2SC1971 ile 6 Watt FM RF amplifikatör devresi, 87,5-108 MHz FM bandında çalışan düşük güçlü vericilerin çıkışını yükseltmek için hazırlanmış VHF güç katıdır. Yaklaşık 300 mW RF girişle, doğru ayar ve uygun 50 ohm yük altında yaklaşık 6 W çıkış hedeflenir. PCB düzeni, soğutma ve çıkış ayarı bu projede devre şeması kadar önemlidir.
Devrenin Temel Teknik Özellikleri
İçerik
| Özellik | Değer / Açıklama |
|---|---|
| Çalışma bandı | FM yayın bandı, 87,5-108 MHz |
| RF giriş gücü | Yaklaşık 300 mW |
| RF çıkış gücü | Uygun ayar ve yükte yaklaşık 6 W |
| Besleme | 12 V DC |
| Güç transistörü | 2SC1971 RF güç transistörü |
| PCB yapısı | Çift yüzlü FR-4, mikroşerit hatlı tasarım |
| PCB ölçüsü | 77 x 56 mm |
| SMD parçalar | 1206 kılıf |
| Giriş / çıkış bağlantısı | BNC konnektör, 50 ohm RF hat için uygun bağlantı |
Devrenin Çalışma Mantığı
2SC1971 6 Watt FM RF amplifikatör devre şeması
Devre tek transistörlü bir VHF RF güç yükselteci olarak çalışır. Girişteki düşük güçlü RF sinyali, 2SC1971 transistörünün bazına uygun empedansla uygulanır.
Kolektör tarafında yükseltilen sinyal, mikroşerit hatlar ve ayarlı kondansatörlerden oluşan çıkış uyumlandırma ağı üzerinden RF çıkışına aktarılır.
RF Giriş Katı
Girişte BNC konnektörden gelen yaklaşık 300 mW seviyesindeki RF sinyali, 220 pF kondansatörler ve PCB üzerindeki endüktif hat üzerinden transistörün baz bölgesine taşınır.
22 pF, 47 pF, 1 µH ve 56 ohm elemanları giriş empedansının ve RF dönüş yolunun şekillenmesine yardım eder.
VHF bandında giriş hattının uzunluğu, kondansatör bacakları ve lehim kalitesi devre davranışını değiştirebilir.
Bu yüzden parça yerleşimi şemadaki elektriksel bağlantı kadar önemlidir.
Uzun kablo, gereksiz jumper veya yüksek endüktanslı bağlantı bu katın kazancını düşürebilir ya da devreyi kararsız hale getirebilir.
2SC1971 Güç Transistörü
Güç katında 2SC1971 transistörü kullanılmıştır. Bu transistör VHF RF güç uygulamalarında kullanılan bir NPN RF transistördür.
Şemada emiter doğrudan toprak hattına bağlıdır; baz RF sinyaliyle sürülür, kolektör ise hem besleme hattına hem de çıkış uyumlandırma ağına bağlıdır.
2SC1971’in gövdesi mutlaka soğutucuya sağlam şekilde bağlanmalıdır. Termal macun kullanılmalı, transistör ile soğutucu arasında hava boşluğu kalmamalıdır.
Soğutucu seçimi zayıf kalırsa çıkış gücü alınsa bile transistör kısa sürede aşırı ısınabilir. 6 °C/W civarında veya daha düşük ısıl dirençli bir soğutucu tercih edilmelidir.
2SC1971 RF güç transistörünün soğutucuya montajı
Kolektör Beslemesi ve Dekuplaj
Kolektör tarafında 5 turlu bobin, 1 nF, 100 nF ve 22 µF/25 V kondansatörlerle birlikte besleme hattını RF açısından temiz tutmak için kullanılır.
Buradaki amaç DC beslemeyi transistöre ulaştırırken RF enerjisinin besleme kablosuna kaçmasını azaltmaktır.
Besleme hattında yalnızca yüksek kapasiteli elektrolitik kondansatör kullanmak yeterli olmaz.
100 MHz civarında küçük değerli seramik kondansatörlerin yerleşimi daha kritik hale gelir.
1 nF ve 100 nF kondansatörler transistöre yakın tutulmalı, toprak bağlantıları kısa ve geniş yüzeyli yapılmalıdır.
Çıkış Uyumlandırma Ağı
Kolektörden alınan RF enerji doğrudan çıkış konnektörüne verilmez.
Arada PCB endüktörleri, 1,2 nF kondansatörler ve 70 pF ayarlı kondansatörlerden oluşan bir uyumlandırma ağı bulunur.
Bu bölüm transistörün kolektör empedansını 50 ohm çıkış hattına yaklaştırır.
Orijinal düzenlemede sabit kondansatörlerle çalışan çıkış ağı, burada ayarlı kondansatörlerle daha kullanışlı hale getirilmiştir.
FM bandındaki çalışma frekansı değiştiğinde çıkış katının en yüksek verime ayarlanabilmesi için trimmer kondansatörler önemli avantaj sağlar.
6 Watt RF amplifikatör kutu içi montajı ve ayarlı kondansatörler
PCB Tasarımında Kritik Noktalar
Bu devre delikli pertinaks üzerine taşınabilecek türde basit bir RF devresi değildir.
PCB üzerindeki bakır yollar, özellikle çıkış tarafındaki mikroşerit hatlar devrenin bir parçası olarak çalışır.
Yol genişliği, kart ölçüsü ve baskı ölçeği değişirse endüktans ve empedans değerleri de değişir.
6 Watt RF amplifikatör üst yüz PCB mikroşerit yolları
Alt yüzey geniş bir toprak düzlemi olarak bırakılmıştır. Üst yüzeydeki toprak bölgeleri ile alt yüzeydeki ground plane, çok sayıda via ile birbirine bağlanmalıdır.
Bu bağlantılar ihmal edilirse RF dönüş akımı istenmeyen yollardan dolaşır; kazanç düşebilir, çıkış ayarı zorlaşabilir veya amplifikatör osilasyona girebilir.
6 Watt RF amplifikatör alt yüzey toprak düzlemi
PCB üretiminde ölçek hatası yapılmamalıdır. Dosya 600 dpi çözünürlükte ve 77 x 56 mm ölçüsünde hazırlanmıştır.
Baskı alınırken otomatik sığdırma, sayfaya uydurma veya farklı ölçek seçilirse mikroşerit hatların davranışı değişir.
Ev tipi üretimde PCB yapımı sırasında özellikle çift yüz hizalama ve via bağlantıları dikkat ister.
Parça ve Bobin Notları
| Parça / Bölüm | Değer | Görevi |
|---|---|---|
| Giriş kondansatörleri | 2 x 220 pF | RF giriş kuplajı ve giriş uyumlandırma ağı |
| Giriş katı kondansatörleri | 22 pF, 47 pF | Baz tarafındaki RF empedansını şekillendirir |
| Giriş şönt bobini | 1 µH | RF dönüş yolu ve giriş katı empedans düzenlemesi |
| Baz tarafı direnç | 56 ohm | Giriş katında sönümleme ve kararlılığa yardım eder |
| Güç transistörü | 2SC1971 | RF güç yükseltme elemanı |
| Kolektör bobini | 5 tur, 0,8 mm emaye bakır tel, 6,4 mm iç çap | Kolektör ve besleme/uyumlandırma katı arasında RF elemanı |
| Besleme dekuplajı | 1 nF, 100 nF, 22 µF/25 V | Besleme hattındaki RF bileşenlerini bastırır |
| Çıkış kondansatörleri | 2 x 1,2 nF | Kolektör çıkış tarafında RF kuplaj ve uyumlandırma |
| Ayarlı kondansatörler | 2 x 70 pF | Çıkış katının çalışma frekansına göre ayarlanması |
| PCB endüktörleri | Kart üzerindeki mikroşerit yollar | Çıkış uyumlandırma ağının endüktif elemanları |
Bobinlerde kullanılan emaye bakır telin çapı önemlidir. Notlarda 1,0 mm tel yaklaşık AWG18, 0,8 mm tel yaklaşık AWG20, 0,3 mm tel yaklaşık AWG28 olarak verilmiştir.
Bobin çapı dıştan değil, iç çap üzerinden değerlendirilmelidir. 5 turlu bobin için 6,4 mm iç çap korunmalıdır.
Montaj Sırasında Dikkat Edilecek Noktalar
Tüm SMD parçalar PCB’nin üst yüzeyine doğrudan lehimlenir.
RF katında uzun bacak bırakmak, kablo ile parça taşımak veya trimmer kondansatörleri karttan uzaklaştırmak uygun değildir.
Özellikle 70 pF ayarlı kondansatörlerin bağlantıları kısa olmalı ve ayar sırasında mekanik olarak oynamamalıdır.
6 Watt FM RF amplifikatör komponent montajı yapılmış PCB
- Alt toprak düzlemi ile üst yüzeydeki toprak noktaları çok sayıda via ile bağlanmalıdır.
- 2SC1971 gövdesi soğutucuya sıkı şekilde sabitlenmelidir.
- Besleme kablosu kısa tutulmalı, giriş ve çıkış RF kablolarından uzak geçirilmelidir.
- Giriş ve çıkış BNC konnektörlerinin şase bağlantısı geniş yüzeyli olmalıdır.
- Ayarlı kondansatörler VHF bandında çalışmaya uygun tipte seçilmelidir.
- Transistörün sahte veya düşük kaliteli muadil olmamasına dikkat edilmelidir.
RF güç devrelerinde lehim kalitesi göründüğünden daha etkilidir.
Soğuk lehim veya çatlamış via bağlantısı, düşük frekansta fark edilmeyebilir; 100 MHz civarında ise çıkış gücünü belirgin şekilde düşürebilir.
İlk Çalıştırma ve Ayar
İlk testte çıkışa anten bağlamak yerine 50 ohm uygun güçlü dummy load bağlanmalıdır.
RF wattmetre varsa çıkış gücü ve yansıyan güç birlikte izlenmelidir.
RF wattmetre yoksa geçici olarak uygun güçlü küçük ampul ile kabaca ayar yapılabilir, ancak bu yöntem hassas empedans ölçümü sağlamaz.
- Önce RF giriş vermeden 12 V besleme bağlanır ve aşırı akım olup olmadığı kontrol edilir.
- Çıkışa 50 ohm dummy load bağlanmadan devre çalıştırılmaz.
- FM exciter düşük güçte başlatılır, giriş seviyesi yavaşça artırılır.
- Çalışılacak frekans seçildikten sonra 70 pF ayarlı kondansatörler maksimum çıkış ve düşük yansıma için ayarlanır.
- Ayar sırasında transistör sıcaklığı takip edilir.
- Uzun süreli çalıştırmadan önce çıkış spektrumu ve harmonikler kontrol edilmelidir.
Yaklaşık 300 mW giriş seviyesi bu tasarım için verilmiş değerdir. Daha fazla sürmek transistörü daha güçlü yapmak yerine doyuma, ısınmaya ve istenmeyen harmoniklere götürebilir.
Daha düşük girişte ise çıkış gücü doğal olarak azalır. Benzer RF uygulamalarında farklı güç seviyeleri için RF güç amplifikatörü tasarımlarındaki soğutma ve empedans uyumu mantığı da karşılaştırılabilir.
Kutu, Panel ve Bağlantılar
Kutu tasarımında arka panelde 12 V DC giriş, RF giriş ve RF çıkış bağlantıları yer alır.
Görsellerde giriş ve çıkış için BNC konnektör kullanılmıştır. Ön panelde açma kapama anahtarı, güç LED’i ve “6 Watt RF Amplifier” etiketi bulunur.
6 Watt RF amplifikatör arka panel 12V DC RF giriş ve RF çıkış konnektörleri
Panel çizimleri için Front Panel Designer kullanılmıştır. Kaynak .fpd dosyaları var. Benzer alüminyum ön panel çalışmaları hazırlanırken panel tasarım programı ile anahtar, LED, BNC ve DC soket delikleri daha düzgün hizalanabilir.
Kutu içindeki şase bağlantısı da RF performansını etkiler. BNC gövdeleri, PCB toprak düzlemi ve metal kutu mümkün olduğunca düşük empedanslı şekilde birbirine bağlanmalıdır.
Sadece ince bir kabloyla yapılan şase bağlantısı VHF bandında yeterli olmayabilir.
Sık Yapılan Hatalar
| Hata | Olası Sonuç |
|---|---|
| PCB’yi yanlış ölçekte basmak | Mikroşerit hatların empedansı değişir, çıkış ayarı tutmaz |
| Alt ve üst toprak yüzeylerini yeterince bağlamamak | Kararsız çalışma, düşük kazanç veya osilasyon görülebilir |
| Transistörü soğutucusuz denemek | 2SC1971 kısa sürede aşırı ısınabilir |
| Çıkışı yüksüz çalıştırmak | Yansıyan güç transistöre zarar verebilir |
| Trimmer kondansatörleri rastgele ayarlamak | Çıkış gücü düşer, harmonikler artabilir |
| Uzun bağlantı kabloları kullanmak | Giriş/çıkış uyumu bozulur, devre frekansa duyarlı hale gelir |
Yasal ve Teknik Güvenlik Notları
FM bandında RF güç yükseltmek yasal izin gerektirebilir. Devre teknik olarak 87,5-108 MHz bandında çalışacak şekilde hazırlanmış olsa da antene bağlanıp yayın yapmak, ülkeye ve kullanım amacına göre kısıtlamalara tabidir. Laboratuvar testlerinde dummy load kullanılmalı, izinsiz yayın yapılmamalıdır.
RF çıkışında yalnızca güç seviyesine bakmak yeterli değildir. Harmonikler, parazit yayın ve anten uyumsuzluğu da kontrol edilmelidir.
Uygun cihaz yoksa en azından çıkış düşük güçle denenmeli, devre kapalı alanda ve gerçek anten yerine dummy load ile ayarlanmalıdır.
FM verici projeleriyle çalışırken FM vericisi tarafındaki çıkış seviyesi, modülasyon ve filtreleme konuları da birlikte değerlendirilmelidir.
2SC1971 ile yapılan bu 6 Watt FM RF amplifikatör, basit parça sayısına rağmen yerleşim hassasiyeti yüksek bir projedir.
Şemadaki eleman değerleri kadar PCB’nin çift yüzlü yapısı, via bağlantıları, mikroşerit hat ölçüleri, transistör soğutması ve çıkış ayarı da sonucu belirler.
VHF tecrübesi olmayanlar için en güvenli yol, önce dummy load üzerinde düşük giriş gücüyle test yapmak ve çıkışı kontrollü şekilde ayarlamaktır.
Kaynak: bygselvhifi.dk/projects/6-watt-rf-amplifier/
