0,5 Kilowatt Mittelwellen (630m) Endstufe 
zum U02 - DDS Synthesizer mit WSPR Bake

Wer den Beitrag zur 200W PA gelesen hat wird vielleicht Lust auf mehr bekommen denn selbst bei einigen 100 Watt Leistung ist es gar nicht so einfach die erlaubten 1W EIRP zu erreichen (siehe Leistungsberechnung). Die 200W PA ist keine reine Class-C PA, eher eine Class-AB bis nahe C Endstufe. Entsprechend ist der Wirkungsgrad irgendwo zwischen 65 und 75 % aber kaum darüber. Daher kam der Wunsch auf eine reine Class-C Endstufe zu bauen, welche um die 90% Wirkungsgrad hat.

Highlights:

* bis 650 Watt auf 474,2 kHz (bei Ub=37V)
* Eingangsleistung nur 1 Watt erforderlich
* Wirkungsgrad >90%
* Betrieb von 12 bis 40 Volt
* sehr preiswerte MOSFETs

Ausgangsleistung:

diese Messwerte hängen auch von der Abstimmung der Antenne ab und müssen nicht bei jeder Installation gleich sein.

Transistoren:

Als optimaler MOSFET hat sich der IRFP4227 herausgestellt. Wir haben einige Typen getestet, aber dieser war optimal und vor allem sehr preiswert. Ein einzelner Transistor kann ca. 200 Watt erzeugen, zwei im Gegentakt gute 400 Watt. Die Leistungsreserven sind dann aber gering und kleine Störungen führen zum Durchbrennen. Daher haben wir je zwei dieser Mosfets parallel geschaltet. Damit hat man satte Reserven und kann auch 500 Watt Dauerstrich problemlos fahren. Auch 650 Watt bringt die PA, dann muss man aber schon kräftigere Elkos nehmen, da diese sonst heiß werden.

Sicherheitsmaßnahmen:

Man sollte nie vergessen, dass sich Leistungen von mehreren 100 Watt bereits zum Schweißen eignen. Fehler bei Aufbau und Betrieb können daher zu heftigen Lichtbögen und anderen Schäden führen. Daher: Basteln in dem Leistungsbereich nur mit Schutzbrille ! Ein explodierender Mosfet kann seine heißen Gehäuseteile herumspritzen, wenn so etwas ins Auge kommt dann geht das böse aus.

500 Watt an einer 50 Ohm Last sind 160 Veff und 224Vp, das sind gefährliche Spannungen ! Die Ausgangsleitungen sind daher mit dem gebotenen Respekt zu behandeln und im Betrieb niemals anzufassen !

Zusätzlich wurde die PA mit einer Reihe von Mess- und Sicherheitsmaßnahmen ausgestattet:

* Übertemperaturabschaltung
* Spannungsmessmöglichkeit
* Strom-Messsensor
* Not-Aus per Leistungsrelais

Stückliste:

hier die komplette Materialliste für den Einkauf der Bauteile.

Schaltbild des Leistungsteils (zum Vergrößern anklicken):

mit einem kleinen Doppellochkern wird ein um 180 Grad phasenverschobenes Sinussignal erzeugt. Dieses wird zunächst von Zenerdioden begrenzt und dann dem Mosfet-Treiber TC4422 zugeführt. Dieser begrenzt es nochmals, führt es durch einen Schmitt-Trigger und steuert schließlich die Gates der Leistungs-Mosfets an. Die Treiber können 4nF Lasten treiben, was ideal zu den IRFP4427 passt.

Durch die 0,1 Ohm Widerstände an den Sourceanschlüssen verteilt sich die Arbeit gleichmäßig auf alle Transistoren, so die Theorie. In der Praxis konnte kein sinnvoller Vorteil gefunden werden, diese Widerstände wurden bei unseren Mustergeräten einfach durch eine Drahtbrücke ersetzt. Danach folgt der Ausgangsübertrager, ein großer Ringkern, der getrennt weiter unten besprochen wird.

Am Ausgang befindet sich ein 2 stufiges Tiefpassfilter. Dieses sollte niemals reduziert oder gar weggelassen werden, nicht nur wegen der Oberwellen, sondern auch deshalb weil die PA sonst keine hohe Leistung abgeben kann. Die Impedanz dieses Ausgangsfilters ist von wesentlicher Bedeutung für die Funktion des Ausgangskreises.

Die Versorgungsspannung wird über zwei Drosseln und eine ganze Batterie Kondensatoren zugeführt. Über diese Kondensatoren läuft gewaltig viel Wechselstrom, weshalb nur große, dicke FKP1 und schaltfeste Elkos in Frage kommen. Alle anderen werden heiß und explodieren im Dauerbetrieb (Schutzbrille beim Basteln !).

Ansteuerung:

Die PA arbeitet ab einer Eingangsleistung von ca. 1 Watt. Mehr Leistung bringt nichts, da es nur auf die Spannung ankommt. Wer für seinen Steuersender einen angepassten 50 Ohm Eingang braucht, muss parallel zum Eingang einen passenden Widerstand schalten (ca. 100 Ohm / min 1 Watt). Ohne Widerstand ist der Eingang hochohmig und hat ein SWR von ca. 1:7 was für unsere DDS 5 Watt PA egal ist und Strom spart.

Schaltbild des Steuerteils (zum Vergrößern anklicken):

links befindet sich die PTT Steuerung. Zieht man den PTT Anschluss auf Masse so ziehen die beiden Relais (Eingang und Ausgang im Leistungsteil) an und die PA ist betriebsbereit. Über einen Anschluss für einen Temperaturschalter kann man bei Erreichen einer bestimmten Kühlkörpertemperatur die PTT abfallen lassen wodurch die PA stromlos wird (die Mosfets sperren).

Rechts oben befindet sich die Messschaltung für den Strom. An einem externen 0,05 Ohm Shunt wird der Spannungsabfall abgenommen und mit einem Präzisions-OP verstärkt. Diese Messspannung kann man abnehmen und anzeigen oder auswerten.

Rechts in der Mitte befindet sich ein Leistungsrelais mit 16 Amp (besser 20A). Nach dem Einschalten ist dieses geöffnet, die PA stromlos. Durch einen Tastendruck auf den Ein-Taster zieht das Relais an und bleibt dann in Selbsthaltung geschlossen. Der Sinn der Sache ist dieser: Wenn aus irgendeinem Grund die Versorgungsspannung zusammenbricht (z.B. Kurzschluss bei durchgebranntem Mosfet) so fällt dieses Relais ab und kann sich dann von selbst nicht mehr einschalten. Es ist im Fehlerfall also der Eingriff des Betreibers erforderlich.

Der Ausgangskreis:

Die Auskopplung der Leistung ist das mit Abstand komplexeste an so einer Schaltung und wird daher hier separat besprochen:

Für 500 Watt braucht man einen richtig dicken Ringkern, wir haben uns für den größten Ringkern von Würth-Elektronik entschieden. Die Anzahl der Windungen wurde mit endlosen Experimenten ermittelt. Leider entzieht es sich der genauen Berechnung, da es diverse Verlustwiderstände gibt welche zu Abweichungen führen. Die besten Resultate wurden mit 2x2 Windungen auf der Primärseite und 12 Windungen auf der Ausgangsseite erzielt.

Eigentlich kann man die Leistung erhöhen wenn man auf der Ausgangsseite die Windungszahl erhöht. Das hat jedoch Grenzen durch die inneren Verlustwiderstände der ganzen Schaltung. Man kann die Ausgangswindungszahl so lange erhöhen bis keine Leistungssteigerung mehr zu beobachten ist, danach sollte man eine Windung weniger wählen. Die Ausgangsleistung wird dann nur mehr durch die Versorgungsspannung bestimmt. Mit ca. 33 Volt erreicht man die 500 Watt. Bei 13,8 Volt sind immer noch 100 Watt erreichbar. Natürlich muss das Netzteil entsprechend belastbar sein.

Die Kondensatoren an der Primärseite (bei den Mosfets) sind von extremer Bedeutung, ich hab noch keine Schaltung im Internet gesehen wo beschrieben wäre wozu hier Kondensatoren eingebaut sind, wahrscheinlich weil es keiner so genau weiß :-)

Erstmal die 4,7nF von den Drain Anschlüssen gegen Masse:

Während einer Periode wechseln sich die beiden Mosfets ab, mal schaltet einer, mal der andere durch. Es gibt im Übergang jedoch auch eine kurze Zeitspanne wo kein Mosfet durchgeschaltet ist. Während dieser paar hundert Nanosekunden sind die Mosfets hochohmig und der Ausgangsringkern primär nicht angeschlossen. Die im Ringkern gespeicherte Energie erzeugt dadurch sehr hohe Spannungsspitzen vom mehreren 100 Volt an der Primärseite. Das könnte die Mosfets zerstören. Mit Hilfe dieser 4,7nF Kondensatoren werden diese Spannungsspitzen entfernt.

Nun zu den Kondensatoren parellel zur Primärwicklung:

Der Ausgangskreis ist ein komplexes Gemisch aus Induktivitäten und Kapazitäten. Bei einem idealisierten Trafo würde am Ausgang einfach ein Rechtecksignal herauskommen. Nicht so bei einem realen Kern. Hier kommt es ja nach Anzahl der Windungen zum Auf- und Abbau von magnetischer Energie welche zeitverzögert ist und daher nicht immer zum Signal passt. Je nachdem wie sich Nutzsignal, Resonanzen und zurückschwingende Magnetisierung mischen sieht das Signal am Oszilloskop ziemlich chaotisch aus und der Wirkungsgrad ist grottenschlecht. Mit Hilfe der Kondensatoren an der Primärwicklung werden zum einen die Kerninduktivität kompensiert (wofür allerdings erheblich kleinere Cs erforderlich wären) und zusätzlich wird eine Phasenverschiebung erzeugt um den Kern mit dem Nutzsignal in Gleichtakt zu bringen. Auf diese Art funktioniert das nur bei einer ein-Band PA. Bei Mehrband-PAs müssen hier deutlich mehr Kompromisse eingegangen werden.

Die genaue Größe der Kondensatoren hängt ab vom Kernmaterial und der Anzahl der Windungen und wurde experimentell ermittelt wobei auf besten Wirkungsgrad optimiert wurde. Da ziemliche Ströme durch diese Cs fließen, müssen mehrere große FKP1 Kondensatoren parallel geschaltet werden.

Material und Draht für den Ringkern:

das oberste Gebot ist: großzügig und extrem niederohmig bauen. Der Skineffekt wirkt bei 500 kHz sehr stark, nur mehr die oberste Schicht eines Drahtes trägt zum Stromfluss bei. Vor allem die Primärwicklung mit ihren 2x2 Windungen führt hohe Ströme welche niederohmig geführt werden müssen. Versuche mit HF-Litze oder verdrillten Mehrfachdrähten waren weniger erfolgreich und führten selbst bei großen Querschnitten zu schlechten Leistungen. Die besten Ergebnisse haben wir mit einem 8mm breiten Kupfergeflecht gemacht. Selbst dieses wird merkbar warm, ist aber so niederohmig dass auch hohe Leistungen mit gutem Wirkungsgrad erzeugt werden können.

Für die Sekundärwicklung nimmt man normalen Draht. Üblich ist versilberter Teflondraht, jedoch ist dieser teuer, schwer zu bekommen und sehr starr, mir ist das zu lästig. Daher nehme ich dafür Silikonkabel, welches im Modellbau sehr beliebt ist und leicht zu bekommen ist. Es ist auch temperaturfest dafür sehr flexibel und gut zu wickeln.

Keinesfalls darf für diesen Ringkern normaler Kupferlackdraht verwendet werden ! Die dünne Lackschicht ist viel zu empfindlich und jeder kleine Kratzer kann zum Kurzschluss und damit zu erheblichen Schäden im Betrieb führen !

Herstellung des Ringkerns:

zunächst wird die Sekundärwicklung (Ausgangswicklung) aufgebracht. Diese besteht aus 4 parallelen Drähten, jeweils 0,5qmm stark. Das ergibt in Summe 2,0qmm was hier völlig ausreicht. Die 4 Drähte brauchen nicht, oder nur leicht, verdrillt zu sein. Man nimmt also 4 Drähte und lötet ein Ende zusammen. Diesen 4er Pack wickelt man dann 12x um den Ringkern, schön über den ganzen Kern verteilt. Die Enden sichert man mit Kabelbinder.

Danach wird die Primärwicklung aufgebracht. Dazu nimmt man ein Kupfergeflecht oder Kupferband mit 8mm (oder 10mm)  Breite und wickelt 4 Windungen auf den Kern (einfach über die bereits aufgebrachte Wicklung drüber). Dazu braucht man ca. den halben Kern. Da dieses Kupferband nicht isoliert ist muss man natürlich darauf achten dass sich die einzelnen Windungen nicht berühren ! Diese 4 Windungen bringt man sauber gleichmäßig und symmetrisch auf. Jetzt lötet man ein Anschlusskabel an jedes Ende, sowie ein Kabel genau in die Mitte, also bei Windung Nr.2. Diese Mittelanzapfung dient zum Anschluss der Versorgungsspannung.
Wieder mit Kabelbinder sichern.

Der ganze Kern muss isoliert montiert werden, da das Kupferband frei liegt.

Alternative Primärwicklung A:

das Wickeln eines nicht isolierten Kupferbands ist nicht einfach. Daher habe ich eine Lösung gesucht, die genauso gut funktioniert aber leichter herzustellen ist. Anstelle des Kupferbands habe ich mit gutem Erfolg 3 parallele Silikonkabel mit je 2,5qmm verwendet.

Alternative Primärwicklung B:

eine andere Bauweise hat DH5RAE gemacht. Er hat den versilberten Schirm eines RG-214 Koaxkabels genommen und diesen mit Teflonband aus dem Sanitär-Installationsbedarf bewickelt und isoliert. Damit hat er dann die 2x2 Windungen aufgebracht. Auch das klappt sehr gut.

Speisedrosseln L1 und L3:

es sind 2 Drosseln vorgesehen, jede auf einem FT114-77 Kern. Eigentlich sollten diese Kerne mit 1,3mm-Cul bewickelt werden. Allerdings werden die Kerne dann recht warm, da der Cul Draht für 20A schon recht dünn ist. Stattdessen bauten wir in den Mustergeräten nur mehr einen Kern ein, und zwar liegend auf dem Platz der für L1 und L3 vorgesehen ist: L3 wird mit einer Kurzschlussbrücke ersetzt, In die Lötaugen von L1 kommen Lötstützpunkte (oder kleine Drahtschnipsel) wo die Spule L1 dann oben aufgelötet werden kann. L1 stellt man mit 2,5qmm Silikonkabel her. Dieses ist so dick, dass keine Wärmeentwicklung mehr auftritt. Man wickelt einfach den ganzen Kern einlagig voll, die genaue Induktivität ist unerheblich.

Die Kondensatoren:

alle Kondensatoren rund um den Ringkern werden mit erheblichen HF-Strömen belastet und müssen diese natürlich verkraften ohne sehr heiß zu werden (warm werden sie auf jeden Fall).
Daher werden Kondensatoren mit hoher Spannung gewählt, auch wenn diese Spannung gar nicht anliegt. Kondensatoren mit hohen Spannungen verkraften aber viel mehr HF Strom und bleiben deshalb kühler. Für alle Kondensatoren unter 1uF werden FKP1 Typen mit 1250V= gewählt, diese sind auch recht preiswert. Alle Elkos müssen schaltfeste Typen sein und müssen mindestens 63V oder noch besser 160 V aushalten.

Die 12 Volt Versorgung:

die Steuerung (PTT und die Relais) benötigen eine Spannung von 12 Volt. Wegen des großen Eingangsspannungsbereichs von 12 bis 40 Volt wurde kein 12V Regler auf der Platine vorgesehen.

Betreibt man diese Endstufe mit 12 oder 13,8 Volt, so kann man diese Spannung gleich für die Steuerung hernehmen. 

Hat man eine höhere Versorgungsspannung, muss man einen geeigneten Spannungsregler vorsehen. Falls das ein Linearregler ist (z.B. der bekannte uA7812) so muss dieser zur Kühlung am Gehäuse angeschraubt werden. Außerdem muss man die maximale Spannungsfestigkeit beachten.

Lösung: die optimale Lösung ist ein DC/DC Wandler. Dieser erzeugt über den ganzen Eingangsspannungsbereich der Endstufe die benötigten 12 Volt, hat keine nennenswerte Verlustwärme und ist unschlagbar billig, zumindest die Variante in der Stückliste.

Angeschlossen wird er rechts an 3 Pins "vom und zum DC/DC Wandler". VOR dem Anschluss muss man mit dem Poti die Ausgangsspannung auf 12 Volt einstellen !

Die Platine:

die Platine ist 155x110 mm groß. Der Ringkern wird nicht auf der Platine sondern knapp darüber schwebend montiert.

Durch den hohen Wirkungsgrad ist keine aufwändige Kühlung erforderlich, ein Kühlkörper der ca. 15% der umgesetzten Leistung verdauen kann reicht in der Regel aus. Wer 500 Watt im Dauerstrich fahren will sollte trotzdem etwas kühlen, denn eine kalte PA hat einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als eine heiße !

Bstückungsplan (zum Vergrößern anklicken):

Anschlüsse:

Mindestens notwendige Anschlüssen:

wenn man nicht alle Sensoren/Messausgänge usw. benutzen will, so muss man zumindest diese Anschlüsse belegen:

* Netzteil neg. und pos.
* DC/DC Wandler
* Antennenausgang
* 475kHz IN / 1W Eingang
* PTT
* Power Relais (GND=off, >3v=ON) auf +12V legen
* Ein-Taster

Platinen:

Wie bei allen U02 Projekten sind auch hier Platinen auf Anfrage verfügbar.

Bilder vom Aufbau:

das ist die bestückte Platine, rechts oben sieht man dass L3 überbrückt wurde und nur L1 bestückt ist. Später haben wir für L1 einen dicken Silikondraht verwendet und sie hingelegt.

die Platine ist hier schon auf dem Kühlkörper befestigt. Wichtig: die Leistungs-Mosfets lötet man erst nach dem Anschrauben fest.
Der große Ausgangsübertrager liegt auf den roten Kondensatoren auf. Wenn man wie hier im Bild mit nacktem Drahtgeflecht bewickelt, muss man natürlich auf Kurzschlüsse achten. Einfacher ist es ein Silikonkabel zu nehmen, wie im Bild weiter oben gezeigt.

Für die Mittelanzapfung sind auf der Platine 2 Löcher vorgesehen, man braucht aber nur eines, das andere lässt man einfach frei.

hier ist alles in ein Gehäuse eingebaut. Es ist ein Feltron Gehäuse, natürlich kann man ein anderes nehmen oder selbst eines basteln.

Links sieht man im kleineren Weißblechgehäuse die Power/SWR Messbrücke.