FL-2.5KFXの不具合と修理日誌(Oct 10〜Dec 13. 2019)
はじめに
友人依頼のリモートシャック見学会の前日(10月4日)の深夜、自宅でリモート設備以外の無線設備のチェックをしたところ、HFリニアアンプHL-2.5KFX(S/N:073160)の動作不良が発覚。電源を投入し、「OPER」にするとLCD画面に「PROT FUSE-BLOW」とアラーム表示が出て、「PROT(赤LED)」が点灯し動作しない。
それに至ったタイミングや運用など記憶になく、何が起こっているのか全く分からなかった。その状況は拙作BBS(HL-2.5KFXの不具合)に記しているが、ここではそれらを再編集して紹介する。
写真は自宅無線部屋のレイアウト。IC-7600とIC-910DにHL-2.5KFX(HF)と自作GU-84B(50MHz)アンプ。最近はリモートシャック運用が多く、自宅固定局設備に電源が入る機会が減った。2019年3月21日撮影。

参考資料
Tokyo Hy-Power Users Club
Manual & Circuits
Microsemi ARF1500 Data Sheet
Advanced Power Technology ARF1500 Data Sheet
Microsemi ARF1501 Data Sheet
Advanced Power Technology ARF1501 Data Sheet
Microsemi MOS RF Products

不具合の状況
実は数日前にこの現象を確認していたが、真面目に見たのはこれが最初だった。マニュアルには、PROT FUSE-BLOWとは内臓の速断ヒューズ(16A)の断で「要点検」とある。
付属の回路図を見るとPA電源のリターン回路(ARF1500のリターン2系統)に挿入され、断になるとプロテクションを掛ける仕掛けになっているようだ。ただ、初期の回路図をQEX_Sep-Oct_2006(Tokyo Hy-Power技術陣著)で見ると、PA基板のホット側に入っている物もあるようで、複数のバージョンが存在するのだろうか…。
当該機のヒューズの在り処は、ファンコントロールユニット内である事を突きとめる。ただ手持ちに速断ヒューズが無いので通常の15Aへ交換。これに至るまでPAユニットを外して探したりと随分と回り道をしてしまった。最初に読んだマニュアルの説明がイマイチなのだ。ユーザーには中を突いて欲しくないとするメーカーさんの考えが見えてくる。
交換が終わり、これで大丈夫だろうとユニットを戻して蓋をして通電…ところが大変。ボロボロッと音がしてPAユニットから煙が上がった。慌てて電源を切る。交換したヒューズは切れていない模様。再度通電するが同様で、再び上蓋を開けPAユニットを取り外すハメになった。
PAユニットを見るとQ2(ARF1500)のGへBIAS供給しているR21(22Ω、回路図では何故か24Ωで初期図面では45Ω)が黒焦げで真っ二つに破断。周辺はススで真っ黒となった。
もう一方のQ1(ARF1500)へBIAS供給するR13は部分焼損で抵抗値は22KΩ程度に値上がり。これは妙とQ2・Q1のG-D間直流抵抗を図ると、Q2が0.5Ω、Q1が0.9Ω…テスタリード双方向共で殆ど短絡状態だ。
ARF1500(PowerMOS-FET)のG-D間が短絡する要因はOverDrive位しか考えられないが、残念ながら運用上の記憶が無い。何かの拍子でこの状態になったのだろうが…。
それで多量のIdが流れFUSE-BLOWに至ったが、速断ヒューズは2次災害防止向けで、実はFUSE-BLOWの段階でFETはG-D間は既に短絡状態に陥っていたと思われる。 抵抗値の測定は、BIAS供給抵抗2本を取り外し、ドレイン電源コネクタを外して行っている。いずれにしてもARF1500はオシャカになっているので、この取り外しと新規購入を考える必要がある。
ARF1500は、国内でもDig-Keyをはじめとする複数社でリストされているが、1個\2万超と非常に高値なので別の入手ルートを検討している。NFBルートが立体的(ARF1500を飛び越える形)に作られ、ARF1500にはシールド板が被せられていて興味を引く(立上り特性が改善する模様)が、交換には手を焼きそうだ。メーカーさんの修理が期待(倒産)できないので、頼れるのは自力しかない。色々と楽しませてくれそうだ…。
写真は上蓋(アルミ材)を外し、PAユニットを取り外したHL-2.5KFX。上側の取り出しているユニットがファンコントロールユニットで、速断ヒューズはここに実装されている。マニュアルにはその説明が無い…と言うことは、これが飛んだ時は即メーカー修理と言う風にも読める。右下に飛んだ速断ヒューズ2本が見える。

PAユニットにはバンド毎の入力フィルタや、高域バンドのf特補正回路があってリレーで切り替えている。これはARF1500のf特補正とも言えそうで、最近のUHF帯まで使えるLD-MOSなどの入力回路とは趣を異にしている。
友人からは、全部取っ払ってヒートシンクだけ流用してLD-MOSを乗せるのも手かも知れないねと妙な助言が届いた。ドレイン電源とゲートBIAS電源、温度センサもそのまま使えそうだから…。 ARF1500はDig-Keyで1個¥20K程度以上するから、特性や将来性を考えたら選択肢の内かもしれない。自作となると実験要素があるから、PAだけ完成品やKitでやるってのもアリかなぁと動揺する。 写真は焼損したR21/22Ω。アルコールでススを拭き取ったので大分綺麗になっている。

不具合の整理
ARF1500を中心とする不良個所の状況を以下表にまとめてみた。測定日時が異なっているため、前述している数値と若干の違いがあるのでご容赦願いたい。表中のG-とかG+の標記は、テスターのオームレンジの極性を示しています。ARF1500のG〜D間はほぼショート状態です。

ARF1500とARF1501の注文
ARF1500/ARF1501を、リスク覚悟の上でAlibabaに出店しているディーラーへ頼んだ。ただし、ARF1500ではなく同シリーズのAFR1501。Vdd/VdssがARF1500は125V/500Vだが、ARF1501は500V/1000Vで2倍にアップしている。逆に電流は60A/30Aと半分になっている。
販売サイトにはこの写真で紹介されていた。1個ずつパッケージされている様だ。製造国と思われるPHILIPPINESと印刷がある。 Dig-Keyに比べ相当リーズナブルで、納期は9〜15日となっている。
また、大量購入業者向けと思われるSampleを出展している業者もあって更にリーズナブルなのだが、手続きが面倒で分かり難いため諦めた。果たしてどうなるか…。
その後オリジナルのARF1500じゃないと、負荷Zが異なるからトランスの巻数比に手を入れる必要を感じ、その2日後別のディーラーにARF1500を注文。AlibabaはBuyerの情報を複数のディーラーへ紹介する模様で、短時間に次から次へ多数のディーラーから宣伝情報が入った。国内よりは明らかにリーズナブルだが、1個$48〜$100と幅がある。ディーラーによっては最初$200と、国内並みの値段を吹っかけてくるところも有るが、メールで交渉すると容易に半額以下になったりするから要注意だ。

ARF1500が届く
10月25日晩、後から注文したARF1500が到着いた。国際便はDHLで宅配は佐川急便だった。これは単価@$60(USD)x2で、送料は$16だった。それでも国内価格に比べ破格だと思う。ARF1501は別のディーラーへ注文しているがそちらは$48で、更にリーズナブル。
ARF1500のパッケージには写真の様に黄色いCAUTIONシールが貼られていた。本体をよく見るとBeO表記があり、劇物の酸化ベリリウムを使用してありビックリ。メーカーはAPT(Advanced Power Technology)でUSAと記されいる。週末は所用で多忙なため、交換作業は来週になる見込みだ。

ARF1501が届くが…6個も!
何処でどう間違ったのか…昨日(10月27日)、最初に注文したARF1501が届いた。何故か入国手続きや着払い経費を求められた。それより驚いたのはメールのやり取りで2個と念を押したのに6個も届いた。Alibabaサイトの反応や自分のPCの反応が遅いため、余計なクリックをしてしまったことは事実。しかし先方から2or6pcs?確認が来て2pcs!と返答をして了解を得ていたのに…。それで、6個も要らないので、2個をARF1500に変更できないかを, メールをやり取りした担当者M氏へ打診しているが、返事がない。
Alibabaには2pcsの3回分の取引が記録に上がっていて、昨晩全て受領コンファームを行った。まぁ、高電圧による(サムウエイさんの様にAC100V直整流)アンプの試作に力が入るかも知れないから、持っていても損はないと思っている。新規に調達しようと思ったら、国内ではとんでもない金額になるから…などと言って気を紛らわせている。それより早くHL-2.5KFXを修理しないといけない。
このARF1051に興味のある方はご連絡を頂きたい。写真の左2個がARF1500(APT製)、右6個がARF1501(Microsemi製)。両者は共に、総合損失は1500Wで同じだが、耐電圧と耐電流が倍又は半分の関係になっている。

いよいよARF1500実装
昨日29日、ARF1500の交換を行った。写真は取り外してから手前の1個を実装し、これから奥の2個目を実装する段階。底面は酸化ベリリウムが剥き出しのため、作業は薄出の手袋を装着し、熱による拡散を嫌いハンダごての上からは覗かないようにした。
ARF1500のリードは、先を垂直に折り曲げている。この方法は他の部品をハンダ付けする時、多量にハンダを溶かす必要が無く、折り曲げた先をラグ端子代りに使える。平らに伸ばしておくと半田を溶かすだけで一苦労する。ARF1500には専用のシールドカバーもかけられ、実装時に4角を一緒に半田付けする。
交換によりドレインにVd(150V)を印加してOPREにしてもプロテクションが働くことは無くなった。そしてヒューズは正規の速断型に交換している。

ところが問題が発覚。ドレインとゲートが内部短絡したことで、BIAS電源回路へVd(DC150V程度)が印可され、タンタルパスコン(短絡)、Vg調整VR(ガリ)、9V3端子RegICとシャントRegIC(不具合)がやられていた。
OPREにしてもBIAS電源がARF1500に供給されない。タンタルコン撤去、ガリオーム補修、3端子RegICを交換するなどしてようやくBIAS供給が出来るようになり、OPREでIdが振れる様になった。これ以外にもやられているところが無いか確認中。
なお、BIAS回路は逆流阻止のダイオードが挿入されておらず、9V回路にいきなり150Vが掛り、ひとたまりも無い状況だったと推測している。
右は、ARF1500やNFB回路とゲート抵抗等を撤去し、中央付近が更地となったPAユニット。左手は入力フィルター基板とATT&BIAS基板(下)が2段重ねになっている。

いよいよRFドライブ
10月31日、はやる気持ちを抑えきれず、安全を確認しながらRFドライブしてみた。 7MHz/60W程度のドライブで1kW出力を得る事が出来た。併せて各バンドの動作確認を行い、ほぼ正常時の出力が得られていることを確認。 内部に-3dBのRF-ATTが実装されているので、ARF1500プッシュプルアンプとしては、1kW出力に要する入力電力は25W程度と思われる。 ゲートBIAS電圧は、ガリオーム位置を回避するためやや低めの4.15V程度としている(交換前の設定は4.4V台)。 写真はその様子。HPAユニットは本来の位置になく、ビス締めもしていない。黄色ワニ口はBIAS電圧確認用で、60WでRFドライブしても電圧変動等はない。 なおBIAS回路の調査段階でシャンレギIC(TL431)を外して(ニッパでカット)あるため、BIASパスコンのタンタルコンの投入や、逆流防止ダイオードの追加等に併せて復活させる予定。 タンタルコン(1μF/25V)はドレイン〜ゲート感が短絡したとほぼ同時に短絡したと思われるが、その瞬間にBIAS基板へドレイン電圧が印可され一定の被害を誘発し、短絡後ゲート抵抗(BIAS供給22Ω)の焼損・破断が始まったと推測している。 回路がDC的につながっていたりするので、調査で切離しが必要になっり苦慮します。BIAS回路は送信制御が絡んでいて、メーカーさんの安全に関する考えが見え隠れして面白い。部品が揃うまでこのまま放置するか、取り敢えず動くので現用投入するか検討中。

障害ARF1500の内部
ゲート〜ドレイン間が短絡したARF1500の内部写真です。 取り外し作業中に樹脂カバーがパコッと外れたものです。 中は真っ黒に焦げています。 100W以上の電力でドライブすることは在り得なく、この原因が何だったかは全く分からない。 強いて言うなら、負荷側のZで±j要素に変動があり、ドレイン側に異常な電圧が発生したとか…。 しかし運用した筈の本人に、その記憶が全く無いので、何時なったのか原因が何か全く不明。

TL431の注文など
不良になった78L09(9V_3端子Reg)は部品箱を探すと直ぐ見つかったが。シャントRegのTL431は部品箱はもとより、静岡のマルツへ尋ねてもノーの返事。結局通販に頼るしかないのだが、1本2本の注文にその10倍もの送料を掛ける理不尽さに苦笑。苦慮しているうちに時間が経ってしまい、結局Amazonに頼ることになった。TL431を含む数種類の半導体が各10本ずつパックされた商品を11月4日注文。それでも\518で送料無料だから妙な時代になった。
写真は取り外した78L09にリード線をつないで念のためテストする様子。12V入れると出力は解放で11V超もあり、負荷すると数百mVに低下し全くダメ。写真には無いが、シャントRegのTL431は、方向性の無い27Ω程の抵抗値を示し、こちらもダメだった。

暫定的現用投入
TL431の到着(中国から)を待ち切れず、11月8日晩に不良タンタルコン(1μF/25V)の代わりにアルミ電解コン(4.7μF/50V)を取り付け、PAユニットをケース内に実装。締め付けは内部フレームへ3mm皿ビス2本、底から3mm鍋ビス(スプリングワッシャ付き)4本。更にアルミ製のコの字カバーを上から被せ、3mm黒ビス14本で締めあげる。そして写真の様に無線部屋シャック棚に、ほぼ1ヶ月振りに投入。暫定投入していたELECRAFTのKPA500は実運用しないまま撤去となった。
早々にエキサイタ(IC-7600)系とアンテナ系をつなぎ、負荷をダミーにして動作テスト。ハイバンドの24/28MHzで出力の伸びが低いが、これは入力TCの調整で行けると判断。TL341の到着を待って調整する予定。ALCはエキサイタ出力を上げても凡そ800W程度に抑えられている。

なのでARF1500のG-D間が短絡した原因は、負荷(アンテナ系)のリアクタンスによる瞬間的なオーバーシュートの発生と推測する。下の写真は、PAユニットを固定し、アルミカバーを掛ける直前のHL-2.5KFX。
中央右に見えるタイマーリレーは、リモートシャック用に、スタンバイSWをOPER状態で電源投入しても動作するように改修したモノ。オリジナル回路では、この操作を行うとアラームが発生し、電源の再投入が必要になる。電源投入からOPRE投入までに瞬時だが時間差(約0.5秒)を作ることでこれをクリアしている。



シリーズレギュレータTL431CLPの購入と交換
シリーズRegのTL431CLP以外は手持ち品で対応したが、コイツはマルツ電波にも無く通販に依存。最初からサトー電気へ発注すれば良かったのに、Amazonを見ているうちに中国の格安サイトへ注文。過去Topicsに記したが、これが中々届かず結局先週になってサトー電気へ発注。翌日に届くも諸事情で手付かず、12月12日ようやく交換に至った。負荷が変わるるため、Bias電圧が3.6V付近まで低下、VRを再調整し4.42Vに設定。ガリオーム化したBias1系VRのガリ位置を回避できラッキィだった。これで温度制御が回復、出力も問題ない。28MHzでの出力低下は内臓パワーメータでは確認できずf得調整は見送った。
左は基板表面から半田付けしたTL431CLP。下はエキサイタに借用中のIC-7300を用意してテストしている様子。



背面ファンが回らず…TO220抵抗交換で完全復旧
当初はARF1500x2の不良のみと思っていたが、修理して行くうちに、Bias回路の78L09や1μF/25Vタンタル、更にTL431CLPの不良が次々と発覚、それぞれに修理対応してきた。順調にTL431CLPを交換して完了かと思っていたら今度は背面ファンが回っていない。どうりで静かな筈だ。実は温度表示が高めで当初より気にはなっていた。ファンコントロール基板を見ると、MOS-FET(2SK1170)レギュレータで48Vファンを制御している。この入力側(100V)に挿入されているTO220型抵抗(51Ω/50W)が断。外見は正常なので発熱で切れたとは思えない。部品箱を漁り類似の50Ω/35Wをゲット。両端電圧は6V台だったので電力損失は問題なしとして交換投入。左中央が投入したTO220型50Ω/35W。これでファン動作も復活し、HL-2.5KFXは全面復旧となった。以下障害一覧へ追記した。


まとめ
*ARF1500について
@調べたところ国内(Digkey他)では1個\2万〜\3万5千と高価だが、中国Alibabaに登録されている業者だと$50〜$100程度とリーズナブル。 海外半導体を取り扱う国内業者でも、個人で買う場合は中国Alibabaを利用する方が良いと言う。Alibabaは多くの業者にバイヤー情報を流すので、複数の業者から引き合いがあり値下げ交渉も可能。
AMRF154など一般的なRF-FETでは厚い金属ベース・フランジ上に組まれているが、ARF1500はBeO(酸化ベリリウム)板の上に構成されている。上部より一定の圧力で放熱板へ締め付けるための機構(フラットバーと長ビスなど)が必要。
電極は幅広の薄い金属片のため、容易に変形する。無理に引っ張ったりするとBeO板が割れたりするので注意が必要。取り外す場合は特に発生しやすい。仮に割れたとしても、粉末化して人体に吸入されたりしなければ安全は保たれる。念のため、直接触れない工夫(手袋使用、加熱の場合は顔を避けるなど)が求められる。
*HL-2.5KFXにつて
@障害(G-D短絡)に至った経緯は推測の域を出ないが上記している。
A背面ファン停止(大型)で異常な温度上昇によることも考えられるが、定かではない(温度プロテクションは働かなかった)。内臓小型ファンは正常。
BG-D短絡を想定していれば、G(ゲート)側につながるBIAS回路にそれなりの配慮(逆流防止回路、高耐圧化)がなされたと思うが、回路や部品には対策が見られない。
CBIAS電圧調整やf得補正のトリマー群がHPAユニットを実装すると操作できない。HPAユニットを半分取り出した形で行う必要がる。例えばHPAユニットは基板面を外側にしても良いのでは…。
Dマニュアル上で各ユニットの位置が分かり辛く、作業に取り掛かる前にそのための調査時間が必要。
E資料部品の拘りをTO220型抵抗やタンタルコン等に感じるが、標準ていな部品を活用した方が保守性が高いと感じた。
F特段のマッチドペアではないARF1500の組み合わせだったが、安定に1KW超を取り出すことができた。壊れたHL-2.5KFXをお持ちの方の参考になるのではないかと思う。
G1KW出力で使う場合、音もなく(トランスの唸りなど)余裕をもって出力する姿は安定感や安心感を与えてくれる。
HicomエキサイタのCI-Vでバンド連動するので便利だが、HL-2.5KFX側で「5Ch」に固定なのが何とも寂しい…変更できると嬉しい。
*写真は定位置で稼働を再開したHL-2.5KFX。上はIC-910D。
終わりに
ARF1500を購入する際、別の業者よりARF1501も購入した。この時AlibabaのWebサイトの反応が遅く、誤ってボタンを複数回クリックしたため3組のARF1051が送られてきた。担当者からメールで個数の問い合わせがあったので「1組!」(2個)と宣言したのにこの始末だ。ARF1500への交換を依頼したが無しのつぶて。あまりにももったいないので、ARF1501をトランスレス電源を使ったHPAに変身させようと思っている。LD-MOSの時代に!と陰口を叩かれそうだが、面白いテーマだと思う。富士市のTHAMWAY社がアマチュア向けにトランスレスアンプを供給しているが、それをお手本にしてARF1051でトライしてみたい。AC100〜115V/30Aをブリッジ整流して供給。RF入出力はIsoTransで絶縁されるから構造も簡単。果たしてどうなるか…ラジオ少年の夢が広がる。(2019.12.13)