martes, 8 de octubre de 2013

DRIVER RF BANDA ANCHA

Octubre 2013

Como consecuencia de haber utilizado Mosfets IXYS en RF, encontré en el sitio web de dicha marca, unos Drivers para Mosfets e IGBTs que me llamaron la atención. Un tiempo atrás, intenté utilizar unos drivers IR2110 en RF sin éxito, o al menos sin poder hacerlos trabajar ni siquiera a 3MHz (apenas si llegó a  1Mhz). 

Obviamente que la ventaja de utilizar estos dispositivos, como lo dice el título, al ser NO sintonizados, nos facilita el ajuste del circuito adaptador de entrada, y ahora el ancho de banda de la etapa armada, estará determinado exclusivamente por la red de salida de RF, y no por ambas. Además, pueden excitar 2 o más Mosfets en paralelo, y al tener una entrada de alta impedancia, la entrada de RF puede provenir de un generador que asegure una señal de más de 5V de pico, como por ejemplo un generador DDS con unas compuertas buffer inversoras/no-inversoras usados en muchos circuitos (CD4049). Sólo es necesario una fuente de alimentación de alrededor de 10V a 1A aproximadamente para alimentar el excitador.

En la sección de drivers Low Side (excitadores de dispositivos referenciados a tierra, es decir no flotantes), IXYS posee una serie de posibilidades, dependiendo de la corriente de salida necesaria o de si se requiere simples o dobles excitadores.

En una compra "realizada con urgencia" a la empresa distribuidora Digi-Key, me incliné por los modelos IXD-609 y 614, de 9 y 14A de corriente pico respectivamente, por el hecho de que son los únicos con encapsulado TO-220 aptos para colocar sobre disipador. La corriente que pueden entregar es por mucho, mayor a la que consumirá una compuerta de 3 a 5nF.

VALORES MÁXIMOS:

 

CARACTERÍSTICAS:



Resalté las características de conmutación por el sencillo hecho de que la suma (Tr + Ton) y (Tf + Toff)  está en el orden de los 70ns (igual a medio período de una señal de alrededor de 7Mhz. Cabe aclarar que las condiciones de medición fueron hechas con una carga de 15nF, en el orden de 3 veces la capacidad que tendremos como carga para un mosfet cualquiera, es decir, los tiempos serán aún menores que los publicados.

Luego de recibirlos en cuestión de días, armé el siguiente circuito:



Excitador Banda Ancha
Circuito Excitador Banda Ancha



Otra de las ventajas de estos circuitos integrados es que la salida varía entre 0 y VCC, por lo cual no hay medio período negativo presente en las compuertas que genere calor sobre el mosfet.

miércoles, 19 de junio de 2013

AMPLIFICADOR RF CLASE "E" 500W 40m

Junio 2013

Con la idea de querer innovar y empezar a probar nuevos dispositivos, comencé a investigar qué Mosfets podrían llegar a utilizarse en RF con iguales o mejores prestaciones que los viejos IRFP460.
Una de las marcas comerciales que verdaderamente dispone de excelentes dispositivos es IXYS. Me dediqué a "buzear" en la página y dí con algunos Mosfets interesantes, entre ellos el IXTH30N50, cuyas algunas características detallo debajo:

VDS Max :  500V
ID Max : 30A (Corriente máxima contínua siempre y cuando se mantenga el Mosfet en el área FBSOA (Forward Bias Safe Operating Area) y se disipe correctamente la potencia disipada. 
IDM : 120A (Explicaré el concepto en una de las notas de interés)
PD : 360W
Rds ON : 0,17 Ohms!!

CIRCUITO:



El circuito fue armado y funcionó muy bien, entregando una potencia de 500W sobre 50Ohms. El próximo paso será armar un modulador PWM para utilizarlo con esta etapa y disponer de un equipo de AM completo. En teoría, el par de Mosfets deberían ser lo suficientemente aptos para soportar una modulación de un índice del 100%...eso lo veremos pronto!

En síntesis, recomiendo el modelo IXTH30N50 y en particular la marca IXYS para utilizarlos por lo menos hasta los 7MHz....



miércoles, 15 de mayo de 2013

VATÍMETRO ROÍMETRO "MINI"

Mayo 2013

La versión "Mini" es una versión simplificada del Vatímetro-Roímetro diseñado en Enero de 2013. Su calibración -en caso de ser requerida- es muy simple, y es a nivel de software (por comparación con un instrumento patrón). El circuito consta de un acoplador direccional del tipo Harris, una etapa rectificadora y un microcontrolador PIC para el procesamiento y cálculo. Los datos se presentan en una pantalla LCD de 2x16 caracteres.

El esquema del acoplador direccional es el siguiente (gracias Víctor!):


La ecuación que relaciona los voltajes de salida entregados por las salidas "Ref" y "Dir" y las potencias Directa y Reflejadas real de la línea es la siguiente:

         

Esta ecuación está programada en el software el microntrolador para conocer realmente la potencia sobre la línea. En realidad, se despeja matemáticamente PRMS en función de VDC, que es el voltaje entregado por el acoplador y que posteriormente es rectificado y escalado antes de ser leído por el ADC del PIC.




CIRCUITO:
vatímetro roímetro lu5hah
ARCHIVOS:

Software PIC (.hex)
Código fuente (.c - PICC)
PCB

jueves, 10 de enero de 2013

VATÍMETRO ROÍMETRO

Enero 2013

Un instrumento para medir relación de ondas estacionarias y potencia de salida de RF es de fundamental importancia para toda estación de radioaficionado. El hecho de utilizar un conversor A/D (embebido en un microcontrolador), tiene sus ventajas. Al disponer de ambos voltajes de Directa y Reflejada, se puede calcular matemáticamente cualquier parámetro que de éstos pueda deducirse, como ser, Coeficiente de Reflexión, ROE, Voltaje Máximo sobre la línea, Potencias Directa, Reflejada y Total, Potencia Pico de Envolvente, Potencia RMS en función del índice de modulación, Índice de Modulación, entre otros.

La idea de construir un instrumento digital, fue impulsada por Víctor (LU7DSM), así que investigando en internet encontré bastante información. Hoy por hoy (2013), hay circuitos integrados muy interesantes para usar en este tipo de proyectos, como detectores logarítmicos (AD8307) que se caracterizan por tener un amplio rango dinámico y un gran espectro de frecuencia de trabajo. No se consiguen tan fácilmente en el país, pero tampoco es imposible. Interesantes para un próximo proyecto ya que simplifican bastante el circuito detector. En definitiva, me basé en un artículo de un vatímetro roímetro denominado Tandem Match, publicado por John Grebenkemper KA3BLO. El instrumento es de lectura analógica, pero utiliza en sus etapas algunas ideas muy útiles para adaptarlo a una lectura y cálculo digital. En la figura de abajo está el diagrama en bloque del instrumento. Utilicé la mitad izquierda, es decir, el acoplador direccional, los detectores y los amplificadores para ajuste de escala. Hasta ahí se obtienen los valores de voltaje directo y reflejado, Vf y Vr. La idea fue leer dichos valores y convertirlos digitalmente para calcular los distintos parámetros de interés.






CARACTERÍSTICAS:

RANGO DE POTENCIA: 50mW a 1500W (PEP) (El instrumento en sí, está preparado para sensar mayor potencia, ver hoja de calibración). La potencia máxima dependerá casi exclusivamente de la calidad constructiva y robustez del acoplador direccional.
RANGO DE FRECUENCIA: 1,8 A 54MHz
PRECISIÓN POTENCIA: Mejor que +-10% (+-0,4dB).
PRECISIÓN ROE: Mejor que +-5% del valor real.
PRECISIÓN INDICE MODULACIÓN (Aprox): +-10% del valor real.
ROE MÍNIMO: 0,01 hasta ROE = 2. 0,1 para valores de ROE mayores de 2.
CALIBRACIÓN: Se efectúa con un menú de calibración y un tester.


CIRCUITO DETECTOR:

El arreglo utilizado para los detectores de Directa y Reflejada, es con doble diodo tipo Schottky, uno rectificando la entrada, y el otro en el lazo de realimentación de un Amplificador Operacional, calibrado para que circule por éste, una corriente en exceso de un 10 a 18% de la corriente pico circulante del primer diodo, provocando a la salida del AO, el mismo voltaje pico que el rectificado. Éste arreglo es lineal desde voltajes tan bajos como 30mV, y utilizando resistencias de calidad SMD, así como también buenos capacitores para las secciones de rectificación de RF, puede llegar a trabajar hasta 500MHz con respuesta plana. Los diodos utilizados son los 1N5711.



ACOPLADOR DIRECCIONAL:

Fue construído con una caja de paso de aluminio Conextube, 100x100x60 mm. Se utiliza una placa virgen de epoxi con dos orificios en donde pasan los tramos de línea de sensado. El esquema es el que se muestra abajo:





El acoplador del Tandem Match, es del tipo Bruene. Se utilizan dos transformadores, uno de voltaje y otro de corriente. En la figura A se detalla el esquema eléctrico y en el B el circuito equivalente. Dependiendo de las fases relativas entre los transformadores, V2 será el Voltaje Directo, y V1 el Voltaje Reflejado o viceversa. Más precisamente, si las fases de los secundarios son positivas, V2 será el Directo, y V1 el Reflejado. Si en cambio, las fases de los secundarios son inversas, es decir, si uno es positivo y el otro negativo o viceversa, V1 será el Reflejado y V2 el Directo. De todas maneras, no es un punto crítico, o en todo caso ahora para mí no lo es, pero me fue útil analizar las variantes y las consecuencias de las polaridades. Si el instrumento indicara 0 potencia directa, y X de potencia reflejada, es evidente que hay que invertir la fase de un transformador cualquiera, o, en su defecto como posibilidad, invertir el puerto de entrada por el de salida.
Los núcleos utilizados son de hierro en polvo de mezcla N° 2, de forma T68 (T68-2). Las resistencias de carga de 50 Ohms 1/4W, van montadas justo en el conector RCA de directa y reflejada. Son cuatro pares de dos resistencias de 100 Ohms en serie, (200 / 4 = 50 Ohms). El primer juego de diodos rectificadores 1N5711 (D11 y D21), y os capacitores C11, C12, C21 y C22, van montados en el mismo conector macho RCA.



CIRCUITO:

    
  




ESCALAS:

CALIBRACIÓN:

Observando el esquema eléctrico, pueden advertirse varias etapas desde que se muestrea una pequeña fracción de la señal pasante, hasta que se obtiene un voltaje adaptado de CC a niveles aptos para que el microcontrolador pueda leerlos correctamente. La primera, es el acoplador direccional. El voltaje obtenido de los transformadores es:


V2 = Vd / N

V1 = Vr / N


Vd y Vr son los voltajes reales en la línea de transmisión. De modo que por la ecuación, el valor obtenido a la salida de los transformadores (V1 y V2), es un voltaje pico igual al voltaje real en la línea dividido por N, el número de vueltas del secundario para el caso del transfomador de corriente, y que es igual también al número de vueltas del primario del transformador de voltaje. El número elegido es 40. Este valor está supeditado a la respuesta tanto en baja como en alta frecuencia. En baja frecuencia el número debe ser tal, que la reactancia no sea demasiado baja como para no generar calor en el núcleo por una corriente excesiva, y en alta frecuencia, el número no debe ser demasiado alto, puesto que un exceso de vueltas genera más capacidad distribuída entre las espiras disminuyendo la respuesta en alta frecuencia.

La segunda etapa, son los detectores de pico, constituídos por los diodos D11, D12, D21, D22, U1A y U1C. El voltaje obtenido a la salida de dichos operacionales es un voltaje contínuo de igual valor al voltaje pico en entrada. R109 y R209 son para el ajuste de cero u offset propio de los amplificadores operacionales.

La tercer etapa, conformada por R106 y R107, R206 y R207, es un par de divisores resistivos para reducir el voltaje de entrada 3 veces.

La cuarta etapa, formada por U1B y U1D, se utiliza para ajustar la tensión de acuerdo a la escala seleccionada. Consta de un par de amplificadores no inversores con distintas ganancias. Mientras menor es la escala seleccionada, se cierra el relé conectando una resistencia que de mayor ganancia, de modo de obtener 5V para fondo de la escala seleccionada. Debajo está el calculo para dichos valores.

La última etapa antes de ingresar a los pines del conversor, es una red pasa-bajos, con una atenuación de 1,1. Todas estas etapas son tenidas en cuenta en el programa del microntrolador a la hora de calular el voltaje real en la línea de transmisión.


IMÁGENES:










ARCHIVOS

miércoles, 5 de septiembre de 2012

FUENTE MODULADA 150W (FUENTE LOCA)

Septiembre 2012

La idea de construír un transmisor de Amplitud Modulada con el sistema de "Fuente Modulada", surgió de escuchar varias estaciones en la banda de 40m emitiendo con el sistema, logrando excelentes resultados en lo que respecta a calidad de audio e índice de modulación. Además, la facilidad del armado es otro punto a favor, y mucho más considerando el ya existente diseño del PCB (ver archivos al final). De más está decir que "debajo de cualquier ladrillo" encontraremos una fuente de PC lista para ser usada.
Por supuesto que además de la calidad de modulación que es posible lograr, es posible obtener con muy pocos componentes y dinero extra una potencia interesante. Para ir un poco más allá de la idea de LU1CGI, simplemente pensé en obtener más potencia con algunas pequeñas modificaciones.

Como primer medida, tenía que elevar la tensión de salida, de 24V (del modelo original de LU1CGI), a 45V (voltaje sin modulación).
En segundo lugar, puesto que la fuente trabaja en lazo abierto (no regulada), una mayor potencia de salida implica un mayor consumo de entrada, siendo necesario mayor capacidad en uF en el rectificador de entrada de la fuente para no obtener un "ripple" considerable a la salida.
Para aumentar el voltaje de salida, modifiqué la relación de espiras del transformador de potencia, más especificamente aumenté el número de vueltas del secundario.

Para re-bobinar el transformador, lo primero que se necesita es desarmar el núcleo. Para poder despegar el núcleo E-I o ETD (doble E enfrentadas con núcleo cilíndrico), hay que poner a hervir el transformador durante media hora aproximadamente (mi receta es agregarle sal al agua). Una vez transcurrido este tiempo, las mitades deben despegarse sin hacer prácticamente fuerza, caso contrario se corre el riesgo de partir el ferrite. Por seguridad, el cobre debe desecharse.



Núcleo E-I de una fuente AT-250W




TRANSFORMADOR DE POTENCIA:


El bobinado primario, está devanado en dos capas para mejorar el acoplamiento y disminuír así al mínimo la inductancia de pérdida que es perjudicial para los transistores de potencia. Dicha inductancia de pérdida (inductancia que no se acopla al secundario), genera "spikes" o picos de alta tensión en el momento de conmutación del estado ON a OFF. Hay que contar las vueltas de cada mitad ya que se utilizará la misma cantidad y técnica para rebobinarlo. Una vez retirados todos los bobinados, de acuerdo a la siguiente fórmula se obtiene el nro de vueltas del secundario:

Vo/Vp = DC * Ns/Np

donde "DC" (Duty Cycle) es el ciclo de trabajo para 0V de modulación (sin audio de entrada), "Vo" el voltaje de salida de contínua, y "Vp" el voltaje de contínua rectificado de entrada (1.41*220V) dividido por 2, o lo que es lo mismo, el voltaje presente en cada colector de los transistores. En las fuentes de PC que son la mayoría tipo Half-Bridge, este voltaje es Vp = 311V/2 = 155V. Por diseño hacemos DC = 0,5 [*]. Despejando Ns:

Ns = (Vs/Vp) * (Np/DC)

Considerando que el bobinado primario tenga 20 + 20 vueltas = 40T (recordar que los transformadores de conmutación tienen el primario partido o en dos capas para minimizar la inductancia de dispersión), y deseemos un Vo = 45V

Ns = (45V/155V) *(40/0,5) = 23T

[*] NOTA: Los IC controladores PWM disponen de un sistema de seguridad que no es ni más ni menos que un valor máximo de ciclo de trabajo para proteger la fuente de un cortocircuito. Recordar que en un sistema Half Bridge, en donde se disponen dos transistores en cascada (el colector del superior a positivo y el emisor del inferior a masa), los dispositivos conducen alternadamente durante medio período de tiempo variable (en nuestro caso este tiempo será dependiente en forma directa de la amplitud de la señal de audio). Si sucediera que por un pequeño instante ambos estuvieran conduciendo, tendríamos un cortocircuito entre positivo y masa, destruyendo la fuente. Para evitar esto, el IC generará dos señales con un ciclo de trabajo inferior al 50% cada una. 
El ciclo de trabajo máximo (DCmax) del TL494 es de aproximadamente 85%, por lo cual deberíamos elegir un DC = 42,5% para el cálculo del transformador, de modo que con una señal simétrica de audio a la entrada podamos generar una señal a la salida que excursione entre 0V y el doble de la tensión de contínua (0V a 90V), para poder así modular una etapa de RF al 100% o cercano a ese valor.
Por otro lado, considerando que la voz humana no es simétrica en amplitud, dependiendo de la fase de de la cadena de audio, si la misma es tal que los picos negativos de audio son mayores a los positivos, es posible utilizar un DC mayor a 42,5%.  

A diferencia de la idea original de Rubén (LU1CGI), mi idea fue utilizar una fuente de PC tipo ATX (poseen fuente de stand-by). Una de las principales ventajas es que la sección de potencia queda siempre alimentada desde los 220Vac, y el encendido se hace a través del controlador TL494 con un pequeño circuito RC, produciendo un arranque suave de la fuente.
Para no complicar el circuito, como es necesario tener una fuente de 12V en todo momento alimentando el controlador y los transistores drivers, la idea fue reemplazar la fuente Stand-By original por una fuente externa de 12V. El requerimiento de corriente es mínimo (50-100mA), y en cualquier shack puede encontrarse una pequeña fuente.

El circuito añade la protección por sobrecorriente de LU1CGI (R30, R40, R24, P3, R10).

En la siguiente figura se muestra el esquema eléctrico:

Circuito Eléctrico


CONSIDERACIONES DE POTENCIA:



INDUCTORES DE FILTRO:

Los inductores de filtro se bobinan sobre núcleos toroidales de hierro en polvo para ahorrar espacio. Se utiliza para tal fin, los toroides que traen las mismas fuentes para su regulación cruzada de voltaje de las salidas esclavos, como ser +12, -12V, 3,3V etc.

Estos toroides amarillos con guarda blanca, son de mezcla N°26, y funcionan perfectamente como filtro de conmutación.


ALGUNAS IMÁGENES:


Fuente ATX-450 Modificada (Los componentes de la fuente Stand-By están presentes pero desconectados)


Vista de los inductores de filtro y la resistencia de descarga

Las imágenes previas, no se corresponden con el circuito eléctrico mostrado más arriba. En dicha fuente no implementé la protección por sobrecorriente



ACTUALIZACIÓN (DESARROLLO DEL CIRCUITO IMPRESO)

A principios de 2015, desarrollé el circuito impreso para el armado de la fuente modulada. La construcción es indudablemente mucho más fácil puesto que sólo hay que soldar componentes y no estar haciendo artilugios con las pistas en la placa original.


Además, con la idea de hacer una especie de "Kit de Construcción", desarrollé el circuito impreso de un Amplificador de RF Clase E Bibanda (80m y 40m) utilizando sólo un mosfet canal N (IRFP250 O IRFP260).

AJUSTES:

Antes de realizar cualquier ajuste y de conectar la fuente a los 220Vac, es una buena práctica conectarla a través de una lámpara incandescente de 220V, 60W o 75W.  Esto sirve para proteger la fuente de algún posible error en la construcción. Bajo funcionamiento normal, la lámpara encenderá brevemente cuando se conecte a los 220Vac, y luego se apagará al paso de unos segundos cuando los capacitores del rectificador de entrada se hayan cargado. Ajustar P1 (Vout) a un valor medio y chequear la tensión de salida. Para aquellos que no hayan modificado el transformador de potencia, el voltaje de salida debería ser de aproximadamente 48Vcc (el doble de la tensión de salida pretendido en funcionamiento normal, 24Vcc). Esto es normal, y se debe a que como la fuente está sin carga, el capacitor del filtro pasabajos de salida se carga al voltaje pico proveniente del secundario del transformador. 
Siendo este el caso, la fuente ya está en marcha, o por lo menos, la parte más peligrosa funciona (la sección de potencia), y no se debería esperar ningún cortocircuito una vez retirada la lámpara serie.
Si aún no hay confianza, puede dejarse aún cuando la misma se pruebe bajo carga, pero será preferente una lámpara de 100W o más, ya que si la lámpara es de poca potencia, la misma se encenderá demasiado y no se podrá llegar nunca a obtener los 24Vcc de salida. 
Paso seguido, una buena forma de probar el funcionamiento será conectando como carga dos lámparas de automóvil en serie. Revisar que la tensión de salida varíe en función del preset P1 (Vout). Ajustar P3 (Límite de Corriente) y verificar que algún punto la corriente de salida empiece a descender.

Para el ajuste definitivo, será necesario retirar la lámpara serie. Los pasos a seguir:

La fuente dispone de tres presets multivuelta para el ajuste de los siguiente parámetros:

  1. P1 [Vout]: Con este preset se regula el voltaje de contínua (CC) a la salida. 
  2. P2 [Gan]: Este preset controla la ganancia de audio. Tiene el mismo efecto que subir o bajar el volúmen de una consola previa a la fuente modulada. Sirve para compensar la falta o el exceso de audio que ingresa a la fuente.
  3. P3 [Límite Corriente]: Con este preset se ajusta el nivel de corriente de salida al que se desee poner como límite máximo o sobrecarga.


Para aquellos interesados en la construcción, pueden descargar todos los archivos necesarios en los siguientes links:

IMÁGENES:


Lado Componentes (Versión anterior - Filtro de salida con 2 inductores y 2 capacitores)

Lado Cobre

Fuente Modulada terminada