Del ft817(nd) e della sua alimentazione
Tutto nasce una sera in sezione quando chiacchierando piacevolmente finiamo a parlare del FT817 e delle sue caratteristiche di potenza con alimentazione a batteria.
Io avevo visto poco tempo prima delle misure fatte da un americano che, andando a memoria, dimostravano che fino a 11V di alimentazione l'817 riesce a tirar fuori tutti i suoi 5 Watt.
Non solo, si trovano in giro dei progetti di power conditioner studiati appositamente per alimentare questa radio con giusto quel tanto di tensione che le serve proteggendola al contempo da sovratensioni e inversioni di polarità che, diciamocelo, non le ho molto gradite.
Questa chiacchierata ha acceso in me il sacro fuoco del "devo andare in fondo alla faccenda".
(Italian/English Version)
I giorni successivi quindi parto con la fase di indagine di quanto si trova già in giro.
Noto subito che praticamente tutti i progetti che trovo si basano su regolatori di tensioni (tipo 7809 per intenderci) quindi certo abbassano la tensione in uscita ma semplicemente sprecando il surplus.
Unico progetto di cui sono a conoscenza che invece usa uno switching è di KA7OEI che con il suo sito http://www.ka7oei.com fa da certo riferimento quando si parla del 817. Non si è nemmeno limitato a regolare la tensione di alimentazione ma addirittura la abbassa ulteriormente fino a 8V quando la radio è in ricezione, un grande!
Però proprio leggendo con attenzione il sito in questione noto delle piccole discrepanze con le misure, decisamente approssimative, che avevo fatto tempo addietro per verificare come andasse la radio alimentandola con celle LiPo 3S (che hanno una tensione caratteristica di 11,1V).
Mi sono anche accorto che tutti parlano del FT817 mentre io ho un ND ed è risaputo che questa versione è stata modificata nella parte di amplificazione di potenza.
Ormai era fatta, stavo già pensando a come fare tutte le misure del caso per dipanare i dubbi.
Il progetto
Lo scopo finale che mi sono prefisso, al di la della questione puramente accademica, era di ottenere il massimo dalle batterie che uso per le attività in portatile, in particolare nelle attivazioni SOTA dove il peso e l'affidabilita` dell'attrezzatura sono fondamentali.
Come accennato sono approdato a celle LiPo 3S per il loro peso e, grazie ai consigli raccolti nel forum dedicato al 817 su Yahoo http://groups.yahoo.com/group/FT817/, ho acquistato delle 3,6A/h da 200gr dalla germania nate per il modellismo dinamico che volendo starebbero anche dentro il vano batterie della radio. In realtà io le tengo all'esterno ma tant'è ... avrei anche potuto prendere delle batterie di capacità superiore evitando quindi di portarne più di una quando faccio le attivazioni ma visto che il guasto può sempre capitare averle divise limita il rischio di restare senza alimentazione in caso di problemi.
In ogni caso l'idea di strizzarle fino all'osso senza sprechi e senza perdere di potenza mi stuzzicava troppo.
Il progetto di KA7OEI mi piace proprio ma soffre di un paio di difetti non indifferenti: prima di tutto usa componenti ormai vetusti difficili da reperire e che certo non possono competere con gli ultimi nati in termini di efficienza, poi il circuito è un buck (cioè un convertitore verso il basso) studiato per lavorare con alimentazione di oltre 12V mentre le mie batterie vanno ben sotto (per le celle 3S la tensione minima di scarica è 9,9V).
L'idea che mi stava balenando era di progettare quindi un buck-boost sfruttando l'idea di KA7OEI di variare la tensione di uscita dal convertitore quando la radio è in ricezione per ottenere il massimo risparmio di energia.
La prima cosa da fare però è decidere quale deve essere la tensione di alimentazione in trasmissione, si sarebbe quindi trattato di effettuare tutte le misure del caso per individuare il valore minimo che permetta alla radio di uscire a piena potenza.
Le misure
Per le misure ho usato l'oscilloscopio di cui dispongo che arriva fino a 70MHz (ed è anche l'unico strumento calibrato che ho) per misurare la tensione ai capi del carico fittizzio con un canale e contemporaneamente la tensione di alimentazione con un altro.
Ho fatto preventivamente un po' di misure a campione per pianificare il tutto al meglio, in questa fase ho verificato che il consumo di corrente non cambia in maniera significativa al variare della tensione di alimentazione e si assesta a circa 300mA in ricezione e 2A in trasmissione.
Ho però notato che il comportamento nelle varie bande è differente e ho quindi deciso che avrei effettuato le misure in tutte le bande disponibili abbassando man mano la tensione di un decimo di volt circa fino al limite sopportato dalla radio.
Visto il gran numero di punti ho provveduto ad automatizzare per quanto mi era possibile il procedimento. Ho scritto un semplice programmino in python che, dopo aver impostato l'oscilloscopio, nell'ordine:
- comanda la radio sul centro banda
- imposta la scala dei tempi in funzione della frequenza
- manda la radio in trasmissione
- attende il temine dell'acquisizione da parte dell'oscilloscopio
- ferma la trasmissione
- legge le 2 misure di tensione e la frequenza del trigger per verifica quindi le salva in un file CSV
- ripete dall'inizio per tutte le bande per 4 misure ciascuna
- al termine attende che venga variata la tensione di alimentazione e alla pressione di un tasto ricomincia da capo
Alla fine di tutto mi sono ritrovato con un 1500 misure dei valori della tensione efficace sul carico fittizzio, è bastato quindi applicare la ben nota formula P=V^2/R e riportare tutto su un grafico.
Il risultato è visibile in figura, si nota immediatamente che per ciascuna frequenza la potenza resta pressochè costante fino a quando la tensione di alimentazione non passa una soglia, diversa per ciascuna banda, sotto la quale la potenza cala linearmente. Per le frequenze più basse la tensione soglia scende fino quasi agli 8V, sotto questi in ogni caso la radio semplicemente si spegne.
Prima di partire con la progettazione vera e propria ho ritenuto opportuno valutare quale sarebbe stato il risparmio di energia grazie al convertitore e soprattutto se il risparmio ottenuto con la doppia tensione TX/RX giustificava la maggior complessità della realizzazione.
Dopo le prime ipotesi ho ritenuto che la tensione di 9,9V per la trasmissione fosse il giusto compromesso per poter usare un semplice (e più efficiente) buck piuttosto che un buck/boost, la perdita di potenza anche nelle bande più sensibili è ancora limitata e l'ho ritenuta accettabile.
Ho infine ipotizzato un'efficienza del 95% del convertitore e un duty cycle TX/RX del 25% ottenendo un risparmio di poco più del 10%, un po' deludente considerate queste ipotesi decisamente ottimistiche.
Va poi considerato che uno switching avrebbe richiesto particolare attenzione nella realizzazione per evitare di introdurre rumore nel ricevitore, questo sinceramente era l'aspetto della progettazione che più mi preoccupava.
Se infine ripensiamo al detto "quello che non c'è non si rompe" conviene decisamente portarsi una batteria in più. PUNTO!
Già che c'ero ho rifatto i conti con delle ipotesi leggermente diverse: 13,8V di tensione alla batteria e un duty cycle del 10% che ho ritenuto rappresentativi di un uso seppur portatile ma meno spinto di un'attivazione.
In questo caso si potrebbe arrivare ad un risparmio del 32% ma il maggior guadagno dovuto alla doppia alimentazione è solo del 8% che non giustifica a mio parere la complicazione che questo comporta.
Con queste ipotesi quindi potrebbe essere interessante l'uso di un convertitore semplice ma di buona efficienza.
Conclusioni
Tirando le somme mi sento quindi di confermare che la scelta fatta da molti delle batterie LiPo 3S, senza alcun power conditioner, come fonte di alimentazione per l'uso portatile dell'817 è la migliore e non comporta perdite rilevanti di potenza neanche nell'ipotesi di spremere le celle fino alla loro tensione di massima scarica (3,3V per cella).Per l'uso invece con batterie al piombo (o comunque con tensioni di alimentazione superiori) varrebbe la pena di introdurre un convertitore di tensione, ma non è questo il mio caso.
73 de IZ3MGE Marco
ENGLISH VERSION
It started one evening, chatting pleasantly at local club when we end up talking about the FT-817 and its power characteristics with battery power.I had previously seen the measurements made by a US ham, and recalled he showed that up to 11V of power the 817 brings out all its 5 watts.
There are also projects of power conditioners specifically designed to power this radio with just as much voltage it needs whilst protecting against overvoltage and reverse polarity which, let's agree, are not very welcome.
This chat has ignited the fire in me of the "I have to go into the bottom of the matter." The following few days I start with the investigation phase of what is already available. I notice that almost all of the projects that I find are based on voltage regulators (type 7809 for instance) which certainly lower the output voltage by simply wasting the surplus.
A unique project of which I am aware, instead uses a switching supply is from KA7OEI, described on his site http://www.ka7oei.com with lots of refernces to the 817. That project does not only adjust the supply voltage but it also reduces it to 8V when the radio is receiving to save even more power.
But just reading carefully the site in question I noticed small discrepancies with the measurements, definitely approximate, which I had done some time before to see how the radio behaves feeding it with 3S LiPo cells (which have a characteristic voltage of 11.1 V).
I also noticed that everyone is talking about the FT817 while I have a ND and it is known that this version has a modified power amp.And so, I was already thinking about how to make all the necessary measurements to unravel the doubt.
The project
The ultimate goal that I set, beyond the purely academic question, was to get the most from the batteries that I use for portable activities, particularly in the SOTA activations where the weight and the reliability of the equipment are essential.
As mentioned, I decided on 3S LiPo cells for their weight and, thanks to the advice set out in the forum dedicated to the 817 on Yahoo (http://groups.yahoo.com/group/FT817/), I bought the 3.6A/h weighing 200g from germany made for RC models that can be fitted, if desired, inside the battery compartment of the radio. In fact I keep them outside but..
I might have chosen batteries of higher capacity, thus avoiding to bring more than one when doing activations but, since failures happens, having multiple batteries limits the risk of remaining without power supply in case of problems.In any case, the idea of squeezing the most from these without waste and without losing power teased me too much.
I really like the project from KA7OEI but it suffers from a couple of flaws not inconsequential: first of all he uses older components hard to find, which incidentally certainly cannot compete with newer components in terms of efficiency, and the circuit is a buck (that is a down-converter) designed to work with power of over 12V, yet my batteries go well below this (for the 3S cells minimum discharge voltage is 9.9V).
The idea that was flashing in my head was then to design a buck-boost by exploiting the idea of KA7OEI to vary the output voltage from the converter when the radio is receiving in order to obtain the maximum energy savings.
The first thing to do, however, is to decide what should be the power supply voltage during transmission, so all the necessary measurements are required to find the minimum value that allows the radio to go out at full power.
Measurements
For the measures I used the oscilloscope I have available that reaches up to 70MHz (and is also the only calibrated instrument I own) to measure the voltage across a dummy load with one channel and simultaneously the power supply voltage with another.
I did some random measurements in advance to plan everything as best I could. At this stage I have verified that the power consumption does not change significantly at different supply voltages and settles down to around 300mA in receive and 2A during transmission.
I have noticed however, that the behavior on each band is different and so I decided that I would carry out the measurements on all bands available gradually lowering the voltage by about a tenth of a volt down to the limit tolerated by the radio.
Given the large number of measurement points I proceeded to automate the procedure as much as I could. I wrote a simple program in python that, after setting up the oscilloscope, it performed, in order:
- commands the radio on the band center
- Sets the time scale as a function of frequency
- Tells the radio to transmit
- Waits for the end of the acquisition by the oscilloscope
- Stops the transmission
- Reads the 2 measures of voltage and the frequency of the trigger for verification and then saves all them to a CSV file
- Repeats from the beginning for all the bands, 4 measurements each
At the end ask me to change the power supply voltage and at the push of a button begins again
At the end of the testing, I found myself with 1500 measurements of the rms voltage on the dummy load, I had then to apply the well-known formula P=V^2/R and bring everything on a graph. The result is shown in the figure, we can see immediately that for each frequency the power remains almost constant until the supply voltage passes a threshold, different for each band, under which the power decreases linearly. For lower frequencies the voltage threshold is down to almost 8V at which point, the radio simply turns off.
Before starting with the actual design I felt I should evaluate what would be the energy saving thanks to the converter, specifically if the savings achieved with the dual voltage TX / RX justify the greater complexity of the implementation. As the first hypothesis I considered that the voltage 9.9V for transmission was the right compromise to be able to use a simple (and more efficient) buck rather than a buck/boost. The power loss on all bands is still limited and I find it acceptable.
I finally assumed an efficiency of 95% for the converter and a duty cycle TX/RX of 25% and thus obtaining a saving just over 10% - somewhat disappointing considering that these hypotheses are decidedly optimistic. It should also be noted that a switching supply would require special attention in the implementation to avoid introducing noise in the receiver, this truly was the aspect of the design that worried me the most. Finally, if we think back to the saying "what is not there does not break" we should definitely bring an extra battery ... and nothing more!
While I was there I redid the calculations with slightly different assumptions: a 13.8V voltage from the battery and a duty cycle of 10% that I considered representative of portable use but less stringent than a SOTA or other activation. In this case, you can end up to a saving of 32% but the greatest gain due to dual power supply is only 8%, which in my opinion does not justify the added complication of the setup. As a result with these assumptions it would be interesting to see the results of using a simple but highly efficient converter .
Conclusions
To summarise I would then confirm that the choice made by many users of the 3S LiPo batteries, with no power conditioner used as a portable power source for use on the 817 is best and does not involve significant losses of transmit power even squeezing the cells to their maximum discharge voltage (3.3V per cell). For use with lead-acid batteries instead (or with any higher voltage supply) it would be worthwhile to introduce a voltage converter, but this is not the route I chose.
73 de IZ3MGE Marco
P.S. Tnx to Mike M0SAZ for his support with english translation