Diseños simplificados

Diseños simplificados de amplificadores
La primera vez cuando volví a estar en el aire desde mi retiro construí un QRP que tenía
4 vatios en 15 metros. Estuve dos días contestando y llamando CQ’s. Por desgracia nadie
me escuchó. Gradualmente llegué a la conclusión de que el hobby del QRP es para tipos
con antenas direccionales grandes y caras, no para gente con verticales y dipolos. Sin una
ganancia extra de 10 dB me imaginaba mi señal QRP perdida debajo del ruido. La otra
forma de obtener 10 dB de ganancia es utilizar un amplificador. En este capitulo debo
describir mis esfuerzos para construir un buen amplificador lineal. Ahora que tengo
potencia QRO cuando la necesito mi transmisor es un sistema de comunicaciones fiable.
Si tener una señal potente te es importante encontraras que 50 vatios o más es una gran
mejora sobre el QRP.
Actualmente que soy más viejo y experto considero que la baja potencia y las antenas de
hilo no fueron el problema. Antiguamente nuestros receptores tenían filtros pasabandas
de varios KHz, mientras que los modernos receptores suelen recibir unos pocos cientos
de hercios. Cuando puse mis 4 vatios en 15 metros no tuve en cuenta que usar la banda
lateral superior es el modo habitual en 20 metros y superiores. En 15 metros las otras
estaciones estaban sintonizando en USB mientras yo estaba a veces batiendo a cero en
banda lateral inferior. Mi receptor tenía tanto ancho de banda que no era para mi tan
obvio en qué banda lateral estaba. Cuando contestaba a aquellos CQ solía estar
desplazado de su frecuencia sobre 1.5 KHz.
En este capitulo describo tres diseños diferentes de amplificadores que usé exitosamente
en el aire. No recomiendo construir el primero, lo describo aquí porque fue educativo.
Era un amplificador clase B sintonizado. Funcionó y de él aprendí, cubriendo desde 20 a
10 metros.
Desgraciadamente era muy difícil de sintonizar. Más aún, probablemente tengas que
pasar mucho tiempo buscando el condensador mariposa de doble sección que utilicé para
sintonizar la salida.
El segundo amplificador es un diseño clase B sin sintonía. Funciona en todas las bandas y
es recomendable solo para CW. Algún día cuando te examines para fonía en banda lateral
puedes actualizarlo al tercer diseño que es un amplificador lineal clase AB toda banda.
Mejor que solo leer las características finales del montaje puedes aprender algunos trucos
siguiendo mi odisea de como conseguí construir un amplificador lineal real.
La aventura de montar un amplificador de 50 vatios
Comencé mi proyecto QRO buscando en mi Handbook ARRL de 1998 proyectos de
montaje para amplificadores lineales. Encontré tres ejemplos de amplificador lineal, uno
de ellos “Un amplificador HF de 50 vatios” tenía un complejo esquema de dos páginas.
Los otros dos estaban enterrados en diagramas de elaborados transceptores que parecían
más “ilustrativos” que algo que fuera capaz de montar. Casi podía oír una gran voz de
barítono diciendo “Por su propia seguridad no construya esto en su casa”.
Estudié cuidadosamente el proyecto del amplificador lineal de 50 vatios, usaba una pareja
de transistores MRF-477 que busqué en mi catalogo de componentes RF. Allí decía
“llame para precio”.
Fue ominoso, la contestación fue que la pareja costaba 45€. También estaba preocupado
por todos esos sistemas que protegían los transistores contra sobreexcitación, exceso de
SWR, contra excesos de tensión de colector y contra embalamiento térmico. Además
tenía al menos tres tipos de compensación por realimentación de frecuencia. Resumiendo,
el esquema parecía decirme que los transistores de alta potencia de RF eran
extremadamente frágiles.
El articulo me dio la impresión de que si todos estos circuitos de protección no
funcionaban correctamente la primera vez que lo pusiera en marcha mis apreciados
transistores podrían volverse tostadas antes de que pudiera decir “borrado expeditivo”.
Nunca había construido un amplificador RF transistorizado antes. Mis proyectos previos
comparables solo eran unas fuentes conmutadas de 100 y 300 vatios, y hasta que
funcionaron devoré como palomitas de maíz numerosos transistores de 20€. Tenía
muchas dudas con el proyecto.
Lo replanteé con el Handbook de 1979 y encontré un proyecto de amplificador lineal más
primitivo, Este también tenía protección térmica, pero no parecía hacer un buen trabajo
con lo concerniente al sistema de ajuste del medidor de potencia bidireccional. La
característica más racional era que los transistores MRF-454 eran los más baratos
disponibles, sobre 13€ la pareja. Estos transistores eran grandes, fuertes y dispuestos a
disipar una gran cantidad de calor. Solo en esta ocasión compré dos transistores extra.
En este punto puedes pensar,” ¡Aún a 13€ son unos transistores caros! ¿Por qué no usa
unos transistores más baratos adecuados a los niveles frecuencia y potencia?”. La
respuesta es que el MRF454 produce alta potencia con 12 voltios de alimentación. Seguro
que si estas pensando construir una fuente de alimentación DC a 48 voltios y 200 vatios
podrá encontrar docenas de transistores baratos que funcionarán.
Características básicas de un amplificador lineal moderno
Un moderno amplificador final “lineal” de radioaficionados tiene seis características
básicas:
Primero Dos transistores de potencia excitados mediante un transformador con toma
central. El transformador está bobinado de manera que activa un transistor con la mitad
de la onda senoidal mientras el otro está inactivo. Durante el siguiente ciclo el primer
transistor se apaga mientras el segundo se activa.
Segundo Es un diseño clase B trabajando en “push-pull”. Una de las ventajas de la clase
B es que cuando no hay RF en la entrada ambos transistores están casi completamente
apagados. Esto significa que no se calientan y no desperdician energía. Aun trabajando
con polarización de “bias” para hacer el amplificador lineal es necesario muy poca
polarización y la eficiencia se aproxima al 50%. También la clase B tiende a cancelar los
armónicos pares.
Tercero Los transistores deben estar refrigerados con radiadores grandes. Los
transistores de gran potencia están diseñados para ser atornillados en un radiador. Tienen
soportes de metal con agujeros de montaje para este fin. Para un amplificador de 100 W
el radiador es un gran perfil de aluminio quizás de cinco o seis pulgadas de lado. Los
radiadores suelen tener múltiples ventiladores de ¾ de pulgada de altos.
Cuarto La salida de los dos transistores ataca a un segundo transformador de alta
inductancia con toma central y banda ancha. Ya que este segundo transformador no tiene
sintonía es posible amplificar CUALQUIER SEÑAL RF en un rango de frecuencia muy
amplio. Dependiendo del diseño adecuado del circuito y la pureza de la señal de entrada
saldrá una onda senoidal pura. La parte problemática de este diseño es que, si cualquier
ruido o “onda compleja” es introducido en el circuito el amplificador puede distorsionar y
producir ruido de banda ancha. Más sobre este problema después.
Quinto Un amplificador lineal no esta trabajando en “clase B” pero seguro que trabaja en
“clase AB”. Esto significa que una pequeña cantidad de tensión de polarización se
inyecta en las bases de
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ambos transistores para mantenerlos activos siempre. Teniendo los transistores ya activos
responden instantáneamente con una pequeña señal en sus bases. Sin esta polarización
“bias” la señal de entrada debe superar un límite de disparo antes de que el transistor se
active.
Sexto Un filtro pasabajos limita componentes de frecuencia en la onda de salida.
En otras palabras, el filtro suprime armónicos. Con esto si tú estás transmitiendo en 40
metros nadie será capaz de escucharte en 20 o 10 metros. Cada banda de trabajo necesita
un filtro separado que recorte los armónicos que se podrían radiar a frecuencias más altas.
Puedes conseguirlo usando los mismos filtros para 12 y 10 metros y para 15 y 17
metros.Yo construí mis filtros con trozos pequeños de circuito impreso que conecté
verticalmente en una placa base con conectores para circuito impreso. Usé varios pines
del conector en paralelo para mantener la inductancia de conexión lo más baja posible.
Parecía más fácil en el Handbook
Cuando comencé mi trabajo construí el lineal tan exacto como pude del dibujo del
Handbook 1979, pero como suele ser habitual tuve que substituir algunas piezas. Después
de que había comprobado cuidadosamente el circuito regulador de la tensión “bias” de la
base de los transistores con pies de plomo conecté los 12 voltios a los transistores de
potencia. Sin ninguna excitación de RF a la entrada los transistores inmediatamente se
activaron consumiendo una gran cantidad de corriente. ¡Oooops, Algo debe estar
equivocado en el circuito de polarización! Pronto descubrí que NINGUNA polarización
“bias” causaba la conducción de los transistores. Obviamente el tipo que diseñó este
amplificador usaba MRF-454 y era diferente al mío.
Después desconecté el circuito de “bias” y lo alimenté otra vez. En otras palabras,
esperaba que podría funcionar como un “tipo de lineal” amplificador clase B sin sintonía.
Esta vez por lo menos los transistores no se activaron. Inyecté una señal de RF en la
entrada y observé que el amplificador estaba trabajando en lo que yo llamo “modo
ruido”. Como sabes se supone que los lineales funcionan como un amplificador HI-FI.
Sin ningún criterio amplifican cualquier señal y frecuencia que le inyectas. Si pones en la
entrada una señal en 80 metros o en 10 metros supones que a la salida la tendrás en 80
metros o 10 metros amplificada.
Modo Ruido
Un desafortunado modo de operación para un lineal es como “generador de ruido HF de
banda ancha”. Si introduzco una onda limpia senoide de 5 vatios filtrada obtengo una
ráfaga de ruido en banda ancha que hace que mi radio FM ruja como una cascada de
agua. Usando un osciloscopio a través de una resistencia de carga la forma de onda
parece hierva bailando en un tornado. Mi nuevo amplificador tiene una potencia de salida
terrorífica, por desgracia muy poca potencia está en la frecuencia deseada.
La clase B es más fácil
Concluí que mi lineal tenía al menos dos problemas fundamentales. Ya había encontrado
el “modo ruidoso” mientras estaba montando mi primer QRP en 15 metros. En aquel
tiempo no encontré muchas curas para este desastre, aun con potencias de milivatios. Por
esto no era optimista en solucionarlo con un nivel de 50 vatios. Estaba cansado de no
tener funcionando mi transmisor y decidí comenzar otra vez construyendo un
amplificador SINTONIZADO clase B sencillo. Por supuesto uno clase B sintonizado
podría trabajar en dos o tres bandas sin cambiar el transformador de salida ni el
condensador de sintonía. De todas formas era mejor que no estar en el aire en meses,
posiblemente.
Amplificador #1, un simple amplificador clase B sintonizado, funciona pero no lo recomiendo.
El clase B sintonizado funcionaba de maravilla. El único problema que encontré fue
conseguir que el transformador de entrada adaptara adecuadamente y proporcionara la
gran corriente de excitación requerida. Después de dos fallidos intentos bobinando
transformadores de entrada con toroides de hierro en polvo, probé transformadores de
balum en ferrita. ¡Un éxito! Los transformadores con balun de ferrita son verdaderamente
diferentes de los toroides de polvo de hierro. Adaptan la baja impedancia de los
transistores de potencia donde ningún otro puede. Al menos ALGO del lineal funcionaba.
Transformadores balun de ferrita.
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Recuerdo el transformador balun de ferrita como dos largas piezas situadas lado contra
lado. Las piezas eran dos cilindros agujereados hechos con ferrita de alto AL, por esto
cuando una bobina es devanada a su alrededor la ferrita produce una gran inductancia con
muy pocas vueltas. A veces las dos piezas están formadas por un simple bloque de ferrita
con dos agujeros cilíndricos en paralelo a lo largo del bloque. En principio el
transformador es como los transformadores que hubieras visto antes, esto es, consiste en
dos bobinados en el mismo núcleo de hierro. La impedancia alta; el bobinado de más
voltaje, tiene más espiras, solo son 3 o 4 vueltas de hilo esmaltado pasando por los
agujeros de ambas piezas. De momento esto es bastante normal.
Lo complicado es el bajo voltaje, el bobinado de baja impedancia. Lo que no he
mencionado aún es que por los centros agujerados de las dos piezas esta alineados dos
tubos de metal no ferroso. La alta impedancia, el bobinado de alto voltaje pasa a través de
estos tubos. En una punta del montaje los dos tubos están conectados eléctricamente por
eso forman una “U” pasando a través de las dos piezas. Esta “U” completa es el bobinado
de baja impedancia. Como cualquier bobinado de transformador tiene dos cables de
salida y son las dos patas de la “U”. La toma central del bobinado de baja impedancia es
la conexión entre los dos tubos, a la derecha en el dibujo superior. Esto es, la parte de
abajo de la “U” está conectada a la masa de la placa de circuito impreso. Los dos
extremos de los tubos van balanceados a la baja impedancia de las bases de los
transistores.
Para el transformador “balun” de entrada, yo hice la “U” de la malla tubular del
conductor exterior de un trozo de coaxial RG-174. Forcé unos agujeros en los lados del
cable de malla exterior para permitir que el cable aislado del secundario entre y salga a
través de la malla entubada. Esto es complicado de hacer y tendrás que probar un par de
veces. Yo usé cable multihilo con aislamiento de Teflón para el bobinado secundario para
asegurarme que no pudiera haber cortocircuitos entre primario y secundario. Compré las
pequeñas ferritas del balum de entrada en CWS Bytemark. Estas pequeñas ferritas
consisten en un bloque de ferrita plano con dos agujeros paralelos moldeados a lo largo
de la dimensión más larga.
El clase B funciona pero no lo recomiendo
El esquema de clase B sintonizada lo vimos antes. Dependiendo del rango del variador,
condensador variable dual, puede sintonizarse entre 10 y 20 metros. Estuve en el aire y
hablé con mucha gente con mi clase “B” de 50 vatios. Estaba encantado, pero cuando
cambiaba la frecuencia más de 50 KHz tenía que resintonizar el amplificador. Usando un
osciloscopio, mi procedimiento era sintonizar el amplificador y un Transmatch tipo T a
máxima amplitud con mínimos restos de baja frecuencia. En sintonía producía una clara
senoidal de salida y no podía ver ninguna evidencia de defectos en la polarización “bias”
que estuvieran distorsionando la salida. Solo para estar de lado más seguro, pasé la salida
a través del filtro pasa bajos TVI descrito en e l capitulo 9. Este filtro TVI (interferencias
en televisión) está diseñado para trabajar en todas las bandas HF porque corta por encima
de 10 metros. El transmisor trabajada un poco caliente y no quemó ningún transistor,
Aunque había omitido todos aquellos exóticos circuitos de seguridad.
La desventaja de mi clase “B” sintonizada era que era muy engorroso y tendía a irse de
sintonía cuando declinaba el voltaje de la batería. La mejor razón para no construir uno es
que el amplificador clase “B” sin sintonía descrito abajo funciona mejor y no tiene
componentes difíciles de encontrar.
UN CLASE B, SIN SINTONIA, TIPO-DE-AMPLIFICADOR LINEAL
Episodio dos de la saga amplificadores de potencia
15 metros estaba muerta por las tardes por lo que quería estar en 40 metros. Mejor que
construir un nuevo Clase “B” sintonizado solo para 40 metros volví a trabajar en el lineal.
Primero encargué un manual de características de los transistores RF de Motorola.
Cuando tuve el manual, descubrí que el MRF-454 era el único transistor de su clase que
NO ESTABA recomendado para operación lineal. El manual no decía por qué no lo era,
pensé. “No me asombro que el MRF-454 sea tan barato y no me asombro que no
funcionen con polarización de “bias”. Cogí mi catálogo de RF Parts Company y busqué
precio de todos los transistores RF recomendados para trabajo lineal. Eran todos mucho
más caros que el MRF-454, pero cogí el más barato y encargué una pareja pareada de
MRF-422. La salida de los transistores pasa a través de un gran transformador “balun” de
ferrita. Montajes de transformadores “balun” de ferrita también estan disponibles en RF
Parts Company. Yo he usado versiones de una pulgada y de 1,5 pulgada (PN# T1 &
T1.5). Ambos parecen trabajar bien sin ningún síntoma de saturación.
Cuando llegaron mis nuevos transistores, los puse en el lineal... y funcionaron, igual que
los MRF454. Yo añadí resistencias a las bases con menos y menos valor hasta que los
transistores dejaron de funcionar. Por supuesto en ente momento tenía salida RF cero.
Aparentemente la polarización “bias” funcionaba para todos también, pero las leyes de la
física eran diferentes en mi casa.
De todas formas, si no estas planeando ir a SSB (voz) realmente no necesitas un
amplificador lineal. Antiguos amplificadores clase B o clase C funcionan bien en CW.
Problemas con filtros de salida Chebyshev
Volví a probar otra vez mi amplificador “lineal” clase B sin sintonía. Como antes, solo
producía ruido de alta potencia. Observé con cuidado mi filtro de salida Chebyshev.
¿Dónde tenía algún tipo de defecto? Los construí de los esquemas de amplificadores
lineales del Handbook 1979. Había seguido las instrucciones de bobinado exactamente
usando el mismo núcleo toroide CWS (Amidon) 106-6. Para probar el filtro Chebyshev
de 15 metros, lo substituí por el filtro pasa bajos TVI de mi amplificador clase B
sintonizada que funcionaba.
Debería funcionar bien, pero inesperadamente, el antiguo Clase B sintonizada entro en
modo ruidoso, exactamente igual que el nuevo. Muy poca potencia llegaba a la carga
ficticia y el núcleo del filtro se calentaba bastante. Algo estaba erróneo en el filtro.
Aparentemente los valores de componentes o las espiras de la bobina listados en la otra
tabla estaban totalmente equivocados. Usé las tablas de diseño Chebyshev del ARRL
Handbook 1998 y volví a diseñar mis filtros conectables. Usé el procedimiento descrito
para hacer un filtro paso bajo de 5 elementos que previamente describía en el capitulo
seis. La diferencia principal entre el filtro QRP y filtro del gran amplificador es que para
100 vatios necesitas grandes núcleos de polvo de hierro. Mejor que el T50-6 usé el T1066. Para 40 metros e inferiores podrías usar núcleos T106-2.
Volviendo a las instrucciones del manual 1979 donde las tablas de filtros descritos eran
más apropiadas para varias bandas por debajo de cada banda listada. Por ejemplo el filtro
de 15 metros estaba diseñado a la derecha de los 160 metros, y así todos. El filtro de 160
metros podría haber sido correcto para las frecuencias de transmisión de los submarinos
nucleares.
Comprobé el filtro de 15 metros rediseñado en mi viejo amplificador... funcionó
perfectamente ¡Progresaba! Después puse el nuevo filtro en el nuevo lineal y contuve la
respiración. Fíjate... todavía funciona en modo ruido. Estaba loco. Cogí la cuchilla de
cortar paneles y corté las pistas de circuito
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impreso de las bases de los transistores. Ahora estaban libres de toda red R-C-L de
compensación de frecuencia traga-todo. Conecté las bases igual que en el lineal
sintonizado clase B. Todo lo que puedo decir funcionó perfectamente. Saca 100 vatios
con una preciosa onda senoidal y no queman los transistores. Solo consigo 50 vatios en
15 metros porque el excitador no es muy potente. Pronto trabajé docenas de estaciones en
15 y 40 metros consiguiendo excelentes reportes de señal.
Filtro pasa bajos Chevyshev para un clase B sin sintonía. Conectan median un conector borde de tarjeta
Amplificador #2. Un amplificador simple clase B sin sintonía.
¿Por qué no necesito caprichosos lazos de realimentación para compensación en
frecuencia? La respuesta puede ser que estoy excitando mi lineal con transmisores QRP
completos que disponen de su propio filtro de salida Chebyshev. En otras palabras, la
señal de entrada es bastante pura. He observado que cualquier defecto en la señal de
entrada es grandemente reproducida a la salida. Aun sin polarización “bias” para hacer
clase AB, es un alto grado HI-FI.
Después de toda mi preocupación, nunca quemé ningún transistor. Una vez estaba
comprobando mi lineal a 80 vatios de salida. Estaba mirando felizmente el osciloscopio
cuando olí algo quemándose. Ooops! Había olvidado atornillar el gran radiador detrás.
Apagué el lineal y no hubo ningún daño. Los transistores de potencia RF no son tan
frágiles después de todo.
El amplificador lineal completo. El filtro de 15 metros esta conectado a la salida.
Puedes estar usando un filtro pasa bajos adecuado
Ocasionalmente he tenido problemas cargando antenas en 17 metros y superiores. Hasta
con el acoplador T-mach descrito en el capitulo 9, aveces no pude obtener una buena
señal senoidal en el cable de antena. La onda estaba contaminada con modulaciones de
baja frecuencia y el frecuencímetro usualmente leía por debajo y no enganchaba. En
ocasiones he sido capaz de corregir el problema usando el filtro de salida de la siguiente
banda más alta que la que le correspondía. Por ejemplo, si no podía cargar con el filtro de
15 metros correcto, a veces podía cargar bien con el filtro de 10 metros.
Finalmente me sucedió que ya estaba usando el filtro TVI pasa bajos multietapa con corte
en 30 MHz descrito en el capitulo 9.Por lo tanto, para esta banda alta el filtro final de 10
metros era redundante. Construí un filtro “blanco” que era solo un trozo de RG-58 que
unía un extremo con otro el conector para placa circuito impreso (borde de tarjeta). En
suma, usando un filtro TVI de esta forma es otra alternativa para tu bolsa de trucos.
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Conmutando el amplificador lineal de 50W
Cuando comencé a usar mis finales, los mantenía conectados todo el tiempo. Esto es,
cuando una señal aparecía en la entrada el final se supone que la amplificaba. Si no había
entrada al amplificador, no debería haber nada en la salida. De esta forma, puedo dejar la
alimentación de 12 voltios conectada en todo momento. Desafortunadamente, en
ocasiones todo el lineal podría autooscilar en alguna frecuencia aleatoria fuera de las
bandas de radioaficionado. Solía tener dos o tres exitosos QSO sin problemas. Entonces
inesperadamente, no pude determinar la razón, comenzaban las oscilaciones.
He oído que los profesionales resuelven este problema cargando la entrada del
amplificador final con una resistencia, quizás tan baja como 100 o incluso 50 Ohms. No
he experimentado demasiado con esta opción, pero estoy seguro que esto reduce
excitación al amplificador y reduce mi potencia de salida. Si yo fuera tú, experimentaría
algo más con esta opción barata. De todas formas si no deseas experimentar siempre
puedes reconsiderar mi circuito conmutador mostrado arriba.
Mi solución fue construir una versión gigante del mismo conmutador MOSFET que usé
para conmutar mis módulos QRP. Naturalmente tuve que usar MOSFET canal-P
homogéneos con baja resistencia de conmutación. Refiriéndome a la figura superior, el
manipulador telegráfico tira de las puertas MOSFET a masa activándose y alimentando el
amplificador. Los MOSFET están montados en una pequeña y gruesa hoja de aluminio de
1/8 pulgada con un ángulo atornillado al fino chasis de aluminio. Esto es suficiente para
disipar el calor. Aun con gran carga de corriente no he notado que los MOSFET lleguen a
estar calientes al tacto.
¿Que más debo aprender?
1. El ARRL Handbook es excelente pero ocasionalmente tiene errores de
impresión. No creas todo lo que leas en una lista de componentes.
2. Entiendo la necesidad de polarización “bias” para la clase A. En la práctica,
usada para CW no la necesitas. De todas formas, era misterioso como los
expertos lo hacen sin embalamiento. En mi experiencia, los transistores se
disparaban instantáneamente con el primer miliamperio de polarización
“bias”. Esto ocurría aun con los transistores fríos como piedras. No tenía nada
que hacer con el defecto de realimentación por temperatura, ya que no había
tiempo de calentamiento para que ocurriera. Más aún, el embalamiento no
estaba relacionado con la excitación RF, porque ocurría con o sin entrada RF.
3. Los transformadores “balun” de ferrita son pulcros, producen un acoplamiento
ajustado a baja impedancia real y no necesitan sintonizar.
4. Si tu filtro de salida Chebyshev no funciona a la primera, comprueba
cuidadosamente cortocircuitos por salpicaduras de estaño en la placa de
circuito impreso. Si estas seguro que tendría que funcionar, pero no lo hace,
mira la tabla de diseño en un ARRL Handbook reciente y rediseña el filtro tu
mismo comenzando desde el principio. Si todavía no funciona prueba otro
tamaño de núcleo.
1. Un filtro Chebishev en un excitador QRP trabajaba pobremente
cuando lo diseñé con núcleos T68
2. 6. Pero el mismo filtro trabajó de maravilla rehaciéndolo usando
núcleos más pequeños T50-6. Lo siento pero no tengo idea de porqué.
A veces ayuda tener la mente abierta y probar cosas que pueden
parecer tontas. ¡La persistencia es tu última arma!
5. Finalmente, me parece que mucha de la complejidad en recientes diseños de
QST y QEX es maravillosa en teoría, pero a veces innecesaria en la práctica.
Los tipos que escriben estos artículos están sobreeducados. Su sofisticación a
veces nos disuade. No les dejes “llover sobre tu desfile”. Diséñalo simple y
desde aquí trabaja mejorándolo.
UN AMPLIFICADOR LINEAL, ESTA VEZ... SEGURO
Añadiendo “bias” lineal al amplificador clase B
Como expuse arriba, estaba preparado para conectar mi amplificador final como un Clase
B sin sintonía, pero cuando aplicaba el DC “bias” para hacerlo “lineal” el amplificador se
embalaba. Esto es, consumía gran cantidad de corriente y fundía los fusibles. Al final, lo
dejé como amplificador de banda ancha clase B. Clase B amplifica ambas semiondas de
la onda senoidal de excitación, pero hay una pequeña no-linearidad y cross-over. Pero
¿quién controla si es o no clase AB? Al final de mi proyecto estaba feliz trabajando gente
en CW y siempre usaba un filtro pasabajos para suprimir armónicos. Por eso ¿cual es el
lío sobre amplificadores “lineales”? ¿Seguro que necesitaba uno?
BANDA LATERAL NECESITA LINEALIDAD
Eventualmente llegué a cansarme con la CW en HF y construí un excitador en
SSB.Alimenté de voz inglesa en SSB mi “casi-lineal” clase B. Todo lo que salió fue
picos de voz. Sonaba como un lenguaje Africano click. No podía entender la voz pero
finalmente capté el mensaje: La principal virtud de los lineales para banda lateral es que
amplifican igual todas las amplitudes. Si, los lineales también amplifican todas las
frecuencias igual. Son un tipo de “RF HI-FI” pero la parte de banda ancha no es tan
importante. Un amplificador BLU solo tiene que amplificar una señal de 3KHz. de ancho.
En teoría al menos, un clase A sintonizado debería trabajar bien en SSB, aunque tuviera
que resintonizarlo cada vez en QSY cada cien KHz.
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Cuando amplificadores clase C o clase B operan en CW, una gran señal de excitación
entra en las bases del amplificador final y consigues una gran y constante señal con
ganancia de 10 Db sobre la entrada. La gran señal de excitación sobrepasa el voltaje
necesario de polarización de los transistores de salida en un amplio margen. El
amplificador solo trabaja en una amplitud, por eso el problema del voltaje de disparo no
se acusa.
¿Por qué SSB necesita una linealidad cuando con modulación AM era tan fácil?
La banda lateral es diferente. La salida de un excitador SSB tiene un rango de amplitudes
y todas deben ser amplificadas por igual, A primera vista SSB no parece tan distinta de
AM. Pero ¿por qué era la fonía en AM tan sencilla en los viejos tiempos? Los
moduladores de amplitud normalmente modulaban el paso final, no el excitador. Para
AM sintonizábamos la lampara final en CW, luego modulábamos la tensión de
alimentación, la reja pantalla o el cátodo de la lampara amplificadora final con
audiofrecuencia. La final actuaba como un mezclador que producía frecuencias suma y
diferencia. Sin un gran esfuerzo de ingeniería produciamos dos bandas laterales de audio
frecuencia adicionadas a la portadora original RF.
La gente que podía conseguir grandes transformadores de modulación AM modulaba la
fuente de alimentación del paso final. Los menos pudientes modulábamos la reja pantalla
o el cátodo de nuestra lampara final.
De cualquier forma, estábamos modulando la ganancia del amplificador final, no la señal
de excitación. Ahora pensando en esto, creo saber que algunos usaban
AMPLIFICADORES LINEALES para elevar la potencia de sus excitadores AM de baja
potencia. La niebla se disipa. Sí, puedes transmitir en AM con clase B o incluso con clase
C, pero no puedes amplificar una señal se excitación de bajo nivel AM o SSB sin un
lineal.
Polarizando un amplificador lineal sin embalamiento térmico
Amplificador #3. Un amplificador lineal push-pull
Arriba muestro el amplificador lineal completo. Abajo a la izquierda el circuito de “bias”
que dejó resuelto mi problema de embalamiento y me dio la amplificación lineal que
necesitaba. Encontré este circuito de “bias” escondido en un gran esquema describiendo
un transceptor comercial en el ARRL Handbook 1998. Este decepcionantemente simple
circuito controla tres funciones:

Provee una ajustable y constante corriente DC “bias” a las bases de los
transistores

Diodos (1N4002) derivan las bases a masa, limitando el nivel que el voltaje de
bases puede alcanzar

Los diodos se calientan con el transistor y provee compensación por
temperatura.
Un regulador de voltaje LM317 se usa como fuente de corriente ajustable para alimentar
con 100 miliamperios estables a las bases de los transistores de potencia. El LM317 es un
regulador de 1.2 volt de tres terminales. La salida del regulador pasa a través de una
resistencia para ajustar la corriente. El voltaje que cae en la resistencia se monitora por la
pata “ajuste” del regulador por lo que el voltaje a través de la resistencia se mantiene
constante a 1.2 voltios. El regulador esta aislado de RF por una gran cuenta de ferrita
atravesada por un corto trozo de cable. El resto del circuito es casi idéntico al final del
transceptor SSB del ARRL Handbook 1986. EL condensador de 1000 pF entre los
colectores se haya en todos estos circuitos push-pull. No se que se supone que hace.
Diodos recortando previenen el embalamiento
La parte crítica del circuito “bias” son los dos diodos rectificadores que recortan el
voltaje de base (Vbe) a masa. Su función más importante es que instantáneamente
regulan el voltaje de base a menos de 0.8 voltios, como un diodo zener. Limitan el
máximo nivel del voltaje de polarización de los transistores cuando cae por que todo el
montaje comienza a calentarse. Tal como la excitación del transistor se incrementa, el
voltaje DC base-emisor de los transistores de salida sube lo que causa que el colector
consuma intensidades muy muy grandes. Por ejemplo, operando en banda lateral, la
tensión DC de las bases sube sobre los 0.8 voltios en los picos de la voz. Si le dejáramos
subir a 0.9 o
1.0 volts puede ocurrir el enbalamiento.
La segunda función de los diodos es que cambian con la temperatura y automáticamente
compensan el incremento de temperatura. Están fijados a sus respectivos transistores por
lo que están en contacto térmico con el cuerpo del transistor. Tal como los transistores y
sus diodos apegados se templan, el voltaje de polarización que atraviesa los diodos
decrece con los incrementos de temperatura.En frío, los picos Vbe pueden comenzar a
0.8 voltios, pero como los transistores se calientan, los picos de voz en Vbe intentaran
subir todavía más. Por eso, bajo el mismo nivel de corriente “bias”, pero a alta
temperatura, el diodo recorta voltaje y típicamente puede caer desde 0.8 a 0.7 o incluso
menos. El decremento de voltaje “tira” de la tensión de base previniendo el enbalamiento
.Manteniendo activado el “key” en transmisión, puedo ver la tensión DC de base caer
lentamente mientras la corriente total de todo el amplificador esta constante.
La diferencia entre este circuito “bias” y los que probé anteriormente es que no tenían
diodos de recorta. Sí, había un diodo de referencia montado en el radiador para la
compensación de temperatura, pero mis transistores de salida se embalaban
inmediatamente antes de que la temperatura pudiera subir. Una fuente de corriente con
compensación de temperatura no tiene la función de recorte automático.
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Construcción mecánica
El amplificador lineal de 50 vatios.
Nótese el gran transformador de salida con “balun” de ferrita en el centro del montaje. El
circuito “bias” está a la derecha atrás. También observa como los diodos de recorte de
base están fijados a lo largo de los transistores de salida por lo que cualquier
calentamiento del transistor será pasado al diodo.
El módulo amplificador completo está hecho en una placa de circuito impreso a doble
cara atornillada por detrás de un gran radiador. Las principales pistas de RF son más
anchas, sobre 3/8 pulgada o más, para mantener la inductancia baja. Este es un simple
circuito y todas las pistas fueron recortadas en la placa con una pequeña cuchilla. Es vital
que las pistas de colector y emisor se posicionen de forma que sean simetricas e iguales
en todos los sentidos. De otra manera, un transistor tendría una pista con más
capacitancia e inductancia que el otro. Los transformadores de entrada y salida son tipo
“balun” y han sido descritos anteriormente.
La entrada viene a través de un conector mini-UHF. Los pequeños conectores RF miniUHF son los únicos abordables que he encontrado. Un par a 5€ son caros comparados
con los conectores de audio. Pero si pagas a 12€ el par de conectores SMA, SMB o SMC,
5€ parece barato. El conector de salida es un gran UHF SO-239 que, bastante extraño,
han sido siempre asequibles. Para alta potencia, >5 vatios, sugiero evitar conectores como
los usados en audio que no están diseñados para potencia en RF. Puedes usar
ocasionalmente conectores de audio en 20 metros y por debajo, pero las ondas
estacionarias harán dificultoso o imposible la sintonía del amplificador en 10 metros.
También, si planeas amplificar banda lateral con él, es una buena idea construir un
blindaje ajustado a la parte superior de la placa.
Yo construí el filtro Chevyshev para el lineal en una placa de circuito impreso separada
que conectaba en la placa del lineal con un conector borde de tarjeta. Para mantener la
inductancia baja, soldé ocho pines del conector en paralelo en cada extremo del conector
y el resto de los pins los usé para masa. Para cambiar bandas conecto otro filtro
pasabajos. Si quieres puedes usar pequeños relés reed para conmutar los diferentes filtros.
Personalmente me gusta el viejo sistema de enchufar bobinas.
En conclusión
Yo hablo con gente en banda lateral y parecen comprender lo que estoy diciendo. Si mi
final no estaba cerca de “lineal”, no podrían tener una comprensión de la palabra. Al final
fui capaz de construir un lineal usando transistores MRF-454 baratos, Tal como el
Handbook decía-aunque su remendado circuito “bias” no funcionó.
Cuanta potencia entrega el amplificador lineal depende de cuanta potencia pongo en la
entrada y en qué banda estoy. No todos mis excitadores QRP son igual. En 10 metros
solo consigo 20 VATIOS, mientras que en 40 y 80 metros obtengo más de 120 VATIOS.
Como es usual, es más fácil en frecuencias bajas. La eficiencia es sobre el 50 % .Por
ejemplo, para obtener 120 VATIOS necesito consumir 18 amperios de la batería.
Hummmm… Ahora que funciona, me pregunto ¿qué ocurriría si desueldo los diodos de
recorte de la base? Debería embalarse por supuesto. Después de todo, estos son los
mismos transistores que usé antes. ¡Que se embale!, ya desoldé los diodos. No se embaló.
La compensación de temperatura no funcionaba, pero no se embaló. No tengo idea
porqué no lo hizo. ¡A veces la electrónica te lleva a la locura! Persistencia es tu única
arma contra la innata perversidad de los objetos inanimados. Un buen ingeniero es un
ingeniero persistente.