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TABLE DES MATIÈRES.
1°) - Présentation du module.
2°) - Le schéma.
3°) - La construction du module.
__3-1) - Les documents à télécharger.
__3-2) - L'assemblage du module.
__3-3) - Les réglages.
1°) - Présentation du module.
Un projet de cette envergure mérite d'avoir un amplificateur HF de bonne qualité avec une puissance honorable et un bon rendement. Initialement, je me suis fixé comme objectif, 100W qui reste un standard chez les constructeurs commerciaux. De ce fait et après maintes recherches, j'ai opté pour un PA équipé de deux MRF101. Pour sa conception, je me suis inspiré d'un schéma avec des MRF300 sans trop réfléchir, pour m'apercevoir plus tard, que j'avais fait une erreur, mais sans aucune gravité. Ce fut même une bonne nouvelle puisque ça m'a permis de simplifier le montage.
NXP a sorti le MRF101 et le MRF300 en même temps en 2018. Ces deux transistors sont prévus pour être alimenté sous 50Volts, ce qui leur permet de fournir respectivement 100W et 300W chacun. Mais pour une même tension et des puissance différentes, la charge de chacun est forcément différente. En effet et en vous épargnant les calculs :
-Pour que un MRF101 puisse fournir 100W sous 50V, il doit être chargé à 25 Ohm.
-Pour que un MRF300 puisse fournir 300W sous 50V, il doit être chargé à 8,33 Ohm.
De ce fait, le concepteur du PA équipé de deux MRF300 a prévu, sur chaque transistor, un transformateur d’impédance (T3 - T4) comme suit :
Pour info, voici le lien vers le blog où réside le schéma de ce PA :
A 600W BROADBAND HF AMPLIFIER USING AFFORDABLE LDMOS DEVICES
Du coup et comme nous n'avons pas à descendre aussi bas en impédance, il suffit simplement de ne pas mettre ces deux transformateurs. Il restera seulement le transformateur T5 qui à un rapport de transformation de 1:1. Comme les impédances de charge des deux transistors ne seront pas en parallèle, mais en série et comme il nous faut 25 Ohms par transistor, on aura :
25+25=50 Ohms
Exactement ce qu'il nous faut, d'où le transformateur de rapport 1:1 en sortie.
La photo de gauche montre le module PA avant modifications. Les deux transfos en question sont ceux placés verticalement à gauche, à côté des résistances vertes.
De ce fait, il suffitra simplement de mettre un petit shunt à la place de ces transformateurs.
Les PCBs des modules constituant cet ampli sont disponibles au radio-club Lyonnais F8KLY, dont voici le lien de contact:
2°) - Le schéma.
Voici donc le schéma de notre PA équipé de deux MRF101:
Décortiquons ce schéma en 4 parties.
Voici la partie principale de ce PA:
La première chose étonnante qui saute aux yeux, c'est la présence de deux connecteurs SMA en entrée.
Pour optimiser les performances de la chaine amplification HF émission (Prédriver-Driver-PA), j'ai opté pour des liaisons symétriques entre les trois modules. Le module driver qui le précède, possède aussi une entrée symétrique et une sortie symétrique. Néanmoins et comme j'ai conçu ce module pour être polyvalent et utilisable pour d'autres projet, il suffit de relier "SMA4" ou "SMA5" à la masse pour une utilisation avec une entrée asymétrique classique.
Le transformateur "T2" est un transformateur de rapport 1:1 monté en transformateur de courant, ce qui simplifie sa construction, puisqu'après plusieurs expérimentations, celui-ci se résume à un simple petit morceau de cable coaxial de 50 Ohm de quelque cm et sans aucune ferrite. Pourquoi un rapport de transformation 1:1? Tout simplement parce que les "MRF101" le permettent. En effet, la valeur capacitive d'entrée de ce transistor est de 149pF, ce qui nous donne une impédance d'environ 20 Ohm à 52MHz, soit la fréquence maximale du projet 14HAM-DK2. La charge capacitive d'entrée de chacun de ces deux transistors se retrouvant en série, la valeur résultante de ces deux charges est divisée par deux et est donc égal à 149/2=74.5pF, ce qui nous donne une impédance de charge pour le driver de 41 Ohm à 52MHz, soit et rappelons-le, la fréquence maximum du projet 14HAM-DK2. De ce fait, inutile d'utiliser un transformateur d'impédance de rapport 1:4 par exemple, qui ne ferait que réduire la bande passante du PA.
Si on obtient bien 41 Ohm à 52MHz, il n'en est pas de même sur les basses fréquences. En effet, l'impédence d'un condensateur augmente quand la fréquence baisse, ce qui fait qu'avec 74.5pF à 1.8MHz, par exemple, Z=1186 Ohm, ou si vous préférez, environ 1k2. Là, ça ne va plus du tout. Pour y remédier, il nous faut créer une charge d'environ 40 Ohms qui fixera la charge pour le driver sur une valeur constante pour toutes les bandes. Pour se faire, les résistances "R11" et "R12" d'une valeur de 22 Ohm chacune et placées en série avec l'alimentation des "Gate" des transistors vont s'en charger. Elles se retrouvent en série grace aux condensateurs de filtrage "C27" et "C28" qui vont créer un shunt HF entre celle-ci via la masse. J'ai repris cette astuce à partir du schéma du concepteur de l'ampli à "MRF300" susnommé.
Ensuite, nous avons nos deux "MRF101" monté classiquement en "push-pull". Il est à noter que les deux "MRF101" ne sont pas totalement identiques. En effet, nous avons un "MRF101AN" et un "MRF101BN". Le "MRF101BN" est totalement identique au "MRF101AN" sur le plan électronique, mais sa différence se situe au niveau de son brochage où les broches "Gate" et "Source" sont inversées par rapport au "MRF101AN". Cela permet de faire un tracé du PCB parfaitement symétrique et ainsi de diminuer la longueur des pistes.
Comme les transformateurs TLT "T3" et " T4" du schéma du PA à "MRF300" ont été supprimés sur notre montage, les deux selfs de choc "L3" et "L4" deviennent un transformateur TLT d'alimentation. Cette façon d'alimenter un étage "Push-Pull" de puissance est d'ailleur la bonne façon de faire (Voir le lien ci-après):
Some thoughts on low cost, solid state, kilowatt-class HF linear amplifiers (ludens.cl)
Comme "T3" et "T4" ont été supprimés, il suffit simplement de souder des shunts à leur place.
En sortie, nous avons un transformateur de rapport 1:1 comme en entrée. En effet, la valeur capacitive de sortie du "MRF101" est de 43.4pF soit une impédance de 2K à 1.8MHz et 70 Ohm à 52MHz par transistor, valeur supérieure à nos 25 Ohm de charge nécessaire par transistor. Donc, là aussi, inutile d'utiliser un transformateur de rapport 1:4 par exemple. Celui-ci est simplement réalisé avec 3 spires de cable coaxial de 50 Ohm et de 3mm de diamètre, dans une ferrite binoculaire en matériau "43".
Le schéma suivant montre la partie polarisation des "Gate" de chaque transistor qui permet de régler le courant de repos de ceux-ci.
J'ai repris le même montage que sur le schéma équipé de "MRF300" auquel j'ai rajouté les deux shunts qui permettent de régler plus facilement et individuellement les courants de repos.
Le "LM317" régule la tension du circuit de polarisation des transistors et empêche ainsi toute dérive des courants de repos de ceux-ci.
La "CTN" (thermorésistance) "TH1" de 100 Ohm permet de faire baisser la tension de polarisation des "Gate" et ainsi, le courant de repos des transistors, en cas d'échauffement excessive du PA. Les potentiomètres ajustables "RV5" et "RV6" servent à régler le courant de repos de chaque transistor.
Ensuite, la partie alimentation 50Volt du PA:
Le 50Vcc provient du bloc d'alimentation à découpage 48Vcc dont la tension de sortie a été ajustée à 50Vcc. Cette tension arrive sur le connecteur "J10" puis est filtrée par "C35" et "C36" dans un premier temp. Ensuite, le courant traverse "U3" qui est un capteur de courant qui va transformer la valeur du courant mesuré en un signal analogique 0-5Volt disponible en "J8". Ce signal sera envoyé sur le module "Prédriver" qui gèrera l'ALC. J'ai choisi de commander l'ALC par la mesure de courant traversant les transistors que par la mesure de puissance en sortie du PA. De cette manière, les transistors bénéficient d'une protection contre les surintensités ce qui ne pourrait pas être possible avec une simple mesure de puissance en sortie du PA. Le principe est simple.
Et on termine par la commande des ventilateurs du dissipateur thermique du PA:
Rien de compliqué. Un thermostat (Q12) en format TO220 est monté mécaniquement sur le dissipateur thermique et est relié entre la masse et les ventilateurs.
Les condensateur "C44" et "C45" sont des 10µF céramique multicouches.
3°) - La construction du module.
Après les présentations, la construction de ce module. Comme pour les autres modules, la première opération consiste à collecter les documents indispensables à l'assemblage de ce module.
__3-1) - Les documents à télécharger.
Pour télécharger les documents PDF, cliquer sur les images ci-dessous, puis descendre jusqu'à la grande barre horizontale rouge et cliquer sur "Télécharger".
__3-2) - L'assemblage du module.
La construction de ce module comprend une partie électronique et une partie mécanique. Nous allons donc commencer par la partie mécanique, à savoir le dissipateur thermique.
Celui-ci est composé de deux éléments:
-Un dissipateur thermique en aluminium équipé de deux ventilateurs 12Volts.
Un lien où se le procurer:
Celui-ci est, à l'origine, utilisé pour le refroidissement de deux LED de 100Watts. Donc, si il peut refroidir 200Watts en permanence, il pourra refroidir, sans problème notre PA qui sera capable de développer un peu plus de 200Watt en pointe. Les deux pastilles en cuivre permettent une meilleur conduction thermique.
-Une plaque de cuivre de 3 ou 4mm d'épaisseur et de 100x200mm.
Vous trouverez le gabarit de perçage ce cette plaque dans les documents à télécharger.
Le cuivre étant un bien meilleur conducteur thermique que l'aluminium, cette plaque va permettre de diffuser très rapidement les calories sur toute la surface du dissipateur thermique et donc d'obtenir un refroidissement des 2 transistors MRF101 plus efficace. Avant de la mettre en place, il est indispensable d'éliminer toute imperfection. Un coup de lime plate douce sur la surface, puis un coup de tampon « jex » (éponge côté vert) pour polir. On peut aussi finir de polir ensuite avec du simple papier essuie-tout à sec. C'est très efficace. On peut aussi utiliser du « mirror » si l'on est perfectionniste
Passons à l"assemblage.
Avant toutes choses, il est indispensable de démonter les ventilos pour la suite des opérations. On commence par les grilles qui empêchent d'accéder aux vis de fixation de ceux-ci:
Puis on dépose les ventilateurs comme montré ci-dessus.
L'aluminium et le cuivre n'étant pas du tout « copain » (Alu en contact avec le cuivre + chaleur + humidité ambiante + HF = oxydation), il est indispensable d'enduire la surface avec une graisse thermique.
J'ai utilisé ce modèle que j'avais depuis un moment.
On peut maintenant assembler les deux éléments ensemble avec 6 vis de 3mm inox aux endroits prévus.
Attention de bien mettre la plaque dans le bon sens!
Il est nécessaire de serrer les vis une première fois sans trop forcer, attendre 5 ou 10mm, puis resserrer et recommencer une troisième fois si nécessaire à cause de l'épaisseur de graisse qui va doucement s'évacuer sur les côtés. Ne pas serrer comme un sauvage, c'est de l'aluminium, pas de l'acier. Les vis utilisées sont en inox pour éliminer tout risque d'oxydation.
Ensuite, perçage de l'aluminium avec un foret de 2,5mm à travers les trous déjà percés à ce diamètre et entourés en rouge sur la plaque de cuivre, à l'endroit des transistors, régulateurs et capteur de température, puis taraudage le cuivre et l'aluminium en même temps à 3mm.
Ensuite, un bon coup de nettoyage et un dernier coup de papier essuie-tout à l'endroit des transistors, régulateurs et capteur, histoire de peaufiner le polissage .
Les trous taraudés au pas de 3mm.
Ensuite, on retourne et on peut remettre en place les ventilos.
On coupe ensuite les deux connecteurs en veillant bien à conserver environ 5cm, on rassemble les deux longueurs de câble dans une gaine thermo-rétractable et avec l'un des connecteurs KF2510 que l'on a conservé, on soude les trois fils rouge ensemble et les trois fils noir ensemble et protection avec de la gaine thermo-rétractable.
Maintenant, on va pouvoir s'occuper de la partie électronique.
On va d'abord mettre en place les composants de surface, à commencer par les condensateurs.
Pour souder les composants de surface, il est quasi-indispensable d'utiliser de la colophane en seringue appelé aussi, flux de soudure, à ne pas confondre avec de la pâte à souder. Une technique simple et très efficace que j'ai adoptée consiste à mettre du flux de soudure sur le PCB aux endroits des soudures à réaliser. Ne pas avoir peur d'en mettre. Ensuite, placer le composant en place en veillant qu'il soit bien plaqué, il devrait tenir tout seul. A l'écart du PCB, faire fondre de l'étain sur la panne du fer, maintenir le composant CMS avec un objet qui ne craint pas la chaleur et poser la panne à l'endroit de la soudure. La soudure est quasi instantanée. Si la soudure n'est pas belle, remettre du flux par-dessus et refaire fondre l'étain. Le flux de soudure est beaucoup plus facile à nettoyer que la résine contenue dans le fil d'étain. Pour ce faire j'utilise un mélange maison composé d'alcool ménagé ou à bruler, d'un peu de gel douche et de produit à vaisselle avec un peu d'eau pour faire le lien entre ces composants, sinon, l'alcool à tendance à décomposer le gel douche et le liquide vaisselle. Le gel douche et le produit à vaisselle empêche que l'alcool ne s'évapore trop vite et que le flux de soudure ne se retrouve étalé sur le PCB. De cette manière, l'alcool dissout le flux et le gel douche plus le produit à vaisselle retiennent celui-ci et nettoient en même temp le PCB. Il est nécessaire d'utiliser une vielle brosse à dent par exemple, pour cette opération. Ensuite, on peut nettoyer à l'eau chaude avec la brosse à dents, puis bien sécher et tremper ou faire couler de l'alcool à bruler sur le PCB pour éliminer l'humidité restante, et laisser sécher.
Pour s'aider à mettre en place les condensateurs, on peut utiliser une équerre.
Les huit condensateurs de 22nF côté soudures:
Puis le seul circuit intégré U3 de mesure de courant. La broche n° 1 est en haut à gauche (Côté biseauté du composant):
Pour souder ce composant, ne pas se prendre la tête. Comme pour les condensateurs, mettre une bonne dose de flux, faire fondre une bonne dose d'étain sur la panne et passer celle-ci sur toutes les pattes d'un côté. Si il y a de l'étain entre les pattes, ce n'est pas un soucis pour le moment. Faire de même de l'autre côté. Puis remettre une bonne dose de flux sur les soudure, maintenir le PCB verticalement et après avoir bien nettoyé la panne, la repasser sur les soudures de haut en bas. L'excédent d'étain sera aspiré par la panne du fer à souder. Ne pas trop s'éterniser sur le composant au risque de le détruire.
Ensuite, on peut mettre en place les autres composants, à commencer par les plus bas, les résistance 1/4W, puis continuer ainsi de suite.
Ne pas mettre en place les transistors régulateurs et thermostat pour le moment.
Les transfo HF vont maintenant être mis en place. Le plus simple à réaliser est celui d'entrée que l'on voit sur ces deux photos:
Il est juste constitué d'un petit morceau de câble coaxial 50 Ohms RG316 de 3mm. Il faut juste bien veiller qu'il ne soit pas plaqué sur le PCB. En effet, la tresse de celui-ci est active et n'est pas reliée à la masse.
Les transfos T3 et T4 ne sont pas utilisés dans cette configuration. Il est donc nécessaire de les shunter. Pour ce faire, il suffit d'utiliser deux petits morceaux de fil électrique rigide de 1.5mm² en gardant l'isolant. Par précaution, j'ai préféré recouvrir à nouveau ces shunts de gaine thermo-rétractable.
L3 et L4 constituent un transformateur TLT. Celui-ci est réalisé avec 2,5 spires de deux fils 8/10mm ou autres, torsadés et bobinés dans deux tubes ferrites en matériau 43 et de référence 2643540002 de chez Faire-Rite, maintenues ensemble avec une gaine thermo-rétractable. Pour confectionner ce transfo, j'ai utilisé, sur ce montage, du fil souple de couleurs différentes pour mieux les dissocier. (Orange et jaune)
La confection du transfo de sortie T5 ne pose pas de problème. Celui-ci est réalisé avec 3 spires de coaxial 50 Ohms RG316 de 3mm dans deux tubes ferrite en matériau 43 et de référence 2643540002 de chez Faire-Rite. Les deux tubes sont maintenus ensemble avec une gaine thermo-rétractable.
Ces transfos sont fixés au PCB avec des colliers rislan grâce aux ouvertures prévues à cet effet.
Quelques photos à ce stade de construction:
Puis on peut mettre maintenant en place la self-choc L5.
Maintenant, on va s'occuper des composants qui seront fixés sur le dissipateur thermique. Il y en a cinq, tous de format TO220.
Mais avant, il est nécessaire de mettre en place les 8 entretoises en laiton femelle M3x10mm qui vont assurer la fixation du PCB.
On commence par les deux régulateur LM317. Les pattes doivent être pliées à 90° juste à la jonction entre la partie large et la partie étroite. Il est impératif d'isoler ces régulateurs de la masse par un isolant silicone souple (en bleu sur les photos) et un autre spécialement prévu pour la vis de fixation. Inutile pour le moment, de les serrer trop fort, ils vont être redémontés juste après leurs soudures. Ne pas hésiter à utiliser une équerre pour positionner correctement ceux-ci.
Ensuite, on positionne le PCB en place en faisant passer les pattes par les trous, on met quatre vis de fixation pour immobiliser l'ensemble et on fait les soudures côté composants. Puis on retire les vis de fixation des deux régulateurs et les quatre vis de fixation du PCB, et on retire l'ensemble.
On fait la même chose avec les transistors MRF101, mais avec beaucoup de précaution!!! Ces composants son totalement allergique à l'électricité statique!!! De ce fait et avant de manipuler ces transistors, pas de vêtement synthétique, pas d'animaux domestique dans les parages (surtout les chats). Utilisez, si possible un bracelet antistatique relié à la terre, touchez régulièrement une borne de terre d'une prise de courant en touchant en même temps la plaque de cuivre du dissipateur. Attention aussi de ne pas les mélanger!!! Les deux MRF101 ne sont pas les même!!! Q10 est un MRF101AN et Q11 un MRF101BN. Ceux sont bien tout deux des MRF101, mais le MRF101BN a le brochage inversé par rapport au MRF101AN, ce qui permet d'avoir un montage symétrique.
Une fois en place, on retire à nouveau l'ensemble pour placer le dernier composant TO220, à savoir, le thermostat 67F040 de chez AIRPAX qui commandera les deux ventilateurs de refroidissement.
Voici une photos avec les régulateur LM317 et les transistor MRF101 en place:
Celui-ci a besoin d'être relié avec des connections plus longues. Donc, il suffit de souder deux fils comme ci-après:
On fait passer les deux extrémités comme sur la photo de gauche et à l'emplacement de Q12 (uniquement sur les deux trou du bas de Q12) et on soude.
Toutes les soudures du PCB sont terminées.
Il reste juste à mettre en place la CTN de 100 Ohms. Celle-ci sera soudée sur les deux fils du connecteur KF2510 2P. Ces soudures devront bien sur être isolées avec de la gaine thermo-rétractable, puis on rajoutera de la gaine thermo-rétractable sur l'ensemble. Ensuite, on enroule du ruban adhésif en cuivre sur la CTN et on la met en place sur la plaque de cuivre et on la fixe avec du ruban adhésif en cuivre comme sur la photo de droite, ci-dessous:
Maintenant, on peut remettre en place de manière définitive le montage sur le dissipateur thermique sans oublier les isolateurs des LM317 et de mettre de la graisse thermique à l'emplacement des transistors MRF101 et du thermostat. Puis on connecte les deux connecteur KF2510 du thermostat et de la CTN à leur emplacement respectif.
Le PCB est fixé par le dessus, non pas avec des vis, mais avec des entretoises laiton male/femelle M3 de deux tailles différentes:
-Les quatre de gauche mesurent 18mm et vont recevoir le module driver.
-Les quatre de droite mesurent 30mm et vont recevoir un blindage qui va couvrir les transfo HF.
L'assemblage du module PA est terminé et près à être réglé.
__3-3) - Les réglages.
Le réglage de ce module va consister à régler le courant de repos de chaque transistor.
Les deux seuls réglages vont consister à régler le courant de repos des deux transistors à 100mA chacun.
Pour se faire, retirer les deux straps de "J5" et "J6" que l'on aperçoit sur la photo ci-dessus.
Par sécurité, raccorder la sortie HF du PA à une charge fictive. Ne pas connecter l'entrée HF du PA.
Raccorder un ampèremètre en série avec l'alimentation 50Vcc et mesurer la valeur du courant. Ne pas oublier de raccorder le filtre de tension.
Mettre sous tension et mesurer la valeur du courant et la noter.
Placer le strap sur "J5" et régler "RV5" jusqu'à obtenir la somme de la valeur précédemment notée + 100mA.
Retirer le strap de "J5".
Placer le strap sur "J6" et régler "RV6" jusqu'à obtenir la somme de la valeur précédemment notée + 100mA.
Ne pas retirer le strap de "J6" et remettre le strap de "J5".
Mesurer la valeur du courant. Sa valeur doit être égal au courant mesuré et noté sans les deux straps + 200mA.
Le PA est réglé et prêt à fonctionner.
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