Společně se zvyšujícím se podílem polovodičových PA roste také potřeba tyto výkonové zesilovače ochránit proti zničení výkonových VF prvků, neboť jak známo - ať už to je způsobeno manipulační závadou, vadným konektorem, či omrzlou anténou - emitorové "šipky" se u VF výkonových polovodičů při vadném přizpůsobení na výstupu PA utrhnou mnohem snáze a také rychleji, než by došlo k destrukci výkonové elektronky u staršího PA. A proto, ačkoli takových ochranných zapojení bylo u nás zkonstruováno už jistě nejméně sto, z pouhé nechuti někde něco vyhledávat jsem si vymyslel zapojení sto první. A protože si už pár let dokumentaci takových zapojení vedu v PC, třeba někomu urychlím takové hledání tím, že zde uvedu jedno již vyzkoušené jednoduché řešení.

Jaké je zadání:

Polovodičový PA by měl být vybaven zabudovanými obvody, které by při maximálním projektovaném výkonu PA začaly operátora při dosažení PSV (SWR) cca 2 varovat a při PSV ≥ 2,5 by se měl PA automaticky odstavit a indikovat závadu zátěže.

A jak jsem zadání vyřešil:

Před časem jsem uvedl na našich stránkách zapojení a desku s plošnými spoji pro jednoduchý ovladač ventilátoru chlazení polovodičového PA, včetně několika možných aplikací uvedeného zapojení komparátoru s dvojitým operačním zesilovačem. Je tedy logické, že reflektometrická ochrana, kterou jsem potřeboval udělat, jak z důvodu faktu, že potřebný plošný spoj jsem měl už "v šuplíku", tak i z prosté konstruktérské lenosti, využívá zcela stejné obvodové řešení.

Takže tedy zbývá uvést už jen pár praktických poznámek:

První záležitostí, kterou je zapotřebí vyřešit, je vhodná směrová odbočnice. Pro účely reflektometrické ochrany nemusí mít kdovíjaké profesionální parametry, ale přesto je žádoucí, aby její směrovost (tedy míra ovlivňování směrové vazby "čichající" do PA vracející se výkon byla co nejméně ovlivňována výkonem v dopředném směru) byla alespoň 1:100, tedy, vyjádřeno v logaritmické míře, nejméně 20 dB. Tomu pro použití na 2m a 70cm velmi dobře odpovídá například inkurantní směrová odbočnice fy Kathrein, která se dala na různých radioamatérských setkáních koupit ze zešrotovaného materiálu, demontovaného při výměně zařízení první generace základnových

Inkurantní GSM směrová odbočnice fy Kathrein

stanic GSM. Druhou podmínkou takové směrové odbočnice je vhodný vazební útlum a s tím související výkonová zatížitelnost - například zmíněná "GSM" směrová odbočnice Kathrein je i přes solidně vyhlížející N, či 7/16 konektory již na 23cm pro větší výkony nepoužitelná - ne proto, že by vyšší výkon nepřenesla, ale proto, že elektromagnetická energie, vyvázaná díky těsné vazbě do směrových vedení, by spolehlivě "usmažila" jejich zakončovací čtvrtwattové odpory. Ono obecně je to dosti značný problém obvykle vedoucí k nepříliš vydařenému kompromisu, protože vhodná směrová vazba, pokrývající současně všechna tři nejpoužívanější radioamatérská pásma 144, 432 a 1296 MHz se hledá těžko - buď je vazební útlum na 144 MHz příliš velký, což vede k malému usměrněnému napětí na detektoru směrového vedení (a tím značné nepřesnosti měření), anebo je na 23cm naopak vazební útlum příliš malý a výkonová zatížitelnost zakončovacích odporů ve směrových vazbách výrazně omezuje použitelný průchozí výkon... Asi lepší je proto použít pro každý polovodičový PA vhodnou vestavěnou jednoduchou směrovou vazbu, kterou si sami uděláme. Pro nižší výkony polovodičových budičů (cca do 150W) vystačíme s řešením pomocí sletovaných semirigidů (tady a tady). V takovém případě volíme délku vazby okolo 12 cm na 144, cca 7 cm na 432 a asi 3 cm na 1296 MHz. Vhodná vazba je zapotřebí  k tomu, aby stejnosměrné napětí, detekované na vazbě zpětného směru bylo při maximálním projektovaném výkonu v dopředném směru a z toho (při hodnotě PSV cca 2,5) plynoucí hodnotě výkonu odraženého, alespoň 1,5 až 2V. Pokud ovšem takovou směrovou vazbu použijete k měření výkonu (jak v dopředném, tak ve zpětném směru), dejte si pozor na malou zatížitelnost zakončovacích odporů vazebních smyček, do kterých se váže část průchozího výkonu a max. závěrné napětí Schottkyho detekčních diod, které se pohybuje jen okolo 16V. Při zjišťování hodnoty max. povoleného odraženého výkonu pro dané PSV  můžete použít třeba tuhle tabulku.

Pro PA větších výkonů je vhodné směrovou odbočnici udělat buď z kovových mikropásků (návod např.zde) nebo si ji (zejména pro 23 a 13cm) vyrobit v klasickém koaxiálním tvaru. K takové výrobě bude zapotřebí soustruh - mosaznou kulatinu o průměru cca 20mm zkrátíme na požadovanou délku (viz výše) a provrtáme ji takovým průměrem (například 12mm), aby s vnitřním vodičem (např.5mm) měla požadovanou impedanci. Vzniklou trubku po délce prořízneme frézkou (v nouzi pilkou) o takové šířce (plochý pilník bude jistě po ruce), aby do vzniklé štěrbiny šel právě těsně zasunout semirigid. Semirigid ve tvaru širokého "U" ve střední části (zasunuté do štěrbiny koaxiálního vedení) opilujeme, aby se asi do poloviny jeho průměru obnažila teflonová izolace středního vodiče a zapájíme jej do vzniklé štěrbiny tak, aby teflon vazebniho vodiče "vyčuhoval" do koaxiálního vedení asi do poloviny svého průměru (po celé délce stejně !). Konce semirigidu (již neopilované a tedy plně koaxiální) vyvedeme vně, odhalíme konec vedení a připájíme tyto konce vedení na destičku z cuprextitu. Jeden konec semirigidu zakončíme (dvěma paralelně spojenými 100 ohmovými odpory) a na druhém bude namontován detektor (viz dále). Do tělesa směrové vazby vložíme střední vodič s namontovanými konektory (obvykle typu N) a oba konektory stáhneme k sobě svorníky. Příklad takové doma "ve svěráku" vyrobené směrové vazby na 23cm je tady. Pokud budete rozvažovat, jaké konektory na směrové odbočnici použijete, potom nezapomeňte, že konektory typu "PL", přezdívané "UHF", "Amphenol" a známé pod označením např PL259 (kabelový "tatínek"), či SO239 (panelová "maminka") nejsou ve skutečnosti žádnými VF konektory, ale vlastně jen pouhopouhými oplechovanými banánky a zdířkami. Nemají totiž zaručeny

Směrová odbočnice z kabelů typu semirigid s aktivním detektorem

charakteristickou impedanci (v praxi se pohybuje impedance tohoto konektoru okolo 35 Ohmu) ani jednoznačné mechanické parametry a hodí se vlastně jen pro úplně nízké kmitočty (pod 50MHz). Jejich použití na 144MHz lze v nouzi tolerovat snad jen z toho důvodu, že jejich délka je ještě výrazně menší, než vlnová délka, ale i na dvoumetru (o vyšších pásmech ani nemluvě)  v zařízení s výkony nad 100W a zejména mezi směrovou odbočnicí a anténou už nemají co dělat - zejména pokud by jich mělo být více v serii. Ale vraťme se zpět ke konstrukci reflektometrické ochrany:

Detektor odraženého výkonu je narozdíl od běžného detektoru dopředného výkonu zapojen tak, aby při průchodu VF energie směrovou vazbou se stejnosměrné napětí na detektoru snižovalo. Zapojení je uvedeno na obrázku 1 níže. Pokud je změna stejnosměrného napětí detektoru (při požadovaném odraženém výkonu) menší, než 1V (použili jsme směrovou vazbu s příliš velkým vazebním útlumem), doporučuji na výstup směrové vazby zapojit VF zesilovač s MMIC obvodem a teprve na jeho výstup zapojit detekční diodu, jak je uvedeno na obrázku 2.

Vyhodnocovací obvod ochrany je identický s již popsaným komparátorem - jen s drobnými změnami uvedenými na obrázku 3. Výstup z komparátoru zablokuje při překročení limitního PSV v sekvenceru PA klíčování předpětí výkonového zesilovače - ale celé zapojení musí být pochopitelně navrženo tak, aby současně se zablokováním PA nedošlo k přepnutí koax. relé na RX, ale skutečně jen zablokování výkonového zesilovače v PA, protože  by to při "multibeamingovém" provozu mohlo díky vazbě mezi vysílacími anténami vést ke zničení předzesilovače. Jako nastavovací prvky komparátoru doporučuji použít víceotáčkové trimry 64 Y 1K CN.

Celý obvod reflektometrické ochrany při překročení nastavené hodnoty PSV začne operátora varovat (blikací žlutá LED a pípání), při ještě větším PSV se zablokuje vysílání, aby nemohlo dojít k poškození výkonových prvků PA. Odblokování je možné jen vypnutím a následným zapnutím polovodičového PA (případně vestavěným deblokovacím tlačítkem).

Protože provozně je celé zařízení postaveno na principu měření maximálně povoleného VF výkonu, který se ještě může od nepřizpůsobené zátěže vrátit do PA, aniž by došlo k poškození výkonových polovodičů, bude vznik provozního stavu, při kterém zazní varování a případně následného zablokování PA, záviset rovněž na hodnotě výkonu v dopředném směru. Máme-li tedy například v UHF Contestu v noci omrzlou anténu, můžeme samozřejmě polovodičový PA provozovat i nadále, ale pochopitelně budeme muset omezit výstupní výkon, aby hodnota vracejícího se odraženého výkonu už nevypínala PA. Sice v závodě při takové námraze asi moc soutěžních spojení neuděláme, ale rozhodně to bude lepší, než poškozený polovodičový PA. Tolik k uvedené konstrukci. Pokud budete mít zájem si takový obvod zabudovat do vašeho PA, potom desky plošných spojů na tyto konstrukce je možno objednat zde.

Závěrem:

Na celém obvodu není obvodově nic zvlášť zajímavého ani záludného a pokud neuděláte nějakou chybu, bude tento primitivní obvod vysoce pravděpodobně fungovat na první zapojení. Přestože jde vlastně jen o takovou docela nudnou obvodovou hračku, může vám tento ochranný obvod v nouzi ušetřit pár tisíc zbytečně vynaložených korun a přibližně jeden den života, který byste asi potřebovali na zajištění nákupu nových VF výkonových tranzistorů a jejich výměnu, případně vám pomůže zachránit výsledek dobře rozjetého závodu, pokud se například během noci setkáte s námrazou na anténě. Zvažte si proto sami, zdali vám to za tu práci s jeho výrobou stojí.

Na slyšenou na VKV!

OK1VPZ