Amplificador para QRP con MOSFET
Si bien existen innumerables proyectos de este tipo, se presenta un pequeño lineal ideal para QRP. Con potencias de entrada de 1 a 1.5 watts se pueden obtener 30 a 40 Watts de salida, entre 1.8 a 14 MHz. Se usa un IRF510, alimentado con 28 Volts.
Los MOSFET utilizados en circuitos de conmutación se presentan como una opción atractiva para la construcción de amplificadores lineales económicos, y se prestan para la experimentación pues su bajo costo hace que si los "quemamos" no hagamos humo nuestros pesos, como sucede con los dispositivos de RF que tienen costos muy altos.
Uno de los problemas que se presentan con los amplificadores lineales de potencia con MOSFET es la adaptación de impedancia en la entrada. La impedancia de entrada es a los efectos prácticos un capacitor ( capacidad entre compuerta y fuente) con un valor tal que representa casi un cortocircuito frente a los valores típicos de 50 Ohms. Generalmente se recurre a una transformación de impedancias por medio de un toroide, que no se encuentra en los comercios en que conseguimos nuestros componentes, lo que nos desalienta en la construcción del amplificador.
Por otra parte, buena parte de la transformación se basa en la inductancia de los bobinados del toroide, que cambia si cambiamos el toroide. Por lo tanto, no siempre podemos obtener el ansiado "1 a1" de ROE.
En general, a medida que aumenta la potencia que puede manejar el MOSFET, aumenta la capacidad de compuerta, lo que hace más dificildifícil la adaptación para potencias más altas. Por el contrario, a menor potencia es más simple su adaptación. Un dispositivo muy usado es el IRF510, que por ser de muy baja capacidad de compuerta. (180pF) se presta para usar en QRP.
En este caso, se puede adaptar "cargando" la capacidad de compuerta con una resistencia, con lo que se logra bajar la ROE a la entrada. Por ejemplo, con 33 Ohms en paralelo en la compuerta y 22 Ohms en serie, se logra que la entrada tenga ROE prácticamente 1:1 desde 1.8MHz. hasta unos 10MHz, donde comienza a subir. Con esta adaptación no es necesario el uso del clásico toroide de entrada.
Una opción al uso de un toroide, es la transformación PI muy utilizada en los amplificadores lineales de potencia a válvulas. De este modo, capacidad entre compuerta y fuente puede formar parte de una de las capacidades de la red de adaptación.
Este sistema funciona muy bien, pero sirve para una sola banda. Eligiendo valores de Q bajos, se cubre cualquier banda sin inconvenientes, pero se debe conmutar la; red de adaptación para cambiar de banda.
Por ejemplo, adoptando la resistencia de "carga" en 100 Ohms se logra una ganancia de tensión, que hace al amplificador apto para señales debiles. Con sólo 100mW se alcanza la máxima potencia de salida, lo que en algunas circunstancias puede ser interesante.
En este caso, se debe cuidar la estabilidad para tensiones de alimentación altas pues se obtienen ganancias muy grandes, y es muy fácil que aparezcan autooscilaciones, con corrientes de drenaje muy altas.
Es interesante destacar que la entrada del mosfet en realidad no consume prácticamente potencia, y que toda se disipa en las resistencia de 100 Ohms. Lo importante es la tensión que se aplica a la compuerta, que es la que controla la corriente de drenaje, y no la corriente que entra al mismo, que es puramente reactiva.
La red de salida también se puede adaptar mediante una red PI, tal como en la salida de los amplificadores a válvulas. Se usan las mismas fórmulas del Handbook de Radio, en este caso con tensión de alimentación de 28V y para una transformación a 12.5 Ohms de resistencia de carga.
Se eligió el Q de modo que los valores de capacidad resultaran valores normalizados. Se adoptó un valor de 1nF (1000pF) como condensadores de "placa" y "carga", con un valor suficientmente bajo de Q para que no sea necesario efectuar ninguna sintonía. Estos capacitores deben ser de bajas pérdidas, pues de lo contrario se producirá un calentamiento notable en pocos minutos de potencia máxima. Los adecuados pueden ser los cerámicos de bajas perdidas como los Philips, de poliestireno (se distinguen por su dieléctrico transparente, pero son poco usuales, salvo en las viejas FI) o los tradicionales de mica, muy aptos para RF.
La configuración PI a la salida tiene una ventaja que es el filtrado de las armónicas, por lo que se obtiene una salida " limpia" . La opción del toroide como adaptador de impedancias debe ser seguida por un filtro pasabajos, de lo contrario se verá una lectura en el medidor de ROE que será la potencia de las armónicas, salvo que se use carga fantasma.
El circuito de la figura, con VCC=28Volts, producirá unos 40 W de salida en 80 mts con una entrada de 1.5W, y si se modifica para 40 mts se obtienen unos 30W. El consumo es del orden de 2.3 Amp, en los picos.
La corriente de reposo se fija en unos 30mA.
Las pruebas efectuadas han dado siempre una buena calidad de transmisión como reportaje, por lo que espero que los colegas puedan aprovecharlo para sus experiencias.
Componentes:
Q1 mosfet IRF510 (todas las marcas se comportaron similarmente)
U1 regulador 7805 ( puede usarse cualquier regulador que entregue de 5 a 9 Volts)
C1,C2,C3,C8 0.1uF cerámico
C4,C5,C6,C7 1nF de bajas pérdidas.
R1 33 Ohms 1W
R2 preset 10kOhms
R3 22 Ohms 1W
L3 choque de RF ( cualquier toroide de PC puede servir)
L2 1uH ( 9 espiras juntas de alambre 0.8 sobre 13 mm de forma)
La bobina L2 se puede realizar de muchas maneras, los datos dados corresponden a la disponibilidad del alambre. El choque no es crítico, y si no se dispone de un toroide se puede usar un bobinado al aire del doble o más vueltas que L2.
Se debe incluír un disipador adecuado para Q1. Si se va a trabajar con temperaturas altas, probablemente se deba incorporar una cadena de 6 diodos en directa, para compensar posibles cambios en la polarización con la temperatura.
Para ajustar la corriente de reposo, colocar el preset totalmente girado hacia masa, antes de conectar por primera vez el circuito. Conectar un amperímetro en serie con la tensión de alimentación, que marcará el consumo de regulador solamente. Girar lentamente el preset hasta que el valor indicado suba unos 30 mA y con esto se completa el ajuste.
Para aquellos que deseen usar una salida de " banda ancha" se puede reemplazar la red PI por un transformador 4:1 , que transforme los 50 Ohms de la antena en 12.5 Ohms para el drenaje.
Para trabajar en 40 mts, se cambia L2 por una de 0.5uH, y se desconectan C4 y C6, de modo que los valores sean la mitad que para 80mts. En mi caso usé una llave doble inversora para cambiar los componentes y tener dos bandas.
Los componentes se ubicaron en una placa de aprox. 7,5 por 5 cms, de acuerdo a la figura, pero las conexiones no son críticas, por lo que se puede usar cualquier otra técnica constructiva.
En la placa de la figura se incluye un relé, de modo de insertar el lineal en transmisión y quitarlo en recepción, a través de contacto del PTT. Ello permitió hacer las pruebas con un FT817, ajustado para entregar la potencia mínima de salida.
Para aquellos que deseen trabajar hasta 14 MHz, es necesario modificar la red de adaptación para evitar la "caída" de excitación que se produce en frecuencias altas, por la capacidad que presenta el mosfet. Para mejorara el comportamiento en frecuencias altas se debe insertar en serie con la resistencia de 22 Ohms una bobina de aprox. 0.3 microHenrios. Esto forma un circuito sintonizado paralelo, donde una de las ramas es la capacidad de compuerta. Como el sintonizado elevará la tensión de entrada para las frecuencias próximas a la resonancia, se produce una ecualización que permite por ejemplo, obtener la misma potencia de salida en 40 y en 80 mts. La ROE se mantiene menor al 1.2 entre 1.8 y 14 MHZ, obteniéndose la misma potencia que en 7MHZ. Para 28 MHz la salida cae a unos 5 ó 6 Vatios, por lo que no resulta útil.
Una opción que reemplaza al circuito PI de la salida, es usar un transformador 4:1 hecho con un toroide. Se puede presentar un carga de 12.5 Ohms al mosfet, para cualquier frecuencia, por lo que es una opción de ‘"banda ancha", pero que no tiene el filtrado del PI, por lo que debe usarse un filtro de tipo pasabajos a la salida. La presencia de armónicas puede detectarse como una lectura de ROE en una antena resonante, que no tiene ROE en la banda, pero que con el lineal parece tener ROE. En realidad la antena generalmente no es resonante a las armónicas y por ello la potencia de armónicas se reflejará y producirá la lectura de ROE comentada. Por supuesto que si la antena es resonante en las armónicas, este efecto no se producirá, pero estaremos irradiando eficientemente nuestras armónicas en otras bandas.
Un prototipo construido con un IRF510 con la configuración anterior, es decir balun 4 a 1 en la salida y entrada ecualizada, permite obtener 50Watts desde 1,8MHz hasta 10MHz con 1Watt de entrada, con una alimentación de 28 Volts.
Como corolario final, siempre pensando en aumentar la potencia de salida, surge la pregunta ¿que pasa si cambiamos el mosfet por otro de mayor potencia? Generalmente, a mayor potencia, mayor capacidad compuerta drenaje, y por ello mayor dificultad en adaptar en varias bandas. Un dispositivo interesante es el IRF840, que es de 500V, 8A y 125W de disipación. Como la capacidad de entrada es unas 5 veces más grande que el IRF510, se puede usar un transformador 1 a 4 para transformar la entrada en una capacidad 4 veces menor. El resto de la red se sigue usando tal como se hizo con el IRF510. Con esta configuración y 40 Volts de alimentación, se logran 100W. de pico entre 160 y 40 mts., pero probablemente sea más seguro cambiar la adaptación de salida, para aumentar la tensión de alimentación y bajar la corriente de drenaje.
La pregunta que seguramente muchos se harán ¿ es posible trabajar en 13.8Volts? Si, se puede usar siempre que se tenga presente que con la mitad de tensión se obtiene la cuarta parte de la potencia de salida.
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