AMPLIFICATEUR RF A MOSFET

L’UTILISATION DES TRANSISTORS MOSFET GRAND PUBLIC  EN  AMPLIFICATION RF DE PUISSANCE

Par F1IEY – 11/2016

 Autrefois, il fallait faire appel à des transistors spécifiques et coûteux dès qu’on voulait construire un amplificateur RF dépassant quelques Watts.

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.

 L’objectif de cette présentation est :

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.

 Représentation schématique d’un MOSFET (canal – N) :

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-Pull

   Amplificateur 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.

                                          Exemple de réalisation

                                         Le petit boîtier à droite est un ROS mètre à tores

                                         ROS mètre à tores

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 .

 Un atténuateur est placé à l’entrée, il devra être calculé pour faire chuter la puissance de l’émetteur à 1 Watt environ, ce qui est largement suffisant pour exciter un push pull d’IRFZ24N et sortir une cinquantaine de Watts sur 40m, dans ces condition l’amplification est bien linéaire.

 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.

 Le circuit de polarisation:

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).

 Protection ROS élevé:

L'ampli op IC1 2/4 est câblé en suiveur de tension (G=1).

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:

 73s – Jean-Luc – F1IEY