AMPLIFICATEUR LINEAIRE DECAMETRIQUE 400W

Il s’agit de la construction d’un amplificateur décamétrique réalisé largement à partir de modules existants.
Le design a été largement inspiré par différents articles du net, particulièrement celui de F6GKY que je remercie pour ses avis éclairés ainsi que les réalisations de EA1KO.
La description passe en détail les sous-ensembles suivants :

– le module amplificateur
– Radiateur
– Les filtres passe-bas de sortie
– Alimentation
– L’atténuateur d’entrée
– Gestion de l’amplificateur basée sur un Arduino MEGA PRO
– Protection ROS
– Intégration

LE MODULE AMPLIFICATEUR :

L’amplificateur proprement dit est un module existant du type 300W eb104.ru. Seul le circuit imprimé a été approvisionné, les 2 transistors VRF2933 ont été acquis séparément sur le net.
Les VRF2933 sont particulièrement robustes comparés aux MRF150 que j’ai également utilisés par le passé mais avec bien des claquages..!

LE RADIATEUR :

Les transistors sont fixés sur une plaque de cuivre de 170x100x10mm via des trous taraudés de 3mm. Cette plaque est elle-même fixée par 8 vis de 5mm à un radiateur à ailettes de dimensions 200x100x45.
A l’arrière de ce radiateur sont fixés par tiges filetées, 2 ventilateurs de 90×90 en version 12V.
Le capteur de température LM35DT (TO220) est fixé en partie inférieur au niveau des transistors.
L’ensemble est imposant et prend une large part dans la masse de l’ensemble.
Les connexions de ce modules vers la gestion sont les suivantes :
– Alimentation +50V 20A
– Polarisation VRF2933
– Capteur de température
– Consigne de ventilation
– Masse

La face arrière dispose de 2 prises coaxiales BNC pour l’entrée et la sortie HF ainsi qu’un connecteur CINCH/RCA pour la commande de l’amplificateur par le transceiver.

LES FILTRES PASSE-BAS :

La carte filtre d’origine commerciale comme le PA, intègre 7 filtres passe-bas couvrant les bandes 1.8 à 50MHz. La sélection de chaque bande est réalisé par relais 12V. Un ULN2308 placé sur la carte gestion assure la sélection depuis deux poussoirs disposés en face avant de l’amplificateur.

L’ALIMENTATION :

L’alimentation délivre 50V sous 20A et est composée de deux modules 0-50V/10A couplé par une double diode de puissance. L’équilibrage des tensions issues de chaque alimentation est nécessaire afin de répartir les courant de façon égale.
Un module 220/12V assure l’alimentation des autres modules.
Les deux alimentations sont reliées entre elles par des morceaux de circuits imprimés supportant les modules gestion, sécurité et atténuateur.

ATTENUATEUR D’ENTREE :

Initialement cet atténuateur de 11dB a été mis en place en supposant que la puissance de sortie du transceiver soit de 100W en permanence. Cette option permet de protéger l’amplificateur contre une surcharge en entrée.
Ce choix entraine malgré tout un inconvénient majeur, celui de l’échauffement important de l’atténuateur puisque ce dernier devra dissiper près de 90W….!
En effet, seulement 8W sont nécessaires pour exciter l’amplificateur à plein puissance. En réalité, seuls environ 3W sont réellement nécessaires, l’ampli disposant en entre d’un atténuateur de 4dB.
Compte tenu de cette perte importante, il a été décidé de tester la puissance d’entrée dès la mise en marche de l’amplificateur afin de déterminer si cette puissance n’est pas trop importante au risque de claquer les transistors MOSFET.
Pour ce faire, on prélève via un tore T37-2 inséré sur la ligne coaxiale d’entrée une fraction du signal. Ce signal est d’une part détecté afin de renseigner le niveau va une des entrées analogique de l’Arduino et appliqué d’autre part à un diviseur par 4 pour mesure de fréquence par Arduino également. La division par 4 étant nécessaire pour pallier la faible fréquence du MEGA en mode fréquencemètre (8MHz maxi environ). L’ensemble tient dans un boitier métal de 56X45mm.
Ce test est réalisé avec l’atténuateur en fonction; si la puissance mesurée est compatible (une dizaine de watts), l’atténuateur est alors mis hors circuit par deux relais.
Cette manière d’opérer permet d’optimiser la puissance issue du transceiver (10W) tout en réduisant au minimum la dissipation.
Si la puissance est égale ou supérieure à 15W, le test est négatif et nécessite un Arrêt/Marche de l’ampli dans l’attente d’un signal de niveau compatible.
Au même moment, la mesure de la fréquence du signal en provenance du transceiver est réalisée et permet la sélection du filtre passe-bas de sortie correspondant.
Une fois en marche, le changement de bande n’est possible qu’à partir des boutons poussoirs disposés en face avant.

GESTION :

La gestion de l’amplificateur utilise un Arduino MEGA PRO choisi pour sa taille et son grand nombre d’entrées/sortie. Les premiers développement ont été faits sur un NANO mais le MEGA procure davantage de souplesse.
Un afficheur LCD de 4 lignes et 20 caractères permet la visualisation des différents messages et paramètres.

Les paramètres acquis se limitent au strict minimum à savoir :
– la température du radiateur via un LM35DT TO220 vissé sur le cuivre du radiateur
– l’alarme ROS
– la puissance directe
– la puissance réfléchie
– la fréquence du signal reçu (à l’initialisation).

Les commandes et alarmes :
Les deux poussoirs en face avant permettent l’incrémentation / décrémentation des 7 bandes
4 LED en face avant indiquent les étts suivants :
– STBY / READY : Le mode par défaut est STBY pour lequel l’amplificateur n’est pas dans la ligne d’émission.
Un switch en face avant permet le passage en mode READY si les conditions le permettent , c’est à dire pas d’alarme température ou TOS.
– ON AIR : cette LED signale le passage en émission de l’amplificateur
– TEMP : Alarme température qui inhibe le passage en émission jusqu’à refroidissement
– TOS : Alarme ROS protégeant l’amplificateur par coupure du 50V
– TEMP+ROS : Puissance d’entrée trop élevée. Nécessite l’Arret/Marche de l’amplificateur.
– La ventilation : la vitesse des ventilateurs est définie par pallier en fonction de la température du radiateur

L’afficheur LCD permet la visualisation des paramètres suivants :
– Bande séléctionnée
– Température
– Puissance directe
– Puissance réfléchie
– ROS

MESURE DES PUISSANCES DIRECTES ET REFLECHIES :

A priori rien de bien compliqué mais la réponse des détecteurs étant loin d’être linéaire, il a fallut trouver une astuce de calibration afin que les divisions du bargraph du LCD représentent une incrémentation égales.
En limitant l’échelle à 500W, le milieu de celle-ci se situe à 250W ce qui est impossible sans linéarisation de l’affichage.
Cette linéarisation a été réalisée en traçant la courbe tension/puissance sur une feuille Excel, puis à l’aide de la courbe de tendance on trouve une équation qui colle au plus près à la courbe d’origine. Il suffit alors de rentrer cette équation dans le module de calcul de l’affichage.

PROTECTION TOS :

Une protection gérée par le matériel a été préférée à une gestion logicielle plus lente.
Malgré la robustesse des VFR2933,la prudence a été considérée comme nécessaire. Pour ce faire, on active un comparateur si la différence entre puissance directe et puissance réfléchie est non satisfaisante, c’est à dire si la présence d’ondes stationnaires est détectée. Ce comparateur permet la coupure de l’alimentation 50V de l’amplificateur via un circuit mis en série dans la ligne d’alimentation 50V.
Un Arrêt/Marche est nécessaire pour réamorcer l’alimentation.