144 MHz PA
Up Foto's Tegninger

 

 

 

Artiklen har været bragt i OZ nr.7/1996

Stenløse 22-03-94

 

4CX1500B på 144 MHz.

Efter tidligere gode erfaringer på 432 MHz, med et stort rør, der arbejder meget moderat, og en voldsomt stigende irritation over alle de overbrede sendere, der specielt anvendes i testerne på 144 MHz, blev det besluttet at bygge et PA trin, der skulle producere effekt nok og det uden selv at bidrage med intermodulation, om ikke for andet så for at bevise at en stor sender ikke behøver at brede sig.

Efter en del roden i kasserne, faldt valget på 4CX1500B, også selv om røret kun er specificeret til at kunne anvendes op til 30 MHz.

Ønsket om at anvende 4CX1500B, forstærkes af, at røret er fremstillet til SSB, med meget store krav til intermodulationsdæmpning samt, at der er en stor mængde rør at få på surplus markedet, idet de har været anvendt i stort tal i skibskommunikationen, og de sendere er blevet udfaset i de senere år.

En anden grunden til valget, er at der findes en 4CX1000K, der til forveksling ligner 4CX1000, men som blot har et ekstra "mavebælte", i form af en skærm, som hjælper med til at skærme fatningen SK820 til dette rør yderligere, hvilket bringer røret i stand til at kunne funktionere op til 400 MHz.

SK810 der hører til 4CX1500B er meget åben mellem gitter og anodesiden, man kan næsten se at det vil medføre stabilitetsproblemer på de højere frekvenser, så hvorfor ikke indføre den ekstra afskærmning direkte i fatningen, og så anvende 4CX1500B som den er, i stedet for at anskaffe en 4CX1000K med tilhørende fatning ?

At indføje en sådan skærm i fatningen, fører til at det ikke mere er muligt, at tilføre køleluft i gitterkassen, altså må konstruktionen udføres således, at luften tilføres anodekassen, og kølingen af bunden af røret foretages gennem de udskæringer, der er lavet i skærmen, for at rørets terminaler kan passere igennem ved montagen og ved evt. senere rørskifte.

Der er mange måder at udføre afskærmningen på i praksis, her er valgt den nemme løsning, nemlig at skrue skærmen fast til de skruer, der holder fatningen sammen.

Disse skruer skal blot udskiftes med nogle der er ca 25 m.m længere, så er sagen klar.

Det er en fin løsning, hvis man er indehaver af en fatning med indbygget skærmgitterafkobling, den eneste hage er, at skærmen DC mæssigt kommer til at ligge på skærmgitterpotentiale, hvilket bevirker, at den ikke må kunne berøre skærmgitterafkoblingen, idet denne er stellet.

En anden løsning havde været at lægge skærmgitteret til stel, og så sænke bunden af røret (katoden) ned til -300 Volt, den samme teknik som er anvendt i et 432 MHz PA-trin med YL1050, hvilket havde krævet, at der skulle have været lavet en del ændringer i SK810 fatningen.

Men der findes fatninger uden skærmgitterafkobling, og for at kunne anvende sådan en, er det nødvendigt at lægge skærmgitteret til stel. Den specielle fatning SK820, der er designet til 4CX1000K, er født til at have skærmgitteret til stel. Begrundelsen for at lægge skærmgitteret til stel er, at skærmgitteret danner returvej for HF strømmene i anodekredsen, idet den overvejende del af anodekredsens afstemningskondensator udgøres af rørets Anode / Skærmgitterkapasitet, ca 12 pF.

Og som altid, når talen går på effektforstærkere, vender vi tilbage til spørgsmålet om stabilitet, og dette PA-trin er ingen undtagelse.

Den elektriske stabilitet, er et mindre problem, den mekaniske, og dermed den termiske stabilitet er den virkelige opgave, idet det må påregnes, at en lige så stor effekt som der tilføres antennekablet, vil komme ud gennem skorstenen i form af varme.

Noget af den varme vil naturligvis forplante sig til de mekaniske dele i anoderummet, og forsøge at påvirke dem termisk, og har konstruktionen tilbøjeligheder til mekanisk ustabilitet, har den garanteret også termiske problemer.

 

Anodekredsen.

Der er en del radioamatører, der gennem tiden har talt imod at anvende en 1/4 bølgelængde kreds som anodekreds til store PA-trin på VHF og UHF.

Mange forskellige teorier har været fremført om hvorfor ikke, og ingen af dem har endnu været særlig overbevisende, hvorfor skulle 1/4 bølgelængde ikke kunne anvendes, blot man ved hvad man gør.

1/4 bølgelængde kredsens akilleshæl er kredstab, kan de holdes nede er der ingen grund til at der ikke skulle kunne anvendes sådanne kredse. Bliver kredstabene for høje, falder virkningsgraden og egenopvarmningen af kredsen stiger.

På UHF er sagen helt klar, her er det helt indlysende at anvende en ½ bølgelængde kreds, med røret i den ene ende, og afstemningen i den anden. På den måde kan kredstabene holdes nede, hvilket er nødvendigt med det meget høje belastede Q, ca. 150, der her kan påregnes i en sådan kreds.

På VHF, har der været forskellige beskrivelser, bl.a. i UKW Berichte (1), hvor der er anvendt en ½ bølgelængde kreds, med røret placeret i spændingsmaksimum, og enderne af kredsen jordet.

På den måde kan kredsens Q, og dermed kredstabene holdes nede, men en sådan kreds er ikke særlig spændende at skulle koble til.

I The Eastcost Handbook (2) er der også en beskrivelse af et high power PA til 144 MHz, der anvender ½ bølgelængde anodekreds, og en senere beskrivelse i CQ (3) er temaet taget op igen, og heri er også inkluderet en forklaring på anodekredsens Q.

Her er valgt at anvende en 1/4 bølgelængde kreds, og forsøge at holde kredstabene i skak, bl. a ved at anvende en overføringskondensator, der er lige så stor som kredsen selv, samt at vælge en konstruktion der giver en så lav kredsimpedans som muligt.

Selve kredsen er af 2 m.m aluminiumplade, der er skruet til stel i den ene ende, og støttet af et par teflon stand-off's i den anden ende. Selve kredsen er 341 m.m lang, 135 m.m bred og bukket således at den befinder sig 45 m.m over bundpladen i en længde på 235 m.m, hvilket burde give en kredsimpedans på ca. 75 Ohm.

Oven på anodekredsen ligger en dobbeltsidet printplade, der er isoleret fra anodekredsen med et stykke 0,5 m.m teflon (PFTE) plade.

Print- og teflonpladen danner overføringskondensator, fra anoden til anodekredsen, og der er således op til 3,5 KVolt over teflonpladen, plus den smule HF der forhåbentlig ikke står her.

De kontaktfjedre, der er anvendt til at gribe om anoden, er loddet ind i printpladen, på begge sider. Kontaktfjedrene er købt hos et firma i Berlin, og er ikke særlig kostbare. Grunden til at der er valgt en dobbeltsidet glasfiberprintplade er, at glasfiber er et materiale, der er meget termisk stabilt, og er en meget dårlig varmetransportør, hvorfor det er muligt at holde varmen fra røret væk fra anodekredsen.

Afstemningskondensatorene er igen af "flapper" typen, og den mekanik der bevæger dem er forsøgt holdt så enkel som mulig, blot en spindel, med en teflonspids.

Afstemningskondensatorene er placeret bag røret, altså modsat anodekredsen, for at få så højimpedanset påvirkning som muligt, og dermed den største virkning.

At det så også har et praktisk formål, nemlig at det er den korteste (nemmeste) vej til forpladen, er jo ikke noget minus.

Anodekondensatoren er bukket som et Z, for at få den skruet til stel på en fornuftig måde, udkoblingskondensatoren, er blot hævet op fra stel på et par glasfiberplader, og skruet fast med 3 m.m skruer der på den anden side er isoleret fra med isoleringsniplerne fra effekttransistorer (2N3055).

Antennebøsningen er en N connector.

Blæseren er som før antydet spændt på siden af anoderummet, hvorfor den originale skorsten ikke kan anvendes. Der er i stedet lavet en ny skorsten af 0,5 m.m teflonplade, der blot er rullet sammen og hæftet med en almindelig kontorhæftemaskine. Den nye skorsten går fra røret og ud til anoderummets låg. På låget er der skruet en flange, hvorpå skorstenen er befæstiget med en meget stor plastikbinder.

Grunden til at det er lavet på denne måde er, at det er muligt at skifte rør blot ved at fjerne gitteret over røret, det er med andre ord ikke nødvendigt at skille trinnet ad for denne operation.

Anodespændingen tilføres anoderummet gennem en 800 pF gennemføringskondensator, og mellem kondensatoren og anodekredsen er placeret en drossel, viklet af en 1/4 bølgelængde lang 1 m.m kobbertråd, ca 20 m.m i diameter.

Gitterkredsen.

Gitterkredsen var årsag til mange overvejelser, og en del kiggen hos andre konstruktører.

Mine erfaringer er, at der skal kunne kobles særdeles hårdt for, at kunne overføre styringen, og i særdeleshed når det er nødvendigt, at clampe gitteret for at opnå elektrisk stabilitet.

Derfor valgtes her at anvende en forkortet ½ bølgelængde kreds til selve gitteret, og en forkortet 1/4 bølgelængde kreds til indkoblingen.

Begge kredse er udført i 1 m.m messingplade, 25 m.m brede og en indbyrdes afstand mellem kredsene på ca. 4 m.m. Afstemningskondensatorene er hvad der tilfældigvis var i skuffen, ca. 40-50 pF, med en god pladeaffstand på gittersiden, idet der her er op til -120 Volt på når røret er blokeret.

Gitterkredsen er forbundet til den ene af de tre gitterkontakter fatningen er udstyret med, og til de to andre er forbundet en 1000 Ohm induktionsfri kulmodstand, i serie med en 1 nF høj Q Silver Mica kondensator til stel for at tage lidt af pusten af røret.

De 500 Ohm gitteret på den måde er clampet med, har yderligere den fordel, at styresenderen ser ind i en nogenlunde konstant belastning uafhængigt af udstyringsgraden.

Det har ikke været forsøgt at køre uden clamping, så det vides ikke om det vil gå. Der var i starten tre modstande, men på grund af trængsel i gitterkassen måtte den ene lade livet. Forstærkningen steg en smule da den ene blev fjernet, men ellers skete der ikke noget, så det er muligt at trinnet er så stabilt at det kan arbejde helt uden clamping.

Placeringen af komponenterne ses bedst af tegningerne.

Begge kondensatorer er ført ud til forpladen, hvilket ikke havde været nødvendigt, idet kredsene fint dækker 144-146 MHz, og at trinnet næppe kommer over 144.5 MHz mere.

Engangsafstemning havde været nok.

Glødespændingen tilføres røret gennem to gennemføringskondensatorer i gitterkassens væg, lige som styre- og skærmgitterspænding tilføres på denne måde.

Gitterkassen er totalt lukket, bortset fra en række huller, der tjener til køleluftudblæsning.

Selve fatningen er gjort fast i chassis med 10 aluminiumsvinkler, af en meget hård legering, og skruerne er spændt så hårdt som muligt, idet det må frygtes at dårlig kontakt her kan give anledning til ustabilitet. Den bedste måde at spænde fatningen fast på, ville være med en stålring.

Antennefilter og antenneomskiftning.

Et af de store problemer med PA trin er at slippe af med den uønskede udstråling. Det gamle trin havde indkasseret et par rapporter på den tredie harmoniske fra nærtboende radioamatører, det skulle også være slut nu, men hvordan?

Det store problem er, at skaffe kondensatorer der kan klare spændingen, og som er i besiddelse af et tilstrækkeligt højt Q.

Løsningen er ganske enkel, semi-rigid koaksialkabel, den type med fast kobberskærm. Den har ca. 85 pF pr. meter, og kondensatorene skal være ca. 18 pF, altså omkring 20 cm.kabel viklet op så enderne ligger parallelt, skærmene loddes sammen, og ditto for inderlederne og så er kondensatoren klar til indlodning, skærmene til stel, og inderlederne til punktet mellem spolerne.

Spolerne i filtret, L1,L2 og L3, er alle viklede af 1,5 m.m. lakisoleret kobbertråd, og med en indvendig diameter på 10 m.m. L1 og L3 er begge på to vindinger, og L3 er på 4 vindinger. Filteret justeres ved at space eller klemme spolerne, og det skal være muligt at få en afskæringsfrekvens, der ligger tæt ved 160 MHz, og aligevel holde en reflektionsdæmpning i filteret der er større end 25 dB på 146 MHz.

Det filter der er indbygget her, har 3 dB punkt ved ca. 160 MHz, og dæmper mere end 50 dB på 432 MHz, hvilket er fuldt tilstrækkeligt, taget i betragtning, at trinnet arbejder meget moderat, og dermed har en i forvejen stor dæmpning af de harmoniske.

Filteret er indbygget i en af de såkaldte "HF-dichte-Gehaüsse", og er således en enhed der er til at tage ud, hvis der en dag opstår en bedre ide.

Antenneskiftet er ganske ordinært, selve relæet er et Collins relæ, der stammer fra en gammel militærsender, men som til en afveksling udviser 50 Ohm, også på betydelig højere frekvenser.

Indgangsrelæet, er den type der en gang anvendtes af Storno, og som vist nok er fabrikeret af Industrial.

Direkte før output bøsningen er placeret et kombineret standbølge- og effektmeter, der således også kan anvendes af styresenderen alene.

Mekanisk opbygning.

Det er valgt at opbygge PA-trin og den dertil hørende strømforsyning i to separate kasser, idet den samlede vægt af konstruktionen vil gøre den fuldstændig uhåndterlig, hvis den blev indbygget i en kasse.

Den mekaniske opbygning af selve PA-trinnet er foretaget med 2 m.m aluminiumsplade, med undtagelse af forpladen, der er af 5 m.m alu. plade, hvor strømforsyningen er indbygget i en tilfældig surpluskasse, der oprinder fra EDB industrien for 10 år siden (men den er meget pæn!).

Selve PA enheden er indbygget i højre side af en 19" skuffe, hvor der i venstre sige er placeret en mellembund. Over mellembunden er blæseren, glødetransformeren og afkoblingslytterne placeret, under mellembunden befinder sig antenneskifte, antennefilter, reflektometer og instrumentshunte. Glødetransformeren er placeret i samme kasse som PA-trinnet, idet glødestrømmen andrager 10 Amp. og der er ingen grund til at indføre tab i form af ledninger ved sådanne strømme.

Instrumenterne er placeret direkte på forpladen, i dennes venstre side. Instrumenterne er af typen KB-75, hvortil der er fremstillet specielle skalaer, der passer til dette PA-trin.

Instrumenterne for Ig1, Ig2 og Ia, har fuldt udslag for 1 mA, hvor reflektometerets instrument har 100 uA for fuld skala.

19" skuffen er lukket med en top hvori der er lavet en udskæring til køleluftudblæsning, og en bund hvori der er indtag til køleluften.

Det at hele PA-trinnet inklusive blæseren er indbygget i kassen, nedsætter støjen fra kølingen væsentligt.

Strømforsyningen.

Strømforsyningen er forsøgt gjort så enkel som mulig, hvilket betyder at der ikke er så meget sikring som det oftest ses.

Der var godt nok lagt i støbeskeen til, at udføre skærmgitterstabiliseringen med en power MOS transistor, men da skuffen kunne bidrage med 27 Volt 5 Watt zeenerdioder ad libitum, blev det også bygget op efter de gamle recepter.

Altså en strømforsyning, der indkobler blæserne, styregitter- og skærmgitterforsyningen, og 24 Volts hjælpestrømforsyning, der indkobles via en timer på ca. 200 sekunder.

Når 24 Volts forsyningen kommer op efter 200 sek. starter højspændingen langsomt over en 50 Ohm modstand i primærsiden af transformeren. Når spændingen har nået ca. 1500 Volt trækker relæet, der kortslutter serimodstanden. Skulle der ske ulykker med højspændingen vil selvholdet falde, og 50 Ohm's modstanden vil brænde af.

Tastekredsløbet er bygget således at trinnet ikke kan tastes før alle spændinger er til stede, men der er som før nævnt ikke overvågning på om de enkelte spændinger er til stede i "fredstid".

Spændingsforsyningen til styregitteret er lige ud ad landevejen, den har sin egen transformer, ensretter og stabilisering, og den eneste specialitet, er den måde tastkredsløbet til BIAS fungerer på.

Skærmgitterspændingsforsyningen har også sin egen transformer, ensretter og stabilisering.

Da den transformer skuffen kunne bidrage med var for lille, blev ensretteren udført med spændingsdobling, men hvad søren, den skal kun kunne afgive ca.100 mA, så der skal ikke så meget til. Selve stabiliseringen består af 12 stk. 27 Volt 5 Watt zeenerdioder, monteret på en hjemmelavet loddeliste. Tværstrømmen i dioderne er valgt til 75 mA, det er hvad skærmgitteret kan klare at forbruge uden at tage skade, og forsøger det at trække mere bryder spændingen sammen.

Nu er skærmgitteret på 4CX1500B rørets mest sårbare elektrode, så derfor er der placeret en bleeder på 50 KOhm tæt ved fatningen, for at sikre at en strømforsyningsfejl ikke kan resultere i at skærmgitteret hænger i luften.

Spændingsforsyningen er også bygget på en sådan måde at negativ skærmgitterstrøm kan flygte til stel gennem stabiliseringen, idet zeenerdioderne leder negativt.

Så tæt på styre-, henholdsvis skærmgitter er der placeret en afkobling i form af en elektrolyt, med det formål at forhindre amplitudemodulation på gitrene. Størrelsen er ret ukritisk, her er anvendt 16 og 10 uF, hvilket var hvad skuffen kunne bidrage med.

Anodespændingen er taget fra en transformer der leverer ca 2400 VAC, hvilket med en brokoblet ensretter og en kondensator på 42 uF, bleeded med 100 KOhm giver en tomgangsspænding på 3400 VDC.

Belastet med 1000 mA synker spændingen til 2700 VDC, hvilket kan forekomme vel rigeligt, men med tanke på at det er 30 % mere end transformeren er beregnet på, og at den er forsynet fra 220 VAC fase og nul, er det vel ikke så slemt.

Brokoblingen er 4 stk. BBC UGE 1112 SL-E 3000/1300-2,5, der er opspændte mellem to kobberskinner, der tjener som kølefinner for dioderne. De anvendte dioder er blot et hus, hvori der er mange seriekoblede enkeltdioder, der lige så godt kunne være f.eks. 1N4007 eller lignende.

Ladekondensatoren på 42 uF 5000 Volt er af fabrikat MAXWELL (katalog nr. 30536), og er oprindeligt anvendt til et elektrochok apparat. Den er meget lille af fysiske dimensioner, 185x95x60 m.m og indeholder ingen P.C.B.'s.

Bleedermodstanden på 100 KOhm 100 Watts er dels for at belaste strømforsyningen, og dels for at aflade Ladekondensatoren inden for en rimelig tid. Det var den eneste komponent der virkelig var svær at skaffe, så det var en anden radioamatør's (OZ1DX) skuffe der måtte stå for skud denne gang.

Et soft start kredsløb er et must når der er tale om en kondensator af denne dimension, der skal lades op, så derfor er der indbygget et sådant. I serie med primæren er der placeret en 50 Ohm's modstand, over hvilken den første magnetisering af transformeren, og startopladningen af kondensatoren foregår. Når spændingen når ca. 1500 volt, bliver et relæ, der kortslutter de 50 Ohm trukket af en transistor, hvis basis er forsynet fra højspændingssiden, og dermed danner selvholdekredsløb for højspændingen.

Systemet har været anvendt i tidligere konstruktioner, og funktionerer meget sikkert.

Bemærk de to kondensatorer, der er placeret fra begge sider af sekundærviklingen og til stel. Disse kondensatorer tjener egentlig det formål at afkoble ensretterdioderne, idet de støjer så meget, at de er i stand til at anodemodulere PA-trinnet så meget, at det er hørbart i sidebåndene, i dette tilfælde lå der en støjbunke ca. 12 kHz på hver side af bærebølgen, ganske vist dæmpet 80 dB, men alligevel temmelig generende for de nærtboende medamatører.

De kondensatorer betegnes i ældre litteratur som modulationsblokke, hvilket ikke er uden en vis del realisme også i dag. De kan sågar være på sin plads i ganske små strømforsyninger.

Instrumenterne er som tidligere nævnt 1 mA for fuldt udslag, og skal derfor shuntes passende.

Anodestrømmen måles i returledningen, over en 1 Ohm modstand. Anodestrømsmeteret skulle derfor have 1500 Ohm i serie, da anodestrømsmeteret har fuldt udslag for 1,5 Amp.

Styre-, og skærmgitterstrømmen måles over en 100 Ohm's modstand, hvorfor styregitterinstrumentet, der er graderet til 10 mA har 1000 Ohm i serie, og skærmgitterinstrumentet der har fuldt udslag for 40 mA (-10-0-40) har 4000 (3900) Ohm i serie.

Over instrumenterne, er der lagt modsat rettede dioder, f.eks. 1N4004, for at beskytte instrumenterne i tilfælde af overslag.

Den 1 Ohm modstand over hvilken anodestrømmen måles, virker mere eller mindre tilsigtet som sikring, og når noget går galt på højspændingssiden, sidder der i regelen kun modstandens tilledninger tilbage, og hvis dioderne over anodestrømsinstrumentet ikke er der i dette tilfælde, så farvel instrument.

Fra skæmgitteret til stel, er der lagt en SIOV (Varistor) på 350 Volt, for at absorbere eventuelle overslag. Da der er tale om AC varistorer, kunne en lavere påtrykt spænding vælges, men tidligere erfaringer viser, at det er klogt at ligge noget højere.

OG SÅ, det evige omkvæd når det gælder store PA-trin og deres strømforsyninger:

HØJSPÆNDING ER EN DRÆBER, husk der for pokker.

Idrifttagning.

Første opstart var som altid med en del sved på panden, og det efterhånden klassiske brag udeblev heller ikke. Denne gang kom det fra overslag i anodekredsen, mellem printpladen og aluminiumpladen der udgør anodekredsen, nærmere betegnet ved et af de skruehuller der holder kredsen sammen. Der var ganske enkelt ikke fjernet kobber nok rundt om hullerne. Efter braget var det ikke nødvendigt at fjerne noget kobber ved det ene hul, kun en del kulstøv.

Resten af optuningen var aldeles problemløs, indgangskredsene lod sig afstemme til et VSWR ind i trinnet på 1, og udgangen, lod sig let afstemme til maksimum output.

Retfærdighedsvis skal nævnes, at kredsene var checket med et polyskop under opbygningen, og det viste, at kredsene havde en god margen til begge sider.

Hvad blev så resultatet?

Et udgangstrin, der som ønsket , arbejder langt fra sin øvre grænse, og som leverer et signal, der ikke er ringere end det der kommer fra en rimelig god styresender.

Måledata?

I en dummyload ser målingerne således ud:

Anodespænding tomgang : 3400 Volt

Anodespænding belastet : 2700 Volt

Anodestrøm tomgang : 250 mA

Anodestrøm belastet : 700 mA

Skærmgitterstrøm : -20 mA

Styregitterstrøm : 0 mA

Styreefekt (styresender) : 25 Watt

Udgangseffekt : 1200 Watt

Virkningsgrad : 63 %

Forstærkning : 17 dB

Til daglig brug er der altså rigeligt højt til loftet. En styresender der er i stand til at afgive 10 Watt er passende til at udstyre forstærkeren til 500 Watts udgangseffekt. Desuden er der også grænser for hvor meget effekt det er muligt at tilføre de fleste købeantenner, uden at lave om i deres balun system, eller at forbinde flere antenner parallelt.

Det er altså ikke gjort med at fremstille et stort PA-trin, resten skal også følge med.

Eller sagt på en anden måde: Dem der i forvejen har gjort alt hvad der var muligt ved antenner og fødesystemer, er dem der bygger et sådant forstærkertrin.

Der er meget mere at hente til f.eks. EME, hvis det skulle være muligt at få TI blå stempel til at udføre sådanne forsøg med større effekt end de 500 Watt licensbestemmelserne åbner mulighed for.

 

 

Litteraturhenvisning:

(1) Carsten Vieland DJ4GC

UKW-Endstufe mit der Roehre 4CX1000A

UKW Berichte 3/1985

(2) William I Orr

Radio Handbook 20' udgave

(3) H. C. Barber, W. I. Orr, R. Rinaudo and R. Sutherland

Modern Circuit Design for VHF Transmitters

2 KW PEP on 144 mc.

CQ magazine nov. / dec. 1965.

Steen Gruby OZ9ZI

Home Up 432 MHz PA 144 MHz PA Antennestackning Temahæfte PA trin Wire Antenner