Heathkit SB-220

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Heathkit SB-220

SB-220 front.jpeg

Dieser "2kW" Verstärker wurde in den 70ern als Bausatz angeboten, und ist wohl weit verbreitet, wird aber trotzdem eher selten angeboten (wer gibt sowas schon her). Die Röhren schaffen (knapp) 2kW output PEP oder Keydown, allerdings nicht das Netzteil, welches für 1000W DC in ausgelegt ist (damals "legal limit" in den USA) bzw. 2kW PEP DC in.

SSB war nach FCC Regeln so zu betreiben, dass das (analoge) Anodenstrommeter in den Sprachspitzen nicht über 1kW input anzeigte, was ca. 2kW PEP input entspricht.

Wenn der Anodentrafo kaputt ist, kann man sich gleich einen höher übersetzten einbauen, so dass man auf 3,5-4kV Anodenspannung kommt (Spannungsfestigkeit der Sieb- und Abblock-Cs beachten, Lüftung aufrüsten, evtl Bandschalter ersetzen falls er fackelt). Dann stehen echten 2kW (24/7 keydown oder PEP, je nach Trafoleistung) nichts mehr im Weg, man muss nurnoch im entsprechenden Land wohnen um die auch fahren zu dürfen.

Spezifikationen

  • Netz: 220V/110V (interne Automaten: 10A bzw 110V 20A)
  • RF input: 52Ohm 100W max (=1000W rf output, 150W für 1400W output)
  • Operating frequency bands: 80m, 40m, 20, 15m, 10m (30m, 17m, 12m, 11m möglich)

.

  • 1000W DC input: Keydown (RTTY/SSTV/AM/FM): 10min with 50% duty cycle; CW (Morse): continuous
  • 2000W PEP DC input: SSB/DSB voice continuous

.

  • Distortion: 3rd order -32dB or better (gemessen: -28..-31dB two tone with respect to carrier @ 1000W PEP out 20m [1])
  • Harmonic surpression (gemessen): -42dB @ 1400W CW out 80m [2])
  • Saturation power (gemessen): ~1400W out (with CW or SSB anode voltage switched), ca. 150W Steuerleistung [3]

Spezifikationen der Röhren

defekte 3-500z

3-500

Original sind Eimac 3-500Z verbaut, 3-500ZG (Graphit) gehen genauso. Neuere Produktionen (werden nurnoch in China hergestellt) heißen auch mal 3-500C. Es soll auch möglich sein, 3-400Z oder 4-400 Röhren zu verwenden. Prinzipiell funktioniert jede "Zero-Bias"-Röhre (mittels Z-Diode in der Kathodenleitung bekommt die 3-500z ca 5-10V negative Vorspannung) die in die Fassung bzw. das Gehäuse passt.

  • Heating: 5V +-0,25 14,6A (beim SB-220 Heizfadenschonende 4,8V)
  • Input: 8,3pF (grounded grid)
  • Output: 4,7pF (grounded grid)
  • Transfer: 0,07pF (grounded grid)
  • Frequency for max. CW rating: 110MHz
  • Seal Temp.: 200°C(Base) 225°C(Anode)
  • Plate dissipation (per tube): 500W max
  • Plate Current: 0,4A max
  • Plate voltage: 4kV (10kV switching operation)
  • Grid dissipation: 20W max (before grid emission occurs, thermal limit >20W [4])
  • DC grid voltage: -200V


Typical Operation AB2 3000V (One tube):

  • Idle current: 62mA (+10V cathode bias)
  • Plate current: 0,4A CW / 0,268A two tone
  • Grid current: 108mA CW / 60mA two tone
  • CW power input: 1200W [1400W @ 3,5kV]
  • Useful output power (CW/two tone): 740W [890W @ 3,5kV]
  • Load impedance: 4,2kOhm [5k @ 3,5kV]
  • Driving impedance: 115Ohm
  • Max drivin power: 46W
  • Distortion: 3rd order: -40dB, 5th order: -46dB

Quelle: http://www.umich.edu/~umarc/station/docs/3-500z.pdf

Die Daten lassen vermuten, dass man 1400-1500W PEP output (oder auch CW/FM bis der Trafo raucht) aus einem SB-220 erwarten kann. Im unter Herstellerspezifikationen verlinkten pdf wird gezeigt, dass dann auch flat-topping beginnt, für mehr PEP Leistung bräuchte man 3,5-4kV. Der Trafo kann allerdings nur 1kW Dauerhaft (bzw. für 10min Intervalle), also bei RTTY/AM&FM nur 750W out fahren.


QB4-1100GA

3-500z 4-400.jpg

Die 4-400A Tetroden, wovon ich zwei als Ersatz einbauen werde, hat fast die gleichen Daten, ist aber leider etwas höher als die 3-500z, auch der Fassungseinbau im SB-220 ist mit dem Sockel dieser 4-400a nicht wirklich kompatibel (die Stifte stecken nur zu ca 2/3 in der Fassung). Damit der Abschirmdeckel keinen Kurzschluss mit den Anodenkappen verursacht, habe ich ihn an den beiden Stellen der Anodenkappen mit einem Hammer ca 5-7mm nach außen gedellt.

Es ergeben sich folgende Unterschiede:

  • Heater current: 14,1A (statt 14,6)
  • C_g1: 12,7pF (statt 8,3pF) ------> Eingangskreise brauchen 8pF weniger C
  • C_transfer: 0,12pF (statt 0,07pF)
  • Anode dissipation: 400W (statt 500W)
  • Anode current: 0,35A max (statt 0,4A)
  • Grid 1 current: 25mA..100mA (statt 150mA)
  • Grid 1 dissipation: 10W (z.B. bei +125V 0,1A)(statt 20W)
  • Grid 2 dissipation: 35W (zB. 0,2A@150V)
  • -Ug1: -500V
  • Ug2: 850-1000V
  • Anode input max 1400W (class C, Ua=4kV, Wa=300W, Wout=1100W, n=78,5%)
  • Seal Temp.: 180°C(Base) 220°C(Anode) (statt 200 und 225)

http://www.g8wrb.org/data/Philips/QB4-1100.pdf

RF Class B Amplifier (Ua=3kV, Ug2=810V, Ig2=15mA, Ug1=-140V, Vg1=140Vp, Ig1=0)

  • Idle current: 90mA
  • Anode current: 300mA
  • Anode input: 900W
  • Output: 500W (n=56%)

Kühlung: Bis 250W schwacher Luftstrom an den Glasdurchführungen, bei 400W: min. 0,4m³/min im Glaskamin (5mm Wasserdruck/50Pa unterm Chassis)

https://www.pentod.com/userfiles/product_files_shared/QB4-1100.pdf http://frank.pocnet.net/sheets/140/8/8438.pdf


Die Maximaldaten lassen vermuten, dass man mit dem Originalnetzteil keinen Leistungsunterschied (außer evtl. weniger Verstärkung) feststellen wird. Es wären mit 2 Röhren 1700-1800W CW input möglich bei gut 1kW out, 2kW PEP input SSB sicherlich auch (Sprache, ohne Sprachprozessor). W7IUV gibt an, 1500W out aus zwei 4-400A zu bekommen [5] .

Allerdings haben solche Tetroden in Gitterbasis mit beiden Gittern auf 0V (als Zero-Bias Röhre geschaltet) weniger Verstärkung als die 3-500, es fließt bei 100W input und nur 700W out schon 0,2A Ig1+Ig2 und man weiß nicht wie er sich aufteilt.

Es wird empfohlen, das g2 mittels Bypass-C zu erden und mit einer (shunt-)regulierten Spannung. Zenerdioden gehen aber wären angeblich nicht die beste Lösung. Das g2 muss gegen Überstrom gesichert sein, und sollte aus dem Anodennetzteil versorgt werden, wenn dieses ausfällt, zirht das g2 sonst schnell ein paar Ampere und stirbt. Zum testen der optimalen g2 Spannung (und messung des g2 Stroms) im Betrieb kann man ein externes Variabes Netzteil anschließen. http://www.robkalmeijer.nl/techniek/electronica/radiotechniek/hambladen/radcom/1996/09/page76/index.html


TB3/750

auch genannt 5867A oder SRS360, RS1026, RD 300 S

Benötigt in Gitterbasis ca -100V Gittervorspannung und hat weniger Verstärkung.

  • Kühlung: Strahlung/schwacher Luftstrom bei full ratings über 30MHz
  • T_anode=220°C T_pins=180°C T_bulb=350°C
  • Heizung: 5V 14,1A
  • Cag: 5-5,3pF (statt 4,7pF)
  • Cg: 6,3-7pF (statt 8,3pF)
  • µ=25
  • S=5mA/V
  • Va_max=3kV (Philipps) bis 4kV (farnell) (statt 4 bzw 10kV)
  • Wa=250W (statt 500W) (farnell: 350W)
  • Wg=30W (statt 20W) (farnell: 40W)
  • 170-190g

Absolute Grenzdaten (Klasse C F.M.-Telefonie oder Telegrafie):

  • f = 100MHz 150Mhz max
  • Va = 3000V - 2000V max
  • Wia= 1100W - 750W max
  • Wa = 250W - 250W max
  • Ia = 400mA max
  • Ik = 500mA
  • -Vg= 500V max
  • Ig = 95mA max
  • Wo = 840W (n=77%)

Operating conditions HF Klasse C Gitterbasis, zwei Röhren:

  • f=100MHz, Va=3kV, Vg=-250, Ia=726mA, Ig=138mA (Vgp=430V), Wi=310W, Wia=2180W, Wa=500W, Wo=1680+256(treiberleistung), n=77%

http://frank.pocnet.net/sheets/030/t/TB3-750.pdf http://www.farnell.com/datasheets/233503.pdf

GU81m

3-500z vs GU81.jpg

Eine GU81 ersetzt eine 3-500z Leistungstechnisch vollwertig, allerdings ist sie ca. doppelt so groß... sie benötigt (stehend) keine aktive Luftkühlung wie die 3-500z, kann aber das Netzteil des SB-220 voll ausnutzen wie man an den Daten sieht.

  • Heizung: 11,6-13,4 (12,6)V/10,5A
  • Emission: 2A (Datenblattkurven gehen bis 1,6A)
  • Verlustleistung: 450W
  • Kurzzeitige Verl.: 600W
  • Garantierte Ausgangsleistung (bei 2kV): 700W mind.
  • Anodenspannung bis 24MHz: 3kV
  • Anodenspannung ab 24MHz: 2,5kV
  • C iput: 25-32pF
  • C output: 21-26pF
  • W_g2: 120W
  • W_g1: 10W
  • Glaskolbentemperatur: 350°C
Wo vorher zwei Röhren waren, liegt jetzt eine


[6]

750W sind garantiert, für ein zehntel des Preises einer(!) 3-500z. 2kW PEP input (1500 PEP out) sollte die Röhre auch schaffen.

Problem: Der Heiztrafo hat nur 5V, 6 oder 12V werden benötigt. Außerdem zieht die GU81m mit allen Gittern auf Masse keinen Ruhestrom, man braucht Schirmgitterspannung.

Röhren testen

Wichtig bei neuen oder gebrauchten 3-500z (oder allgemein Röhren mit Zirconiumgetter) ist, vorher das Vakuum zu testen. Wenn man bestimmte Modifikationen (s.u.) schon eingebaut hat, sollte der Verstärker zwar keinen Schaden nehmen. Aber so spart man sich, dass es beim ersten Einschalten in der Röhre und im Netzteil knallt. Alternativ kann man den Amp über einen Stelltrafo hochfahren, mit Widerstand und Sicherung in Reihe zur Anode.

3-500z vacuum testing.jpg

Achtung bei ebay und Flohmarktkäufen: Auch nagelneue 3-500z können Gas gezogen haben! Angeblich hatten speziell die Produktionsjahre 1986-89 von Eimac Probleme, schreibt jemand in einem Amiforum. [7] So ist auch meine nagelneue 3-500z aus dem Jahr 1988 defekt gewesen (blaues Gasleuchten, die Röhre, die im Verstärker übergeschlagen ist, leuchtet rötlich). Der Datumscode welcher auf dem Eimac-Verpackungskarton steht setzt sich aus der lfd. Woche und dem Jahr zusammen.

Optischer Heizfaden-/Vergleichstest: Eine bekannt gute und eine unbekannte Röhre einstecken und heizen (ohne Anodenspannung!). Wenn eine der Röhren deutlich dunkler (sowohl in der Helligkeit als auch von der Farbtemnperatur her) leuchtet, hat sie kein brauchbares Hochvakuum mehr. Beim Ausschalten ist der Faden dann durch Gaskonvektion sofort kalt, bei einer guten Röhre glüht der Faden noch ca. 2 Sekunden nach.

HF-Feld test: Röhre in die Nähe eines HF-Feldes (Antennenende bei 100-1000W, Fuchskreis, oder Teslaspule) bringen. Wenn das Gas eine Entladung zündet, ist die Röhre unbrauchbar. Wenn es nicht leuchtet, den Heizfadentest trotzdem durchführen! Denn bei ganz schlechtem Vakuum oder Normaldruck zündet keine Glimmentladung mehr im HF-Feld.

Spannungstest: Zwischen Anode und Kathode+Gitter über einen passend bemessenen Vorwiderstand eine Spannung bis mind. 2,5kV anlegen. Es darf nichts durchschlagen. Dann kann man die Röhre im CW-Modus betreiben und so gettern. Eine einwandfreie Röhre muss ca. 10-12kV aushalten.

Emissionstest: Röhre heizen, Gitter und Anode verbinden. bei 30-60V sollten 400mA fließen (nicht über 400mA gehen).

Regenerieren: Die Röhre zu regenerieren ist eigentlich nur durch Erhitzung der Anode auf Rotglut möglich, was nur funktioniert, wenn die Röhre geheizt bis 0,5..1kV keine Glimmentladung zeigt. Ein Dauerheizen (20h o. mehr) bringt eventuell bzw. laut "Legende" eine gewisse Verbesserung (Sauerstoff reagiert mit dem Wolfram?). Allerdings haben nur Metallkeramikröhren das Getter am Heizfadenanschluss befestigt, bei der 3-500z ist mir soetwas nicht bekannt.

http://pa0fri.home.xs4all.nl/Lineairs/Tubes%20reconditioning/tube%20reconditioning.htm

http://p02.de/wp-content/uploads/2013/02/Regeneration_T510-1.pdf Regeneration der Heizfadenemission einer T510-1, erschienen 11/2015 CQDL

Allgemeine weiterführende Infos, Links

Der hochgegangene Verstärker - Modifikationen

SB-220 bruned board.jpg

Es ist ein relativ häufig auftretendes Phänomen - manchmal wird es einer VHF oder HF Oszillation (Instabilität) zugerechnet, manchmal ist auch eine Röhre mit schlechtem Vakuum schuld. Nach einem solchen Big Bang sind meistens folgende Teile kaputt:

  • Eine Röhre (die den Überschlag hatte - mit glitch resistor&fuse überlebt sie evtl)
  • Gitterdrossel (rauswerfen und alle Gitterpins direkt erden)
  • Multimeter Anzeige = Grid current meter (wenn es eingeschaltet war... neues einbauen)
  • Z-Diode und Ig/Ip Shunt Widerstand (sieht dann ca so aus: [8])
  • Heiztrafo (selten)

In meinem SB-220 war das Multimeter (Grid, Power, HV) bereits gegen ein anderes ausgetauscht, Front und Skala sind die originalen (Der Zeigerwinkel stimmt jetzt nicht so ganz.. ist aber ausreichend genau). Dort wo die Z-Diode auf der Platine war ist nurnoch ein großer Brandfleck, die Diode wurde gegen ein schraubbares Modell ersetzt und in eine Seitenwand geschraubt. Zwei 1n400x in Reihe senken den Ruhestrom, welcher sonst in SSB-Stellung die Anode schon alleine zum Glühen brachte (im Moment habe ioch nur eine funktionsfähige Röhre). Da das Meter einen anderen Innenwiderstand hatte, habe ich noch einen Trimmer in die HV- und Gittersttrom Meßleitung gelegt und kalibriert.

SB220 Grid pins.jpg

Die Gitterdrossel fehlte und an jedem Gitterpin hing eine 10Ohm/200pF Kombination. Die habe ich alle rausgeworfen und alle Pins direkt geerdet.

SB-220 Dioden.jpg
SB-220 glitch protection.jpg

Weitere sinnvolle Modifikationen:

  • Glitch-resistor-fuse Kombination (ca. 10Ohm Drahtwiderstand in Reihe mit 0,8 bis 1A flink) vor dem Kurzschlussschalter und der Anodendrossel einschleifen (siehe Bild)
  • Schutzdioden von Siebkondensator minus nach Masse sowie über beide Anzeigeinstrumente (Plate und Multimeter)
  • Receive-Sperrspannung (-115V) über 100k Widerstand und nicht direkt zum Relais führen (im Fehlerfall raucht der Heiz/Biastrafo dann nicht ab) [9]
  • VHF-Q (Güte) des Tankkreises verringern, z.B. durch verzinnte VHF-Drosseln und/oder Widerstandsdraht als Anoden-Pi-Filter Verbindung
  • Röhrenkasten innen schwarz bemalen damit keine Wärmestrahlung zurück zu den Anoden reflektiert wird
  • Elektrolytkondensatoren gegen neue (mit größerer Kapazität) tauschen für mehr PEP-Leistung, dabei gleich die Bleeder auf 100k vergrößern

Inbetriebnahme und Messungen

  • 3,7 MHz: 100w - 630w - 0,41A plate - 0,32A grid - 1100w in (n=57%)
  • 3,8 MHz: 100w - 600w - 0,42A p - 0,30A Ig - 1130w input (265w/tube, n=53%)
  • 7,0 MHz: 100w - 730w - 0,48A p - 0,26A Ig - 1270w input (270w/tube, n=57%)
  • 14,0 MHz:100w - 800w - 0,42A p - 0,25A Ig - 1130w input (165w/tube, n=65-70%)
  • 14,35MHz:100w - 750w - 0,41A p - 0,25A Ig
  • 21,0MHz: 045w - 450w - 0,3 A p - 0,11A - 810w input (180w/tube, n=56%)
  • 24,8MHz: 100w - 600w - 0,53A p - 0,22A - 1430w input (415w/tube, n=41%)
  • 27,0MHz: 100w - 800w - 0,52A p - 0,23A - 1400w input (300-350w/tube, n=57%)
  • 28,0MHz: 100W - 800w - 0,56A p - 0,21A - 1500w input
  • 29,5MHz: 100w - 850w - 0,58A p - 0,25A - 1560w input (350-380w/tube , n=51-54%)

Es zeigt sich, dass die 4-400A zu wenig Verstärkung im Zero-Bias Betrieb haben. Ein Experimente mit mehr Ansteuerung zeigte folgendes:

  • 100W - 600W - 0,53A - 2,6kV - 170mA - 1380w input (300w/tube, n=44%)
  • 150w - 800w - 0,60A - 2,5kV - 235mA - 1500w in (350w/tube, n=53%)
  • 200w - 1000w -0,69A - 2,5kV - 280mA - 1720w in (360w/tube, n=58%)


To be continued

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