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I moderni amplificatori di potenza a stato solido (PA) dotati di transistor LDMOS (ad esempio, i popolari ART1K6, ART2K0FEU o i classici transistor della serie BLF188XR) hanno rivoluzionato le stazioni radioamatoriali. Offrono un guadagno elevato, un'eccellente linearità, un'alta efficienza e la capacità di erogare la piena potenza consentita dalla legge da un dispositivo compatto, senza bisogno di incandescenza o di complesse regolazioni dei circuiti anodici. Tuttavia, questo progresso tecnologico è controbilanciato da una debolezza fondamentale: l'estrema sensibilità delle strutture di ingresso del transistor al fenomeno di "wake-up".
Mentre gli amplificatori a valvole classici erano in grado di convertire un eccesso a breve termine della potenza di eccitazione in calore nella griglia senza conseguenze permanenti, per la struttura LDMOS, superando la tensione massima gate-source Vgs) una questione di microsecondi prima che si verifichi un guasto irreversibile. Per ogni radioamatore attivo che ha investito notevoli fondi e impegno nella costruzione o nell'acquisto di uno stadio di potenza, una protezione affidabile in ingresso è una priorità assoluta.
Una delle soluzioni tecnicamente più pulite sul mercato è il modulo Interruttore di sovraccarico della potenza di ingresso dell'amplificatore RF Da un famoso progettista di Makis, SV1AFN. Questo articolo analizza in dettaglio perché i transistor LDMOS vengono distrutti, come funziona questa protezione attiva e quali sono i suoi reali parametri tecnici.
Nell'articolo leggerete
Motivi per utilizzare la protezione al risveglio
Il motivo principale per cui si utilizza la protezione attiva risiede nella natura fisica e nella progettazione dei transistor LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor). A differenza dei transistor bipolari, gli LDMOS sono controllati da una tensione applicata attraverso uno strato di ossido isolante estremamente sottile tra il gate e l'emettitore.
La distruzione degli amplificatori nella pratica radioamatoriale si verifica più spesso nelle seguenti situazioni:
- Un fenomeno chiamato "sovratensione di potenza" (sovratensione ALC): la maggior parte dei ricetrasmettitori moderni (TRX) presenta una breve sovratensione di potenza quando si passa dalla modalità di ricezione a quella di trasmissione (a causa del ritardo del circuito di controllo ALC). Se la potenza del TRX è impostata, ad esempio, a 10 W, nei primi millisecondi può comparire un picco che raggiunge i 100 W sul connettore di uscita. Per un ingresso LDMOS non protetto, questo significa la morte istantanea.
- Errore dell'operatore: rotazione involontaria della manopola RF PWR sul ricetrasmettitore, dimenticanza di impostare la potenza elevata dopo aver utilizzato il ricetrasmettitore in modalità portatile, oppure un errore del software nel registro radioamatoriale che ripristina la configurazione del TRX al valore predefinito di 100 W tramite l'interfaccia CAT.
- Guasto del relè coassiale o riflessione dall'antenna: un'elevata tensione di alimentazione (PSV) all'uscita dell'amplificatore di potenza può causare variazioni di impedenza e rapporti di tensione, che vengono ritrasmesse all'ingresso attraverso la capacità interna del transistor.
Le protezioni passive convenzionali, come gli attenuatori, non risolvono il problema in modo esaustivo. Se si inserisce un attenuatore permanente da 10 dB, si riduce la potenza da 100 W a 10 W, ma allo stesso tempo si perde permanentemente la potenza di eccitazione durante il normale funzionamento e si riduce la flessibilità complessiva della catena. La protezione attiva di SV1AFN funziona diversamente: in condizioni lineari è trasparente e interviene solo al momento del pericolo reale.
Principio di funzionamento della protezione attiva SV1AFN
Il modulo funziona come un interruttore RF ultraveloce che monitora continuamente il livello del segnale in ingresso (dal TRX) verso l'uscita (all'amplificatore di potenza). L'intero processo di protezione si articola in tre fasi principali:
Rilevamento del segnale
Il cuore della sezione di misura del modulo è l'amplificatore/rivelatore logaritmico a banda larga Analog Devices ADL5513. Questo circuito integrato elabora segnali RF con un'enorme gamma dinamica ed è caratterizzato da una velocità di risposta estremamente elevata, paragonabile a quella dei rivelatori a diodo più veloci, ma con una stabilità di temperatura e frequenza molto superiore. Il rivelatore converte continuamente il livello di potenza RF che lo attraversa in una tensione continua.
Valutazione e confronto
La tensione di uscita del rivelatore ADL5513 viene inviata a un comparatore di tensione. Il progettista definisce il livello di soglia al quale la protezione deve intervenire utilizzando un trimmer di precisione sul circuito stampato. Se la potenza di eccitazione rientra nei limiti previsti, il comparatore mantiene l'interruttore RF integrato nella posizione di base. Il segnale passa direttamente con un'attenuazione minima.
Reindirizzamento dell'alimentazione (Commutazione)
Se la potenza in ingresso supera il valore critico impostato, il comparatore cambia immediatamente (nell'ordine dei nanosecondi o microsecondi) il suo stato e attiva l'interruttore RF ad alto isolamento integrato HMC784. Questo interruttore disconnette la porta di uscita che va all'amplificatore e reindirizza istantaneamente il segnale in ingresso al carico fittizio interno.
Il carico artificiale interno è realizzato direttamente sul PCB del modulo ed è costituito da quattro resistori di potenza non induttivi da 200 Ω in un package da 3 W. La loro disposizione in parallelo crea un carico preciso da 50 Ω in grado di assorbire e dissipare l'energia in eccesso (fino a 12 W per un breve periodo).
L'amplificatore risulta quindi perfettamente isolato. Lo stato di protezione dura esattamente fino a quando il livello di eccitazione non scende al di sotto del limite di sicurezza impostato. Non appena l'operatore riduce la potenza al TRX (o il picco di sovratensione scompare), il modulo ripristina automaticamente il percorso di trasmissione diretto.
Oltre alla protezione vera e propria, il PCB include anche un'uscita per un LED esterno (etichettato LD2). Questo viene utilizzato per inviare un'indicazione ottica di risveglio (Overdrive) al pannello frontale dello stadio di potenza, fornendo all'operatore un feedback visivo immediato durante i QSO o le gare.
Parametri tecnici
Il dispositivo è concepito come un modulo a banda larga implementato su un circuito stampato a doppia faccia (FR4) con linee microstrip ottimizzate. Grazie a ciò, è utilizzabile dalle bande kV fino a 1 GHz.
| Parametri | Valore / Intervallo | Nota |
|---|---|---|
| Gamma di frequenza | da 1 MHz a > 1 GHz | Copre le frequenze HF, 50 MHz, 70 MHz, 144 MHz, 432 MHz |
| Impedenza di ingresso/uscita | 50 Ω | Norma per le apparecchiature radioamatoriali |
| Tipo di connettore RF | ASM (femmina) | Direttamente al PCB |
| Interruttore di controllo RF | HMC784 | Circuito integrato ad alta linearità |
| Rivelatore | Analog Devices ADL5513 | Rilevatore logaritmico |
| Intervallo di rilevamento della potenza in ingresso | Da -30 dBm a +40 dBm | Corrisponde a 1 μW a 10 W |
| Consumo energetico continuo massimo consentito | 10W | Limitato dalla dissipazione artificiale del carico |
| Carico artificiale interno | 12 W (4 x 200 Ω / 3 W) | Per assorbire in sicurezza il risveglio |
| Perdita di inserzione | circa 0,15 dB a 30 MHz (< 1 dB a 1 GHz) | Effetto trascurabile sulla veglia |
| Isolamento della porta di uscita quando attivato | Da 35 a 75 dB (KV e VHF) / circa 20 dB (UHF) | Frequenza più alta = minore isolamento, ma comunque sufficiente |
| Tensione di alimentazione | +12V CC | Alimentatore singolo per stazione radioamatoriale/impianto di amplificazione |
| Consumo attuale | circa 50 mA | Bassi requisiti di alimentazione ausiliaria interna |
| Dimensioni del circuito stampato (PCB) | 47 × 53 mm | Facile integrazione in un sistema PA |
Grazie alla sua ampia gamma di utilizzi, questo modulo in una stazione radioamatoriale può essere impiegato non solo per proteggere gli ingressi degli amplificatori di potenza, ma svolgerà la stessa funzione anche nella protezione di ingressi sensibili. SDR ricevitori, analizzatori di spettro o preamplificatori (LNA) davanti a un forte campo RF vicino proveniente dalla seconda antenna.
Disponibilità e prezzo
Il componente viene fornito come modulo a circuito stampato completamente assemblato, alimentato e testato. Ciò significa minimo sforzo per il progettista: è sufficiente montare meccanicamente il modulo, collegare le linee coassiali utilizzando connettori SMA e fornire l'alimentazione a +12 V.
- Kde zakúpiť: Il modulo è disponibile direttamente nel negozio online ufficiale dello sviluppatore SV1AFN al seguente indirizzo:
https://sv1afn.com. - Prezzo attuale: €79,00 (prezzo valido per l'acquisto diretto dal produttore, spese di spedizione escluse).
- Codice identificativo del prodotto (SKU): SV1A0315
Considerando che il prezzo di un nuovo transistor di potenza LDMOS oggi varia da 150 a oltre 400 euro a seconda del tipo, investire in questa protezione attiva rappresenta una frazione del costo di una potenziale riparazione. La prevenzione, sotto forma di un affidabile interruttore RF, è sempre più economica della sostituzione di un semiconduttore danneggiato a seguito di un'improvvisa sovratensione del ricetrasmettitore.