IRF520 MOS-FET 의 RF Final 사용(2)

● 적용 결과

 

* HYGEN 77S(구형)  IRF520N(IR) 적용  13.5V  FM 20W / AM 36W PEP 

* INTEK 497(no 497S, no 497W) IRF520(인터실) 16V  FM 30W / SSB 40W PEP 

 

● 참고

30MHz 가까이 되는 RF 전력을 증폭하므로 제조사의 데이터 시트는 큰 의미가 없다.

 

- IRF520N 은 15V 전압에서 30W 까지 견뎠으며, 16V 에서 출력 40W 를 냈으나 그 이상을 넘어서면 Id(드레인전류, TR의 Ic 에 대응) 가 

5A 정도로 급격히 증가하며 불안정한 상태로 MOS-FET 가 파괴 되었다. 20W 이하에서는 SWR 이 무한대에서도 파괴되지 않았다. 

 

- IRF520 은 17V 전압에서 40W 였으며, Id 가 5A 를 넘어도 파괴되지 않았다. 드레인 전압이 20V 를 넘어서 24V 까지도 파괴 없이 견뎠으나

전압에 비해 출력 증가는 크게 없었다.(약 48W 까지 올라감),  30W 출력시 SWR 이 무한대에서 20초 가량 견디고 파괴 되었다.

 

IRF520N 은 중국으로부터 수입되었고, IRF520 은 국내 정식루트를 통해 구입한 인터실(intersil)사 제조품이다. 

IRF520 과 IRF520N 모두 LCR 미터로 게이트 용량인 Ciss 측정시 값이 비슷하였으나

실제 구동시 IRF520N 이 520 보다 적은 드라이브 전력으로 더 높은 출력을 냈다(=증폭 이득(gain)이 더 높았다)

 

● 그 이유를 들어보자면..

 

IRF520N 과 IRF520 은 제조사만 다를 뿐 동일한 스펙의 MOS-FET 이며, 이토록 큰 차이가 날 이유는 없다.

느낌상 해외 경로(대부분 중국 루트이다)를 통해 저렴하게 구입할 수 있는 IRF520N 이 IRF510 의 리마크 제품 또는 

오리지널 IRF520 의 스펙에 미달되는 것으로 판단된다.(한마디로 Fake IRF520N...)

 

1.드레인전류 5A 초과시 파괴 됐다(5A 는 IRF510 의 한계 전류이다), 

2.RF 증폭시 IRF520N 이  적은 드라이브 전력으로 보다 높은 출력을 냈다. 

 명백하게 게인(이것은 520 보다 Ciss 값이 훨씬 더 낮다는 의미다) 이 더 좋다.

3.IRF520 보다 훨씬 저렴한 가격에 유통되고 있다는 점

 

● 가이드 라인 

- 충분한 종단 드라이브 전력을 확보하지 못할 경우 IRF510 을 쓴다.(출력 20W 이하)

- 드라이브 전력이 충분할 경우 오리지널 IRF520 을 쓴다.

- IRF520N 을 구입할 경우 확실한 경로를 통해 구입하지 않으면 실제 IRF520 의 스펙에 미달 될 수 있다. 

 

 

● 그렇다면.. 

 

기존 Final TR 을 들어내고 곧바로 MOS-FET 를 달면 잘 작동하는가? 

아쉽지만 그렇게 쉽지는 않다.

 

먼저 종단 TR 의 작동방식을 이해해야 한다. 

 

* 무전기가 AM/FM 겸용 이라면 선형 작동이 반드시 필요한건 아니다. 

출력단은 바이어스(Bias) 전력의 공급이 없는 C class 로 작동하며 AM 변조는 컬렉터 변조를 사용한다. 

이 경우에는 MOS-FET 교체시 추가적인 부품 몇개로 간단히 해결된다.(참고, 최근에는 AM/FM 변조시 효율이 떨어지는 C class 보다 E class 를 사용하는 경우가 많다)

 

* 무전기가 SSB 까지 지원한다면 바이어스 전력의 공급이 필요하므로, 별도의 바이어스 회로가 추가되어 있다.

이유는, SSB 의 경우 캐리어가 없는 데다가 선형성이 중요하기 때문에 종단 전력에 변조파를 싣는 컬렉터 변조를 사용하지 못하기 때문이다.

따라서 종단에 들어오는 입력 진폭에 변조를 건다. 

이에 따라 입력 진폭이 TR 의 최소작동지점(보통 0.6V 이하)보다 낮을 시에는 RF 출력파형이 찌그러지고 왜곡(대역폭)이 증가한다.

신호의 최저지점을 끌어 올려 주는게 바이어스의 역할이며 TR 은 전류 값으로 조절 되지만 MOS-FET 의 경우 Threshold 전압(통상적으로 4V 전후)을 공급해 주어야 한다.

이 바이어스 부분을 바꿔주어야만 SSB 변조에 문제가 생기지 않는다. 

 

 

● 바이어스가 필요 없는 무전기일 경우(AM/FM 차량용 무전기 등)

 

아래 사이트를 참고한다.

http://www.cbtricks.com/miscellaneous/fet_papers/mosfet_experiment.htm

 

이미 해외에서는 IRF520 교체가 일반화 되었으므로 아래와 같은 보편화된 부품이 나왔다.

 

 

IRF520 으로 종단을 교체하고, Gate 와 Source 사이에 (TR 의 베이스와 이미터 자리)에 EN369FN(또는 등가회로)을 달아주면 된다.

방향은 게이트쪽으로 1N4148 의 음극이 가면 된다.

아래 회로에서 EN369FN 의 장착 위치를 확인한다.

 

 

 

 

이 부품들은 값들이 조금씩 다르지만 하는 역할은 같다. 

 

D1 과 R1 은 가장 중요한 부품으로 MOS-FET 의 게이트에 RF 신호의 마이너스 충전을 줄인다. 

 

이것을 이해하려면 MOS-FET 의 게이트 작동방식에 대한 이해가 필요하다. 

MOS-FET 게이트의 작동은 트랜지스터의 베이스와 완전히 다르다.

 

트랜지스터의 경우 교류전압이 인가될 때, NPN 접합 TR 이라면 + 신호의 방향에서 도통(ON) 이 되며 전류가 흐른다.

반대방향(-)의 신호는 전류가 흐르지 않고 무시된다. 

따라서 C class 증폭기의 경우 별도의 회로가 없어도 캐패시터 커플링 만으로도 잘 작동한다.

 

MOS-FET 의 게이트(gate)는 물리적으로 캐패시터(콘덴서)이며, + 전압, - 전압 모두 반응한다.

그러나 출력은 + 전압, 정확히 말해서 Threshold 보다 높은 + 전압에서만 도통(ON)이 된다.

 

저 부품이 없다면 +전압이 게이트에 걸릴 때, 기존에 게이트에 충전된 - 전압에 의해 상쇄되므로 MOS-FET 를 ON 시키기 어렵게 된다.

그래서 MOS-FET 단독 교체 만으로는 정상 작동을 하지 않는다. 

그렇다고 게이트에 +전압만 보낼 수는 없다, 만약 그렇게 하면 MOS-FET 를 OFF 시킬 수가 없으므로 증폭기로 쓸 수가 없게 된다.

 

상기 부품은 게이트에 걸리는 -전압을 적당히 저항을 통해 우회시키고 , +전압은 그대로 걸리게 함으로써 게이트 전압을 

Threshold 부근으로 유지시키기 위함이다. 

 

참고로, 머리를 쓴다고 저항 없이 - 전압을 완전히 바이패스 시켜버리면 MOS-FET 를 OFF 시키는 Fall 타임이 너무 오래 걸리게 되고

이는 출력저하 및 발열로 이어진다. 

 

이런 이유로 R1 의 저항 값은 드라이브 전력(전압)과 밀접한 관계에 있음을 알 수 있는데 실험(종단효율 측정)에 의해 좋은 값을 찾도록 한다. 

2SC2314 를 종단 드라이브로 쓰는 경우 330, 470, 560 세가지 정도면 충분한 듯 하다.

 

R2 의 저항은 수신 대기시 또는 송신 종료시 게이트에 충전된 전압을 방전시키기 위한 것으로

증폭효율(게인, gain)의 측면에서 볼 때는 없어야 하지만 반드시 달아야 한다.

MOS-FET 의 게이트는 회로에서 DC 블럭(차단, block) 캐패시터에 의해 완전히 분리되어 있으므로, 

한번 걸린 전압이 방전될 수 있는 경로가 없다.

 

다시말해, 송신 종료시 마지막 상태가 +전압이었다면 수신시에도 종단이 계속 도통(ON) 되어 있다는 의미다.

거의 대부분의 무전기가 회로상 종단의 드레인에 항상 + 가 공급되고 있으므로 전류는 최대치로 흐르며 이로인한 발열로

FET가 파손 되거나 기판이 탈 수도 있다. 

 

 

 

● 바이어스가 필요한 경우(AM/FM/SSB 겸용 무전기)

 

위에서 설명했듯이 SSB 의 경우 바이어스가 필요하며 대부분의 무전기가 8V 기준전압에서 바이어스를 공급하도록 되어 있다.

MOS-FET 에 필요한 바이어스 전압은 4V 전후이며, 무전기에 따라 다르나 무신호시 종단에 100mA 부근의 전류가 흐르도록 하는 값이다.

좀 더 많은 전류가 흘러도 상관 없으나 SSB 송신시 불필요한 전력소모와 함께 종단 발열이 증가한다. 

 

바이어스 전압(전류) 조정시 전류제한이 가능한 파워서플라이로부터 무전기 전원을 공급 받아야 한다. 

Threshold 전압을 조금이라도 벗어나면 MOS-FET 의 증폭작용으로 전류 변화가 매우 크게 일어나며, 

제한을 걸지 않으면 조정 도중 MOS-FET 가 파손되거나 PCB 패턴이 타는 경우가 있다.

 

 

 

 

 

D91 은 바이어스 전압 조정 범위를 0V 에서 최대 5.6V 사이가 되도록 하는 제너 다이오드.

R242 는 D91 과 VR11 가변저항에 걸리는 전력을 분산시켜서 좀더 안정적이도록 한다(바이어스의 민감도를 둔하게 한다)

VR11 은 바이어스 전압 조정용 가변저항이다. 

L34 1K 저항은 원래 RF block(RF 는 저지하고 DC 는 통과시킨다) 초크코일이 달려 있어야 하나, 1k 저항으로도 잘 작동한다.

C212 는 0.1uF 로, L34(1K)로 통해 바이어스 전원으로 들어오는 불필요한 RF 신호를 바이패스 시킨다.

 

MOS-FET 개조 전에도 모든 SSB 무전기에는 같은 회로가 이미 구성되어 있으며 머리를 좀 쓰게 되면 

지저분한 추가부품 없이도 PCB 상의 기존 부품의 교체 만으로 적용 가능하다. 

 

수출형 CB 라디오의 MOS-FET 적용 메뉴얼 아래 참고.(링크 수정 2024.6, .com 에서 .org 로 변경됨) 

http://www.cbtricks.org/miscellaneous/fet_papers/ekl/index.htm

https://cbtricks.org/miscellaneous/fet_papers/ekl/index.htm

 

 

화영 77S 에 적용한 결과는 아래를 참고한다

https://ds1orj.tistory.com/129

77S 종단을 IRF520N 으로 교체