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Mario, stadio driver HF 10W

MARIO, STADIO DRIVER HF 10W

La sera del 20 Febbraio 2016, a cavallo della mezzanotte che avrebbe portato a Domenica 21 Febbraio, mia Madre Angela ha subito la frattura del femore sinistro in seguito ad un incidente domestico. Ciò è avvenuto all’inizio della fase di realizzazione di Mario, dopo la sua progettazione. Il successivo intervento chirugico (perfettamente riuscito) di riduzione e sintesi con basic nail, la fase post-operatoria di riabilitazione ed il rientro a casa sono stati l’inizio di un percorso doloroso che, a causa di numerose complicazioni – di diversa origine tra loro - , si è concluso con il decesso di Lei la sera del 22 Ottobre 2016.

Durante questi 8 mesi, io sono stato mosso solo dal desiderio di poter aiutare mia Madre – in qualunque modo ne fossi stato capace – a riabilitarsi, e dalla speranza di completare Mario per poterlo utilizzare, un giorno, dopo il mio ritorno all’attività radioamatoriale.

Mario funziona. A modo suo, probabilmente, ma Mario funziona. Ed è stato testimone dell’agonia di mia Madre e dell’impegno di chi ha voluto aiutarla non a soffrire meno, ma a guarire.

Il successo della progettazione e realizzazione di Mario è interamente dedicato a Lei,
Madre Meravigliosa e Persona Pura
, che, a cena, dopo avermi ascoltato dalla cucina fare radio con la stazione sita in camera mia, mi domandava “Parrasti?” (in dialetto calabrese: “Hai parlato con qualcuno?”) oppure “Cu ‘ccu parrasti?” (“Con chi hai parlato?”). Al di là dell’intimo e lancinante dolore per la sua perdita, dell’amarezza e della delusione per come essa si è consumata, mi rimangono la consolazione per la fine della sua sofferenza e la speranza che, dal suo calvario, io sappia trovare i mezzi ed il modo per aiutare, se le circostanze me lo consentiranno, chi sia costretto a sostenere la stessa prova che ha dovuto affrontare Lei nell’ultima parte della sua vita.

INTRODUZIONE

Ai primi di Febbraio 2016 ho iniziato a pensare ad un amplificatore lineare da aggiungere alla mia stazione. Dopo un'attenta e ponderata (a tratti, "drammatica"...) riflessione, ho deciso di acquistare un prodotto commerciale, rinunciando all'autocostruzione: realizzarlo "in casa" sarebbe stato molto più divertente, ma estremamente dispendioso (leggasi: impossibile) dal punto di vista economico, per cui la mia scelta è caduta su un circuito a stato solido capace di erogare una potenza RF massima non superiore (nuovamente, leggasi: nettamente inferiore) al limite legale in vigore. La maggior parte dei lineari di questo tipo accetta una potenza RF in ingresso che non va oltre i 10-15W P.E.P., ma è piuttosto difficile riuscire ad impostare tale limite con il mio Kenwood TS-140S. Un'alternativa sarebbe stata l'utilizzare la potenza RF erogata dallo stadio driver, "aggirando" i due 2SC2879 dello stadio finale.  Ciò non è possibile, ma si può portare all'uscita dell'apparato (con un tratto di cavo coassiale - tipo RG174 - e due connettori coassiali da circuito stampato - serie TMP, prodotti dalla Taiko-Denki) il segnale RF, modulato o no, prodotto dalla unitá di segnale del TS-140S, bypassando (letteralmente) l'unità di potenza RF della radio, che - in tal modo - è utilizzata come generatore (sorgente) di segnale RF. Serve, però, un circuito per arrivare ai 10W richiesti dal lineare. Mi sono ricordato di una application note, pubblicata dalla Motorola, nella quale era recensito uno schema che faceva al caso mio. I componenti necessari c'erano (quasi) tutti. Così, ho iniziato a sviluppare il circuito stampato.

STADIO DRIVER

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Foto 01
IZ8JFD.it - PROGETTI: MARIO, STADIO DRIVER HF 15W
Foto 01 - Lo stadio driver.
Lo schema elettrico dello stadio driver di Mario è la versione modificata dello schema di un driver RF incluso nella application note 779 della Motorola ed il cui autore è Helge Granberg, ingegnere presso la stessa industria (divisione RF) e radioamatore (SK). Il documento inizia con la discussione di due degli obiettivi principali nella progettazione di un circuito amplificatore RF: la linearità e la reiezione alle armoniche. Una delle possibili soluzioni è un circuito in controfase con i componenti attivi (i transistors, nel caso di un circuito a stato solido) funzionanti in classe A, la più lineare tra tutte le classi di lavoro e quella che permette l'annullamento automatico delle armoniche pari. Però, la classe A offre una efficienza molto bassa (il rendimento reale oscilla tra il 25 ed il 35%); pertanto, è opportuno trovare un punto di lavoro (cioè, una polarizzazione) che garantisca una efficienza accettabile, ottenendo - al contempo - la linearità e l'abbattimento delle armoniche migliori possibili. Nella AN779, Granberg ha proposto un driver RF a due stadi, entrambi in controfase, con i transistors di ciascuna coppia polarizzati a metà strada tra la classe A e la classe AB. Detti stadi sono accoppiati, tra loro, grazie ad un trasformatore d'impedenza RF a larga banda (con rapporto Zin/Zout pari a 4:1) i cui avvolgimenti primario (predisposto con presa centrale per l'alimentazione elettrica dei transistors del primo stadio) e secondario sono stati realizzati su nucleo in ferrite. A sua volta, l'intero circuito driver è accoppiato alla sorgente RF collegata al suo ingresso, ed al carico sito alla sua uscita, con 2 trasformatori simili a quello interstadio (il trasformatore all'ingresso ha rapporto d'impedenza pari a 4:1, quello all'uscita è un 1:4 con presa centrale sul primario per l’alimentazione elettrica dei transistors del secondo stadio). Rispetto all'impostazione che Helge Granberg ha dato al progetto (utilizzo della configurazione controfase, bias compreso tra classe A ed AB, etc.), io non ho eseguito alcuna modifica. Però, esistono alcune differenze tra la AN779 e Mario, che ho introdotto - per scelta e/o per necessità - durante la progettazione e l'autocostruzione di quest'ultimo.

Ferriti

Sebbene l'application note indichi l'utilizzo della mescola 43 (prodotta dalla Fair-Rite) o della mescola 3B (prodotta dalla Ferroxcube) per i trasformatori d'impedenza RF e gli anellini in ferrite presenti nel circuito, io ho utilizzato la mescola 61 (Fair-Rite, corrispondente alla mescola 4C65 della Ferroxcube) per realizzare i primi e gli RFC numerati da 1 a 4 nello schema elettrico del driver (ciascuno pari a 10uH): il mix 43 ha permeabilità variabile entro le HF (pari a 850 ad 1 MHz, che diminuisce – progressivamente – all’aumentare della frequenza, fino a diventare 120, circa, a 30 MHz) ed è indicato per la soppressione della RF tra 25 e 30 MHz (cioè, può essere utilizzato per attenuare una eventuale RFI causata da segnali compresi in tale intervallo di frequenze); il mix 61 è un tipo di ferrite che ha permeabilità pari a 125 (costante fino a, circa, 30 MHz) ed è indicata dal produttore per applicazioni induttive fino a 25 MHz (da 25 a 30 MHz l'utilizzo del mix 61 non è controindicato, nè mostra sintomi di inefficienza). Precisamente:

  • per T1 e T2 ho utilizzato due nuclei binoculari in ferrite Amidon modello BN61-202;
  • T3 è stato autocostruito impiegando 5+5 nuclei toroidali FT37-61, il che ha consentito di ottenere un nucleo risultante di forma – quasi – binoculare (5 FT37-61 sono stati posti l’uno sull’altro per realizzare un “monocolo” cilindrico, al quale è stato affiancato il monocolo realizzato, allo stesso modo,  con gli altri 5 nuclei). I toroidi all’interno di ciascun gruppo sono tenuti in posizione mediante colla cianoacrilica (Attak);
  • gli RFC da 1 a 4 sono stati avvolti su nuclei toroidali FT50-61.
Nell’avvolgere T1, T2 e T3 è emersa un’altra differenza tra la mescola 43 e la mescola 61 per i nuclei in ferrite: usando il mix 43, per realizzare un trasformatore RF con rapporto spire 2:1 (e, di conseguenza, rapporto di impedenza Zin/Zout pari a 4:1), sono sufficienti 2 spire di conduttore isolato (smaltato o rivestito con guaina) per il primario (Zin=50Ω) ed 1 spira per il secondario (Zout=12.5Ω); con il mix 61, per avvolgere un nucleo binoculare avente le stesse dimensioni, sono necessarie 4 spire per l’avvolgimento primario e 2 spire per quello secondario, al fine di rendere efficiente il trasformatore in corrispondenza delle bande basse (al di sotto dei 14 MHz), compensando la bassa permeabilità del mix 61 (rispetto al mix 43) con un numero maggiore di spire (nuovamente, rispetto alla mescola 43). T1 è stato avvolto in questo modo; T2 ha un primario composto da 4+4 spire, con il center tap a potenziale di massa (per la RF) mediante C3, ed un secondario con 2 spire; T3 ha 2+2 spire al primario (con C10 che cortocircuita la RF a massa in corrispondenza del center tap) e 4 spire al secondario. T2 e T3 ospitano anche un terzo avvolgimento, i cui estremi sono collegati (ripettivamente) alle basi della prima e della seconda coppia di transisors, che – in tal modo – ricevono la RF necessaria al feedback negativo. Anche per detto terzo avvolgimento è stato necessario aumentare il numero di spire per rendere effeciente la ferrite 61 in corrispondenza delle bande basse: nella AN779 è sufficiente utilizzare i terminali delle resistenze di feedback, inserendoli all’interno di T2 e T3 (ferrite 43); nello schema elettrico dello stadio driver di Mario, il terzo avvolgimento in T2 e T3 (ferrite 61) è composto da 2+2 spire, con le resistenze di feedback (rispettivamente, R7 e R12) poste tra le due metà dell’avvolgimento a mò di “center tap”. Avevo una quantità sufficiente di anellini in ferrite da inserire alle estremità di ciascun terzo avvolgimento, ma - purtroppo - non ne conosco la mescola, mentre ho sostituito gli anellini applicati alle linee di alimentazione elettrica dirette ai diodi D1 e D2 con due nuclei toroidali Amidon FB73-2401 (il mix 73 può essere utilizzato per sopprimere la RF tra 1 e 300 MHz, vale a dire tutte le HF e tutte le VHF) sui quali ho avvolto quante più spire di rame smaltato mi è stato possibile (25, circa).

Transistors

Oltre al tipo di ferriti utilizzate, la differenza più importante tra la mia autocostruzione e la AN779 sta nei componenti attivi impiegati. Non avendo a disposizione gli stessi transistors presenti nello schema elettrico di Granberg, ho utilizzato componenti simili (ma non identici) che già avevo nel mio "laboratorio": nel primo stadio del circuito, una coppia di Mitsubishi 2SC2166 al posto dei MRF476 (Motorola) e, nel secondo stadio, una coppia di 2SC2133 (sempre, Mitsubishi) per sostituire gli MRF475 (nuovamente, Motorola). Entrambe le coppie di transistors sono polarizzate con il classico metodo del diodo collegato, in polarizzazione diretta, tra base ed emitter. Si, tratta, però, di un tipo di bias possibile in stadi di amplificazione RF a bassa/media potenza. Un altro aspetto interessante da notare nel progetto di Granberg è l'aver aumentato la corrente di stand-by (al di sopra di quanto raccomandato nel rispettivo datasheet) in ciascun transistor del driver, al fine di minimizzare l'entità dei prodotti della distorsione da intermodulazione ed incrementare la soppressione delle armoniche (vale a dire, impostando un punto di lavoro compreso tra la classe A e la classe AB): nel caso di Mario, le resistenze di limitazione in serie ai diodi D1 e D2 presenti nella AN779 (e pari, ciascuna, ad 82 Ohm/3W)  avevano valore troppo basso per i 4 transistors Mitsubishi da me utilizzati - i quali, in trasmissione, erano percorsi da una corrente di riposo troppo elevata, raggiungendo valori di temperatura preoccupanti -, e sono state sostituite da una resistenza pari a 220 Ohm/5 W per la coppia di 2SC2166 ed una seconda resistenza pari a 150 Ohm/5 W per i 2SC3133. In tal modo, nessun transistor surriscalda ed io spero che siano rimaste (quanto più possibile) inalterate le altre caratteristiche - punto di lavoro, linearitá, reiezione alle armoniche, etc. - previste da Helge Granberg per la AN779. Dico, sinceramente, che non ho controllato (per mancanza di strumenti, conoscenze, etc.) se le correnti di riposo dei 2SC di Mario corrispondono a quelle degli MRF della AN779, nè se il funzionamento dello stadio driver è paragonabile (in termini di IMD, reiezione alle armoniche, linearità, guadagno, etc.) a quello del circuito progettato, realizzato e testato da Helge Granberg. Ho autocostruito Mario e l'ho utilizzato immediatamente, sperando che fosse un degno sostituto del driver RF da cui ho preso spunto. I riscontri degli OM che hanno ascoltato la mia emissione, per fortuna, confermano che è così.

STADIO DI COMMUTAZIONE

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Foto 02
IZ8JFD.it - PROGETTI: MARIO, STADIO DRIVER HF 15W
Foto 02 - Lo stadio di commutazione.
Dato che Mario è collegato alla stessa antenna che utilizzo per la trasmissione e la ricezione, è necessario un sistema per bypassare lo stadio driver durante l'ascolto. Ho sviluppato uno stadio di commutazione, interamente elettromeccanico, basato su due relè - ognuno con bobina a 12Vdc: il primo relè, due contatti/uno scambio, realizza la commutazione tra RX e TX, rispettivamente, cortocircuitando (tra loro) i connettori coassiali di ingresso e uscita di Mario, e collegando lo stadio driver alla sorgente RF dalla quale proviene il segnale da amplificare ed all'antenna (o al successivo carico utilizzatore). Il secondo relè, due contatti/uno scambio, può essere considerato un relè di "servizio": in trasmissione, i pins del primo contatto trasportano la tensione continua di polarizzazione (cioè, la tensione di bias) alle basi (ai gates) dei transistors RF (dei mosfets) dello stadio preamplificatore e dello stadio driver. I pins del secondo contatto rappresentano una sorta di PTT con il quale si può commutare, tra RX e TX, un altro circuito. Allo stesso modo in cui la sorgente RF innesca la commutazione per Mario: i due MOSfets che pilotano i relè di questo stadio di commutazione hanno i rispettivi sources collegati a massa mediante il connettore J1, il quale - a sua volta - è collegato al PTT (o a qualunque componente ne faccia le veci) della sorgente posta all'ingresso dello stadio driver. Pertanto, va in trasmissione la sorgente e - a catena - succede lo stesso per Mario e (grazie ad RL2) per un eventuale terzo circuito. La successione si ripete, identica, nel momento in cui la sorgente RF funziona in ricezione.

STADIO PREAMPLIFICATORE

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Foto 03
IZ8JFD.it - PROGETTI: MARIO, STADIO DRIVER HF 15W
Foto 02 - Lo stadio di commutazione.
Dopo l'autocostruzione e le prime prove di funzionamento di Mario, ho verificato che, applicando all'ingresso di questo tutta la RF che la signal unit del mio TS-140S può produrre - la potenza erogata da Mario è pari a 1W CW, circa. Prendendo come riferimento tale parametro ed i 20dB di guadagno che mi aspettavo (per lo stadio driver progettato da Granberg, e pubblicato con la AN779, i dB di guadagno dichiarati sono 25), opportuni calcoli mi hanno portato a concludere che la signal unit del TS-140S eroga (approssimativamente) 10mW CW, insufficienti per pilotare i due 2SC2166 (la cui configurazione push-pull è notoriamente "esigente" in termini di consistenza del segnale di pilotaggio) e permettere a Mario di erogare 10 Watt CW a piena potenza. Gli stadi driver e di commutazione erano stati progettati e realizzati correttamente, ragion per cui non si trattava di un loro malfunzionamento, ma della necessitá di aggiungere uno stadio preamplificatore RF all'ingresso di Mario. Per questo stadio, ho utilizzato un transistor 2SC1973 - polarizzato in classe A - mediante il quale è possibile ottenere, a partire dai 10mW CW del mio TS-140S, i 100mW CW necessari per pilotare appieno lo stadio driver. A dire il vero, il 2SC1973 ha un guadagno in potenza pari a 15dB, circa: pertanto, la potenza RF da esso erogata  arriva, più o meno, a 350mW. Agendo sul potenziometro a slitta PWR del TS-140S è possibile fermarsi a 100mW, nonostante detto slider sia un controllo decisamente scomodo. Per adattare questo stadio preamplificatore, in ingresso, ai 50 Ohm richiesti per la connessione all'uscita dell'RTX è stato utilizzato un trasformatore d’impedenza RF avvolto su nucleo binoculare in ferrite Amidon BN61-202, con primario composto da 4 spire di monofilo in rame (smaltato o rivestito con guaina) e secondario realizzato con 3 spire di conduttore dello stesso tipo (il rapporto di trasformazione Zin/Zout – di conseguenza – è pari a 1.78:1, da 50 a 28 Ohm); l’uscita del preamplificatore è stata accoppiata all’ingresso dello stadio driver di Mario mediante un secondo trasformatore d'impedenza RF realizzato – nuovamente - su un nucleo binoculare in ferrite Amidon BN61-202, avente rapporto di trasformazione pari a 2.25:1 (da 112.5 a 50 Ohm), con 6 spire al primario e 4 spire al secondario (per entrambi i trasformatori valgono le considerazioni espresse nel paragrafo “Stadio Driver” a proposito delle differenze tra la ferrite in mescola 43 e quella in mescola 61). Va sottolineata la presenza, nel trasformatore RF d’uscita di questo preamplificatore, di un terzo avvolgimento (composto da 4 spire) che rappresenta l’induttanza (L1) nella rete RLC di feedback negativo, presente tra il collettore e la base del 2SC1973, cui spetta il compito di normalizzare il guadagno del transistor lungo lo spettro delle HF. Inoltre, la commutazione tra ricezione e trasmissione è possibile mediante un relè due contatti/uno scambio la cui presenza consente, all'occorrenza, di escludere l'intero stadio preamplificatore qualora sia disponibile un segnale RF di ampiezza sufficiente a pilotare lo stadio driver senza alcuna preventiva amplificazione.