jeudi 1 décembre 2016

AMPLIFICATEUR RF A MOSFET


L’UTILISATION DES TRANSISTORS MOSFET GRAND PUBLIC  EN  AMPLIFICATION RF DE PUISSANCE

Par F1IEY – 11/2016

 Autrefois, il fallait faire appel à des transistors spécifiques et coûteux dès qu’on voulait construire un amplificateur RF dépassant quelques Watts.

Aujourd’hui, grâce à l’évolution de l’informatique et surtout des alimentations à découpage, on trouve des transistors MOSFET pour un prix inférieur à 1 Euros / pièce. Ils permettent d’atteindre une puissance de quelques dizaines de Watts sur les bandes décamétriques, certains modèles à peine plus chers peuvent donner plusieurs centaines de Watts.

Beaucoup d’Oms ont expérimenté avec ce type de transistor et les publications ne se comptent plus sur internet, ce type de composant est devenu «incontournable» chez les Radioamateurs.

 L’objectif de cette présentation est :

1 –De comprendre leurs avantages et leurs inconvénients.

2 – D’expliquer leur fonctionnement et leurs limites en RF.

3 –De faire quelques essais et mesures sur un prototype.

 Représentation schématique d’un MOSFET (canal – N) :












G= Grille, S= Source, D= Drain



Il existe aussi une version canal-P mais elle est rarement utilisée.
Le MOSFET est un transistor à effet de champ à grille isolée.
MOSFET est un acronyme anglais de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, il se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur).
On peut faire la parallèle entre le Mosfet canal-N et le transistor bipolaire NPN et entre le Mosfet canal-P et le transistor bipolaire PNP.
AVANTAGE :
-        Impédance d’entrée très élevée. Contrairement à un transistor bipolaire, le MOSFET n’a pas besoin de courant de commande il se commande en tension. Le circuit de polarisation devient très simple.
-        Le prix, moins de 1 Euros pour les modèles courants (IRF510, IRF530, IRFZ24N.. etc). L’expérimentation amateur est bon marché.
-        Rdson très faible permettant de commuter des courants importants.
INCONVENIENT :
-        Les capacités internes élevées influent sur le temps de commutation. La capacité d’entrée est élevée (entre Grille et Source) ce qui diminue le gain aux fréquences hautes.

-        Le risque d’emballement thermique, il faut surdimensionner le dissipateur ou prévoir une ventilation (ou les deux).
                 
Deux configurations d’amplificateur: 
- Single stage
- Push-Pull

   Amplificateur à un seul transistor :
Schéma électronique




Le transistor amplificateur est un IRF530 monté sur radiateur.
Le schéma est très classique.
Le potentiomètre de 10K règle la tension de polarisation de grille et donc le point de fonctionnement du transistor. La tension de départ doit être régulée par un régulateur intégré ou une diode Zener pour stabiliser le point de fonctionnement.

TR1 et TR2 sont des transformateurs à large bande, l’ampli pourrait travailler de 1 à 30 MHZ mais le filtre passe – bas en sortie est prévu pour couper au dessus de 8 MHZ.
En classe « C » sous 13,8V et avec 0.5Watts d’excitation à l’entrée de TR1 on dépasse les 10Watts en sortie.


                                          Exemple de réalisation


                                         Le petit boîtier à droite est un ROS mètre à tores

                                         ROS mètre à tores



Conclusion de ce montage:

😃     Montage très simple à construire et à régler.

😞 Si on veut augmenter la puissance de sortie il faut augmenter la tension d’alimentation (dans les limites du transistor bien entendu) ce qui oblige d’avoir une alimentation séparée avec une tension spécifique.

😞 L’harmonique 2 est très présente dans le signal de sortie, le montage doit être suivi d’un filtre passe-bas efficace.


   Amplificateur Push-Pull :

Schéma électronique



Le schéma est inspiré de l'amplificateur STRONG V1 de F6BCU .
 Un atténuateur est placé à l’entrée, il devra être calculé pour faire chuter la puissance de l’émetteur à 1 Watt environ, ce qui est largement suffisant pour exciter un push pull d’IRFZ24N et sortir une cinquantaine de Watts sur 40m, dans ces condition l’amplification est bien linéaire.
 L’atténuateur permet aussi de stabiliser l’impédance d’entrée sur une large bande de fréquence.


Les transfos (TR1 et TR2):

TR1 est un transfo large bande bobiné sur un tore ferrite FT 50-43, le rapport est de 1/1, son rôle est de fournir 2 signaux déphasés de 180° pour alimenter les transistors. Quand un transistor conduit l’autre est bloqué et inversement… 
Les drains des 2 transistors sont reliés à TR2 qui a pour rôle de recomposer le signal. C’est aussi un transfo large bande mais il est différent de TR1 car il doit encaisser la puissance de sortie et travailler avec une impédance très faible.
 L’impédance au primaire est environ égale à 2x (U²/PW)
Pour un PA de 50 Watts alimenté sous 13,8V on a environ
 2x (13,8²/50)=  7,6 Ohms

TR2 devrait en théorie élever l’impédance par 6,6 pour trouver nos 50 Ohms habituels en sortie mais dans la pratique on aura affaire à un compromis car le tube de cuivre qui constitue le primaire vaut une spire, les rapports de transformation seront alors de 4, 9, 16… il faudra choisir le plus proche et faire des essais.

 Le circuit de polarisation:
Il suffit simplement de fixer une tension sur la grille qui va provoquer une entrée en conduction du transistor MOSFET et un courant de drain qu’on appelle « courant de repos ».
Le réglage se fait avec un Ampèremètre placé en série dans l’alimentation de l’ampli et se limite à tourner le potentiomètre de 10K pour créer un courant de repos d’environ 100mA par transistor.
Pour rappel, la grille est à haute impédance, elle ne consomme pas de courant, un simple potentiomètre alimenté par une Zener ou un petit régulateur intégré est donc suffisant.  Il vaut mieux prévoir un réglage indépendant pour chaque transistor.

Quelques photos d’un prototype en construction:



On voit la fabrication du transfo de sortie.



Il a autant de mécanique que d’électronique. Attention aux taraudages dans l’aluminium !





Montage terminé, on voit bien les relais qui servent à commuter les filtres  « passe-bas » en fonction des bandes.

Conclusion de ce montage:

😃     Les harmoniques paires sont supprimées, le spectre de  sortie est plus propre.

😄 La puissance de sortie est importante même sous 13,8V.

😞     Plus compliqué à construire et plus coûteux.

Comment protéger un amplificateur à MOSFET contre ROS et température élevés:

Le principe :
On mesure le ROS et la température.
- Si le ROS dépasse 3 on bloque les transistors pour les protéger.
- Lorsque la température du radiateur atteint 40°c on met le ventilateur en marche.


La mesure du ROS:
Le ROS est mesuré avec un réflectomètre, il peut être fabriqué ou récupérer sur un ancien rosmètre. Plusieurs schémas sont possibles ici c’est un pont de Bruene, il fonctionne très bien jusqu’à 30 MHZ.




Il est construit dans un petit boîtier en fer blanc de récupération.  




La Protection thermique:

La température est surveillée par une NTC placée en contact avec le radiateur des transistors. Elle est reliée à l’entrée « + » d’un comparateur à ampli OP (IC1 4/4). Le réglage du seuil se fait avec le potentiomètre de 10K. La valeur noté « R » est égale à celle de la NTC. Dès que la valeur de consigne est atteinte la sortie du comparateur bascule à « 1 », le ventilateur est alors alimenté via le transistor IRF530. Un hystérésis est prévu (résistance de 1M entre les pattes 12 et 14 de IC1 4/4).

 Protection ROS élevé:
L'ampli op IC1 2/4 est câblé en suiveur de tension (G=1).
La tension REF en sortie du réflectomètre est comparée à une valeur de consigne réglable par un potentiomètre de 10K (patte 2 de IC1 4/4). Dès que la valeur de consigne est atteinte la sortie du comparateur bascule à « 1 » et le transistor 2N2222 commande un relais qui coupe la tension de polarisation de l’amplificateur, la puissance de sortie tombe à zéro. Le contact de ce relais est simplement inséré entre le +13V8 et l'entrée du régulateur 78L05 qui alimente le circuit de polarisation. 

Lorsque le défaut a disparu  il suffit de réarmer la protection en appuyant sur le bouton reset.
Quelques photos du modèle équipé des protections:







 73s – Jean-Luc – F1IEY









jeudi 6 octobre 2016

Goniométrie - TDOA (Time Difference Of Arrival)

- LA CHASSE AU RENARD (amateur)
Par F1IEY - Jean-Luc






Il s’agit de trouver un émetteur caché dans la nature (le renard), il émet généralement en CW dans une bande radioamateur avec quelques centaines de mW .

Les systèmes les plus souvent utilisés sont :

1 -Un récepteur muni d’une antenne directive et d’un atténuateur.

2 -Un système TDOA (Time Difference Of Arrival).

3 -Un système HOMING (qui fonctionne en AM).

C’est le système TDOA qui va être expliqué car il est très simple à construire et fonctionne avec un simple récepteur FM.

Exemple de réalisation amateur

F1IEY



F1IEY

Le système se compose d’un circuit électronique qui commute alternativement deux antennes à une cadence d’environ 1000 HZ (non critique). Les signaux recueillis par les antennes sont dirigés sur l’entrée antenne d’un récepteur FM.

Le boîtier devra être blindé.

Les antennes sont des simples dipôles ½ ondes, leur espacement sera d’environ ¼ d’onde.


COMMENT CA FONCTIONNE ?

Schéma électronique



Le schéma comporte 2 sous ensembles :

1) Le générateur d’impulsions :





Le NE555 produit les signaux carrés Ue. La fréquence est fixée par les deux résistances 4K7, 82K et le condensateur de 10n.

Les signaux carrés sont transformés en impulsions alternativesUs par un circuit dérivateur formé par le condensateur de 10µF et la résistance « R ». Dans la réalité cette résistance est celle placé dans le circuit d’antenne (680 Ohms).


2) Le commutateur à diodes avec ses 2 antennes :
Il est alimenté par les impulsions alternatives Us


Sur l’impulsion positive la diode de gauche entre en conduction, les signaux de l’antenne N°1 arrivent au récepteur, la diode de droite est bloquée.



Sur l’impulsion négative la diode de droite entre en conduction, les signaux de l’antenne N°2 arrivent au récepteur, la diode de gauche est bloquée.

Les deux antennes sont donc commutées alternativement à environ 1000 HZ.

Lorsque les deux antennes sont placées perpendiculairement à la source d’émission, l’onde arrive avec la même phase sur chacune d’entre elles.
Conséquence : Le récepteur ne verra pas la différence au passage d’une antenne à l’autre, l’onde sera reçue sans altération, exactement comme si on avait une seule antenne sur le récepteur.


Lorsque les deux antennes ne sont pas placées perpendiculairement à la source d’émission, l’onde n’arrive pas avec la même phase sur chacune d’entre elles. Une antenne recevra le signal avant l’autre.
Conséquence : Le récepteur verra un signal modulé en phase à 1000 HZ (la phase change à chaque fois qu’on passe d’une antenne à l’autre).

L’onde reçue sera « entachée » d’un signal BF à 1000HZ.

Pour rappel : le démodulateur d’un récepteur FM démodule parfaitement la modulation de phase, il ne fait pas la différence.

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L’utilisation
Faite tourner les antennes jusqu’à trouver l’annulation du signal à 1000HZ, la balise se trouve alors dans une direction perpendiculaire aux antennes.


Avantage et inconvénient

J pas besoin d’atténuateur, on travaille par annulation de signal, c’est très précis. Peu importe la puissance de l’émetteur.

J Le CAG du récepteur ne nous gêne pas.

L Dans cette version simplifiée il n’y a pas de levée de doute, il faut faire plusieurs mesures pour être certain d’être dans la bonne direction. On peut y remédier en ajoutant un peu d’électronique et un galvanomètre à zéro central (méthode WB2HOL), ça fera l’objet d’une prochaine présentation…

Pour ceux qui veulent en savoir plus, allez faire un tour sur le site de WB2HOL :

http://theleggios.net/wb2hol/projects/rdf/tdoa1.htm

Prototype fait par F1IEY

73s – Jean-Luc – F1IEY

lundi 9 mai 2016

Réalisation d'un circuit imprimé - Méthode PNP BLUE


LE LOGICIEL SPRINT LAYOUT 6.0
 


Le routage du circuit imprimé de ce TRX a été fait avec SPRINT LAYOUT 6.0.

 Vue du routage terminé.




Vue de la fenêtre d’impression. 

Fabrication d’un circuit imprimé avec du PNP BLUE
Le PNP BLUE est une feuille bleue qui permet d’imprimer un tracé pour le transférer ensuite sur la partie cuivrée d’un circuit imprimé à l’aide d’un fer à repasser. On le trouve chez GO TRONIC (publicité gratuite).
Elle a un côté lisse et un autre rugueux, on imprime du côté rugueux avec une imprimante LASER.

On plaque ensuite la face imprimée contre le cuivre et on chauffe avec un fer à repasser, la température idéale est à expérimenter et se situe vers « coton ». Trop chaud, le tracé va baver, trop froid il y aura des zones mal transférées.

Attention ! Ne prenez pas le dernier fer à repasser que madame à reçu à Noël, je décline toute responsabilité J

Voici les choses qu’il faudra respecter :


L’impression se fera avec une imprimante ou un copieur LASER.
Le cuivre sera nettoyé avec de la laine d’acier très fine avant le transfert, il doit être brillant et bien sec.
Passez le fer chaud pendant environ 3mn sans appuyer, on voit rapidement le résultat car le tracé devient noir.
Bien laisser refroidir ou refroidir sous l'eau froide du robinet et enlever en partant d’un angle.

 Il y a souvent des petits défauts dans le genre : bulles dans un plan de masse… je voulais dire plan zéro J,  il peut aussi manquer un petit morceau de tracé, les corrections sont très faciles à faire avec un petit feutre indélébile et un cutter.
Voyons cela en image



 Imprimer  le dessin du circuit sur une feuille de format A4
  
Découper un morceau de PNP BLUE et fixez-le sur le dessin avec du scotch. Le dessin sert uniquement de repère pour centrer le PNP BLUE.
 
Imprimer sur la face rugueuse du PNP BLUE avec une imprimante laser.




Préparer une plaque d’époxy cuivrée à la dimension du circuit.
 

Nettoyer le cuivre avec de la laine d’acier fine, ça doit briller.
Bien sécher le cuivre avant de transférer le circuit


Placer le côté imprimé contre le cuivre et transférer avec un fer à repasser réglé sur coton, au début il faudra peut être faire quelques essais pour trouver la température idéale.




Le dessin est transféré, il apparaît en noir.




Retirer le film PNP BLUE lentement en partant d’un angle
 Il y a souvent des petites imperfections, elles se corrigent très bien avec un feutre indélébile, parfois il faut gratter un petit défaut avec une lame de cutter. 



On sort la bonne vieille machine à perchlo du placard….


Une fois le circuit gravé, il suffit de gratter avec de la laine d’acier fine pour décaper parfaitement le cuivre.


 Il ne reste plus qu’à percer les trous pour les fils des composants.
Une bonne astuce : on peut étamer le cuivre avec un bain d’étain chimique du commerce, ça protège le cuivre et facilite la soudure.







73s et bonne réalisation



Jean-Luc  -  F1IEY