L’UTILISATION DES TRANSISTORS MOSFET GRAND PUBLIC EN
AMPLIFICATION RF DE PUISSANCE
Par F1IEY – 11/2016
Aujourd’hui,
grâce à l’évolution de l’informatique et surtout des alimentations à découpage,
on trouve des transistors MOSFET pour un prix inférieur à 1 Euros / pièce. Ils permettent d’atteindre une
puissance de quelques dizaines de Watts sur les bandes décamétriques, certains
modèles à peine plus chers peuvent donner plusieurs centaines de Watts.
Beaucoup
d’Oms ont expérimenté avec ce type de transistor et les publications ne se
comptent plus sur internet, ce type de composant est devenu «incontournable»
chez les Radioamateurs.
1 –De comprendre
leurs avantages et leurs inconvénients.
2 – D’expliquer leur
fonctionnement et leurs limites en RF.
3 –De faire quelques
essais et mesures sur un prototype.
G= Grille, S= Source, D= Drain
Il existe aussi une version canal-P mais elle est rarement utilisée.
Le MOSFET est un transistor à effet de champ à grille isolée.
MOSFET est un acronyme anglais de Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor, il se traduit par transistor à effet de champ à structure
métal-oxyde-semiconducteur).
On
peut faire la parallèle entre le Mosfet canal-N et le transistor bipolaire NPN et
entre le Mosfet canal-P et le transistor bipolaire PNP.
AVANTAGE :
-
Impédance d’entrée très
élevée. Contrairement à un transistor bipolaire, le MOSFET n’a pas besoin de
courant de commande il se commande en tension. Le circuit de polarisation
devient très simple.
-
Le prix, moins de 1 Euros
pour les modèles courants (IRF510, IRF530, IRFZ24N.. etc). L’expérimentation
amateur est bon marché.
-
Rdson très faible
permettant de commuter des courants importants.
INCONVENIENT :
-
Les capacités internes
élevées influent sur le temps de commutation. La capacité d’entrée est élevée (entre
Grille et Source) ce qui diminue le gain aux fréquences hautes.
-
Le risque d’emballement
thermique, il faut surdimensionner le dissipateur ou prévoir une ventilation
(ou les deux).
Deux configurations d’amplificateur:
- Single stage
- Push-PullAmplificateur à un seul transistor :
Schéma électronique
Le transistor amplificateur est un IRF530 monté sur radiateur.
Le schéma est très classique.
Le potentiomètre de 10K règle la tension de polarisation de
grille et donc le point de fonctionnement du transistor. La tension de départ doit
être régulée par un régulateur intégré ou une diode Zener pour stabiliser le
point de fonctionnement.
TR1 et TR2 sont des transformateurs à large bande, l’ampli
pourrait travailler de 1 à 30 MHZ mais le filtre passe – bas en sortie est
prévu pour couper au dessus de 8 MHZ.
En classe « C »
sous 13,8V et avec 0.5Watts d’excitation à l’entrée de TR1 on dépasse les
10Watts en sortie.
Conclusion de ce montage:
😃 Montage très simple à construire et à
régler.
😞 Si on veut augmenter la
puissance de sortie il faut augmenter la tension d’alimentation (dans les
limites du transistor bien entendu) ce qui oblige d’avoir une alimentation
séparée avec une tension spécifique.
😞 L’harmonique 2 est très présente dans le signal de sortie, le
montage doit être suivi d’un filtre passe-bas efficace.
Amplificateur Push-Pull :
Schéma
électronique
Le schéma est inspiré de l'amplificateur STRONG V1 de F6BCU .
L’atténuateur permet aussi de stabiliser
l’impédance d’entrée sur une large bande de fréquence.
Les transfos (TR1 et TR2):
TR1 est un transfo large
bande bobiné sur un tore ferrite FT 50-43, le rapport est de 1/1, son rôle est
de fournir 2 signaux déphasés de 180° pour alimenter les transistors. Quand un
transistor conduit l’autre est bloqué et inversement…
Les drains des 2 transistors
sont reliés à TR2 qui a pour rôle de recomposer le signal. C’est aussi un
transfo large bande mais il est différent de TR1 car il doit encaisser la
puissance de sortie et travailler avec une impédance très faible.
L’impédance au primaire est environ égale à 2x (U²/PW)
Pour un PA de 50 Watts
alimenté sous 13,8V on a environ
2x (13,8²/50)= 7,6 Ohms
TR2 devrait en théorie élever
l’impédance par 6,6 pour trouver nos 50 Ohms
habituels en sortie mais dans la pratique on aura affaire à un compromis car le
tube de cuivre qui constitue le primaire vaut une spire, les rapports de
transformation seront alors de 4, 9, 16… il faudra choisir le plus proche et
faire des essais.
Il suffit simplement de
fixer une tension sur la grille qui va provoquer une entrée en conduction du
transistor MOSFET et un courant de drain qu’on appelle « courant de
repos ».
Le réglage se fait avec un
Ampèremètre placé en série dans l’alimentation de l’ampli et se limite à
tourner le potentiomètre de 10K pour créer un courant de repos d’environ 100mA par transistor.
Pour rappel, la grille est
à haute impédance, elle ne consomme pas de courant, un simple potentiomètre
alimenté par une Zener ou un petit régulateur intégré est donc suffisant. Il vaut mieux prévoir un réglage indépendant
pour chaque transistor.
Quelques photos d’un prototype en construction:
On voit la fabrication du
transfo de sortie.
Il a autant de mécanique
que d’électronique. Attention aux taraudages dans l’aluminium !
Montage terminé, on voit
bien les relais qui servent à commuter les filtres « passe-bas »
en fonction des bandes.
Conclusion de ce montage:
😃
Les harmoniques paires sont supprimées, le spectre de sortie est plus propre.
😄 La puissance de sortie est importante même sous 13,8V.
😞
Plus compliqué à construire et plus coûteux.
Comment protéger un amplificateur à MOSFET contre ROS
et température élevés:
Le principe :
On
mesure le ROS et la température.
-
Si le ROS dépasse 3 on bloque les transistors pour les protéger.
-
Lorsque la température du radiateur atteint 40°c on met le ventilateur en
marche.
La mesure du ROS:
Le ROS est mesuré avec un réflectomètre, il peut être
fabriqué ou récupérer sur un ancien rosmètre. Plusieurs schémas sont possibles ici c’est un pont de Bruene, il
fonctionne très bien jusqu’à 30 MHZ.
Il est construit dans un petit boîtier en fer blanc de récupération.
La Protection thermique:
La température est surveillée par une NTC placée en contact avec le radiateur des transistors. Elle est reliée à l’entrée « + » d’un comparateur à ampli OP (IC1 4/4). Le réglage du seuil se fait avec le potentiomètre de 10K. La valeur noté « R » est égale à celle de la NTC. Dès que la valeur de consigne est atteinte la sortie du comparateur bascule à « 1 », le ventilateur est alors alimenté via le transistor IRF530. Un hystérésis est prévu (résistance de 1M entre les pattes 12 et 14 de IC1 4/4).
La tension REF en sortie du réflectomètre est
comparée à une valeur de consigne réglable par un potentiomètre de 10K (patte 2
de IC1 4/4). Dès que la valeur de consigne est atteinte la sortie du
comparateur bascule à « 1 » et le transistor 2N2222 commande un
relais qui coupe la tension de polarisation de l’amplificateur, la puissance de
sortie tombe à zéro. Le contact de ce relais est simplement inséré entre le +13V8 et l'entrée du régulateur 78L05 qui alimente le circuit de polarisation.
Lorsque le défaut a disparu
il suffit de réarmer la protection en appuyant sur le bouton reset.
Quelques photos du modèle équipé des protections:
