PÃO-DURO TRANSMISSOR CW CLASSE  "E"


Pequeno, economico, eficiente, valente ...são muitos adjetivos...

Vamos desenhar um transmissor de CW !
Caracteristicas :
Tenha por volta de 5 W de potencia.
Opere de 9 a 13,8V.
Tenha um consumo em TX reduzido, ou seja eficiencia superior a 80%.
Não necesssite um dissipador grande.
Opere por cristal, VFO ou DDS.
Seja livre de clicks.
Tenha uma atenuação forte da segunda armonica para cima.

Baseamos nosso trabalho em dois circuitos da web :
GERARD BORG



QCX 5W TRX  Esquema pagina 108 do manual



Vamos calcular os componentes para classe E
links para calculo
VK1SV's class-E calculator

VK2ZAY's class-E calculator

Opa ! eles pedem a tensão (voltagem) de saturação do FET ...
Vamos pesquisar ...
VK1SV aqui este colega não ajuda muito e diz :
The saturation voltage is related to the voltage drop across the drain and source of the FET and is linked to its Rds(on) resistance. The FET I used has an Rds(on) of 90 mohm.

Vamos tentar outro (este link é legal vale ler ...).
VK1SV 2 agora sim ficou claro :

Saturation Voltage is I * Rds(on)

Gostei desta outra planilha, pois tem maiores opções e bate com os resultados encontrados
Classe E, foi retirada deste link .

Vamos escolher o transistor temos duas opções BS170 e 2N7000, estes fets possuem baixa capacitancia de entrada e baixo tempo de comutação e são usados em qrps cw classe E.

transistor  tensão max  corrente max     Rds_on/I      pot. dissip.      cap. entrada     saida
                                                            DC            Pulsado
2N7000 Fair. 60V       200mA  500mA     1,2R/0,5A          400mW           20pF           11pF
2N7002 F       60V       115mA  800mA     1,2R/0,5A          200mW           20pF           11pF
CDS7002 F    60V      280mA  1500mA    1,2R/0,5A          300mW           20pF           11pF
BS170            60V       500mA 1200mA     1,2R/0,2A          830mW          24pF            17pF
MMBF170    60V       500mA  800mA      1,2R/0,2A          300mW          24pF            17pF
Referencias :
BS170 fairchild
2N7000 fairchild

Vale lembrar que hoje a fabricação de Fairchild esta englobada pela On, que produz a linha.
Nos datasheets atuais os valores de potencia de dissipação são de 350mW para BS170-D e para 2N7000G.
Portanto seria interessante saber da procedencia do FET usado para saber das caracteristicas dele.

Outro fabricante a Vishay-Siliconix produz o BS170 que segundo o datasheet tem uma dissipação de potencia de 0,8W .
Interessante qe a Vishay o ciruito integrado VQ1000 que possui 4 fets e tem uma potencia de dissipação de 2W e corrente de 0,9A (para os 4  fets somados) . O que daria um bom PA.

Vamos calcular nosso circuito :

Resultado  da planilha :



O interessante é que nossos circuitos escolhidos não possuem o esquema conforme as descrições formais de classe E. Nos esquemas, em que iniciamos, o capacitor C2 não aparece e sim um capacitor de acoplamento de 100nF.

A seguir que fiz, foi colocar no simulador de circuitos RFsim99. O exame dos dois circuitos de saida não deram bom resultado, acabei fazendo um mix deles. Então iniciei o acerto dos valores para obter uma boa atenuação no segundo armonico (linha  vermelha) e uma onda refletida ideal (menor que -20dB em azul no grafico) na frequencia de uso.
 .....Ficou assim após ajustes :


Frequencia central 7100
Onda refletida (estacionaria) abaixo de -20dB entre 6988 e 7224khz.
Atenuação da segunda armonica (F>14MHz) melhor que 60dB.

Montagem :

Esquema base :



No nosso circuito usamos um 74HC02, nos testes nostrou um resultado melhor com mais excitação, dai ligamos as portas remanescentes em paralelo na saida do oscilador.
Outra modificação foi a inclusão de um resistor de 22R na entrada dos mosfets, não alterou o desempenho e reduz espurios em VHF.
Usamos um 7805 para alimentar o 74HC02.
Os 3 mosfets foram colados em uma pequena placa de aluminio  de 1mm de espessura, com cola instantanea, para ajudar na dissipação (como um totem, um acima do outro).
Para chavear o TX usamos dois 2N2907 metalicos em paralelo, é melhor garantir. Mas neste lugar podemos usar um outro transistor PNP de potencia, por ex TIP32 que suporta 3A.  A  maior corrente foi com o uso de 14,7V de entrada, 500mA. A queda de tensão provocada pelos transistores foi de cerca 0,5V.
A tensão maxima de alimentação é de 17,2V (60V/3,5).
Nos testes usamos um trafo toko no lugar do indutor de 1,3µH (logo após os fets), a corrente neste ponto é alta e o indutor esquentou muito. O uso de um fio de bitola maior é obrigatório.

Vista geral do Pão-Duro.

A sugestão dos colegas é para usar um capacitor de alta isolação no primeiro 330pF, ou ceramica de alta isolação (1kV) ou mica prateada, é para potencias maiores - QRO, usei um de ceramica de 280pF 500V. No simuladoreste valor é de 330pF mas temos umacapacitancia interna de saida do BS170 de 17pF, então 17x3=51pF e 280+51=330pF.
Nos demais em pF usar capacitores normais, preferencialmente de mais de 100V.
O circuito pede toroides T37-2, usei T50-2 pois era os que tinha disponiveis, usei fio 22AWG, mas poderiamos usar toroides com nucleo a ar, em uma proxima publicação mostrarei como calcular e como fazer.


Foto : detalhe do filtro

Usei capacitores trimer de 46pF (amarelos) para ajustes,  assim compensamos alguma variação do indutores/capacitores. Tiramos cerca de 20pF do valor teorico calculado, de cada capacitor fixo assim podemos variar 20pF abaixo ou acima do calculado.
O numero de espiras dos toroides calculamos via Mini Ring Core Calculator .

Ajustes :
Ajustamos usando um Amperimetro na entrada da Vcc, um medidor de potencia com uma carga de 50R na saida da antena.
O ajuste é retocando os capacitores trimer até encontrar a maior potencia com a menor corrente.
Para calcular a eficiencia é necessário medir a tensão entre o 2N2907 e os BS170.

Resultados :
Com 12V, de entrada, conseguimos 3,7W de potencia com 11,5V nos mosfets  e 0,34A de corrente com 93% de rendimento. Sem o amperimetro (em serie) a potencia chegou a 3,9W.


Foto : Com amperimetro em serie temos 14,06V no PA com 0,42A e 5,7W de saida.

Já com entrada de 14,7V, obtivemos 5,7W de saida com 14,2V nos mosfets e 0,43A de corrente, tendo 94% de rendimento. Sem o amperimetro 6,4W.


Foto : Sem o Amperimetro temos 14,39V no PA e 6,4W de potencia de saida

O maior rendimento conseguido foi de 94%, do PA em si.
Mas não devemos mexer muito nos valores dos capacitores ou excluir algum deles, pois é possivel chegar a melhores resultados de potencia, com a passagem de mais sinal da segunda armonica, o que não é aconselhavel.

Próximos passos :
1. Adaptar para uso com um RX.
2. Usar um DDS ou VFO para excitar, fizemos isto retirando o xtal e injetamos a saida do DDS no terminal do capacitor de 22pF.
3. Usar outro BS170 como oscilador no lugar do 74HC02, ou um 2N7000.
4. Adaptar um amplifcador de audio tipo 2N3904+LM386 transformando em um Pixie melhorado.
5. Montar um transceptor como o QCX com um RX integrado por fase e o SI5351 como gerador de quadratura (isto nós já conseguinos !) e gerador de sinal para o TX.

73 de py2ohh miguel