με οποιοδήποτε άλλο τρόπο, χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε άλλο φερρίτη υψηλών συχνοτήτων. Το RFC1 είναι ένα τυπικό αποπνικτικό πηνίο τύπου VK200 rf τσοκ για VHF. Αν δεν μπορείτε να βρείτε κάποιο VK200, μπορείτε στη θέση του να χρησιμοποιήσετε ένα οποιοδήποτε τσοκ υψηλών συχνοτήτων με τα ίδια χαρακτηριστικά (αυτεπαγωγή περίπου 22uH).

Λεπτομέρειες κατασκευής του RFC2
Φωτογραφία 2. Το RFC2 φτιάχνεται με 4 σπείρες σε φερρίτη

Για να λειτουργήσει σωστά ο ενισχυτής απαιτείται μόνο μία ρύθμιση. Θα πρέπει να ρυθμίσετε το ποτενσιόμετρο R5, έτσι ώστε να επιτευχθεί τάση περίπου 2.7 με 3V σε έκαστη πύλη του τρανζίστορ MF1. Αυτή η ρύθμιση θα πρέπει να γίνει πριν εφαρμόσετε ισχύ στην είσοδο του ενισχυτή ή ακόμα καλύτερα, πριν κολλήσετε το τρανζίστορ.

Πώς να κατασκευάσετε το T1 balun

Το T1 είναι στην πραγματικότητα ένας μετασχηματιστής προσαρμογής 9 προς 1 που χρησιμοποιείται επίσης ως balun (για προσαρμογή από ασύμμετρη σε συμμετρική τροφοδοσία). Ο λόγος σπειρών του μετασχηματιστή είναι 3 προς 1. Το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή αποτελείται από 3 σπείρες σύρματος περιέλιξης AWG30 (διατομής 0.254mm). Το δευτερεύον του μετασχηματιστή αποτελείται από 2 μεταλλικά σωληνάκια και δύο μικρά κομμάτια τυπωμένου κυκλώματος. Τα μικρά κομμάτια του τυπωμένου, είναι τμήμα του συνολικού τυπωμένου κυκλώματος της κατασκευής που παρέχεατι παρακάτω.

Ο μετασχηματιστής προσαρμογής T1 , κατασκευάζεται σε ένα φερρίτη σχήματος "κιάλια" της Amidon. Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε το φερρίτη BN43-202 της Amidon.

Οδηγίες κατασκευής του balun Τ1
Οδηγίες κατασκευής του balun Τ1

Τα δύο μεταλλικά σωληνάκια θα πρέπει να περαστούν μέσα στις οπές του φερρίτη και τα δύο κομμάτια του τυπωμένου (πλακέτας) θα πρέπει να τοποθετηθούν εκατέρωθεν στα δυο άκρα του φερρίτη. Οι άκρες των μεταλλικών "μακαρονιών" θα πρέπει να κολληθούν στα δύο κομμάτια πλακέτας, στις αντίστοιχες μεταλλικές επαφές. Στην πραγματικότητα, όταν φτιαχτεί ο μετασχηματιστής T1 και όταν κολληθεί στο τυπωμένο κύκλωμα, τα δύο μεταλλικά σωληνάκια θα λειτουργήσουν ως ως μία σπείρα και θα αποτελέσουν το δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Αφού προσαρμοστούν τα μεταλλικά σωληνάκια στις οπές του φερρίτη και αφού κολληθούν τα άκρα τους στα δύο κομμάτια τυπωμένου εκατέρωθεν του φερρίτη, στη συνέχεια θα πρέπει να τυλιχθούν οι 3 σπείρες σύρματος του πρωτεύοντος. Οι σπείρες του πρωτεύοντος θα πρέπει να τυλιχθούν σχετικά σφικτά περνώντας από το εσωτερικό των "μακαρονιών. Για όλες αυτές τις λεπτομέρειες μπορείτε να ανατρέξετε στη σχετική φωτογραφία που παρουσιάζει τα στάδια κατασκευής του T1 καθώς και στη φωτογραφία 3.

Το προτεύον τύλιγμα του T1
Φωτογραφία 3. Το προτεύον τύλιγμα διέρχεται μέσα από τα σωληνάκια

Κάθε κυλινδρικό μεταλλικό σωληνάκι είναι επικασσιτερωμένο κι έχει μήκος περίπου 17.5mm ενώ  η εξωτερική τού διάμετρος είναι 3.8mm, όσο και η διάμετρος των οπών του φερρίτη. Αν σας είναι δύσκολο να βρείτε κυλινδρικά μεταλλικά σωληνάκια με αυτή τη διάμετρο, μπορείτε εναλλακτικά να τα φτιάξετε εσείς ένα λεπτό επικασσιτερωμένο φύλλο μετάλλου ή από ένα λεπτό φύλλο χαλκού. Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το περίπου συμπαγές κυλινδρικό μπλεντάζ (μεταλλικό πλέγμα θωράκισης) από ένα ομοαξονικό καλώδιο RG142 – το ίδιο που χρησιμοποιείται και για το CB3.

Το δικτύωμα προσαρογής της εξόδου

Το δικτύωμα προσαρμογής της εξόδου του ενισχυτή αποτελείται από τα τμήμτα ομοαξονικών καλωδίων CB1, CB2 και CB3. Τα CB1 και CB2 είναι δύο τμήμτα ημι-εύκαμπτου ομοαξονικού καλωδίου σύνθετης αντίστασης 25 Ωμ, ενώ το CB3 φτιάνεται από ένα τμήμα ημι-εύκαμπτου ομοαξονικού καλωδίου  σύνθετης αντίστασης 50 Ωμ. Το μήκος όλων των τμημάτων είναι 17cm. Χρησιμοποιούμε ομοαξονικά καλώδια με διηλεκτρικό τεφλόν. Η εξωτερική διάμετρος των CB1, CB2 και CB3 είναι 2.1 και 4.5mm, αντίστοιχα.

Συνημμένα

Το τυπωμένο κύκλωμα για τον ενισχυτή FM - 150W (κατόπιν πληρωμής)