GESTION D’UN AMPLIFICATEUR LINEAIRE LDMOS

Cet article est pour l’heure une description sommaire d’un système de gestion et de protection pour un amplificateur linéaire à transistors.
La nécessité d’une protection de l’étage de sortie des transistors peut être mise en doute à la vision de nombreuses vidéos montrant l’indestructibilité des transistors lors d’un court-circuit avec force arcs électriques…!
Si la plupart des LDMOS support des valeurs élevées de ROS, ces valeurs sont le plus souvent indiquées pour un régime en impulsions..
Pour avoir « cramé » pas mal de bipolaires et de MOS, je reste convaincu qu’une protection contre un ROS élevé est nécessaire. J’irai même plus loin en optant pour un système de protection ultra rapide laissant de côté tous les systèmes logiciels au profit d’un circuit hardware.
Le second paramètre pouvant limiter voir détruire un transistor, est la température. Sur cet aspect, il est aisé de la mesurer et d’agir en fonction de seuil définis, on pourra même en profiter pour gérer la vitesse des ventilateurs.
Le troisième paramètre pouvant entraîner la destruction des transistors est la surpuissance d’entrée. Les transistors récents offrent des gains très importants et quelques watts suffisent à obtenir la puissance de sortie nominale. Appliquer 100W à l’entrée d’un tel ampli est le plus souvent fatal.
Si le transceiver en entrée peut sortir une centaine de watts, seule l’attention et la rigueur de l’opérateur pourront éviter une catastrophe…!
Pour les étourdis, il pourra être judicieux d’adjoindre un module de protection en surpuissance à l’entrée de l’amplificateur.

1. PROTECTION ROS :

1.1. Laquelle ?

Comme mentionné précédemment, j’ai laissé de côté les protections logicielles (assez lente) au profit d’une protection matériel (assez rapide) sans être convaincu de mon choix. Bien peu d’informations circulent quant à la tenue des LDMOS avec des charges désadaptées dans les modes amateurs et multibandes. Quoiqu’il en soit, il est possible qu’une protection logicielle suffise mais sa validation sera peut-être couteuse à valider..

1.2. Protection matérielle :

Deux systèmes de protection se rencontrent fréquemment : le blocage des LDMOS et la coupure de leur alimentation. Il est possible pour les plus précautionneux de combiner les deux. Pour ma part, j’ai opté pour la coupure de l’alimentation et de la polarisation. Cette dernière ne vaut pas un blocage qui requiert une tension négative sur les gate mais annule le courant de repos, ce qui n’est déjà pas si mal au cas où les transistors resteraient alimentés.

1.2.1. Circuits :

Il s’agit de comparer en permanence pendant l’émission les puissances directes et réfléchies issues et reçus par les transistors. Pour ce faire, un pont de mesure est inséré dans la ligne de transmission. Plusieurs types de ponts existent, notre choix s’est porté sur le « tandem match ». Il est facile à réaliser et peut être également approvisionné sur le net.
Pour une puissance de 500W, la tension délivrée en directe dépend du rapport de transformation et de l’éventuel atténuateur disposé en sortie. Une tension de l’ordre d’une dizaine de volts est assez habituelle. On en tiendra compte pour les mesure de puissance vers un microcontrôleur par exemple.

Le pont délivre donc deux tensions qui vont être appliquées à un comparateur (LM311) dont le seuil de déclenchement est fixé par un potentiomètre sur l’entrée « Puissance directe » ; ce seuil sera réglé pour la valeur de ROS qui déclenchera la protection. Une valeur de 2 est « généralement considérée » satisfaisante. Pourquoi pas 1.5 ou 3 ?
Un des intérêts de ce circuit est que le déclenchement est indépendant de la puissance de sortie ; malgré tout on peut supposer qu’à faible puissance, une désadaptation sévère puisse être mieux tolérée qu’à forte puissance.
Ce dernier point peut parfois être essentiel : si l’amplificateur active sa protection à faible puissance, il pourra s’avérer difficile, voire impossible de régler une boite de couplage automatique qui, au moment de sa recherche d’accord ne va pas présenter une charge de 50 ohms et fera déclencher la protection…Dans les transceivers commerciaux, la protection par l’ALC démarre souvent autour de 10W, ce qui laisse assez de marge pour accorder le coupleur.
Si le transceiver est du type QRP (5W par exemple) et que le coupleur requiert une dizaine de watts pour s’accorder, la mise en service de l’amplificateur ne résoudra pas le problème.

La sortie du comparateur suit le niveau des puissances reçues et doit donc être mémorisée dès le premier déclenchement. Pour ce faire différents circuits existent, ici un thyristor a été choisi pour figer l’état. Le thyristor active alors le circuit de coupure de l’alimentation via un ou deux MOSFET canal P de faible résistance interne (65mohms).
Le réarmement du thyristor impose une coupure de son alimentation ce qui entraîne la mise OFF de l’amplificateur. Pour contourner cette contrainte, un circuit de remise à zéro de l’alarme a été ajouté.

Le schéma se présente ainsi :

1.2.2. Variantes :

Il est possible de remplacer les MOSFET par des commutateurs de puissance tel que le BTS50085 que l’on trouve dans les réalisations commerciales russes et grecques. Ils existe de nombreux « fakes » pour ce circuit et une source sérieuse est fortement recommandée.
Il est également possible de rajouter d’autres signaux de déclenchement tels que la surpuissance de sortie ou encore le courant drain des LDMOS. Je ne les ai pas personnellement retenus.

2. Protection température :

L’utilisation d’un capteur tel que le LM35DT (boîtier TO220) est tentante car il est facile à fixer sur le radiateur et il délivre une tension proportionnelle à la température à raison de 10mV/°C. Si on se fixe une limite à 70°C, la tension maximale sera de 700mV ce qui est peu au regard d’une entrée analogique d’un microcontrôleur. C’est peut-être une des raisons qui ne m’a jamais permis d’obtenir de bons résultats avec ce capteur. Son immersion dans un bain de HF n’est pas sans conséquence sur sa tension de sortie, ceci malgré les précautions décrites dans sa spécification. Une mesure par simple thermistance est désormais utilisée dans toutes mes réalisations au prix d’une courbe de transfert à entrer dans la partie logicielle du calcul des puissances. Cette thermistance est collée sur la plaque de cuivre près des LDMOS, voire sur un des LDMOS.
La température acquise permet la gestion de l’alarme température qui déclenche à 60° et qui entraîne l’inhibition du passage en émission de l’amplificateur.
Au préalable, 3 paliers de température sont pris en compte pour activer la ventilation. La vitesse des ventilateurs est gérée par le microcontrôleur.

3. Séquencement :

Il est préférable qu’une charge (résistive ou une antenne) soit connectée à la sortie de l’amplificateur avant qu’il ne reçoive la puissance du driver. Pour ce faire, le ou les relais émission / réception sont positionnés avant d’appliquer la polarisation à l’amplificateur.

4. Mesure de puissance :

Les tensions issues du pont de mesure sont appliqué à deux amplificateurs / buffer rail to rail alimentés en +5V qui permettent l’isolation du pont avec le microcontrôleur et la limitation des tensions appliquées à 5V maximum.

5. Le microcontrôleur :

Un Arduino Nano a été choisi compte tenu du nombre d’entrées / sorties nécessaires.
L’affichage est confié à un TFT Nextion 5″ tactile qui offre les différentes commandes nécessaires à l’opérateur :

– sélection de la bande
– mise en ligne / hors ligne de l’amplificateur
– RAZ alarme ROS
– luminosité affichage.

Les paramètres affichés sont les suivants :

– Puissance directe (bargraph 0-650W)
– Puissance réfléchie (bargraph 0-50W)
– Température (bargraph)
– Mode : STBY / READY
– Mode IN-LINE / OFF-LINE
– Alarmes

Le schéma de la carte et sa réalisation :