Amplificador de RF classe C 1,5W para transmissor de FM PLL

Amplificador de RF classe C1,5W para transmissor de FM para o Circuito de transmissor de FM PLL — Parte 3 — Amplificador de RF classe C de 1,5 Watts.

Esse projeto trata se de um amplificador de RF para FM de 1,5 Watts, inclui placa de circuito impresso, componente e instruções de como realizar as bobinas, montar e testar o circuito.
Você encontrará muitos esquemas de amplificadores de RF na internet, porém a maioria não explica como são (feitos) ou como funcionam. Também tem instruções mal explicadas de como realizar as bobinas.

Estágios do Amplificador de RF classe C para o transmissor de FM PLL

Primeiro daremos uma olhada num amplificador Classe C e identificar os diferentes estágios.
Temos 3 estágios:

• Entrada (Vermelho)
• Saída (Azul)
• Driver (Preto)

Começaremos a focar no estágio de saída.
Em RFout, temos um resistor de 50 Ohms que representa a antena. A tensão DC é 12 Volts, que também será a tensão de pico senoidal.
Diremos que nosso transmissor fornecerá 5W. Podemos então utilizar a fórmula para calcular a impedância necessária → R = U²/2P = 12 × 12/2 × 5 = 14,4 ohm.
O driver (transistor), precisa de uma carga de 14,4 Ohm para consegue fornecer 5 Watts de potência. Como a antena é de 50 Ohms E precisamos ter uma caraga de 14,4 Ohms, precisamos de algum tipo de adaptação de impedância. Um transformador de impedância mais utilizado é o Filtro Pi. Ele consiste em 2 capacitores e um indutor. No estágio de entrada termos a relação oposta. O Drive (transistor)  tem uma baixa impedância (1 – 10 Ohms) e nós queremos que a impedância de entrada seja 50 Ohms padrão. Novamente precisamos de um estágio para converte a impedância de entrada para a impedância de entrada do driver (1 – 10 Ohms). Na maioria das vezes a impedância de entrada do driver não é puramente resistiva, também tem uma parte reativa. Nesse exemplo a impedância de entrada é (5-5J) Ohms.

Amplificador de RF classe C básico

A imagem a abaixo mostra os principais componentes para montar um amplificador classe C. A saída é formada pelo filtro pi, formado por C3, L4, C4.

Uma importante nota é que o transistor tem uma capacitância parasita Cce do emissor para o coletor. Que pode ser encontrada no datasheet do transistor de RF.
Como pode observar na imagem Cce está em paralelo com C3. Quando for calcular C3, deve subtrair a capacitância parasita Cce para obter o valor correto de C3.
L2 é um indutor de grande valor e não tem valor crítico (1 — 100µH). Uma conta de ferrite irá fazer o trabalho, L2 age como alta impedância para sinal de RF, mais vai aterrar a base do transistor em corrente contínua.
C1, C2 e L1 forma o estágio de casamento de impedância, faz a entrada de 50 Ohms puramente resistivo e converte toda energia para a impedância mais baixa do transistor.

Como calcular o Filtro PI (Filtro de Saída)

A imagem abaixo mostra as “lindas” fórmulas para calcular um filtro PI.

Primeiro definimos o valor do Q do sistema. Para um circuito eletricamente ressonante, o fator Q representa o efeito da resistência elétrica. O fator Q é definido como a frequência de ressonância (frequência central) f0 dividido pela largura de banda BW.
Largura de Banda = f2-f1, onde f2 é o limite superior e f1 a frequência de corte inferior.
O exemplo mostra os valores nosso exemplo de 5 Watts.
R1 representa a antena e R2 é a impedância “necessária” que o transistor deve “ver”, para conseguir entregar 5W.
A fórmula 1,2,3 é para calcular a reatância dos componentes C1, C2 e L do filtro pi. A fórmula 4 é para calcular às duas capacitâncias C1 e C2 e a fórmula 5 é para calcular a indutância L.
O filtro pi  como mais um indutor e um capacitor tem uma característica de subida lenta da tensão de partida.

Como calcular o filtro de entrada do Amplificador de RF classe C

A imagem abaixo mostra os cálculos do filtro de entrada.

Primeiro define o Q do circuito.
R1 representa a impedância do transistor e R2 representa a impedância de entrada do amplificador. No nosso exemplo nós temos a impedância de entrada de 5-j5 Ohms.
Isso significa que o transistor tem uma resistência de entrada de 5 ohms em série com uma capacitância (Cs) de 5 ohms (reativo) em 100MHz. A impedância de entrada (R1 e Cs) é impresso no quadrado pontilhado.
Primeiro vamos apenas focar na parte de resistência (R1), que é de 5 ohm.
Fórmula 1, 2, 3 é para calcular a reatância dos componentes do C1, C2 e L do filtro.
No exemplo de cálculo da reatância da indutância L é 25,00 Ohms. Como L está em série com os dois Cs deles subtrair a dar a reatância total. Como L está em série com Cs devemos subtrair os dois para ter a reatância total.
A parte reativa total será:
25,00 (indutivo) – 5 (capacitiva) = +20 ohm. A reatância é positivo que irá representar uma indutância de 31.8nH.
Podemos pensar assim: uma parte da reatância do indutor (L) será eliminado pela reatância série capacitor interno (Cs) do transistor.

Indutor choque do coletor do transistor

Nessa última parte falaremos sobre o indutor do coletor do transistor.
Esse indutor não é para fins de filtragem. O indutor funciona como um armazenamento de energia para a saída do filtro, durante o tempo que o transistor está desligado. Como ilustrado na imagem abaixo.

O transistor trabalha em dois estados, ativo e inativo.
Quando o transistor está ativo, a corrente de coletor irá para à terra. Ic = I1 +12.
Quando um fluxo de  corrente passa pelo indutor (L), um campo magnético é formado sobre o enrolamento.
A quantidade dessa energia depende da corrente I1 e da indutância de L.
Dê um espiada na imagem de baixo que é o estado inativo.
Quando o transistor passa para a faze seguinte, onde está inativo, a corrente Ic desaparece.
O campo magnético no indutor (L) irá entrar em colapso e induzir uma corrente I1 que irá fluir para o filtro pi. I2 flui na direção oposta e é igual a I1.
Conforme o tempo passa, a corrente cai e teremos tensão no coletor do transistor.
Quando o transistor está prestes a voltar para o estado ativo a corrente no indutor (L), será próximo de zero. Isso significa que a corrente I1 terá valor próximo de zero e assim a tensão de coletor também.

O que acontece se usarmos um valor muito grande para o indutor (L)?

Se usarmos um grande valor para o indutor (L), a corrente do transistor irá carrega-lo como muita energia durante o estado ativo. Os projetos convencionais de PA (Power amplifier), usam com frequência valores grandes para o indutor (choque), porque terá um indutor trabalhando como uma energia “fly wheel”, fornecendo energia para o filtro pi enquanto o transistor está inativo.
É por isso que muitas vezes você vê o indutor coletor rotulados como choque (sem valor de indutância).
Ele funcionará e é simples, mas, na verdade, não é a melhor solução.

Por quê?
Como o indutor (L) ainda tem muita energia de reserva quando o transistor está prestes a entrar no estado ativo, a corrente I1 ainda será alta e assim a tensão no coletor também. Quando o transistor entra no estado ativo que arrastará essa tensão até zero e essa “descarga” criará alta corrente no transistor causando um pico de dissipação de energia. Lembre-se, há uma transição de ativo para inativo em cada ciclo da onda do sinal de RF.
Isto acontece 100 milhões de vezes por segundo e o transistor tem que trabalhar mais e se tornar mais quente.
Se você escolher o valor do indutor (L), cuidadosamente, a tensão de coletor irá aproximar de zero no momento do transistor ativar. Isso é praticamente o que é preciso para praticamente eliminar o pico de dissipação de energia nessa transição. Essa única alteração pode aumentar a eficiência significantemente.

Dê um espiada na imagem abaixo e constate os detalhes.

Simulação do indutor (L)
A imagem da esquerda mostra um indutor de grande valor. A linha verde mostra o estado do transistor ativo/inativo.
Como pode ser observado na figura, a tensão de coletor ainda está alta quando o transistor está prestes a entrar no estado ativo.
Quando o transistor entra no estado ativo erá descarregar essa tensão, o que causará um pico de corrente!
A simulação a direita utiliza um transistor otimizado. Aqui verificamos que a tensão de coletor é quase zero, durante a transição.
Não haverá nenhum pico de corrente e você terá um sistema resfriado e mais eficiente.

O lado positivo da escolha correta do indutor (L) é que você consegue maior eficiência do seu transmissor e o transistor trabalhará mais frio. A corrente de pico do coletor será maior também, pois no estado ativo, o transistor compila corrente extra através do indutor (L). Essa corrente é despejada no filtro pi (durante estado inativo) e devem ser repostos durante o próximo período ativo. O resultado é que o filtro “vê” uma onda maior, que traduz na saída uma potência de RF um pouco maior. Assim vemos que essa tensão e corrente extra  que o transistor encontra não é desperdiçada.
Com um pequeno choque, a tensão de coletor tem um pico mais alto, mais estreito. Isso tende a aumentar  as harmônicas apresentada para o filtro.
O filtro tem mais dificuldade em rejeitar a 2 ª harmônica. Segundo harmônicos pode ser reduzida através da concepção de um  filtro para com uma frequência de corte um pouco menor, e aumenta o tempo inativo em detrimento ao tempo ativo (isto deve ser realizado na base). Perderá ligeiramente menos potência  como resultado.

Esquema para montagem do amplificador – clique para ampliar

A fonte para esse amplificador é de 12 V. Na entrada temos dois resistores R1 e R2, que dá 50 Ohms de impedância para entrada.
Isso faz uma caraga estável para o estágio anterior do transmissor de FM PLL.
Um transistor de RF, BFG193 é o pré-amplificador do sinal de RF. Os resistores R3, R4 e R5 determinam o ganho do transistor.
Se tiver ganho em excesso troque os valores de R3 e R4 para 100 Ohms e R5 para 5 a 10 Kohms.
Com essa configuração você só precisará de 5 a 20 mW de potência de entrada.
Se R5 = 10K e removendo R4, você perderá ganho e precisará de 50 a 100mW de potência de entrada.
C13, C14, C10, C19 e L3 formam o filtro para entrada do transistor principal Q2. O filtro pode ser ajustado pelo capacitor C19. A alimentação para o transistor Q2 passa pelo indutor L4, o valor desse indutor não é crítico, indutores de 10 a 100µH funcionaram. A função de L4 e não deixar passar sinal de RF para rede de energia. O autor usou como transistor principal um MRF313, mais um 2n3866 ou 2n4427 também funcionaram. O filtro de saída é calculado para 50 Ohms, sendo usado um filtro com 5 elementos que proporciona uma boa filtragem e uma solução simples. Esse filtro pode ser ajustado pelo capacitor C20.

Placa de circuito impresso do amplificado de potência de RF de 1.5 Watts – escala 1:1

Download da placa em PDF já espelhada e na escala 1:1

Placa lado dos componentes para orientar na montagem do amplificador – Clique para ampliar

Note que os componentes estão marcados em diferentes cores para facilitar a identificação.

Montagem do amplificador para o transmissor de FM PLL

Bom aterramento é muito importante em circuitos de RF.
A placa deve ser de dupla face e uma das faces será à terra, conectado com a outra face em quatro lugares, para obter um bom aterramento.
A construção é bem básica, a úncia parte que deve ser explicada são as bobinas.
As bobinas L3, L3, L6 e L7 são feitas utilizando fio de cobre ou prateado com um diâmetro de 0,8 a 1,2 mm.
A maneira mais fácil de enrolar as bobinas é utilizar uma broca. Para L3 use um de 5 mm e efetue duas voltas. Com L5, L6 e L7 use uma broca de 6,5 mm.

Ajustando e testando o amplificador.

Há somente dois capacitores C19 e C20 que tem que ajustar para melhorar a desempenho. Uma simples maneira para testar o amplificador é construir uma antena e utilizar como receptor. Abaixo temos um esquema, usando uma antena dipolo para receber que sinal é retificado pelo diodo de germânio e o capacitor de 10 nF. Um amperímetro de 100µA será utilizado como mostrador. Coloque a antena do transmissor próximo ao receptor e ajuste C19 e C20 até obter o máximo de ganho.
Se preferir pode utilizar uma carga fantasma ou vatímetro, porém com uma antena conectada, ajustamos o sistema como ele funcionará de verdade.

Qual alcance máximo do transmissor com esse amplificador?

Essa questão é difícil de ser respondida. Pois, a distância máxima depende de fatores externos. Numa cidade grande com muitas armações de concreto, você conseguirá algo em torno de 400 m. Numa pequena cidade com mais espaço aberto conseguirá cerca de 3 km. Já numa área aberta conseguirá algo em torno de 10 km.

Colocando antena num ponto alto e aberto pode aumentar e muito essa distância máxima, lembre se for ligar o amplificador sem antena tem que usar uma carga fantasma de 50 Ohms.

Lista de material para montagem do amplificador

Fonte: http://www.rfcandy.biz/communication/pa313.html

Texto traduzido e adaptado com autorização do autor Daniel,  engenheiro eletrônico da Suécia

Veja as partes anteriores
Parte 1 – Unidade de controle Principal
Parte 2 – PLL e Vco