English version can be found here!

Dit keer een licht 🙂 verteerbaar verhaaltje over reparatie van onze DR-1x repeater van Yaesu die bij Hobbyscoop in gebruik is voor PI1NOS. Enkele weken geleden kwamen we tot het inzicht dat de repeater opeens niet meer te benaderen was, zowel via het RF pad maar ook via onze remote control gaf de repeater niet thuis. Ter plaatse bleek de 15A zekering defect en ook bij wisselen ging het meteen mis, die was dus duidelijk defect.

Het defect…

We waren ter plaatse op een dinsdag en omdat het dan clubavond is in ’t Gooi hebben we de repeater ter plaatse maar op de pijnbank gelegd. De DR-1x repeater is in feite niets meer dan twee Yaesu FTM400 transceivers in een aangepaste versie die samen met enige besturingslogica in een 19 Inch behuizing zijn geplaatst. De zender is voorzien van een extra koelblok die met behulp van een siliconen warmte geleidingsstrip bovenop de oorspronkelijke koeling is geplakt. Een blik in de kast in een eerder stadium heeft ons al meerdere keren achter onze oren doen krabben; Yaesu heeft gepoogd een “windtunnel” te creeren met behulp van een tweetal ventilatoren om de boel lekker koel te houden, echter, de uitvoering kent duidelijk zijn beperkingen, dat is helaas ook gebleken.

Voordat PI1NOS in haar huidige hoedanigheid in gebruik werd genomen is contact geweest met de bekende reparateur van radio apparatuur voor zendamateurs, PA0LMD (Leo Duursma). Omdat we al verschillende signalen binnen kregen van andere DR-1x gebruikers dat ze snel defect raken hebben wij hem gevraagd of dit probleem bekend is. Leo wist te melden dat Yaesu voor deze setup een modificatie heeft voorgeschreven in de vorm van een gewijzigd zenderchassis. Het oorspronkelijke chassis was geheel gesloten waardoor er geen luchtstroom over de PCB kon stromen. Bij 50 Watt zendvermogen op UHF worden bepaalde componenten behoorlijk warm waardoor er zelfs PCB’s waren die geheel zwartgeblakerd waren, dat willen we bij Hobbyscoop liever niet. De nieuwe behuizing is via Leo besteld voor al onze fusion repeaters en zo is de boel in gebruik genomen.

Nu de repeater alsnog defect geraakt is ligt de verdenking eigenlijk onmiddelijk in de eindversterker. Om dit te testen is de drain van de eindfet (een Mitsubischi RD70-HUF2) losgenomen. De dynamische kortsluiting is daarmee plotseling opgeheven, duidelijk een defecte eindfet. De grote vraag is echter waarom deze fet defect is geraakt in de gegeven omstandigheid. Het typische uitgangsvermogen van deze fet bedraag maar liefst 75 Watt op UHF; de 50 Watt van de DR-1x / FTM400 mag dus eigenlijk geen probleem zijn. Tijd om een beetje te rekenen.

Een paar sommetjes

Mitsubishi specificeert een drain efficiency van 64% op 530MHz. De datasheet vertelt echter dat op 450MHz bij 50Watt uitgangsvermogen een efficiency bereikt wordt van een krappe 53%. Dit is een prima getal om mee te rekenen. Bij 50 Watt uitgangsvermogen is het totale opgenomen vermogen in theorie dan omstreeks 95 Watt; er wordt dan 45 Watt in warmte omgezet. De opgenomen stroom door de eindfet zou in dat geval zo’n 7A moeten bedragen. Bij metingen kwamen we echter op een stroom van ruim 8,5A, wat betekent dat bij 50 Watt uit zo’n 115Watt gedissipeerd wordt, dat is beduidend meer warmte dan we verwachtten, namelijk 65 Watt warmte. De hogere stroom laat zich wel goed verklaren: Yaesu heeft met de FTM400 en DR-1x beoogd om een dualband transceiver te bouwen die voor alle frequentiebereiken met een enkele fet uit de voeten kan. De RD70-HUF2 leent zich prima voor dit doel. In design moeten dan wel compromissen gesloten worden.

De drain uitgangsimpedantie op 450MHz (die nemen we als uitgangspunt) bedraagt namelijk 0,87+J1,0 Ohm terwijl dit op VHF omstreeks 4,9+J1,6 Ohm is. Dat betekent dat er, zonder een grote reeks omschakelbare componenten voor VHF- en UHF in te plakken, ergens moet worden beknibbeld. In feite hoeft dit geen probleem te zijn, zolang er maar voldoende voorzieningen zijn om de overtollige warmte op een adequate wijze af te voeren, en daar zit m bij deze transceivers het probleem. Van Leo vernamen we al dat er regelmatig FTM400’s ter reparatie worden aangeboden, vooral als deze op hoog vermogen worden gebruikt. Nu is een FTM400 bedoeld voor thuisgebruik, daar wordt doorgaans niet enorm langdurig op hoog vermogen gezonden. Een repeater moet wat ons betreft wel op vol vermogen kunnen zenden bij een duty cycle van 100%. De modificatie van Yaesu blijkt dus niet afdoende.

Koelprincipes

Ik heb even overwogen om het compromis te ondervangen door de transceiver voor de UHF kant te optimaliseren. Uiteindelijk is besloten om dit niet te doen omdat de set dan enerzijds niet meer op 2 meter te gebruiken is maar tegelijk is er ook de gedachte dat, ondanks een mindere efficiency, een optimaal koelsysteem moet bestaan. Dit (b)lijkt duidelijk niet het geval. Ondertussen is bij Leo Duursma een nieuwe RD70-HUF2 besteld die rechtstreeks bij Yaesu vandaan komt en in de voorbereiding van de reparatie is de koeling uitgebreid geevalueerd.

Bij moderne Fets (zowel LDMOS en gewone MOSFETS) wordt op een relatief kleine dye (het plakje silicium) een behoorlijke hoeveelheid energie omgezet. De junction temperatuur, dat is de temperatuur die het silicium van de fet kan bereiken, ligt per definitie een stuk boven de temperatuur die de behuizing van de fet kan bereiken, maar is wel aan maxima gebonden om de fet heel te houden. Daarom is het zaak dat de opgewekte warmte die via de behuizing naar het koelblok gaat op een optimale wijze wordt afgevoerd. Oudere fets, die groter waren en niet de enorme vermogens konden opwekken die we vandaag de dag zien, werden rechtstreeks op een aluminium koelprofiel geplaatst, meestal met een beetje warmtegeleidingspasta. Bij de moderne fets zoals de RD70-HUF2 is het oppervlak van de fet nogal klein. Om deze reden wordt vandaag de dag veel gebruik gemaakt van koper. De warmtegeleidingscoefficient (3x woordwaarde in Scrabble) van koper ligt namelijk bijna twee keer zo hoog als bij Aluminium het geval is. Nu is koper kostbaar en wordt over het algemeen gekozen voor een klein koperen blokje om de directe warmte van de fet snel te verdelen. Dit koperen blokje, met een oppervlak die aanzienlijk groter is dan de fet zelf, wordt voorts weer op een aluminium koelblok gemonteerd. Op die manier kan de fet zijn warmte afdragen zonder een kritische temperatuur te bereiken.

Als we de FTM400 / DR-1x onder de loupe nemen dan vallen onmiddelijk enkele zaken op:

1. Er wordt inderdaad gebruik gemaakt van een stripje koper, echter, deze is even groot als de fet.
2. Het chassis van gietaluminium is op de plek waar de fet is gemonteerd niet mooi glad maar een beetje ruw.

Feitelijk heeft het koperen stripje geen enkele meerwaarde, immers, door deze tussen de fet en het aluminium chassis te plaatsen kan warmte niet beter verdeeld worden door het gelijke oppervlak. Sterker nog, koper heeft in dat geval een nadeel, want in plaats van één contactpunt tussen fet en koelprofiel zijn er nu twee, namelijk aan beide zijden van het koper. In alle gevallen is er dus een contactweerstand die zo klein mogelijk moet zijn, maar verwaarloosbaar is die niet. Zo dicht bij de fet is dit kritisch! Enig positief effect kan weliswaar verkregen worden door gebruik te maken van warmtegeleidingspasta, maar ook dit is niet ideaal. In dit geval is de functie ervan wel erg belangrijk door het relatief ruwe oppervlak van het FTM400 chassis.

De RD70-HUF2 fet heeft een thermische weerstand tussen de dye en de behuizing (Rth-J-C / Resistance Thermal from Junction to Case) van 0,5 graad per Watt. Anders gezegd, bij iedere Watt die omgezet wordt in warmte stijgt de temperatuur van het silicium een halve graad. Bij een ideale koeling (die nooit bereikbaar is) neemt de temperatuur van de fet in ons voorbeeld van hierboven dus zo’n 32,5 graad toe.

Helaas zijn we tot het inzicht gekomen dat de fet dermate heet geworden is dat de soldeerlippen aan de drain (de uitgang) boven het smeltpunt van de soldeertemperatuur gekomen zijn, dus in ieder geval meer dan omstreeks 227 graden, dat is fors. Met de koeling is dus iets niet zoals dit zou moeten zijn.

Modificeren

Hoe is dit nu te verbeteren? De set repareren en weer op dezelfde manier in gebruik nemen is geen optie, al helemaal niet voor een repeater. Daarom hebben we drie wijzigingen voorzien:

1. Aanbrengen van een betere koperen heatspreader om de temperatuur van de fet ver omlaag te brengen.
2. Glad polijsten of frezen van het chassis voor optimaal contact oppervlak met het koper.
3. Optimaliseren van de airflow.

Punt 1 en 2 brengen de grootste uitdaging. Wanneer je het chassis bekijkt dan valt onmiddelijk op dat deze zodanig ontworpen is dat de diverse vlakken op verschillende hoogtes liggen. Dat maakt het maken van een alternatief niet eenvoudig. Daarnaast is de ruimte voor zo’n blok heel beperkt want ook aan de onderkant van de print bevinden zich onderdelen. Na wat passen en meten kwamen we tot het inzicht dat een heatspreader gemaakt kon worden die ongeveer 2,5x de oppervlakte van de fet bedroeg. Dit is nog steeds niet ideaal maar een snelle berekening leert dat de junction temperatuur van de fet hiermee met zo’n 40…45 graden lager zal worden, dat is zeer de moeite waard.

De heatspreader is gemaakt door René (PE9RX) die erg creatief blijkt op de freesbank. Het koperen blokje is weliswaar niet zo groot, maar het zal duidelijk zijn dat het een zeer bewerkelijk proces is. De onderzijde van het koper is geheel vlak, waardoor ook het chassis dus moet worden aangepast, Hiertoe is een vlakke frees gebruik waarmee een glad oppervlak is gecreerd op een zodanige manier dat het koperen blokje er exact in past.

  

Bijkomend voordeel van de toegepaste heatspreader is dat deze tegelijk ook een goede contactering brengt met de PCB aan de zijde van de drain. In de eerste foto uit dit artikel is te zien dat dit deel van de print een enorme warmte kan ontwikkelen. De ventilator opening lost dit al op, maar door deze extra koeling blijft de temperatuur beduidend beter binnen de grenzen.

Dan nog het derde punt, de airflow. Hierbij is ons, bij de terugplaatsing van de repeater, iets vreemds opgevallen: Wij gebruiken met PI1NOS een voedingsbron van Delta Elektronica, de bekende kwaliteitsleverancier uit Zierikzee. De gebruikte voeding levert 12 volt maximaal bij voldoende stroom. Bij het inschakelen van de repeater viel onmiddelijk op dat de chassisfan die achterin de repeater is geplaatst niet ging draaien. Tot op dat moment waren wij in de veronderstelling dat deze fan eigenlijk altijd op een constante snelheid werkte. We hebben de repeater daarom nog een keer op de testbank gezet en merkten dat bij ongeveer 12,2 Volt opeens wel beweging in de ventilator kwam. Enkele experimenten wezen een nogal onverklaarbaar gedrag van de fan uit; soms draait deze snel en soms langzaam zonder een hiervoor reproduceerbare reden. Dit hebben we opgevangen door gebruik te maken van een andere (overigens ook een Delta) voeding die wel de gewone 13,8Volt levert.

Een tweede wijziging die we hebben aangebracht is het omkeren van de airflow. In de oorspronkelijke situatie wordt lucht aan de zijkant van de repeater aangezogen, gaat door de hele kast heen en voorts door de zendermodule  via de achterzijde, waar zich de chassisfan bevind, naar buiten. Door dit om te keren komt de koele lucht, zonder verwarmende effecten van andere electronika, direkt bij de zender terecht. Een tweede fan is aan de andere zijde van de zender geplaatst, kennelijk met de bedoeling om de flow verder te vergroten. Een deel van de lucht gaat daarbij door de set heen om de PCB koel te houden, al is dit maar een klein deeltje. Zelf hadden wij, gezien de tunnelconstructie, onze bedenkingen hierbij. Bij de oorspronkelijke FTM400 is een fan achterop de transceiver geplaatst en ook de DR-1x biedt deze mogelijkheid doordat het chassis dezelfde is. Verschil is echter dat de DR-1x niet van zo’n fan gebruik maakt. Zelf hadden we de wens om zoveel mogelijk lucht door de set heen te blazen en niet alleen maar over de buitenkant. Daarom is besloten om een derde fan te plaatsen die achterop het chassis te vinden is. Nu was er toevallig een zeer krachtige fan beschikbaar die normaal gesproken toegepast wordt in (1HE) servers. Dit zijn doorgaans twee fans achter elkaar die in tegengestelde richting draaien voor nóg meer koeling, maar in de DR-1x hebben we deze in tweeen gedeeld omdat nog meer wind niet nodig leek. Wel is daarmee zeker gesteld dat het lekker koel blijft aan de binnenkant van de zender waardoor een lange levensduur gegarandeerd is.

Testen en de praktijk

Een eerste test leerde dat de zender in ieder geval weer conform specificaties functioneert. De vermogens in L / M / H stand bedroegen keurig 5 / 25 en 50 Watt. Eerst zijn testen gedaan met een infrarood temperatuurmeter zonder verdere geforceerde koeling toe te passen. We wilden immers graag weten of de warmte van de fet netjes op het chassis werd overgebracht. In het verleden kwam de temperatuur van het kale chassis niet verder dan zo’n 45 graden, wat gezien de gedissipeerde energie natuurlijk niet in orde is. Na zo’n 3 minuten zenden was de temperatuur van het kale koelblok opgelopen tot 67 graden, een forse verhoging ten aanzien van de oorspronkelijke situatie. Helaas ontbreken ons de themische specificaties van het chassis en met het extra koelprofiel is het al helemaal lastig om hiervan een beeld te krijgen. Feit is wel dat met toevoeging van het extra profiel de temperatuur zo’n 8 graden lager blijft in ongeforceerde toestand.

Tenslotte is de repeater weer samengebouwd en de geforceerde koeling weer in gebruik genomen, inclusief de extra fan. Overigens, de chassisfan draait dus altijd, maar de interne fans worden gestuurd vanuit de zender op basis van temperatuur. Na zo’n 20 seconden zenden schakelen deze in en afhankelijk van de bereikte temperatuur nabij de fet blijft e.e.a. nadraaien. Het goede nieuws is dat we tot het inzicht gekomen zijn dat de repeater een beduidend lagere werktemperatuur kent op hoog vermogen. Als de draintemperatuur in het verleden de 227 Graden overschreden heeft blijkt uit de infrarood metingen dat deze nu niet meer hoger wordt dan 68 graden bij gebruikmaking van geforceerde koeling. De temperatuur van de fet zelf is ruim 40 graden lager dan voorheen, al is dit feitelijk minder belangrijk. De fet is vermoedelijk defect geraakt door de zeer hoge junctiontemperatuur door een gebrekkige koeling. Het lijkt er vooralsnog op dat de drain temperatuur omstreeks 150 graden lager ligt.

Conclusie

Tja, we waren eigenlijk al niet zo weg van het hele DR-1x en system fusion concept van Yaesu. In het verleden hebben we forse problemen gehad met de Wires-X software en DR-1x firmware en zelfs in de huidige versie (1.10Q) ontdekken we nog problemen. Dit uit zich vooral in lokale bediening en is daarom gelukkig van minder groot belang maar ook heeft PI1NOS zich toch in enkele maanden tijd een keer of vijf “opgehangen” waarna een hard-reset noodzakelijk was. Gelukkig kunnen we dit op afstand.

Daarna kwamen de verhalen over “uitgebrande repeaters” zoals uit de eerste foto blijkt. De aanbevolen modificatie van Yaesu blijkt dus maar beperkt succesvol. In ieder geval hadden wij gelukkig geen “binnenbrandje”. Het is nu afwachten of de gemaakte aanpassingen over langere termijn succesvol blijken. Bij Hobbyscoop vinden we dat een repeater die gespecificeerd is met een uitgangsvermogen van 50 Watt, ook daadwerkelijk deze 50 Watt moet kunnen leveren, ongeacht omstandigheden. De gemaakte aanpassingen zullen daarbij zonder twijfel helpen, we hopen dat dit voldoende is. Nog een paar opmerkingen:

Mocht je een FTM400 of DR-1x bezitten en je hebt geen behoefte aan de ‘poeha’ van alle wijzigingen, gebruik de set op 70cm  dan bij voorkeur niet boven de stand “midden”, ofwel 25 Watt. Op 2m is de set beduidend efficienter en kennen we geen voorbeelden van deze problemen.

Verder leverde de datasheet van de RD708-HUF2 nog wat interessante informatie op: RD series RF power transistors are designed for consumer mobile communication terminals and were not specifically designed for use in other applications. In particular, while these products are highly reliable for their designed purpose, they are not manufactured under a quality assurance testing protocol that is sufficient to guarantee the level of reliability typically deemed necessary for critical communications elements and In the application, which is base station applications and fixed station applications that operate with long term continuous transmission and a higher on-off frequency during transmitting.

Bovenstaande tekst wijst uit dat de in de DR-1x toegepaste RD-70HUF2 fet feitelijk minder geschikt is voor toepassing in base stations en repeaters. Wij vragen ons daarom af wat Yaesu voor ogen heeft gehad bij het ontwerpen van de DR-1x en haar navolger, de 2x. Bij Hobbyscoop bestaat de sterke indruk dat deze repeaters niets anders zijn dan een methode om op een goedkope manier de System Fusion toepassing gemakkelijk beschikbaar te maken, inclusief repeatergebruik. De “out of the box” performance is daarbij duidelijk onder de maat.

PI1NOS is ondertussen weer in de lucht en draait op het zelfde vermogen als voorheen, namelijk 50 Watt (zonder filtering, kabels, etc). Wij zijn erg benieuwd of de door ons aangebrachte verbeteringen afdoende zijn om de repeater heel te houden. Eerste testen zijn bemoedigend…..