Power Amplifier 3 - 400 Watt HF

Because the second Amp is a succes I have ask Jan PA0SSB for another amplifier with more power.
I received the following schematic (pdf) and i have permission from Jan PA0SSB to publish it on this site. 
THANKS !! )

The first scheme is the Bias and the blower steering.

The second is the PA itself.

And also send this explanatory text. ( sorry it is stil in the dutch language )

J.Ottens, PAoSSB.

HF PA 400.
De HF PA 400 bestaat uit vier parallel geschakelde eindtrappen.
Elke eindtrap levert 100 Watt. Aan de input worden ze parallel aangestuurd.
De uitgangen zijn twee aan twee in serie en dan parallel geschakeld. Door 
de juiste fase te kiezen worden de vermogens opgeteld.

Algemene informatie.
Hiervoor verwijs ik naar de artikelen in Electron van April en mei 2004. Lees 
dat nog eens goed na en speciaal de delen over de warmte afvoer. Ik kan 
er niet genoeg op wijzen hoe belangrijk dit is. 
Het koelvlak van de transistoren is zeer klein voor maximale dissipatie. Wij 
gebruiken ze op een manier waarvoor ze niet gemaakt zijn. Het is dus van 
het grootste belang dat de warmte zo goed mogelijk afgevoerd wordt via het 
koelsysteem!!!!!
Zeer belangrijk hiervoor zijn de isolatieplaatjes tussen de transistoren en de 
koelplaat. Gebruik hiervoor de beste die je kunt kopen. Beste betekent de 
laagste warmteweerstand!
Het rendement is nooit beter dan 50%. Bij 400 Watt output moet er dus ook 
400 Watt in warmte afgevoerd worden! Nu is het gemiddelde vermogen wel 
lager maar je kunt beter te veel dan te weinig koeling hebben!
De koelvin op de getoonde eindtrap is aan de krappe kant voor 400 Watt.
Ook de blowers kunnen maar net de warmte afvoeren. Dus als je gaat 
bouwen neem dan een grotere koelvin en blowers!

De foto's.
Het is de bedoeling dat de foto's voldoende informatie geven om de 
eindtrap na te bouwen. Als je van een specifiek detail meer wilt zien, laat 
dat dan weten. Dan maak ik daarvan nog wat foto's. Die zeggen meer dan 
1000 woorden!

De transistoren.
De eindtrap is opgebouwd met schakeltransistoren van het type IRF 730. Er 
zijn nu al weer betere, zoals de IRF 840 en als je er aan kunt komen 
gebruik die dan. 
In principe kun je voor de stuur en eindtransistoren hetzelfde type gebruiken 
maar de stuurtransistoren mogen kleiner van vermogen zijn, zoals de IRF 
510. Die gaat ook wat hoger in frequentie.
Ze hebben beide nagenoeg dezelfde karakteristieken, alleen de power 
verschilt.

Selectie op drainstroom.
De twee groepen transistoren staan op dezelfde instelspanning,"Bias".
Daarom is het van belang dat ze per groep binnen 10% dezelfde ruststroom 
trekken. Zie ook pagina 203 va Electron. 
Koop er van elk twintig en zoek ze uit. Als je eerst het bias circuit bouwt, 
kun je dat gebruiken om de torren te testen. Deze selectie kun je doen met 
een stroombegrensde voeding van bijv. 12 volt. Zet een weerstand tussen 
drain en voeding. Je kunt een meter in serie zetten maar de drainspanning 
is ook een maat voor de stroom.

Het schema.
De trafo T1 transformeert de ingangsimpedantie naar ongeveer12 OHm.
Hierdoor worden de vier versterkers uit een lage impedantie aangestuurd.
De weerstanden R onderdrukken de neiging tot oscilleren op VHF 
frequenties. Dat geld ook voor de eindtransistoren.
Via de weerstanden R1 komt de bias-spanning op de gates. De waarde is 
niet kritisch. 100 OHm is een goede waarde omdat die parallelschakeling 
dan ongeveer 25 OHm is en dat is samen met de ingangscapaciteit een 
goede belasting voor de trafo. 
R2 en de 2n2 vormen een netwerk dat er voor zorgt dat de versterking naar 
de hoge frequentie oploopt, zodat het mogelijk is om tot 21 MHz, 15 meter 
vrijwel een constante versterking te halen. Daarna zakt die wat in elkaar. De 
IRF 510 geeft op de hogere frequenties wat meer versterking, dat is een 
reden om die in de stuurtrappen te gebruiken.
Elke stuurtrap is met een 1:1 trafo gekoppeld naar de eindversterkers. Over 
de secundaire staat 100 OHm voor een constante belasting van de 
stuurtrappen en onderdrukking van oscilleerneigingen.
Voor R en R1 geld hetzelfde als bij de stuurtrapppen.

De uitgangstrafo's.
De foto's geven aan hoe de trafo's gemaakt zijn. Elke trafo heeft 11 
windingen van 0,6 mm draad, bifilair gewikkeld.
De primaire heeft een middenaftakking waar de voedingsspanning op komt.
Bekijk goed de constructie van het kleine printje, dat heeft meerdere 
functies. Het dient eerstens als steunpunt voor de trafo en bovendien zit 
daarop een zekeringsdraadje gesoldeerd voor elke eindtrap! 
Zo is elke eindtrap apart gezekerd. Op deze manier werkt die zekering zeer 
snel en dat heeft me al een paar keer transistoren gespaard als ik het spul 
weer eens te heet liet worden!
Je ziet dan direct aan de power dat er een eindtrap niet meer meedoet.
Voor de zekering dient een dun draadje uit soepel montagedraad. Dat smelt 
bij ongeveer 6 tot 10 ampère.
De middenaftakking van de trafo is niet hard voor hoogfrequent ontkoppeld.
Er staat een spoeltje van 5 microhenry met een weerstand parallel, in serie. 
Experimenteel heb ik vastgesteld dat hierdoor een aantal voordelen te 
halen zijn. De powerverdeling over de twee transistoren is beter, dus meer 
output! En ook het niveau van de harmonischen is lager.

De uitkoppeling.
De uitgangen van de vier trappen zijn twee aan twee parallel en in serie 
geschakeld. Eigenlijk niets bijzonders, want je zou dit bij nettrafo's ook zo 
kunnen doen. Maar ik heb het hier voor het eerst ook voor HF trappen 
toegepast en ik ben eigenlijk een beetje verbaasd dat het zo goed werkt! 
Vóór deze configuratie heb ik diverse andere mogelijkheden geprobeerd
die niet of slecht werkten.
Het voordeel is de eenvoud en er zijn geen externe combiners nodig.
Ik denk dat het schema en de foto's voldoende zeggen.

Ontkoppelen.
In het schema zie je vier voedingslijnen. Die zijn op de printen als sporen 
gemaakt. Ze liggen naast de massa en belangrijk is dat ze op meerdere 
plaatsen met ontkoppelcondensatoren met die massa verbonden zijn. In het 
schema zijn die aan de onderkant van de lijnen getekend, dat geeft een 
duidelijk schema!
Die massavlakken zijn met schroeven aan de koelplaat verbonden. Zo krijg 
je zeer korte verbindingen van de condensatoren naar massa. Dat is van 
groot belang voor een stabiele werking van de hele eindtrap!

De voeding, bias en blowerschakeling.
Ik denk dat het schema en de foto's vanzelf spreken.
Een dikke, overgedimensioneerde trafo en twee keer 10 000 microfarad 
condensatoren, geven een stabiele spanning. Onbelast loopt die op tot zo'n 
60 volt. Let daar op bij de keuze van de elco's!
De spanning wordt in twee stappen naar 12 volt gebracht voor de 
biasspanning. De op-amps zijn 5532's maar elke goede op-amp is te 
gebruiken.
De blowerautomaat regelt het toerental afhankelijk van de temperatuur. De 
NTC zit met twee-compo lijm in een gat in de koelplaat geplakt.


73's van Jan PAoSSB.

I used the same het heatsink (10 x 16 cm ) cooling system as PA-02 and mounted it on the old convertor box.

(2007-05-27)
I have made the first print part and placed the 4 trafo's on it.

Down here a detail picture of the mounted trafo.

After that I mounted the first and second print on the heatsink.

Print design nr. 3 for the BIAS and automatic blower for cooling.

(2007-05-29)
This is the place for print nr. 3. below print 1 and 2 next to the heatsink.

(2007-05-30)
Bias and automatic blower print filled with components

(2007-05-30)
The Bias part of the print.

(2007-05-30)
The automatic blower part of the print.

(2007-06-02)
The Bias was tested here, it works Bias1 3.1 to 5.8 Volt and Bias2 5.8 to 8.5 Volt.

(2007-06-02)
The Bias print drying in the sun, after it sprayed with insulation.

(2007-06-02)
This PA also need a bigger Power supply, 50 volts 12 Amp. 

(2007-06-02)
Wich one is bigger !!

(2007-06-9)
Almost all components on PCB.

(2007-06-13)
Only transistors are missing on PCB.

(2007-06-13)
Here you see the BIAS and blower print under the main prints.

(2007-06-13)
Pressure system for IRF-520 and IRF-840 with connection for Drain.

(17-6-2007)
The thermal pads I used are the following. (recommended by Jan PA0SSB).
THERMAL PAD T0-220
Case style:TO-220
Depth, external:0.38mm
Electrical property, ins/con:Insulative
Material:Boron nitride loaded silicon Elastomer
Temp, op. max:200°C
Temp, op. min:-60°C
Thermal resistance:0.2°C

Art. Nr. 681118-2015-54 (Farnell)
Art. Nr. 1692341 (RSonline.nl)
.

(2007-06-14)
For paring the transistors i phoned with Jan PA0SSB and he gives me the next scheme to measure
the current of each transistor.

(2007-06-14)
There was a big difference between the 20 transistors i bought, but i have made a collection to make
some pairs. The top row are IRF-840's and the bottom row are IRF-520's. I have placed the low
current steering transistors under the high currents IRF-840 to make an equal scheme.

IRF-840     140 - 127     200 - 213     252 - 258     120 - 121        values in mA by 15V
                          |                   |                    |                    |
IRF-520         411              390               341              480             values in mA

(2007-06-14)
All components are on the PCB, now going to wire the PCB.

(2007-06-14)
Starting to wire the PCB.

(17-6-2007)
The connector is the same and on the same place as the 100 Watt's PA, so i can switch the PA easy, 
only the 70 V wiring is added to the connector.

(17-6-2007)
Here you see the 2 PA's, on the right you see the 100 Watt PA and on the left the new 400 W PA.
You can see both are mounted on a lid of the convertor box.
 

(17-6-2007)
Just checking if it fits. 

(17-6-2007)
Preparing space for PA.

(17-6-2007)
To cool the PA I used 2 Fan's ( thanks to Peter PA1CHY ), one connected on the heatsink
and one on the rear of the transceiver to make a solid airstream. 

(20-6-2007)
The first test was a sad moment !! HI 
I cooked my MFJ Antenna Tuner (only 300 Watt max) and a dummy load, so the PA is working 
very GOOD. I worked a few H.A.M. operators and they giving me very good reports so its 
WORKING fine.

(5-9-2007)
I have a blown up of the PA (own fault), I now have a bigger power supply (60V 50 A) and i ask
more power of the PA but the transistor of the automatic fan system for cooling was not connected
very well and the cooling doesn't start. (so that's why).
I also inspected the PA for other possible problems and i saw some thermal problems with the resistors.

I have replaced the resistors for the 1 Watt version .

And also some other resistors. (the brown one's 2 watt)


(6-4-2008)

The PA is working fine but sometimes i have interference with the modulation on full power.
So i desided to split the PA and the TRX

(17-4-2008)
The contstruction was ready and i fired up the TRX and PA.
Big problems ocured with the new construction.. The PA starts to oscilate when i connect the trx,
120 Watts output on 16 MHZ without pushing the PTT button.
Search for a few days and then pickup the telephone to Jan (PA0SSB).
He advised me to change the antenna relays construction because it is possible that I have created
a big HF leak.
Now I am changing the construction and wil place new pictures soon.

(27-4-2008)
After the problems, it finally works after 2 weeks of expirimenting

The extra cooling fan is still missing, i need it for a good airflow.

On the PA you see 2 current Amp. meters so i can check the current in the PA.

(23-5-2009)
When ik was working a japanese amateur station (JA1QGT) on 18 meter the PA stoped working, my standing wave was 1:2,5 but i keep working the stations with 100 Watts PSK, after 20 minutes the PA gives up HI.
One IRF 520 burned out, but the real problem was the burned resistors, see below.

I changed this resistors before, from 0,5 Watt to 1 Watt, but it is not enough i think, now i am going to intall the 2 watt version of the resistors, i will report later when they are installed.

 

There is another problem, I put the power on the PA and the resistors really explodes on the PCB.
Problem solved, there was a piece of metal on the PCB and created a shortcut.

It works fine for several month's now.

(4-5-2010)
I received an e-mail from Henk (PA0JMD) with very interesting calculations about the PA.
I am very happy with his e-mail. (that's why I made this website), because it clarifies some problems I have.
I build the PA with IRF-840 fet's instead of IRF-730 as designed, not knowing that it was influencing the impedance of the PA.
I know I had some problems with it but not knowing where it cames from !!.
Henk explaines some items and send me several Excel sheeds from his hand where you can see what is happening if you changed the type of Fets en input voltages with this design.

With his permission I put his completed Excel sheets for several possibilities (and you can edit the values yourself) on this site:

Old version: check (17-6-2010) !!

 

Single PA with IRF-510 fet's
4 PA's coupled as above with IRF510 fet's

Single PA with IRF-730 fet's
4 PA's coupled as above with IRF730 fet's

Single PA with IRF-840 fet's
4 PA's coupled as above with IRF840 fet's

(17-6-2010)
Henk (pa0jmd) send me an newer version to replace the old one's above, the latest version have more possibility's to adjust your design.He gave me some extra note's to explane the changes:

1. It calculate the maximum output power.
2. Specify output power and input voltage, by varying the voltage you can influence the adaptation. 
3. If you can`t find a good value you must adjust the output power.
4. The wrap ratio off the coils.
5. By changing the AL of the core, you can calculate the wrap ratio.

But it is a mathematical way, the practice provides the proper values.
But if you want to build a PA yourself , it provides you with important data as voltage, current, output, number of FETs.

4 PA's coupled with IRF fet's.
IRF-510 (datasheet)
IRF-730 (datasheet)
IRF-840 (datasheet) 

With thanks to Henk (PA0JMD)

Come back soon to see the results !!
73 Arie (PA1APW)

 

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua. Ut enim ad minim veniam, quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat. Duis aute irure dolor in reprehenderit in voluptate velit esse cillum dolore eu fugiat nulla pariatur. Excepteur sint occaecat cupidatat non proident, sunt in culpa qui officia deserunt mollit anim id est laborum.