Carico attivo con LDMOS ed ESP32

  Fine 2020, costretto a casa in ferie, mi sono dilettato nell'autocostruzione di un carico attivo, uno strumento che desideravo da tempo.

   Per farlo ho commesso un grave sacrilegio 🙂, decidendo di distruggere uno stadio finale MCPA Doherty per 3G (2.1 GHz) che da troppo tempo (10 anni...) giaceva in uno scatolone. Lo so, e' un crimine usare degli LDMOS da 2 GHz e 140 W l'uno per fare un carico attivo, ma non erano recuperabili (saldati al pallet di rame) ed essendo accordati internamente difficilmente riciclabili.

  Ok, qualche radioamatore ha riutilizzato esattamente lo stesso telaio per i 2.4 GHz, ma anche quella per me e' una cosa sporca: un Doherty che non fa più il Doherty e tutto disadattato... e poi trasmettere a 2.4 non mi interessa! Perchè ho pensato di usarlo per il carico attivo? Beh, perché era già molto ben dissipato, con la sola necessità di metterci eventuali ventole, inoltre credo che gli LDMOS, essendo nati per lavorare in regime lineare, non abbiano problemi di SOA e possano dissipare più o meno la potenza piena su tutto il campo di tensione di lavoro. Dico credo, perchè nessuno si sogna di mettere il grafico della SOA nel datasheet di un LDMOS da 2 GHz... il dubbio più che altro mi resta per le tensioni tra 30 e 60 V, essendo 28-30 V la tensione operativa nominale e 68 V il "maximum rating", un valore che normalmente è sopportato nei picchi di tensione RF, quando la corrente non è particolarmente alta. Apprezzerei commenti in proposito.

  Beh, andando al punto: ho usato un ESP32, interfacciato con un convertitore A/D 16 bit premontato e con una schedina con un doppio DAC a 12 bit che ho realizzato ad hoc.

  I DAC pilotano individualmente i gate, mentre l'ADC legge tensione e corrente, la seconda tramite un IC hall da 20 A recuperato da una scheda tagliandoci la vetronite attorno 🙂.

  L'ESP32 realizza il controllo ed il data logging in memoria, controllato da una semplice interfaccia web che si può comandare da smartphone o da PC.

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  Il controllo digitale con l'ESP32 è il bello ed il brutto del sistema allo stesso tempo: il bello perchè è facile implementare qualunque logica V<->I che passi per la testa, il brutto perchè il controllo è fatto ad una frequenza di campionamento modesta (300 Hz circa, dove il limite viene principalmente dal convertitore A/D), per cui la reazione alle variazioni esterne non è rapidissima. Nella scheda originale ho lasciato quasi tutto (troppa fatica togliere componenti col pallet di rame sotto...), ho però tagliato le piste RF alle entrate ed uscite degli LDMOS, ridotto le capacità di bypass sulle polarizzazioni di gate e drain e sostituito i risonatori che erano installati sui bias di drain con delle VK200 modificate con 3 spire in parallelo e con ulteriori 10 ohm in parallelo. Infine in gate ho messo degli RC serie verso massa (10 ohm e 1 nF) per prevenire autooscillazioni. All'inizio avevo lasciato i risonatori di drain originali con 10 ohm in parallelo, però uno dei MOS autooscillava a 2.1 GHz carbonizzando la 10 ohm, nonostante l'RC di gate.

dettaglio modifiche

  I limiti che mi sono dato sono 60 V, 20 A, 600 W. I singoli MOS nascono per erogare fino a 140 W continui col 27% di efficienza, che corrispondono a 378 W dissipati con 18.5 A assorbiti a 28 V. Non intendo però utilizzare potenze alte per tempi lunghi. I modi di controllo che ho implementato finora sono: corrente costante con limite di potenza, tensione costante con limite di potenza, resistenza costante con limite di potenza, batteria LiPo, comando manuale dei DAC. Al di là dei modi ovvi, l'ultimo mi serve per fare prove e tarare il bilanciamento dei MOS, mentre "batteria LiPo" è uno speciale modo a corrente controllata in cui imposto la tensione nominale e la corrente desiderata: la corrente rimane al valore impostato fino a che la tensione scende a 3.3 V/cella (89% del valore nominale), poi scende gradualmente fino a zero a 3.0 V/cella: utile per testare i pacchi batterie senza far innescare prematuramente il BMS. Allego un po' di foto dell'aspetto finito, dell'interfaccia, dell'interno prima e dopo. Finora ho fatto prove al massimo a 30 V 5.5 A. Il controllo è ancora abbastanza grezzo, per ora solo un integrale puro con guadagno medio nei modi in corrente e basso in quelli in tensione e resistenza. Una piccola finestra grafica mostra l'andamento in tempo reale degli ultimi 10 s di funzionamento, mentre si possono registrare e scaricare in CSV fino a 7500 campioni a 10 ms o più, ho messo default 1 s. I parametri del modo scelto si possono cambiare al volo.