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SSPA 1KW HF

(NOUVEAU SSPA 10m:

en bas de page)

(mise à jour le 30 août 2015)

1 KW HF LDMOS-FET LINEAR AMPLIFIER

1.8 - 30 MHz    (450 W @ 50 MHz)

 

                                          

 

Introduction:

 

Voici la description d’un amplificateur SSPA (Solid State Power Amplifier) capable de fournir 1 kW sur toutes les bandes HF en toute tranquillité avec la plupart des tranceiver modernes fournissant  une centaine de watts. Cet amplificateur répond admirablement bien aux exigences de pureté spectrale grâce à des filtres de bandes adaptés et efficaces.

 

       

 

       

 

                                          

 

1/ le transistor :

 

Le transistor est un LDMOS-Fet de marque Freescale et de référence MRF6VP61K25H. A titre expérimental, j’ai pu faire sortir 1480 watts sur la bande 20 m avec une alimentation de 3000 Watts, 50 Volts, 60 Ampères, ce qui est remarquable si l’on considère l’encombrement du composant.

Ce transistor se trouve facilement dans le commerce (environ de 230 Euros en 2014). Eviter les copies TCHONG vendues sur e-bay par des escrocs. Il est protégé contre un TOS excessif, mais pas contre l’ « over drive » (trop de puissance HF à l’entrée de l’amplificateur, il commence à être TRES fragile à partir de 40 ampères de courant sur les drains.

 

                                                               

 

                                                 DATA SHEET MRF6VP61K25H

 

2/ le module amplificateur :

 

Même si le montage d’un tel transistor n’est pas impossible pour l’amateur, il s’avère que l’ensemble des composants au détail revient beaucoup plus cher que d’acheter au bon endroit un module déjà prêt assemblé et testé. La société Italab en Italie propose un module équipé d’un MRF6VP61K25H pour 480€ en 2014, ce qui parait un excellent rapport qualité/prix si l’on considère le prix neuf du LDMOS seul. La page Italab de référence : http://www.italab.it/uploads/prodotti/DATA3.pdf

 

                                                                                

 

                                                                MODULE ITALAB HF1000P

 

Le module est constitué du transistor monté sur un circuit imprimé, lui-même solidement vissé sur une semelle en cuivre conséquente et suffisante.

 

                                         

 

                                      SCHEMA  DU MODULE ITALAB HF1000P

 

                                                   

 

                                                           Synoptique de l'assemblage

 

3/ le radiateur :

 

Le radiateur doit être judicieusement dimensionné : trop gros = trop lourd et trop encombrant. Trop petit : nécessite une ventilation forcée bruyante.  On bénéficie souvent de radiateur de récupération et le plus important est la planéité de la surface qui va recevoir la semelle en cuivre avec une bonne dose (mais pas trop) de graisse silicone entre semelle et radiateur, ceci après avoir soigneusement taraudé les 8 trous de 3mm sur l’aluminium.

 

                                                

 

4/ l’alimentation :

 

Lors des essais et expériences diverses autour de ce module, il s’avère que l’amplificateur donne son maximum de puissance dans ses derniers retranchements (entre 1300w et 1480w selon les bandes) avec une alimentation Hewlett Packard ESP120 fonctionnant sous 50V, d’une puissance de 3000 watts. Cette alimentation d’une robustesse remarquable est cependant dangereuse pour le transistor (pas de limitation du courant envoyé sur les drains), et de plus, elle est particulièrement bruyante. Elle se trouve sur le web pour moins de 100€ port compris, en cherchant un peu.

Je me suis donc rabattu sur une compilation de trois alimentations à découpage ultrasilencieuses et compactes, mises en parallèle avec des diodes P600 de protection, il y a deux alimentations américaines de 15 Ampères de marque VICOR type FLAT PAK de 600W chacune (on les trouve sur le net pour 100€ pièce environ en cherchant bien, elle n'ont pas de ventilateur mais un radiateur largement dimensionné à peine tiède à pleine puissance) et une de 8 ampères de marque Meanwell (pareil, sur les net vers 50€), éviter les alimentations chinoises... Remarque : la présence des diodes de protection fait chuter la tension de 0,7 V, on lit 47,3 V au lieu de 48 V, même à pleine puissance, le système est fiable, les diodes ne chauffent pas. La chute de tension due aux diodes diminue certainement la puissance de sortie, mais cela est négligeable et non perceptible.

 

        

 

5/ les sécurités :

 

5.1/ Limitation en courant :

 

L’amplificateur est limité en courant par le courant disponible fourni par les alimentations, à savoir 39 ampères à pleine puissance, en cas de dépassement dû par exemple à un TOS excessif, il n’y a pas d’emballement possible du transistor du fait que les alimentations limitent naturellement l’apport de courant, sans que cela ne soit pénalisant pour le rendement de l’amplificateur

 

5.2/ Limitation de la puissance drive :

 

En cas d’over drive, le transistor serait détruit instantanément, aussi, le constructeur du module Italab a jugé bon d’inclure un atténuateur 6 dB 100 Watts en entrée. Malgré cette solution limitatrice, le gain reste encore spectaculaire : on obtient le maximum de puissance avec seulement 5w à 8w selon les bandes ! J’ai donc ajouté en amont du module un autre atténuateur 6 dB 100 Watts de grande qualité (Henry Radio USA). Ce dispositif demande bien sur quatre fois plus de puissance drive, mais évite aussi les fausses manipulations, car avec 100 watts à l’entrée, et ce, quelque soit la bande utilisée, le transistor ne risque rien, au pire, il va saturer un peu sur les bandes « à gain » sauf sur la bande 160m ou les 100 watts drives permettront d’obtenir le kilowatt.

 

       

 

La combinaison de ces deux dispositifs de précaution limite grandement « l’erreur fatale ». Pour avoir éprouvé cet amplificateur pendant plusieurs semaines, j’ai observé qu’un TOS de 3/1 à 4/1 ne détruit pas le transistor, une erreur de sélection du filtre de bande ne risque rien non plus et une utilisation intensive à 1000 watts ne présente également aucun risque connu.

 

6/ les filtres de bandes :

 

       

 

6.1/ les filtres de bandes HF sont de provenance Italab, comme le module d’ailleurs, ils sont dimensionnés spécialement pour ce module, les mesures de chacun de ces filtres ont démontré de réelles qualités avec des coupures magnifiques, notamment à l’ harmonique 2. Les capacités sont des capacités ATC de qualité, et les relais de commutations sont correctement dimensionnés.

 

6.2/ le filtre passe bas bande 6 m :

 

 Le schéma (créé par GENESYS) a été transposé dans les logiciels de simulation RFSIM99 et QUCS par mon ami Dominique F1FRV, la description en détail sur cette page :         

 

                                                   http://f4eoh.free.fr/low_pass_filter_6m_1_2kw_2370.htm

 

L’efficacité de ce filtre n’est plus à démontrer, et l’utilisation sur l’air n’a posé aucun problème.

 

                                      

 

Le commutateur de filtres de bandes doit être de qualité irréprochable afin de limiter les risques d’erreur, j’ai donc opté pour un commutateur en stéatite NOS (New Old Stock) de récupération kaki, dont les contacts sont francs. Une indication en façade de l’ampli sous forme de diodes LED témoigne de l’utilisation du filtre sélectionné.

 

7/ Le PTT ( Push To Talk )

 

La mise de l’amplificateur en phase émission se fait par mise à la masse commandée par le tranceiver de la broche centrale d’une fiche RCA à l’arrière du coffret. Cela met à la masse les relais de commutation E/R de la petite platine dessinée par Dominique F1FRV, le plus 12V étant permanent.

 

                                                              

 

                                                SSPA By Pass Relays / F1FRV

 

Le PTT commande également un petit relais additionnel qui met à la masse en phase réception la tension servant au courant de polarisation, évitant ainsi au transistor de consommer et chauffer pour rien.

 

8/ la ventilation :

 

Le radiateur possède sur le dessous un large ventilateur 12V 12cm de récupération alimentation à découpage PC. Le ventilateur déjà extrêmement silencieux est à vitesse variable à l’aide d’une petite platine équipée d’une thermistance fixée sur le radiateur. Lorsque le radiateur est vraiment chaud, situation extrêmement rare, observée lors des expérimentations soutenues en longues porteuses FM, la vitesse du ventilateur se met doucement à augmenter, le rendant plus efficace mais le bruit reste discret.

 

                                                 

 

9/ le coffret :

 

De récupération mais particulièrement bien adapté, il mesure 44cm de large pour 21cm de hauteur et 29cm de profondeur, avec un étage permettant de séparer d’un côté le radiateur, le module amplificateur et les alimentations, de l’autre côté les filtres de bandes, le système de commutation et l’alimentation des accessoires. Le squelette de l’ampli rentre dans une sorte de cage grillagée métallique blanche offrant l’avantage de constituer un blindage HF efficace et une ventilation naturelle sans faille. La façade dispode de deux poignées de transport robustes, et servent en prime de protection.

 

      

 

                                           

 

10/ La mesure de courant drains :

 

J’ai volontairement voulu dispenser cet amplificateur de fioritures inutiles en façade, la réussite passant souvent par la simplicité. Cependant, il me fallait une mesure fiable des courants entre les alimentations et les drains du LDMOS, et on trouve sur le net des combinaisons galvanomètre  plus shunt 50A à prix défiant toute concurrence en tapant sur les moteurs de recherche :  Analog AMP Panel Meter Gauge DC 0-50A 85C1 + Shunt. C’est cet appareil qui m’a permis de comprendre et évoluer dans ce nouveau monde des SSPA ;-)

 

                                           

 

        

 

11/ le filtrage:

 

Même si chaque alimentation possède son propre filtrage au primaire et au secondaire, j’ai jugé bon d’ajouter plusieurs filtrages supplémentaires à titre préventif : dès l’arrivée du 230V, j’ai installé un filtre secteur de récupération alimentation à découpage PC QRO. Puis j’ai installé un tore BN43-202 (ferrite binoculaire) sur chaque arrivée 230V, et un BN43-3312 sur chaque secondaire et enfin, un BN43-3312 juste à l’arrivée du 48V sur le module.

J’ai effectué aussi un découplage sérieux aux pieds des diodes P600 de sécurité pour la mise en parallèle des alimentations avec des capacités de 1nF 3kV en parallèle, toujours à titre préventif.

 

12/ les résultats :

 

Mon cahier des charges était d’obtenir un kilowatt en toute sécurité avec une pureté spectrale excellente, c’est chose faite, non sans mal, les heures d’expérimentation  autour du LDMOS MRF6VP61K25H n’ayant été comptées. Les reports sur l’air ont été très bons.

 

 

POWER DRIVE

BAND

3W

10W

30W

50W

100W

6m

100

220

380

450

450

10m

150

500

1000

1100

1100

15m

190

600

1000

1000

1000

20m

200

650

1150

1250

1250

40m

220

780

1050

1100

1100

80m

250

750

950

1100

1100

160m

110

260

500

650

1000

 

Le tableau ci-dessus a été relevé avec 47,3V sur les drains, avec une consommation, maximale observée de 39 Ampères. Il reste encore possible de driver cet amplificateur avec 1w ou 3w en shuntant  les deux atténuateurs de 6 dB ou avec 5w à 10w en shuntant celui que j’ai installé en amont du module, attention alors à l’over drive !

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NOUVEAU MODULE ITALAB :

 

HF1000P50

 

     

 

Je viens juste de recevoir le tout dernier module HF1000P50 qui remplace avantageusement le HF1000P. Le prix n’est pas tout à fait le même, et pour cause : de nombreuses améliorations ont été effectuées, notamment au niveau du transformateur de sortie et aussi au niveau de l’adaptation à l’entrée du transistor.

 

    

 

   

 

Le test comparatif a montré :

 

1/ Un gain beaucoup plus uniforme sur toutes les bandes malgré quelques différences inévitables à mon avis, notamment sur les bandes extrêmes 160m et 6m.

 

2/ la puissance maximum plafonne à 1300 watts, ce qui est déjà une excellent performance, mais l’ancien modèle HF1000P a été capable de sortir 1480 watts dans les même conditions mais que sur une bande ou deux

 

3/ les formats de platines et semelle en cuivre sont rigoureusement identiques, ce qui permet un échange standard si besoin très rapidement…

 

4/ le montage des composants sur le HF1000P50 m’a parut plus soigné que sur le HF1000P, ce n’est peut-être pas le même technicien qui a assemblé les composants ?

 

 

   

 

   

 

MODULE HF1000P-50 AVEC ATTENUATEUR 6dB

 

POWER DRIVE

BAND

4W

10W

20W

30W

40W

50W

6m

220

450

650

800

900

950

10m

300

650

850

950

1000

1000

15m

300

700

1000

1100

1200

1300

20m

360

800

1100

1200

1300

1300

40m

500

950

1150

1200

1200

1250

80m

450

850

1100

1200

1250

1300

160m

300

500

650

800

1000

1100

 Les puissances mesurées ci-dessus ont été lues sur un Bird43, la tension utilisées était de 49,4V et un atténuateur supplémentaire (conforme aux photos) a été utilisé, en plus de l'atténuateur déjà présent sur le module, soit 2 X 6dB en tout. Nota: 1000 watts sont obtenus sur 6m avec 60w en drive, et plafone à 1000 watts.

 

  PLUS DE PHOTOS:

 

                                                                                  

 

En conclusion, je dirais qu'un gros travail de "lissage" a été fait, et que les adeptes du 50MHz diposeront avec ce nouveau module d'un "vrai" kilo-watt sans avoir à subir de compromis désagréable, bravo ITALAB!

 

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1 KW 10m LDMOS-FET LINEAR AMPLIFIER

 

Introduction:

Pour donner suite à la réalisation précédente, cet amplificateur mono bande 10m vient d’être terminé avec succès pour un ami trafiquant exclusivement sur la bande 10m. Cela simplifie grandement le filtrage des harmoniques car un seul filtre passe bas convient parfaitement pour obtenir un signal propre en sortie.

Cet amplificateur reprenant bon nombre de petites astuces et de composants présents dans la première version ci-dessus, l'article qui va suivre est principalement constitué de photographies, qui je l'èspère sucitera le courage aux OM de construire eux-même leur propre amplificateur. 

Les essais sur l’air sont prometteurs car cet amplificateur m’a permis de contacter les îles Françaises sur 10m en phonie avec un confort notable, malgré des ouvertures de propagation favorables.

    

                                    

Le coffret est un coffret 19 pouces de récupération (dimensions 44cm X 31cm X 13cm) pour un poids de 9kg, faisant ainsi un excellent compromis pour un expédition.

La façade est constituée d'une bande de circuit imprimé, peinte en blanc.

  La puissance de sortie :

                         

        

 

F4EOH 1Kw 10m LDMOS LINERAR  AMPLIFIER

INPUT

6W

15W

19W

40W

55W

70W

85W

OUTPUT

200W

400W

500W

800W

1000W

1100W

1150W

 

  La ventilation:

    

                                       

La ventillation forcée se fait grâce à deux ventillateurs ultra silencieux fixés sur le radiateur. La vitesse de la ventillation est fonction de la température du radiateur grâce à une petite platine équipée d'une sonde, plaquée contre le radiateur supérieur du transistor.

L'air arrive donc par le dessus, venant "lécher" la partie supérieure du module, notament le transformateur d'impédance de sortie qui a tendance à chauffer lors d'une utilisation prolongée et/ou à forte puissance, ce qui est tout à fait NORMAL. Entrée d'air unique et sortie d'air unique pour garantir un reffroidissement optimal.

 L'arrière de l'ampli:

    

 Connecteur SO239 PTFE plaquées or, commande PTT sur fiche RCA (pinouille centrale mise à la masse pour passage en émission)

  L'alimentation:

    

                                     

Le modèle choisi est une alimentation de marque Tyco modèle NP2500. Elle est compacte et solide, elle est refroidie par un ventilateur de 12cm, et intègre toutes les sécurités nécessaires ainsi qu'un soft start réduisant le pic de démarrage à un ou deux volts seulement, acceptable pour le transistor. Trois témoins en façade: présence de 230V au primaire, présence de 48V en sortie, et enfin, témoin de mise en erreur, le poids réduit est de 4kg.

L'amplificateur est pourvu d'une sécurité d'alimentation. En cas d'oubli ou de non fonctionnement de l'alimentation 48V, donc en cas de non présence de 48V sur le module, le module ne peut pas passer en émission. Cela se fait simplement en insérant un petit relais 48V dont la bobine est commandée par l'arrivée du 48V dans l'amplificateur, ce relais se trouve au milieu de la chaine PTT. Cependant, en cas de non présence de 48V, le HF sortira normalement par la sortie antenne, l'amplificateur se trouvant ainsi en mode "by pass". 

  L'intérieur:

       

                            

     

 

  Le filtre passe bas coupure 30MHz:

     

    

                           

Bien que de taille réduite, ce petit filtre passe bas élaboré par mon ami Dominique F1FRV est d'une efficacité redoutable, comme en témoigne la courbe obtenue ci-dessus. Afin de le rendre reproductible, il est possible d'accéder à la documentation relative en clicant sur le petit sigle PDF.

Si l'on observe la courbe, en théorie, il est possible d'utiliser cet amplificateur sur la totalité de la bande HF vu que le TOS ne dépasse pas (ou presque) 1/1. Mais en pratique, ce serrait irresponsable, vu que les bandes basses ne sont pas protégées contre les émissions de parasites harmoniques.

 

  La platine By Pass / PTT:

     

                           

                                                      

Egalement élaborée par Dominique, cette petite platine intègre des relais de puissance capables de commuter la HF en pleine puissance. Les pertes dues aux relais sont infimes et le TOS  généré est de 1/1. Ceci grâce à des connections courtes et propre. En cas de présence de TOS, il est possible d'ajouter une capacité de faible valeur sur la piste commune, entre les deux relais. Documentation à télécharger ci-dessus.

Merci une fois de plus à Dominique F1FRV pour sa participation au bon déroulement de cette réalisation.