RM Italy BLA350V, alcune modifiche

L’amplificatore lineare BLA350V, prodotto dalla RM Italy, è un dispositivo progettato per le bande radioamatoriali in HF che utilizza 2 MOSfets di potenza RF, una coppia di Macom MRF150, capaci di erogare una potenza media pari a 250W da 1 a 30 MHz. Tra i vantaggi di questo amplificatore, vi sono la presenza:

• di un alimentatore entrocontenuto;
• di una serie di filtri passa basso, che minimizzano l’emissione di armoniche qualunque sia la banda operativa dell’amplificatore;
• di diverse misure di protezione che garantiscono al BLA350V un funzionamento regolare e garantito nel tempo.

Ciò permette di considerare, a ragion veduta, il BLA350V come un lineare completo, robusto ed affidabile. Tuttavia, osservando bene il circuito dell’amplificatore, ho notato alcune imperfezioni alle quali mi sono permesso di trovare un’alternativa. Dopo aver aspettato che passassero i 2 anni di garanzia per l’amplificatore, ho deciso di intervenire.

ATTENZIONE!

Le modifiche di seguito descritte sono state pianificate ed eseguite al solo ed esclusivo scopo di ottimizzare e rendere più lineare, ove possibile, il funzionamento dell'amplificatore. Ogni altra caratteristica del BLA350V (inclusa la sua potenza RF d’uscita), a modifiche avvenute, rimane invariata. Pertanto, l’Autore di questo documento declina qualunque responsabilità nel caso dette modifiche vengano eseguite per qualunque altra finalità.

Inoltre, qualora si intenda agire su un amplificatore BLA350V coperto da garanzia post-vendita, qualunque modifica apportata ad esso (a partire dalla violazione dei sigilli apposti dal Produttore) comporta la decadenza immediata di detta garanzia. Pertanto, anche in questo caso, l’Autore di questo documento declina ogni responsabilità per l’esecuzione delle seguenti modifiche su esemplari di amplificatore lineare BLA350V per i quali la garanzia è in vigore.

Anzitutto, la resa del lineare dai 160 ai 10m, prima di essere modificato.

Test 160m

Test 80m

Test 40m

Test 20m

Test 10m

Il trasformatore RF d’ingresso T2 è caratterizzato da:

• un avvolgimento primario di tipo filare, composto da 3 spire;
• un avvolgimento secondario di tipo tubolare, consistente in due tubicini d’ottone, uniti ad una estremità, che costituiscono 1 spira;
• un rapporto spire primario:secondario pari a 3:1. E, di conseguenza, un rapporto Zin/Zout pari a 9:1 (50 Ohm : 5.5 Ohm);
• un nucleo di ferrite tipo Amidon BN43-202 (mescola di ferrite 43).

Il ruolo di T2 è adattare i 50 Ohm sbilanciati dell’ingresso del BLA350V all’impedenza d’ingresso dei due MOSfets MRF150 (pari a 5.5 Ohm bilanciati, circa). La decisione di modificarlo è nata dopo aver osservato che la resa del lineare era minore sulle bande più basse, come 80 e 160m, dove il BLA350V erogava tra 200 e 300W. Una possibile causa di tale comportamento poteva essere il nucleo di T2:
se la permeabilità della ferrite non era sufficientemente alta, il suo secondario (tubolare, 1 spira) non avrebbe avuto abbastanza induttanza per accoppiarsi con il flusso magnetico generato dal primario e consentire un trasferimento efficiente di energia RF, in particolare alle frequenze più basse.
I seguenti video mostrano il comportamento di T2 di 160 ai 10m, su un carico resistivo pari a 5.5 Ohm/4W.

Test 160m

Test 80m

Test 40m

Test 20m

Test 10m

La modifica che ho realizzato consiste in due trasformatori d’impedenza, in serie l’uno all’altro, che verranno referenziati come T2a e T2b. Le ragioni di tale modifica emergeranno dalla descrizione seguente.

T2a

• avvolgimento primario di tipo filare, 3 spire, con un condensatore da 33pF in parallelo;
• avvolgimento secondario di tipo filare, 2 spire, con un condensatore da 100pF in parallelo;
• rapporto spire primario:secondario pari a 3:2, rapporto Zin/Zout 2.25:1 (50 Ohm : 22 Ohm);
• 2 nuclei di ferrite tipo Amidon BN61-202 (mescola di ferrite 61).

L’uso di due nuclei obbliga all’impiego di avvolgimenti più lunghi e, di conseguenza, aventi più induttanza, particolare utile nella parte bassa delle HF. Inoltre, la ferrite 61 ha permeabilità pari a 125, costante fino a 30 MHz. Una bassa permeabilità consente di realizzare avvolgimenti con 2 o più spire senza che l’induttanza risultante sia talmente alta da provocare ROS elevato sulla metà alta delle HF, situazione complicata da risolvere con una capacità in parallelo ad un tale avvolgimento.
I video seguenti illustrano il comportamento di T2a dai 160 ai 10m (su carico resistivo pari a 22 Ohm/8W).

Test 160m

Test 80m

Test 40m

Test 20m

Test 10m

T2b

• avvolgimento primario di tipo filare, 2 spire;
• avvolgimento secondario di tipo filare, 1 spira, con un condensatore da 820pF in parallelo;
• rapporto spire primario:secondario pari a 2:1, rapporto Zin/Zout 4:1 (22 Ohm : 5.5 Ohm);
• 2 nuclei di ferrite tipo Amidon BN43-202 (mescola di ferrite 43).

L’uso di due nuclei è motivato delle stesse considerazioni già espresse per T2a. La ferrite 43 ha una permeabilità pari a 850 ad 1 MHz, che decresce progressivamente all’aumentare della frequenza, arrivando a 150 (circa) a 30 MHz. Ciò si rivela utile per il secondario di T2b, la cui unica spira può disporre di una induttanza adeguata sulle bande basse. Il primario del trasformatore, a sua volta, rispecchia il secondario di T2a, allo scopo di permettere un accoppiamento ottimale con esso.
I video sottostanti mostrano il comportamento di T2a e T2b, collegati in serie tra loro, su un carico resistivo composto da 4 resistenze, ciascuna pari a 22 Ohm/2W, collegate in parallelo. Nei tests, T2a e T2b sono collegati in serie, ma sono disposti fisicamente in parallelo l’uno all’altro, per valutare il loro funzionamento nella stessa posizione in cui sarebbero stati montati all’interno del BLA350V.

Test 160m

Test 80m

Test 40m

Test 20m

Test 10m

Dopo aver realizzato T2a e T2b:

• si rimuove il condensatore da 33pF in parallelo al primario di T2a;
• si collega il secondario di T2a al primario di T2b, e si pone un condensatore da 220pF in parallelo a detti avvolgimenti;
• si rimuove il carico resistivo da 5.5 Ohm/8W dal secondario di T2b;
• le due coppie di nuclei vanno disposte in parallelo tra loro, in modo che i due trasformatori vengano saldati in verticale rispetto allo stampato del BLA350V.

Dopodichè:

1. si dissaldano i terminali dell’avvolgimento primario di T2, appoggiando la punta del saldatore ai reofori e rimuovendo con cautela le estremità dell’avvolgimento dallo stampato;
2. per dissaldare i tubi in ottone che compongono l’avvolgimento secondario, è necessario utilizzare un saldatore da 100W (con punta piatta, tipo cacciavite) ed uno da 25W:
   

   • la punta del saldatore da 25W va applicata sullo stagno che cortocircuita i tubi;
   • dall’altra parte di T2, la punta del saldatore da 100W si applica tra le estremità dei tubi collegate a C14/C15 e C16/C17, per sciogliere lo stagno su entrambi i pads;

   

   • con la massima attenzione, si rimuove T2 dallo stampato;
   • si puliscono i pads con il saldatore, e si rimuove qualunque residuo di stagno dal circuito stampato.
3. si rimuove C12 dallo stampato, con la stessa tecnica usata al punto 1, e si monta un condensatore da 22pF al suo posto;
4. si salda un condensatore da 820pF sui pads cui era saldato il secondario di T2;
5. si montano T2a e T2b al posto di T2:
   • il primario di T2a (3 spire) va saldato ai reofori cui era saldato il primario di T2;
   • il secondario di T2b (1 spira) va saldato ai pads cui era collegato il secondario (i tubicini) di T2;
6. si verifica che tutto sia avvenuto correttamente e senza danni.

A modifica completata, il nuovo T2 dovrebbe apparire così.

Le due coppie di condensatori C14/C15 e C16/C17, poste tra il secondario di T2 ed i due MOSfets Macom MRF150, servono ad impedire che la tensione di bias applicata ad uno di essi possa giungere all’altro transistor, attraverso detto secondario. Poiché un MRF150 può richiedere una Vgs diversa dall’altro, è necessario impedire che le due tensioni di polarizzazione possano sovrapporsi. Ciascuna coppia di condensatori ha una capacità pari a 4,4nF. Innalzando tale valore si consente alla RF (specialmente alle frequenze inferiori a 7 MHz) di raggiungere più agevolmente i due MOSfets, migliorando la resa del lineare sulle bande OM più basse. Allo stesso tempo, le due Vgs rimangono isolate l’una dall’altra. Ho applicato un condensatore ceramico pari a 100nF, in parallelo a ciascuna coppia: la foto che segue illustra la modifica.

A valle dei condensatori C14/C15 e C16/C17, sono i gates dei due Macom MRF150. Su tali terminali arriva la RF che attraversa tali condensatori e la tensione di bias (Vgs) per ciascun transistor. L’unico componente che riferisce a massa tali tensioni è l’impedenza d’ingresso di ogni MOSfet: ma l’impedenza d’ingresso varia al variare della frequenza del segnale applicato ai transistors, alla pari di come varia il loro guadagno. L’uso di una resistenza (Rgs) tra il gate di ciascun MRF150 e la massa rappresenta un riferimento il cui valore è indipendente dalla RF e rende più lineare il funzionamento dell’amplificatore. Ciascuna Rgs deve avere un valore sufficientemente alto per non costituire un elemento di perdita per la RF e la tensione di bias che arrivano ad ogni MOSfet: prendendo a riferimento l’EB104 pubblicato dalla Motorola, ho utilizzato due resistenze da 10 kOhm/¼ W ed ho saldato ciascuna di esse tra il gate ed uno dei due sources di ogni MRF150, come si può constatare nella foto che segue.

T4 è il trasformatore usato per accoppiare l’uscita dei due MOSfets MRF150 all’ingresso del filtro passa basso attivo entro il lineare. Il suo avvolgimento primario è realizzato con due tubicini in ottone, cortocircuitati ad una estremità, che costituiscono 1 spira; il suo secondario è un tratto di filo isolato con cui sono state realizzate 2 spire. Poiché il rapporto spire primario:secondario, è pari a 1:2, il rapporto tra le impedenze è pari a 1:4 (il suo quadrato):

• impedenza d’ingresso 12.5 Ohm (l’impedenza drain-to-drain degli MRF150);
• impedenza d’uscita 50 Ohm (l’impedenza d’ingresso di ciascuno dei filtri passa basso).

Per T4 è stato utilizzato un nucleo in ferrite di tipo binoculare (multi-aperture core, anche detto pig-nose core): io non conosco la mescola utilizzata per produrre tale nucleo, ma è realistico pensare che si tratti di un nucleo BN-43-7051 (mescola 43). Basta avvicinarlo al trasformatore RF d’uscita del mio TS-140S (Pout = 100W max.) per rendersi conto che T4 è abbondantemente sottodimensionato ed incapace di ospitare il flusso magnetico generato da 300W di RF senza avere perdite inutili e dannose. L’unica alternativa è sostituire T4 con un trasformatore che abbia caratteristiche simili, ma sia dimensionato per sopportare la potenza in gioco.

Lo schema elettrico del BLA350V dice che il primario di T4 è collegato ad un generatore RF bilanciato (l’uscita dello stadio di potenza RF del lineare, in configurazione push-pull), mentre il suo secondario è collegato ad un carico sbilanciato (l’ingresso dei filtri passa basso). Inoltre, il primario di T4 non ha il center tap, la presa intermedia che serve a far arrivare l’alimentazione elettrica ai due MRF150.
In questa situazione, il miglior sostituto per T4 è un balun. Precisamente, un balun che abbia un lato con impedenza pari a 12.5 Ohm bilanciati, e l’altro lato pari a 50 Ohm sbilanciati. Il balun W2FMI-4:1-HB50, realizzato da Jerry Sevick (W2FMI, SK) e presentato nel libro “Transmission Line Transformers Handbook” pubblicato dalla Amidon, ha tali caratteristiche:

• si tratta di un balun il cui schema deriva da quello del balun Guanella (balun in corrente);
• non utilizza avvolgimenti primario e secondario, ma linee di trasmissione opportunamente collegate tra loro. Pertanto, ha una banda passante maggiore ed un rapporto Zin/Zout costante rispetto ad un trasformatore tradizionale (ad accoppiamento induttivo);
• ciascuna linea è stata avvolta su una bacchetta di ferrite Amidon R61-037-300;
• il balun sopporta fino a 1kW di potenza RF ed ha una efficienza pari al 99%.

Dopo aver ricevuto dalla Amidon i componenti necessari per realizzare il W2FMI-4:1-HB50, ho seguito le istruzioni del Dr. Sevick ed ho testato la mia autocostruzione su un carico resistivo (4 resistenze da 12 Ohm/2W in serie-parallelo tra loro). Il risultato ha confermato le caratteristiche del balun, ed è riscontrabile nei seguenti video.

Balun W2FMI-4:1-HB50
Test conditions

Balun W2FMI-4:1-HB50
160m test

Balun W2FMI-4:1-HB50
20m test

Balun W2FMI-4:1-HB50
10m test

Sostituire T4 con il balun 4:1 può avvenire per sovrapposizione. Vale a dire, i terminali d’ingresso del balun possono essere saldati ai pads cui sono saldati quelli di T4; lo stesso vale per i terminali d’uscita. Non è necessaria alcuna altra modifica al circuito del BLA350V. Dopo aver aperto lo chassis dell’amplificatore, i passi da seguire per la sostituzione sono i seguenti:

1. E’ necessario dissaldare i terminali dell’avvolgimento secondario di T4. Non serve rimuovere l’intero circuito stampato dallo chassis: si applica la punta del saldatore al reoforo cui è saldato ciascuno di tali terminali, fino a che lo stagno non si scioglie. Ora, si rimuova l’estremità dell’avvolgimento dallo stampato. Dopo aver dissaldato entrambi i capi del secondario, il primo passo è eseguito.
2. Bisogna dissaldare i tubi in ottone che compongono l’avvolgimento primario di T4. Il modo migliore per farlo è utilizzare due saldatori da 100W ciascuno (con punta piatta, tipo cacciavite):
   1. la punta di uno dei saldatori va applicata sullo stagno che cortocircuita i tubi;
   2. dall’altra parte di T4, la punta del secondo saldatore si applica tra le estremità dei tubi collegate a C21 e C22, in modo che riesca a sciogliere lo stagno contemporaneamente su entrambi i pads cui dette estremità sono saldate;
   3. esercitando la massima attenzione per evitare di danneggiare T4, i suoi pads, ed il resto dei circuito del lineare, si rimuove il trasformatore dallo stampato del BLA350V;
   4. si pulisce ciascun pad con il saldatore, livellando eventuali sporgenze verticali di stagno, e ci si assicura che non vi sia alcun residuo libero di stagno (palline, filamenti, etc.) sul circuito stampato.
3. Ora, il balun W2FMI-4:1-HB50 va montato al posto di T4. Rispetto ad esso, il balun ha dimensioni più impegnative. Molto probabilmente, sarà necessario lasciarlo a qualche centimetro al di sopra dello stampato, ed utilizzare delle “prolunghe” in rame smaltato per collegare i suoi terminali al circuito del BLA350V. Comunque:
   • sul lato ove le linee di trasmissione del balun sono collegate in serie tra loro (lato a 50 Ohm sbilanciati), i due estremi liberi vanno collegati ai reofori cui erano saldati i terminali dell’avvolgimento primario di T4 (l’avvolgimento filare);
   • sul lato ove le linee di trasmissione del balun sono collegate in parallelo tra loro (lato a 12.5 Ohm bilanciati), i due estremi di tale parallelo vanno collegati ai pads cui erano saldate le estremità dell’avvolgimento primario di T4 (l’avvolgimento tubolare).
4. A sostituzione effettuata, bisogna controllare che tutto sia avvenuto in modo corretto, senza alcun danno, e che non vi sia alcun corpo (stagno o altro) libero di muoversi sullo stampato del lineare.

Prima di testare il BLA350V, sono necessarie altre 2 piccole modifiche: la RF, dopo essere uscita da T4 (ora, dal balun), attraversa due toroidi siglati T5 e T6, ma il conduttore che trasporta la radiofrequenza all’interno di essi è sottodimensionato rispetto ai 300W erogati dal lineare. La sproporzione è evidente confrontando il suo diametro con il diametro del rame smaltato con cui sono avvolti i toroidi nei filtri passa basso dell’amplificatore. Entro T5 che T6 si trova un tubicino in ottone saldato (ad una estremità) allo stampato del lineare: il conduttore da sostituire, per entrambi i toroidi, è all’interno del tubicino, e va dissaldato/rimosso con la massima attenzione e la massima pazienza. Il nuovo conduttore (in rame smaltato) deve avere un diametro pari a quello delle linee di trasmissione del balun che ha sostituito T4, o non inferiore a quello del rame smaltato nei filtri d’uscita dell’amplificatore.

La modifica più antipatica. Date le loro dimensioni ed il modo in cui sono stati installati, T2a, T2b ed il balun che ha sostituito T4 richiedono lo spazio occupato dalla ventola che si trova sul pannello superiore dello chassis. Per poterlo chiudere correttamente, è necessario spostare la ventola al di sopra del pannello, in modo che rimanga al di fuori del BLA350V. L’estetica del lineare è molto migliore se la ventola rimane all’interno, ma se l’amplificatore si trova nel punto più alto dello shack, per dissipare correttamente il calore generato, questa modifica può anche passare inosservata.

Il test di funzionamento del BLA350V va eseguito su carico fittizio collegato all’uscita del lineare, e consiste nel verificare che la potenza RF d’uscita non è inferiore a 250W. Io ho ripreso le prove eseguite con il mio BLA350V, ed i filmati si trovano più sotto.

BLA350V
Test conditions

Test 160m

Test 80m

Test 40m

Test 20m

Test 10m

Se volete, dopo aver eseguito dette prove su ciascuna delle bande operative dell’amplificatore, c’è un altro test particolare. Con il BLA350V in stand-by, provate a toccare il balun che ha sostituito T4: i conduttori delle due linee di trasmissione possono scottare, le bacchette in ferrite sono tiepide.

Un Macom MRF150 è un transistor di potenza RF con un guadagno pari a 17dB. Vale a dire, la potenza output è 50 volte (circa) la potenza in ingresso. Tutti i test di funzionamento che ho realizzato con il mio BLA350V sono stati eseguiti con una potenza di pilotaggio pari a 10W. Che si dimezzano in presenza dell’attenuatore siglato ATT1. Pertanto, ai due MRF150 arrivano 5W, e da tali MOSfets escono 250W. Questa è la potenza nominale del BLA350V: qualunque altra misurazione è il risultato di armoniche e spurie che si sommano al segnale utile erogato dall’amplificatore.
Come detto all’inizio di questo documento, le modifiche ivi descritte non sono state apportate per aumentare la resa del BLA350V, ma per eliminare alcune inefficienze che ho riscontrato e per ottimizzare (rendere ancor più lineare) il suo funzionamento. A questo punto, è perfettamente normale che:

• la potenza RF d’uscita non sia aumentata, rispetto ai valori misurati prima delle modifiche. Ancor meglio se è diminuita: significa che è diminuita l’emissione di armoniche, e che l’amplificatore funziona in maniera ancor più lineare;
• sia diminuita la differenza, in termini di potenza RF output, tra una banda operativa del BLA350V e la banda successiva (o la precedente). Ciò è dovuto, oltre che all’aumento di linearità, al fatto che il guadagno dell’amplificatore si è stabilizzato nell’intervallo delle HF.

Tuttavia, rimane un’ultima modifica, che non ho eseguito per mancanza della componentistica necessaria: il ritocco dei filtri passa basso d’uscita. Modifica che, se eseguita correttamente, ridurrebbe la potenza RF erogata dal BLA350V su molte bande, eliminando le armoniche alla base delle false letture di potenza RF output, dai 345W in 10m ai 450W in 40m. E livellando l’amplificazione ai 250-300W che questo ottimo lineare può produrre con un input pari a 10W o poco più.