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2010年4月10日土曜日

【部品】MRF255 Power Amp.

MRF255 RF Power MOS-FET
 秋月電子通商をウオッチしていると様々な『出物』が登場して楽しませてくれる。高価で手が出なかったものが驚くような価格で突如登場することもあり、自作ファン・電子マニアなら常に目が離せないだろう。

 しかしRF用パワーデバイスの登場は滅多にないように思う。 昨今の移動体通信はどんどん高い周波数へ移行してるので、モバイル端末機器用の小電力RF Deviceなら結構登場していた。 しかし、このようにハイパワーで尚かつHF帯で使うようなパワー・デバイスの登場は過去の記憶にない。HAM向きのパワー・デバイスは秋月が信越電機商会と言っていたウン10年前、店頭にV/UHF用ツイン・ビーム管が並んで以来の出来事なのかも知れない。(笑)

 誰もが使えるような易しいデバイスとは言えないと思う。半導体ハイパワーアンプに相応のスキルをお持ちのお方向きだろう。過去に2SC2290や2SC2879等で100WクラスのRFアンプを作った経験がおありなら注目して良いFETだ。
 MRF255のドレイン耐圧は36Vと低いのでSSBやCWでも電源電圧Vddはせいぜい15Vまでが良い。もちろんそのままドレインにAM変調を掛けるなど無謀なことは考えない方が良い。(Vdd<9Vなら可だが)最大ドレイン電流は22Aで最大ドレイン損失も175Wあって、かなりハイパワーなRFデバイスだ。

テスト回路
 メーカーのデータシートにあった、54MHzのAB級SSB用直線増幅器である。 FETはBJTとは違い、明確な遮断周波数fTはないが、ゲートソース間の入力容量:Cissやドレインソース間の出力容量:Cossの大きさで使い易い(設計を実現し易い)上限周波数が決まってくる。
 このMRF255は144MHz帯には難しいように思うので50MHz帯までと考えれば合理的だろう。 但し、シングルバンドに特化し電極間容量を十分考慮した設計をすれば144MHzの可能性もあるかも知れない。当然ゲインは下がるし、もちろん「広帯域アンプ」の設計では旨くないだろう。

 最大定格が示すように低電圧大電流のデバイスである。電源電圧の低さを大電流でカバーする無理をしたデバイスだからリニヤリティはあまり宜しくないのである。 このテスト回路における3rd-IMDは標準で-30dB(ワーストケースでは-25dB)とあって歪み特性はあまり芳しくない。(今どきなので有利な数字が出るEIA式ではなく、厳しい方のMIL式のIMD評価であろう) 高電圧で使うPower MOS-FETは良好なIMD特性も期待できるが、ここまで低電圧大電流ではバイポーラ・トランジスタとあまり違わぬ性能に甘んじることになる。 但し、7次9次11次・・・と言った高次IMDが優れている可能性もあるので、ここは大いに期待したいと思う。

 100Wクラスで、しかも広帯域アンプではPush-Pull回路が有利だ。ただし偶数次高調波は少なくなるが、IMDはIn-Out間の直線性によるから殆ど改善されないと思った方が良い。NFBは安定動作には寄与するが、歪みに対する劇的な効果など期待しない方が良い。要はデバイス本来のリニヤリティが良くないと何をしてもそれなりにしかならない。
 厳しくなった電波法の新しい無線設備規則「帯域外領域に於けるスプリアス特性*1」を十分満たすだけの性能が得られない「時代遅れ」のデバイスになったのがこの時期に大量放出された理由なのかも・・・?。

*1:帯域外領域におけるスプリアス発射強度の許容値(5Wを越えるもの):『50mW以下であり、かつ、基本周波数の平均電力より40dB低い値』:第7条関係・無線設備規則別表第三号39による。(アマチュア局の無線設備基準に関わるもの)
・・・・TTT注記:この赤字部分はかなり厳しい数字だと思う。MRF255で実現するのは無理のある数字だ。もはや無線機メーカーが堂々と使う訳には行くまい。(だからバッタもんになったんだろうが・・・)

参考:アマチュア局無線設備のスプリアスに関連する拙Blog内のリンク=>こちら

MRF255 Push-Pull Power Amp.
 MRF255のパワーアンプにうってつけの部品が出て来た。 大きなヒートシンクとメガネ型になったRFトランス、そしてプリント基板である。頂き物だったと思うがずっと日の目を見なかった。(VY SRY)

 大きなヒートシンクなので、SSBやCWの間欠オンエアなら自然空冷でも何とかなるだろう。しかし安全を考えれば温度検知型の空冷ファンを付けた方が良いはずだ。

 出力100Wのリニヤアンプを作るには飽和出力が2倍の200W程度になるように設計する。その上で100Wまでの範囲で使うことにする。もちろんメーカー製トランシーバも同様の設計である。 飽和出力が100Wの設計で100Wいっぱい出したのでは、歪み特性(IMD特性)が使用に堪えないほど酷いものになってしまうからだ。

 必要なパワーの2倍くらいの飽和出力で設計し、概半分を超えぬようALCで抑制して実用にしている訳だ。そうしたメーカー機ではドレイン側の負荷インピーダンスは200Wの設計ではあっても、電源容量やヒートシンクの物理的なサイズは当然100W用なのでALCの抑制を外して100W以上を出そうなどと思ってはいけない。(スプラッタが甚だしいばかりか過負荷に対するマージンも不足し壊れやすくなる)

 MRF255は本来ならSSB用のリニヤアンプとして考えるのだろう。もちろんCW用にしても良いので十分な放熱をすればシングルで70〜90W、Push-Pullでは150〜200Wが期待できるだろう。 CWやFMはシングル・キャリヤなのでC級増幅でも良いわけでIMDはぜんぜん問題にならないからこのような使い方も可能だ。むしろ飽和領域あたりまでOver Driveして使うのが常識でさえある。そうすることで終段効率も随分良くなって行く。

 なおFull Powerでは非常に大きな電流が流れる。特に「広帯域アンプ」としてマルチバンド用に設計すると40〜50%のドレイン効率になるので、Vdd=12.0Vでは20A以上になることも多い。200Wならその倍近いだろう。電源スイッチの電流容量には十分注意し、さらに極太のケーブルで配線すると言った当たり前に思える配慮も「低電圧ハイパワー」なアンプ作りのノウハウの一つだ。さもないと入力信号のピークでドレイン電圧が降下してしまいパワーが伸びない『ノンリニヤ・アンプ』になる。(笑)(12V電源のメーカー機の終段回路は電源スイッチさえ通っていない)

 パワーが大きすぎるFETなので中電力には使いにくいが、シングルで使ってQRP-CW機に付加するPo=10〜30W程度のブースタにも良さそうだ。その場合はアイドリングも控え目にすれば物々しいヒートシンクは必要なくて手帳サイズでも大丈夫だ。Low Bandでは1〜2Wのドライブで十分なパワーが出る。 一般に狭帯域設計の方がゲインがあって効率も良いが、周波数特性の平坦化と安定動作を優先しNFBを掛けた広帯域アンプにしてみるのも良い。

 MRF255はSSBで奇麗な波を目指すにはいま一つかも知れないがCW/FM/FSKにはまったく支障ない。HF帯をFullにカバーするFBなブースタが作れる。電子デバイスは使い方しだいで活きてくるものだ。あまりたくさん在庫すると消費に困りそうだがパーツボックスに数個入れておきたい。パッケージは熱伝導に優れた窒化アルミニウムである。酸化ベリリウム(ベリリア)よりやや熱伝導性は劣るようだが、有毒物ではないので安心だ。

# この種のデバイスとしては異例のお値段なのでハラハラせず実験できるのは有難い。ドレイン耐圧が2倍くらいあったらもっと良かったのだが・・・。



参考:MR255の使用例】(2010.10.10追記)
 左図は、ICOMのIC-706 MK-1トランシーバの終段部分である。ドライバ段もFETになっているが、これはVHF帯までカバーする都合であろう。HF帯用ならBJTでも良い。

 ドライバ段がPush-Pullではなくて済むのはドライバのMRF5015と終段のMRF255がハイゲインだからであろう。MRF255のBIAS電圧はダイオードで簡単に温度補償している。(注:このダイードは単なる回路保護用かもしれない。MRF255が破壊した時に意味を持つ)また、軽いNFBを掛けて周波数特性の平坦化をはかっている。 IC706は車載用なので電源電圧は13.8Vで設計しているはず。 見る機会が有ればドライバ・トランスや出力トランスの大きさなどを参照すると良い。

 理由は不明だが、IC706 MK-2ではファイナルが変更され2SC2694のPush-Pullになっている。さらにMK-2Gでは再びPower-MOSに戻っているがSRFJ7044と言う別のPower-MOS FETに変更されたほか、さらにもう一段のドライバ・アンプが追加されている。MK-1の回路ではHF帯各バンドで均等なパワーが得られなかったのかも知れない。設計時に想定したより、デバイス(MRF255)のバラツキが大きかったのではないだろうか。それさえ解決すればBJTよりPower-MOS FETの方が優れるので再び戻ったのだろう?(いえいえ、あくまでも想像でのお話し。真相はわりませんけど・・・)

 IC706が登場した時代のスプリアス基準は上記とは異なっていた。旧基準で作られたリグも2023年まで継続して使用できることになっていたと思う。(ずいぶん先のことだが、その先も使うには自作品の扱いで保証認定による方法だろうか?)

(おわり)

追記:MRF255は2012年11月ころ売り切れになったようだ。思えば2年半もの長きに渡って継続販売されたのだから、相当量の数があったのだろう。それも全てさばけたのである。 予想ではすぐになくなるのではないかと思っていたので意外と言う気もする。しかし冷静に考えると微妙に高価でしかも用途は限定的だから手を出さなかった自作HAMも多かったに違いない。自身も購入しながら未だに本格的活用に達していない。せっかくリキを入れて作っても性能がいま一つなのでは製作意欲も減退気味と言うものだ。それでも多くの自作HAMにとって縁遠かったRF用Power-MOSの扱い方の周知には役立っただろうと思う。秋月電子通商のお陰だ。 もう無くなってしまったものは仕方がない。買いそびれた人は無理に入手しようとせず、ずっと性能の良い別のFETを活用した方が良い。(2013.01.06)

18 件のコメント:

JR2WZQ 河野 さんのコメント...

おはようございます。
私は、ノウハウもスキルもないのに、秋葉原に出かけたとき、ついついMRF255を買ってしまいました。この値段で買えるのは今だけだと思ったものですから。死蔵される可能性が高いです(苦笑)。

TTT/hiro さんのコメント...

JR2WZQ 河野さん、おはようございます。 当地は桜が満開でこの週末はお花見日和のようです。 今朝は花曇りですね。

さっそくのコメント有難うございます。
> ノウハウもスキルもないのに・・・
スミマセン。ちょっと難しそうに書き過ぎたかもしれませんね。 実際には幾つかのポイントを押さえておけば大丈夫ですよ。わかって使えばそうそう壊れませんので。(笑)

> 死蔵される可能性が高いです・・・
安価とは言っても死蔵では勿体ないです。電子部品は是非使ってやりましょう! 半導体はもっと良いのが登場して死蔵しているうち価値が下がることも多いですので・・・。(逆もありますけど・笑)

要点としてはゲートバイアスの掛け方と発振に注意すことでしょう。今のRFパワーデバイスはかなり丈夫です。またFETはバイポーラTrよりもタフで使い易いと思います。いずれ実例を・・・と思ってます。hi hi

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

おはようございます。

今日も暖かい良い天気です。
お花見もこの土日で終わりでしょうか。

私も値段に釣られて買いましたがちょっとパワーが大きすぎます。
20~30Aとなるとあっという間に燃えてしまいますしある意味高圧より扱いにくいです(笑)

出来ればこの1/10ぐらいの規格だったら使いやすかったのですが、10Wクラスって昔から使いやすい石があまりないんですよね。

ということで私もパーツボックスの肥やしになりそうです。HiHi

この石を買ったという書き込みやBlogを多々見かけます。
そのうちどれくらいが実際に製作されるのでしょうね。

昔、2SC2290シングル、50MHz 50Wアンプを作ったことがありますがそのときの石の値段と比べると1/6ですから10Wクラスのアンプの実験も気楽に出来ますね。
もっともこの石で10Wを申請してもTSSが認定してくれない可能性もありますが。Hi

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、おはようございます。 関東のお花見も今週まででしょうね。 埼玉でもだんだん標高の高い方に行けば5月の連休くらいまで・・・お好きな人は毎週桜を追うようです。(笑)

コメント有難うございます。
> ちょっとパワーが大きすぎます。
そうですねえ。 ドライバー段のトランジスタくらいの方が扱いやすと思います。

> あっという間に燃えてしまいますし・・・
最終的には大容量の電源で実験することになるんですが、動作調整が不完全なままでやると火を見ますからね。(笑えない)

> どれくらいが実際に製作されるのでしょうね。
皆さんお使いのメーカー機は大半が既に100Wでしょう。従って100Wのアンプを作っても意味はありません。電力合成でそれ以上出すには一段高い技術が必要で調整も難しいうえ、12V/200Aとか言う大電源が必要になりなかなか困難でしょう。それにIMDの良くないハイパワーは皆に迷惑だし・・・。案外死蔵されるのではないかと思いますね。hi hi

> この石で10Wを申請してもTSSが・・・
これだけ大きな石で、たったの20Wしか出ないと言う説明や証明は難しいでしょうね。

お互い死蔵しないよう頑張りましょう。(ウ〜む・・)

JG6DFK さんのコメント...

おはようございます。

このように紹介されてしまうと、たちどころに枯渇してしまわないかと心配になりますが、この石に関心がある人は案外そう多くないかもしれませんね。かくいう私は秋月のサイトをよくチェックする割に、まったく気にも留めていませんでした。Hi.

私は「秋月電子」になってからのお付き合いですが、その頃でもCM30-12Aとそのドライバ・2SC3021・2SC2283・2SC1337といった出物を見つけては買ってきました。が、その後まったくと言っていいほど日の目を見ないまま、すっかり陳腐なデバイスになってしまいました。Hi.

いい加減活用しないとオバケが出るかもしれませんが、バイポーラRFパワーデバイスはすでに過去のものとなりつつあり、今これらで回路設計をしたところで自己満足にしかならないでしょう。その前にRFへの関心がすっかり失せています。Hi. ついでにHi-Fiオーディオにも。Hi Hi.

おっしゃるように、RF MOS-FETは電極間容量がネックだと思いますが、逆にそれさえクリアすれば、RF用途でないMOS-FETを転用することもできそうです。また、こういう使い方がアマチュア的で面白いかもしれません。

昔々、ハムフェアの技研ブースでお会いしたことがある、某H社OBのOMさんと6mのSSBでたまたまつながったことがあり、当時秋月に出ていた2SK319でも「うまくすれば6mで10Wは出る」という話を伺ったことがありました。この石は手元に20個くらい転がっていますが、まだ実験したことはありません。今やこの石もすっかり陳腐化しています。Hi.

蛇足ですが、当時は200mW出力の自作機でやっていたので、最後に「お前の波はショボ過ぎるからもっとQROせい!」と言われて参りました。Hi. 当時はお空で技術談義ができる時代でした。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK 児玉さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> たちどころに枯渇してしまわないかと・・・
私がBlogに書く以前に、すでにBlogや掲示板、twitterなんかでタップリ紹介されてますからもう影響はないのでは?(笑)

> すっかり陳腐なデバイスになって・・・
拙宅にも過去の遺物になりつつあるRFパワーの石があります。送信管ならオーディオへの道もあるんですが、RF用のパワトラはそうも行かないですから・・・。(苦笑)

> RF用途でないMOS-FETを転用することも・・・
以前,自作プラーザで共同購入したSW電源用のMTP3055とかIFR510などは周波数特性こそイマイチですが高い電圧を掛けられるのでずっと有利でしたね。周波数特性が悪い分、壊れにくかったです。ゲインはだいぶ下がりますが50MHzあたりまで使えそうでした。hi hi

> 2SK319でも「うまくすれば6mで10Wは出る」・・
VHF帯で使えるモノは少なくなりますが、HF帯に使える石は沢山あります。安価ですから自作に向いていると思います。工夫次第ですね。

> 当時はお空で技術談義ができる時代でした。
いまでも、一部ではそう言うQSOもありますので、MRF255も大いに話題になっていることでしょう。hi hi

小町 さんのコメント...

こんにちは。小町です。今朝ほど拝見して「ポチッ」とやってしまいそうになりましたが、手持ちにはIRF510/530が残っていますので思案中...デス。IRF510のPPで、12V->24VのDCDCをドレインにかければいとも簡単に7MHzで40Wくらいは出ます。6mではまだ実験していませんが、効率はおちても5Wなら出せそうです。1個1ドルくらいで買えますので「パチン」と飛んでもまた交換できます。Hi 加藤さんの追試実験に備え、二個だけ買おうかな?私にとってはこれでも、高価な半導体です。

TTT/hiro さんのコメント...

JA9MAT 小町さん、こんばんは。 先ほど映画館から帰ってきたところです。

コメント有難うございます。
> IRF510/530が残っていますので思案中...デス。
MRF255の意義はHF帯において「12.6Vで100Wが得られる」ことにあると思います。 固定局用に作るならもっと電源電圧が高くできるFETの方が効率や直線性の点でずっと有利でしょう。 その意味であまり必要とされない石かも知れませんね。

> 1個1ドルくらいで買えますので「パチン・・・
単価100円くらいの石なら飛ばしても心臓が痛くならないので良いです。 そのお考えに賛成ですよ。hi hi

> 私にとってはこれでも、高価な半導体です。
PPで100W得られるRF用の石デバイスはかなり高価なので2個1,500円なら安く感じますが、それでも飛ばしたらヤッパリ痛いです。 牛丼なら5杯、100均小物なら15コも買えるんですから。(貧乏性です・爆)

> 追試実験に備え、二個だけ買おうかな?
そうですねえ・・・。HF帯のLow Band用のモノバンドアンプなら別の安価なFETでも十分だと思います。100Wくらい容易に出るアンプが作れます。小町さんは自作家ですからお薦めしておくべきなのでしょうね。でも、ちょっと迷うところです。hi hi

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは~

映画は何を見られたのでしょうか?
「シャッターアイランド」かな?
今日は汗ばむほどの暖かさでした。

ちょっと前でしたら腕のある違法CBショップが買い込んで500W、1KWブースターを作って高値で販売していたでしょうね。
27MHzモノバンド用大出力アンプを作って暴利をむさぼるというのはいかがですか?HiHi

確かに買ってはみた物のさて・・というデバイスではあります。
FT-817用50Wリニアアンプなどが良いかもしれませんね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 「シャッターアイランド」かな?
ソレも面白そうなんですが、「シャーロック・ホームズ」を見て来ました。 最後の部分なのですが、真に狙われていたのは「無線技術」だった・・と言うような落ちがありました。(笑)

> 大出力アンプを作って暴利をむさぼるというのは・・
今は違法な物を提供すると捕まる可能性も有りますからやめておきましょう。それに違法CB用パワーアンプは24V電源でないと・・(爆)

> FT-817用50Wリニアアンプなどが良いかも・・
良さそうなんですがハイパワーは電源事情の良い所に限られるので固定用でしょうか・・・。そうなると固定機の方が扱い易いですね。 10W機のモービル用ブースタには良いのかも。移動局ですから合法的には50Wまでですね。hi

jo7wai / 高橋 さんのコメント...

秋月のHPで見つけて気にはなっていたのですが、TTT/hiroさんの解説でどの様な石なのか良く解りました。私には必要無さそうです。だって、私が免許されている10W、7MHzに限れば普通の石でTXが作れる事が解りましたから。
もしも東京へ出張で出る時があれば、買うかも知れません。その時、残っていればの話しですね。

追伸)
先のCOPAはUAトーンを指摘されまして、改善に苦労しましたが、ようやく何とかなりました。浅学非才の悲しさです。

TTT/hiro さんのコメント...

JO7WAI 高橋さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> 10W、7MHzに限れば普通の石でTXが作れる・・
もちろんそうですね。 fTが100MHz以上のパワートランジスタなら7MHzに十分使えます。@100円以下でイッパイありますから。秋月で売っている2SC4793など安くてQRP-TXに最適です。hi hi

> その時、残っていればの話しですね。
欲しくなったら遠慮なく言って下さい。たぶん3組買った残りが死蔵品になっていると思いますので。全部残っていたりして。hi hi

> 先のCOPAはUAトーンを指摘されまして・・・
キャリヤが濁っていたか、チャープしてましたか? 対策できたようで良かったですね。 送信機作りのノウハウをずいぶん積まれましたね! 素晴らしいです。

MASA さんのコメント...

JA1BVA 齊藤です。
お久しぶりです。
今、K2の100W改造中です。
形が似ていると気づいて、確認したところ、
C2879が2個でした。東芝製ですね。

TTT/hiro さんのコメント...

JA1BVA 齊藤さん、こんばんは。 夕方になり雨模様です。 これで今年の桜も終わりましたね。

コメント有難うございます。
> C2879が2個でした。東芝製ですね。
そうですね。 2SC2879は東芝製の12V用ファイナルのトランジスタで、KenwoodのTS-680Sほか色々なトランシーバに使われたポピュラーな石です。 2SC2290より一段と大型の石でPc=250Wだったと思います。

K2の100W改造が旨く行きますように。

JKBC さんのコメント...

MRF255を検索していて偶然たどりつきました。
トランス、基板とヒートシンク、ようやく使っていただけましたね!ありがとうございます。
(今年の年賀状、正月いなくて出していません。ごめんなさい)

TTT/hiro さんのコメント...

JKBCさんは、久野さんですね。 ご無沙汰でした。 お元気そうで何よりです。

> MRF255を検索していて・・・
最近話題のデバイスですからね。何か良い情報はないか検索されるお方も多いのでしょう。hi

> ようやく使っていただけましたね!
まだこれからなのですが、活用させていただく予定ですよ。先にSingleアンプで感触を得たいと思っています。PPアンプはそのあとやってみようと思います。 バイアス回路がBJTと異なるので頂いた基板の流用は難しいかも知れませんね。出力トランスは使えるでしょう。

またお出掛け下さい。お気軽にコメントもどうぞ。

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは~
大阪もかなり秋らしくなりました。

IC-706初期型もMRF255だったのですね。
ICOMは15年以上前のリグは修理しないと宣言していますし、
保守部品の必要もなくなり放出されたのでしょうか?

購入した255どう使うか未だ思案中ですが、Push-Pullで100W出力はやはり大きすぎるのと出力のトランスが大変なのでシングルで軽く使うのが楽かな~と思ってます。Hi

すぐになくなるかと思っていましたが、未だに秋月では手に入りますね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんばんは。 今日は北関東もとってもFBなお天気でした。気温は29度まで行きましたが、とっても爽やかでしたね。

コメント有難うございます!!
> 初期型もMRF255だったのですね。
その当時は珍しい石を使った物だと思いましたねえ。FETは低い電源電圧に弱いと言う先入観がありましたので。hi

> 保守部品の必要もなくなり放出されたのでしょうか?
わかりませんが、修理用の部品にしては量が多すぎるような気がします。すごく壊れ易いと想定していたとか?(爆)

> シングルで軽く使うのが楽かな~と思ってます。Hi
ゲート側を検討してみると大きな石なのに案外ドライブが楽そうなので、シングルで軽く使うのが良さそうですね。

> 未だに秋月では手に入りますね。
何万個もあったとか? まさかねえ。。(笑)

自分で遊ぶ分は確保したのでもう要りません。hi hi