QRO voor gevorderden
Degenen die onze club regelmatig bezoeken, weten dat we momenteel denken aan een lineair met de bekende PL519. Dat moet Hugo PA2HW in het achterhoofd gehad hebben toen hij mij een linkje stuurde naar een project waar een amateur de uitdaging aannam om eens een échte lineair te bouwen…
Het begon allemaal met een weddenschap om een kratje bier… Burkhard, DF5XV, www.classicbroadcast.de, is de gelukkige bezitter van een Monster-PA van R&S genaamd VK20. Het gewicht van deze PA bedraagt 1.6 ton, hij heeft in zijn eentje een hele kamer nodig met een stevige voeding en afzuiging en de output ervan bedraagt een indrukwekkende 20 Kilowatt, zelfs met RTTY. Als stuurzender is een R&S SK01 benodigd. Burkhard heeft een officiële vergunning van de BNA voor 20 KW uitzendingen op de kortegolf, zei het niet voor amateurradio. Dit soort specificaties van een zender zijn een uitdaging voor zelfs de meest ervaren HF ingenieur. En zo kwam het dat de karl∂dc9dz.de" target="_blank" rel="noopener noreferrer">auteur van het originele artikel een weddenschap aanging met Burkhard waarin hij de uitdaging aanging om een lineair te bouwen die meer dan de helft aan vermogen van de VK20 in SSB zou kunnen leveren, maar toch nog in de kofferbak van een kleine auto zou passen en dat met een gewicht dat nog redelijkerwijs te hanteren zou zijn. Burkhard's antwoord was: No way! Dus de weddenschap stond!
Nadat drie jaar verstreken zijn, is het project met de werknaam “Tsunami” eindelijk afgesloten. Zelfs het probleem van het minimaal beschikbare vermogen uit een standaard amateur transceiver van 100W waarmee ongeveer 15 Kilowatt verkregen moest worden, werd overwonnen. Een totale versterking van ongeveer 21 dB is technisch gezien erg ambitieus aangezien het niet de bedoeling was om een power oscillator te bouwen.
De buis die zeker voldeed aan de techische eisen van het project “Tsunami” zonder aan zijn limiet te komen, was de 4CX10000D.
Volgens het Eimac datasheet voor lineaire SSB versterkingstoepassingen heeft deze tetrode een anodedissipatie van 12 Kilowatt (Ua, max: 7500 V, Ia, max: 4 A) en levert een continue output van 16 Kilowatt binnen de door Eimac gegarandeerde waarden. Het anode ingangsvermogen is in dit geval 25 Kilowatt. Tel daarbij op het vermogen voor de gloeidraad van 563 Watt, het vermogen dat in het schermrooster en het stuurrooster gaat zitten plus vermogen voor de ventilator en nog wat andere systeembehoeften en je zit aan een drie-fasen aansluiting vast. De zekeringkast van de standaard huisaansluiting van de auteur voorziet in een aansluiting van 3 maal 40 Ampère bij 400 Volt, ofwel een continu vermogen van 28 kVA. Dat is maar net genoeg voor een 16 Kilowatt draaggolf – dus op hetzelfde moment de was doen in een wasmachine moet als het even kan vermeden worden.
Uiteraard wordt de berekening in SSB mode een beetje anders. Zonder voice compressor is het gemiddelde vermogen in een typisch QSO slechts 20 tot 25 procent van het piekvermogen, en met het gebruik van een compressor loopt dat op tot ongeveer 30 procent. De hoogspanningstransformator voor de anodespanning van de Tsunami power amplifier is ontworpen voor 10 kVA, omdat bij een SSB uitgangsvermogen van 15 Kilowatt met een efficiency van de versterker van 65 procent en een gemiddelde voice power van meer dan 33 procent (inclusief afschuwelijke contest modulatie), het benodigde vermogen van de transformator ongeveer 7.6 kVA bedraagt. Dus is een 10 kVA transformator meer dan voldoende om uitgebreide QSOs in SSB te houden. Indien ook nog eens zo af en toe naar het tegenstation geluisterd wordt, gaat het berekend gemiddeld vermogen van de anodespanningstransformator nog eens een comfortabel stuk omlaag.
Daarnaast gebruikt de Tsunami power amplifier een 1.2 kVA ringkern transformator voor de overige spanningen. Voor het inschakelen van de hele versterker is een 1 VA transformator op het centrale moederbord geplaatst. De inschakel procedure is ontworpen om dat zeer rustig te doen en na precies 10 seconden is de versterker geschikt voor vol vermogen.
Nadat de afmetingen van de voornaamste elektrische componenten was vastgesteld, was het de ambitie van de constructeur om 's-werelds eerste desktop lineair met een 4CX10000D te bouwen die op een normale stationstafel zou passen. Het is onmogelijk om een kleinere 15 kW SSB lineair te bouwen: de totale hoogte van de “Tsunami” is slechts 31 cm. Er staat een spanning van 1000 V met slechts 8 mm ruimte tussen de bodemplaat en de buisvoet. Tussen de anode en het deksel staat een spanning van 7000 V met een tussenruimte van slechts 22 mm. Hoewel deze afstanden voldoende zouden moeten zijn zelfs bij hoge vochtigheden (b.v. na DX aktiviteit), zijn kleinere afstanden onhaalbaar. Daarnaast wordt de breedte van de versterker beperkt door de anodespanningstransformator en de rolspoel tot een optimale 57.5 cm. Hetzelfde geldt voor de diepte: 58.5 cm. Een kleinere 15 kW SSB vermogensversterker is absoluut onmogelijk!
De stroming van de luchtkoeling werd geoptimaliseerd. Koude lucht wordt aangezogen onder de anodespannings transformator waarmee deze gelijk gekoeld wordt. De warme lucht wordt uitgeblazen via de kortste weg boven de anode. Uiteraard is de stilste ventilator die beschikbaar is gebruikt en deze is met rubber met de behuizing verbonden om trillingen tegen te gaan. Daarnaast wordt tijdens ontvangst de ventilatorsnelheid gereduceerd om het geluid nog verder te beperken. Desondanks is de radiaalventilator zo bemeten dat hij met gemak zijn taak aankan; de luchtsnelheid wordt opgevoerd in de stand zenden, en dat is niet geheel onhoorbaar. Maar de versterker blijft koel, zelfs tijdens non-stop gebruik.
Het aanzicht van de vermogensversterker zonder frontpaneel zie je in Fig. 5.Een bandkabel verbindt het centrale main board met het display en de stuurlogica op het achterpaneel. Dit display en de besturingslogica bevatten tevens de complete sturing van de versterker alsmede de Darlington transistoren waarmee alle vermogensrelais aangestuurd worden. De vermogens- en HF relais zullen absoluut niet schakelen onder belasting. Vandaar dat zelfs de vacuum relais onder optimale condities werken. Fig. 6 toont het voorpaneel zonder drukknoppen en schakelaars. NB: het voordeel van LED displays is hun mogelijkheid om PEP waarden zonder vertraging weer te geven.
Om de versterker met een versterking van 21 dB stabiel te krijgen was het optransformeren van de ingangsspanning tot de vereiste stuurspanning van de buis noodzakelijk (ongeveer 245 V), naast een uitstekende HF isolatie tussen ingang en uitgang van de buis en neutrodynisatie van de buis. De isolatie tussen in- en uitgang van de buis werd verkregen door het stuurrooster galvanisch aan massa te verbinden plus het plaatsen van een geperforeerde plaat tussen het schermrooster en de anode van de buis. Deze mechanische oplossing die in Fig. 7 te zien is, is nog nooit gezien in beschikbare beschrijvingen, dus het kon wel eens een nieuw idee zijn. Het schermrooster werd daarnaast geaard met 8 verbindingen met lage zelfinductie. Fig. 7 laat ook de HF anodesmoorspoel van 112 uH zien en de 8 kV doorvoer condensator. De anodesmoorspoel werd voorzien van een verstelbare kortsluitwinding (zilverdraad met Teflon isolatie) waarmee twee resonantiepunten midden tussen twee amateurbanden geplaatst kon worden.
Het modulair gebouwde buisdeel is gezien vanaf de roosterkant afgebeeld in Fig. 8. De gloeispanning (7,5 V / 75 A) wordt aangeleverd door de blauwe draden (2 x 16 mm²) en de oranje keramische condensatoren (4,7 nF / 6,3 KV) zijn de ontkoppelcondensatoren die voor HF de kathode via de kortste weg aan massa leggen. Boven rechts is de ingangstransformator zichtbaar. Deze transformator met overdrachtsverhouding 1:4 werd later vervangen door een exemplaar met een verhouding van 1:9 (waarmee de spanning verdrievoudigd wordt). De ruim bemeten HF ingangsweerstand meet 450 Ohm en kan 500 Watt vermogen hebben. De omschakeling van de banden vindt plaats door een draaischakelaar met 11 standen. In de uiteindelijke versie werd deze schakelaar uitgerust met 2 dekken, een voor het optimaliseren van de input SWRs, en de andere voor neutralisatie. Ook zijn de spoelen voor het compenseren op de verschillende banden gedeeltelijk zichtbaar. De modulaire en compacte constructie van de buisunit is zeer stevig en gemakkelijk bereikbaar voor service en optimalisatie. De neutralisatie van de unit wordt uitgevoerd met de gloeispanning en stuurroosterspanning ingeschakeld. Elke band werd met grote precisie afzonderlijk geoptimaliseerd op input SWR en neutralisatie, wat een hele klus was maar een essentiële sleutel tot het succes van het project. Er is een schakelaarstand voor elke band, maar de brede 10 m band had 3 posities nodig. Uiteraard werkt de Tsunami vermogensversterker zelfs zonder neutralisatie stabiel, maar in dat geval is de versterking lager en licht afhankelijk van de frequentie. Dus moeten voor perfecte werking en een versterking van 21 dB alle technische mogelijkheden benut worden. Het resultaat van superieure HF versterking met ongebreideld vermogen is toe te schrijven aan het tijdrovende calibratiewerk. Met een ingangsvermogen van 5 Watt wordt een output van 750 Watt gehaald. Met 30 Watt input wordt het uitgangsvermogen 4400 Watt. Zelfs met een SSB ingangsvermogen van 100 Watt blijft het uitgangsvermogen constant, dat wil zeggen dat het vermogen oploopt naar (op 40 m) 14.6 kW. De buis is daarvan niet echt onder de indruk en laat een beschaafd en nonchalant gedrag zien. Alleen ga je ietwat buiten je machtigingsvoorwaarden als je de antenne als belastingsweerstand gebruikt. Helaas was een 5 kW dummy load van Bird wél onder de indruk en gaf het na 6 seconden op 10 kW op met een harde knal (dat was de tijd die het kostte om de foto van fig. 14 te maken). Uiteindelijk was het bouwen van deze constructie het doel van dit project, naast de krat Bitburger bier in het geval dat de weddenschap gewonnen werd natuurlijk…
Het uitgangstransformator netwerk (pi filter) is te zien in Fig. 9. Rolspoel met schaal is rechts te zien, de massieve 10m spoel aan de bovenkant van het plaatje. De 500 pF / 15 KV vacuum draaicondensator bepaalt samen met de 2500 pF / 5 KV vacuum draaicondensator de aanpassing van de uitgangsimpedantie van de buis (ongeveer 3700 Ohm) naar de 50 Ohm van de coaxconnector, op basis van hun capaciteitsverhouding. Uiteraard is de 500 pF voornamelijk verantwoordelijk voor de afstemming in resonantie. Voor een pi filter dat uit deze componenten bestaat is een continu afstembereik van 1.8 – 29.7 MHz haalbaar. Daarnaast kan de Q van het pi filter eveneens continu geregeld worden al naar behoefte. Dit zijn duidelijke voordelen ten opzichte van een pi filter met HF schakelaars. De vacuum draaicondensator mag onder volle HF belasting afgestemd worden zonder dat dit problemen oplevert; zijn capaciteitsverhouding is ongeveer 1:100 tegen 1:10 voor variabele luchtcondensatoren. Het enige nadeel van die dingen is de hoge kosten vergeleken met een geschakeld netwerk en luchtcondensatoren. Overigens zouden normale componenten snel in rook opgaan als gevolg van het beschikbare HF vermogen. Voor het tunen van het pi filter wordt een geschakeld signaal gebruikt (1 KHz, geschakeld met 20 Hz, aan-uit verhouding 1:2). Het signaal wordt geinjecteerd in de microfoonleiding en vormt dus een perfecte SSB afstelling: http://www.mydarc.de/dc9tm/ .
De auteur beschikt slechts over een 100 W transceiver, waardoor de metingen stokken bij een uitgangsvermogen van 14.6 kW SSB (40m). Als dat niet genoeg is, kan de Tsunami vermogensversterker nog meer vermogen leveren door het ingangsvermogen te vergroten. Het is aan de operator om de beperkingen in de gaten te houden, hetgeen een kwestie van karakter is.
Gegevens van de Tsunami HF Linear Amplifier
HF linear amplifier covers all amateur bands from 1.8 MHz to 29.7 MHz
3 Power supply transformers
Plate voltage at full output power
Screen voltage, stabilized
Grid voltage, regulated
Filament
10000 VA , 1200 VA & 1 VA
6500 V
1000 V
– 245 V +/- 20 V
7.5 V / 75 A
Input SWR in the middle of band
160 m – 30 m
20 m
15 m
12 m – 10 m
1 : 1.25
1 : 1.35
1 : 1.45
1 : 1.65
Gain (1.8 – 29.7 MHz)
Neutralization 1.8 – 29.7 MHz:
Isolation between input and output
20 – 21.6 dB
45 – 50 dB
Output with:
5 W Input:
10 W Input:
20 W Input:
30 W Input:
40 W Input:
50 W Input:
60 W Input:
70 W Input:
80 W Input:
90 W Input:
100 W Input:
0.75 KW
1.5 KW
2.9 KW
4.4 KW
5.8 KW
7.3 KW
8.7 KW
10.1 KW
11.6 KW
13.1 KW
14.6 KW
Input: SSB Signal:
33% of full 1 KHz Modulation
on / off Ratio 1:2, Interruptions: 20 Hz
Equipment:
R&S 20 KW Dummy Load
Bird Power Meter
Measurements
on 7.1 MHz
Harmonic output
Intermodulation distortion
Tube
50 dB below rated output
35 dB or better
Eimac 4CX10000D
Input network:
1:9 Transformation, 450 Ohm, 500 W HF Resistor, Tube Input Reactance Compensation & Neutralization for each band, 11 pol. bandswitch, two levels
Output network:
Roller inductor 20 uH & 2 motorized vacuum capacitors 500 pF / 15 kV and 2.5 nF / 5 kV
Metering: Display of all parameters – no switching
Computer control of all switching functions: No relays switching under power conditions
Soft start inrush, 10 sec delay time for full power
Turbine blower with 2 speeds
Well regulated screen and grid supply for +ve and -ve currents as well as current limiting to protect the tube and minimize the IMD. It's impossible to override the screen and grid dissipation at any working conditions
The finish is of high quality black eloxial aluminia
Dimension
Weight
Accessory (for Icom-Transceivers)
Price
575w x 310h x 585d mm
132 kg
Module for optimized tuning (1 KHz; on / off: 1:2, 20 Hz)
Very low: About 1.7 €/W (1.7 €/W x 14.6 kW = 24.8 k€)
Enkele overwegingen bij de metingen
Metingen aan het uitgangsvermogen van de Tsunami vermogensversterker lieten een verminderde output zien bij hogere frequenties. Het bleek dat dat voornamelijk te wijten was aan de ICOM transceiver (IC 7400) waarvan het uitgangsvermogen afnam naarmate de frequentie toenam. Hoewel het ding op zijn display vrolijk100W aan bleef geven, was de werkelijke output op 10m bijvoorbeeld nog maar 74W (met tuner).
Over het algemeen zijn de HF onderdelen die in de Tsunami uitgangstrap gebruikt zijn, niet klein van afmeting als gevolg van wat ze voor hun kiezen krijgen. Daardoor zijn de signaalpaden en strooicapaciteiten onvermijdelijk groter dan bij bijvoorbeeld een 1 kW lineair. Desondanks vertoont de Tsunami een indrukwekkend uitgangsvermogen over het volledige frequentiegebied van 160m tot aan 10m. De complexe rolspoel maakt continue variatie van de werkfrequentie over een breed frequentiegebied mogelijk, maar het nadeel is dat je geen rekening kunt houden met bijvoorbeeld de effecten van het skin effect, omdat het aantal windingen niet constant is. In geschakelde pi filters liggen de parameters van de spoel zoals diameter, dikte van de geleidende laag en de afstand tussen de spoelen vast en daardoor wordt een uniform uitgangsvermogen over het hele frequentiegebied verkregen. Daarintegen ligt de Q van het uitgangscircuit vast door het vaste aantal aftakkingen, terwijl dat met een rolspoel continu gevarieerd kan worden. Voor het Tsunami project werd speciaal aandacht besteed aan duurzaamheid en betrouwbaarheid en daarom werd de rolspoel uit 8 mogelijke kandidaten op deze kenmerken geselecteerd. Met een modificatie aan het contactwiel werd het kortst mogelijke pad tussen rolspoel en de vacuum condensatoren gerealiseerd. Daarnaast waren gemotoriseerde condensatoren een vereiste voor de best mogelijke plaatsing van de twee pi filter condensatoren. Uitsluitend deze componenten zijn bepalend voor het frequentiebereik van de Tsunami vermogensversterker, dat loopt vanaf het middengolfdeel van de 160m band tot het einde van 10m. De kleine afwijkingen in de versterkingsfactor binnen de afzonderlijke banden kunnen makkelijk gecompenseerd worden met een wijziging van het ingangsvermogen.
De performance van de Tsunami ligt ver buiten dat wat voor traditionele radioamateurs gebruikelijk is. Je krijgt te maken met een andere dimensie van antennes, antenne tuners, kabelverbindingen enz. enz. Een 165 m loop antenne, een redelijke open voedingslijn en een goed gedimensioneerde antennetuner maakt soepel gebruik op alle genoemde banden mogelijk, maar grof buiten de machtigingsvoorwaarden gaan moet je niet eens overwegen. Omdat de auteur zich aan de regels houdt, is de Tsunami te koop – maar eerst moet de weddenschap gewonnen worden.
Uiteraard neemt de storingsproblematiek evenredig toe met het vermogen. Dus krijg je te maken met wat ongemakken, zoals in het geval van de auteur het braden van zijn DSL modem met HF. Daarom moet veel aandacht besteed worden aan de HF uitstraling van het systeem. Nadat ferrietringen opgenomen werden in de 230V en 400V netsnoeren was alles weer tiptop in orde.
Dus zijn gebraden DSL modems acceptabel voor medemensen? Natuurlijk niet! Zoals de Duitse filosoof Max Weber zei: Every human is responsible for his own bondage. Vrij vertaald: Met moet slechts zoveel vermogen maken als de omstandigheden en medemensen toelaten…!
Gebruikte accessoires:
 |
 |
 |
Fig.17-19 Antennetuner voor 15kW in acryl glas |
