In vederea respectarii Regulamentului (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește
prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera circulație a acestor date, incepand cu data de 25 mai 2018
la Radioamator.ro s-au operat o serie de modificari. Mai multe
detalii
Amplificatoarele de putere de radiofrecvență
clasice pot functiona în una din clasele A, B sau C. Ele se
diferențiază prin unghiul de conducție (fracțiunea din
întreaga perioadă 2p cât dispozitivul activ este în
conducție). Pe măsură ce unghiul de conducție scade, se
poate obține un randament (raportul dintre puterea de
radiofrecvență/puterea de alimentare în curent continuu) mai bun.
Randamentele teoretic realizabile ( de un dispozitiv activ – tub electronic,
tranzistor bipolar sau FET – idealizat) sunt de 50% pentru clasa A , 78% pentru
clasa B și 100% pentru clasa C (la un unghi de conducție zero, deci
la putere de ieșire zero !). Randamentele practic obtenabile sunt de circa
25%, 50% și 65% pentru cele trei clase. Clasa AB este preferată la
construcția emițătoarelor pentru radioamatori, având avantajul
unei funcționări în regim liniar (puterea de ieșire
proporțională cu puterea de intrare RF), necesar pentru semnalul SSB,
la un randament acceptabil. Clasa A este evitată din cauza randamentului
prea mic, iar clasa C este inutilizabilă pentru modulația SSB, PSK,
MA și altele cu amplitudine variabilă.
In dorința de a obține un randament mai bun,
s-a trecut la utilizara dispozitivului activ de la funcționarea în regim
liniar, la funcționarea în comutație. Au apărut astfel clasele
D, E, F…. Aici dispozitivul activ funcționează ca un comutator. In
perioada cât comutatorul este închis, rezistența sa este ideal zero,
căderea de tensiune pe el este zero. Cât timp comutatorul este deschis,
rezistența de izolație este ideal infinită,
curentul prin el este zero. In acest fel, neexistând simultan și tensiune
și curent, disipația pe comutator (produsul I*U) este zero. La un
comutator ideal tranziția între stările ON - OFF și invers se
face instantaneu, fără pierderi. Deci cu un comutator ideal s-ar
putea obține un randament de 100% de transformare a energiei de
alimentarea în energie de radiofrecvență. La frecvențe joase
(zeci – sute de kHz) dispozitivele active actuale se comportă aproape ca
un comutator ideal, de aceea sursele de alimentare în comutație pot
realiza ușor randamente de peste 90%. La frecvențe de ordinul MHz
și mai sus, principala problemă este existența unei capacități
parazite de ieșire inevitabile a dispozitivului activ. La
funcționarea în comutație, această capacitate trebuie
încărcată și descărcată la fiecare perioadă,
energia acumulată în ea fiind pierdută și ducând la
apariția unor vârfuri de curent în elementul activ (comutator). Clasa E
(brevetată de N. Sokal – WA1HQC în 1975) rezolvă ingenios
această problemă, înglobând capacitatea parazită a comutatorului
în schema montajului și alegând parametrii schemei astfel încât comutarea
OFF/ON să aibă loc în momentul trecerii prin zero a tensiunii pe
această capacitate (ZVS – zero voltage switching), deci fără
curent de descărcare a capacității parazite.
După 1990 s-au dezvoltat multe aplicații ale
clasei E; există in literatura de specialitate numeroase lucrări pe
această temă, (teze de master, disertații, articole teoretice
și practice ale unor universități, realizări ale
radioamatorilor) de la domeniul HF – comunicații în unde scurte,
aplicații ISM (industrial, științific, medical), WPT (Wireless Power
Transfer) până la domeniul microundelor - telefonie mobilă,
sateliți de comunicații.
Clasa E se pretează pentru amplificarea
semnalelor cu amplitudinea constantă: CW, FM și toate
modulațiile FSK - RTTY, JT65, FT8, SSTV, etc. Pentru semnalele cu
amplitudine variabilă (gen MA, SSB, PSK) singura soluție este ca
tensiunea de alimentare a etajului în clasă E (care lucrează în
comutație, nu ca amplificator liniar de transconductanță)
să reproducă înfășurătoarea semnalului RFde atac. Este
necesară deci utilizarea unei sursei de alimentare a drenei (colectorului)
care să urmărească anvelopa semnalului RF. Pentru radioamatori
o asemenea construcție nu este imposibilă, dar este destul de
dificilă; clasa E rămâne deci ușor utilizabilă pentru CW,
FM, FSK.
2. Funcționarea unui
amplificator în clasa E.
În fig.1 este prezentată schema clasică a
unui amplificator în clasă E și formele de undă ale curentului
și tensiunii prin elementul activ.
Fig.1 Schema unui amplificator în clasa E și
forma de variație idealizată a curentului și tensiunii pe
comutatorul Q.
Circuitul Drive produce o tensiune de comandă a
porții tranzistorului Q de formă dreptunghiulară, simetrică
față de masă, cu o amplitudine suficientă pentru comanda
fermă a lui Q. Se poate utiliza și o tensiune sinusoidală, mai
ușor de obținut la frecvențe mari, în acest caz fiind
necesară o amplitudine mai mare (apropiată de limita maximă
suportată pe poartă de Q). L1 are o valoare “infinită”
– practic suficient de mare astfel încât curentul furnizat de sursa de
alimentare să fie aproape continuu (cu o amplitudine a componentei
alternative neglijabilă). Pentru frecvențe de lucru din gama 1 -10
MHz, L1 are valori de ordinul 1mH. CD decuplează
sursa de alimentare; o valoare de 0,1 mF (plachetă
ceramică) este convenabilă.
C2 L2 formează un circuit
acordat pe frecvența de lucru, factorul de calitate al acestui circuit
fiind determinat de XL2/RLoad. Factorul de calitate are
valori de ordinul unităților, o valoare de 5 fiind o cifră
medie convenabilă. C1 conectat în paralel cu capacitatea
parazită de drenă a tranzistorului (Coss) este activ doar pe durata
cât Q este blocat; el determină, prin înserierea cu C2, o
frecvență de rezonanță mai mare decât cea de lucru,
reducând astfel durata impulsului de tensiune din drena lui Q. Maximul acestui
impuls este de circa 3,56 ori mai mare decât tensiunea de alimentare Vdd.
RLoad are valori de obicei mult mai mici decât 50 Ohm (valoarea
standard pentru cablul coaxial de conectare cu antena), deci va fi
necesară o transformare de impedanță pentru adaptarea sarcinii
(antena). Această transformare se poate face cu transformator de RF, cu un
circuit cu elemente reactive (G sau P) sau, la
frecvențe ridicate, cu segmente de linii de transmisiune (microstrip sau
din cablu coaxial).
3. Proiectarea
circuitului.
Relațiile de dimensionare pezentate de N. Sokal
sunt relativ complicate; pentru ușurarea determinării valorilor
componentelor, VK2ZAY și VK1SV au creat un calculator on-line care permite
alegerea rapidă a parametrilor și modificarea lor facilă pentru selecția
variantei dorite de constructor. Pentru exemplificare, să considerăm
proiectarea unui amplificator în clasă E realizat cu tranzistorul MOSFET
IRF530, ușor de procurat și relativ ieftin. Datele de catalog care ne
interesează sunt : RDS ON= 0,16 Ohm, VDS max = 100V,
ID max (la 60o C TCase) = 12A, Ciss
(capacitatea poartă-sursă) = 670 pF , Coss (capacitatea drenă –sursă)
= 250pF, VGS max = +/- 20V.
Acceptând o tensiune de drenă de cel mult 80V
(80% din 100V, cu o rezervă de 20% pentru siguranță) și
ținând cont că vârful de tensiune de drenă poate atinge 3,56
Vds, rezultă că putem alimenta IRF530 cu maxim 80/3,56 = 25,28V,
adică două acumulatoare cu plumb înseriate, fiecare cu tensiunea de
12,6V. Desigur, vom putea construi montajul pentru tensiuni de alimentare de 10
– 15 V, cu o putere maximă de ieșire corespunzător mai
mică. Utilizând calculatorul lui VK1SV: VK1SV
class-e calculator - ANU Physicsvom
putea alege rapid valorile componentelor pentru diferite tensiuni de alimentare
și puteri de ieșire. Calculatorul ne indică și valoarea
maximă a impulsului de tensiune și pe cea a curentului de alimentare
mediu (maxim admis 12 A pentru IRF530 dacă temperatura capsulei atinge 60oC).
Apreciem că putem avea o cădere de tensiune pe Q în conducție de
maxim 1,6V (la RDS ON= 0,16 Ohm și ID max = 10 A).
Alegând deci VDS = 13,6V, căderea de tensiune 1,6V, Pout = 30W,
frecvența de lucru 7 MHz rezultă următoarele valori :
Enter Q (around 5
is a good start):
Enter Vcc in volts:
Enter Vo (transistor/FET saturation voltage) in volts:
Enter frequency in kHz:
Enter the desired power output in watts:
Enter L1 in mH:
Top of Form
R in ohm is: (Impedance
transformer to 50 ohm: secondary (50 ohm) to primary (amplifier) turns ratio: )
C1 in nF is: (XC1 in ohm
is: )
C2 in nF is: (XC2 in ohm
is: )
L2 in uH is: (XL2 in ohm
is: )
XL2 - XC2 =
Expect Icc in amps at least:
Select a FET/transistor with a max Vds/Vce in volts at least: (Includes
a safety factor of 0.8)
Bottom of Form
Schematic from Nathan Sokal's paper titled "Class-E RF power
amplifiers", published in QEX Jan/Feb 2001.
Factorul de calitate Q = 5 este o valoare
rezonabilă pentru un compromis bun între randament și filtrarea armonicelor.
L1 = 1 mH este o valoare relativ mare, scăderea ei chiar cu
două ordine de mărime nu influențează esențial
funcționarea. ICC ( curentul de colector pentru tranzistoarele
bipolare, ID pentru MOSFET) circulă numai jumătate de
perioadă (DA = 50%) deci valoarea medie pe o jumătate de
perioadă trebuie dublată față de ICC calculat.Vârful
de curent de drenă, dacă forma curentului ar fi sinusoidală, ar
avea valoarea p * ID mediu. Forma curentului este mai
“plină” decât o sinusoidă, deci ID max poate
fi practic de 2 - 2,5 ori mai mare decât ID mediu, respectiv 2*
(2...2,5)* ICC. Pentru exemplul de calcul prezentat (30W la 13,6V alimentare),
ne putem aștepta deci la un curent maxim de 10 ... 12,5 A prin tranzistor.
Acest curent determină căderea de tensiune pe RDS ON și
o parte importantă din disipația pe tranzistor (o altă parte
fiind pierderile în comutație).
Refăcând calculul pentru 40 W,
rezultă R=1,859 Ohm, raportul de transformare 5,18, C1 = 2,56
nF, C2 = 3,29 nF, L2 = 211nH, Icc = 3,33A. Deci IRF530
poate fi utilizat pentru un amplificator de 40W alimentat la 13,6 V.
Raportul de transformare se referă la raportul
numărului de spire al unui transformator necesar pentru a adapta o
sarcină standard de 50 Ohm (antena) la valoarea rezultată din calcul
pentru RLoad. Raportul de transformare al impedanței este,
după cum se știe, pătratul raportului numărului de spire. Având
în vedere că numărul de spire este un întreg, practic nu se pot
realiza orice rapoarte de transformare, astfel încât va fi necesară
reluarea de câteva ori a calculului pentru obținerea unor valori
realizabile pentru numărul de spire (numere întregi).
Adaptarea cu sarcina (antena) se poate realiza și
prin utilizarea unui circuit în “L întors “ (G) : pentru
creșterea impedanței intrarea circuitului de adaptare va fi cu o
inductanță serie, iar ieșirea (către antenă) cu o
capacitate în paralel. Raportul de transformare al impedanțelor va fi 1 +
Q2, Q fiind factorul de calitate în sarcină al circuitului G. Valorile
lui L și C se pot determina cu ajutorul diagramei Smith, sau prin calcul,
pornind de la Q impus și de la condiția de rezonanță pe frecvența
de lucru. Adaptarea cu elemente reactive asigură și o reducere a
armonicelor în semnalul de ieșire; dacă filtrarea armonicelor nu este
suficientă , va fi necesară utilizarea unui filtru trece-jos (similar
cu cel din toate etajele finale liniare cu tranzistori) sau un circuit de
absorbție acordat pe armonica care trebuie atenuată . Adaptarea G poate
realiza orice raport de transformare (ridicător în configurația cu
intrare pe inductanță serie și ieșirea către
sarcină cu capacitate paralel), nu numai rapoarte de numere întregi.
Nu discutăm adaptarea cu circuite din trunchiuri
de linie microstrip (sau cablu coaxial), la frecvențele din gama undelor
scurte dimensiunile acestora fiind inacceptabil de mari.
4. Aspecte constructive.
Condensatorii C1 și C2 sunt
străbătuți de curenți de RF importanți, de ordinul
amperilor, crescând la puteri mari și tensiuni de alimentare mici; în
aceste situații se recomandă utilizarea mai multor condensatori
conectați în paralel, pentru reducerea curentului care străbate fiecare
condensator. Varianta constructivă optimă (destul de scumpă
și greu de procurat) este tipul SMD multistrat, cu izolație de
porțelan (ATC – American Technical Ceramics, cu tensiunea de lucru 500V –
tip 700B). Pentru un amplificator de 200W /12V la 7 MHz (publicat în QEX
ianuarie/februarie 2004) autorii au utilizat 19 asemenea condensatori de câte
100 pF conectați în paralel, alte variante constructive disipând o putere
importantă care ducea la creșterea temperaturii până la dezlipirea
aliajului de cositor. Chiar cu tipul 700B, ei rămân punctul cel mai cald
al montajului (830C ! la o funcționare de durată).
La construcțiile experimentate de mine s-au
dovedit corespunzători condensatorii cu mică argintată sau chiar
cu styroflex, cu tensiunea de lucru de 500V, combinați în paralel pentru
atingerea capacității dorite.
In coloana din stânga se văd trei condensatori cu
mică argintată, încapsulați prin scufundare în
rășină epoxidică. Coloana a doua, condensatori turnați
în bachelită (“caramele”). La mijloc, doi condensatori cu izolație de
styroflex (polistiren) – cel de sus , o relicvă din 1966 - un condensator
cu tensiunea de lucru de 15 kV din televizoarele TEMP 2, cu kinescop cu con
metalic. Din cauza execuției prin rulare, condensatoarele cu styroflex au
în general o inductanță parazită destul de mare, care nu le
recomandă pentru frecvențe ridicate, deci se vor utiliza cu
precauție și se va testa temperatura în funcționare.
Urmează două condensatoare foarte potrivite pentru aplicația
noastră, atât pentru circuitele RF cât și pentru decuplări,
condensatoare cu mică cu terminale plate, cu inductanță
parazită foarte mică. Tipurile mai voluminoase sunt realizate cu
armăturile din folie metalică și suportă curenți mult
mai mari decât cei cu mică argintată (prima și a doua
coloană), cu stratul de argint foarte subțire (depus prin evaporare
în vid). In extrema dreaptă este un trimer cu dielectric mică, de
tipul “de compresie” (armătura metalică elastică se
turtește prin strângerea șurubului, crescând capacitatea prin
reducerea intervalului de aer dintre armături și folia de mică până
la zero). Trimerul se poate utiliza pentru reglaje: după obținerea
funcționării dorite, se extrage trimerul din montaj, se
măsoară capacitatea și se înlocuiește cu condensatori
ficși cu mică, de capacitate totală echivalentă. Este
foarte importantă inductanța
terminalelor condensatorilor C1 și C2; aceștia
vor avea terminale cât mai scurte, de preferință sub formă de
platbandă. Realizarea capacității totale din mai multe
condensatoare individuale conectate în paralel asigură, pe lângă o
suprafață totală de răcire mai mare și o reducere a
puterii reactive (a curentului) pe fiecare unitate și o
inductanță a terminalelelor mai redusă (prin conectarea în
paralel a conductorilor de legătură). Este foartă importană
și studierea atentă a amplasării pieselor componente pentru
reducerea lungimii traseelor critice, având în vedere curenții mari de
lucru (de ordinul 10 A) și posibilitățile de cuplaje parazite.
Se recomandă o construcție cu plan de masă.
Pentru realizarea inductanțelor
necesare se pot utiliza bobine cu miez magnetic sau fără miez
și fără carcasă („în aer”). Bobinele cu conductor masiv de
cupru sub formă de platbandă pot asigura pierderi cu circa 10% mai
mici decât cele cu miez magnetic (tor din pulberi metalice, material AMPHENOL
tip 2 sau tip 6) conform datelor din articolul publicat de Universitatea de
tehnologie din Eindhoven Gerrits,
T., Duarte, J. L., & Hendrix, M. A. M. : Third harmonic filtered
13.56 MHz push-pull class-E harmonic ....
Eu
am preferat utilizarea miezului toroidal AMPHENOL (material 2 – roșu)
pentru a reduce dimensiunile bobinelor și cuplajele parazite prin câmpul
magnetic de scăpări (care perturbă chiar și măsurarea
cu osciloscopul).
Câteva moduri posibile de realizare a
inductanțelor de putere pe miez toroidal: în stânga - două
înfășurări în paralel, fiecare din 5 spire duble pe tor AMIDON
T80-2 L = 163 nH, următoarea bobinată cu platbandă din
tresă de coaxial (sau aici Solder Wick de 5 mm lățime) 6 spire
uniform distribuite pe toată circumferința torului T80-2, L = 262
nH, la bobina următoare, 2 x 3 spire în paralel pe tor T106-2, L = 175 nH.
In extrema dreaptă, bobina utilizată practic la montajul cu IRF530,
cu 3 spire din trei conductori F=1mm (L = 225 nH
așa cum se vede, reglabilă între 200 nH – dacă spirele se
răresc și 250 nH, dacă toate spirele se adună strâns) . Bobinajul
urmărește asigurarea unei rezistențe de pierderi cît mai mici,
având în vedere curenții de valoare ridicată prin bobinaj și
reducerea secțiunii efective de circulațe a curentului din cauza
efectului pelicular. Miezul din pulbere de fier carbonil are o permeabilitate
relativ redusă, pentru tipul Amphenol 2 (roșu) m
= 10, deci este importantă bobinarea cât mai aproapiată de miez,
asigurată optim de banda de cupru. Banda se poate tăia la o
lățime convenabilă din tablă de Cu cu grosimea minimă
de 0,05 - 0,1mm. Prin strângerea spirelor sau distanțarea lor se poate
ajusta inductanța în limite restrânse ( +/- circa 10%, la bobinele din
bandă – mai dificil de realizat).
La punerea în funcțiune se va porni
cu o tensiune de alimentare mai redusă, cu urmărirea permanentă
a curentului absorbit și a tensiunii pe drena tranzistorului comutator.
Puterea de excitație RF necesară este de
ordinul a 2-5W; se va aplica puterea minimă necesară pentru
saturarea tranzistorului. In timpul probelor se va urmări încălzirea
diferitelor componente, prin atingere cu mâna, cu un termocuplu (foarte multe
AVO-metre digitale au acest accesoriu), sau cu o cameră de termoviziune.
Se vor putea astfel identifica acele componente care disipă putere și
care trebuie înlocuite cu altele cu pierderi mai mici - în fond, scopul unui
etaj în clasă E este tocmai obținerea unui randament bun. Pentru
alegerea valorii optime a componentelor (C1, C2, L2)
se vor schimba prin încercări succesive piesele respective, urmărind
forma (cât mai aproape de sinusoidă) a tensiunii de ieșire, curentul
consumat și puterea de ieșire – pentru creșterea la maxim a
randamentului sau a puterii la tensiunea de alimentare dată – depinde ce parametru
ne interesează.
5. Rezultate practice.
Valorile calculate în capitolul 3 pot servi ca
punct de plecare; în practică va trebui să experimentăm (aici e
toată frumusețea !) diferite valori pentru C1, C2,
L2, precum și alte elemente ale schemei reale despre care
încă nu am discutat. Experimentarea diverselor valori se poate face prin
simulare (de exemplu cu programul LT SPICE , vezi K6JCA: Building
an 80-Meter Class E/F RF Amplifier... - K6JCA ) sau efectiv
modificând componente și observând formele de undă, tensiunile
și curenții în anumite puncte. Modelarea are avantajul
ușurinței, permițând observarea rapidă a influenței
oricărei modificari și poate fi preferată de tinerii care au
trecut mai recent prin școală. Eu – de modă mai veche - prefer totuși
pistolul de lipit și măsurarea cu osciloscopul. Care ar fi
argumentele :
- simularea poate fi atât de exactă cât este de
corectă introducerea parametrilor reali. Nu putem cunoaște datele
reale ale tranzistorului utilizat (există o dispersie a fabricației,
există diferite valori în funcție de fabricant, unii parametrii nu
sunt constanți – depind de exemplu de tensiune (capacitățile
parazite) sau de temperatură (RDS ON). Unele valori sunt
indicate aproximativ – ex. inductanța conexiunii de drenă sau
sursă depinde de lungimea reală din montaj. Nu putem calcula simplu
inductanța unor trasee de curent, puneri la masă, terminale de piese,
cuplajele parazite. Unele componente (ex. transformatoare) au elemente parazite
– capacități și inductanțe de dispersie (scăpări)
dificil de determinat prin măsurare și cu atât mai mult prin calcul.
- calculele de pierderi de putere și ale
regimului termic (în tranzistor – pierderile în conducție și prin
comutație, în inductanțe –saturarea miezului și efect pelicular
+ proximitate, în condensatoare – pierderile în dielectric și prin
conducție în armături) pot fi foarte laborioase și afectate de
erori.
- măsurarea pe montajul real aduce
informații certe pentru componentele alese, amplasate în
configurația reală și permite depistarea sigură a punctelor
fierbinți, în care pierderile de putere produc încălziri sensibile,
evidențiind componentele supuse la stres, care trebuie redimensionate
pentru reducerea temperaturii de lucru (evacuarea căldurii prin ventilare
forțată nu e o soluție de dorit, aici ne interesează
creșterea randamentului, deci reducerea pierderilor).
- de multe ori amatorul lucrează cu componente
recuperate (tranzistoare, miezuri magnetice, componente pasive) despre care nu
are toate informațiile necesare pentru această aplicație.
- un montaj executat și adus în parametrii
doriți prezintă garanția că chiar funcționează.
Un montaj proiectat prin simulare (oricât de detaliată) pe calculator,
tot va trebui construit, reglat și validat prin măsurare. Simularea
detaliată devine interesantă doar pentru optimizarea montajului
pentru producția în serie.
- cu ocazia experimentării căpătăm
experiență, descoperim efecte neașteptate și găsim
soluții de remediere.
Să vedem concret diferențele dintre teoria
idealizată și practică. Ne vom limita la măsurarea
tensiunilor, curentul de drenă ar necesita pentru măsurare un
transformator de curent de bandă largă (nu se poate utiliza un simplu
șunt în sursă sau în drenă). Forma idealizată a tensiunii
de drenă este o jumătate de sinusoidă (fig.1 , traseul
roșu), existentă pe durata cât tranzistorul este blocat. Pe durata
cât tranzistorul conduce, pe drenă ar trebui să existe căderea
de tensiune de ordinul 1 V produsă de curentul ID pe RDS
ON .
Fig.2
Forma de variație a tensiunii de drenă
In figura 2 este oscilograma tensiunii de
drenă a unui montaj ca cel din fig.1 , care evident nu seamănă
cu cea din teorie. In primul rând semisinusoida nu e simetrică, partea ei
din dreapta având o cădere mai lentă. În al doilea rând, peste forma
de bază (teoretică) sunt suprapuse niște oscilații de
frecvență mai mare (aproximativ armonica a 6-a). Partea care ar
trebui să fie zero (comutatorul închis - Q în saturație) are
niște oscilații aproximativ pe armonica a treia a frecvenței de
7 MHz. Asimetria sinusoidei e de fapt favorabilă , în acest fel se
obține o comutație (din starea OFF în starea ON) de tip ZVdS (Zero Voltage
derivative Switch). In fig.3 sunt reprezentate forma de bază și
componentele de frecvențe mai mari. Racordarea mai lină dintre curba
căzătoare (roșie) și porțiunea orizontală face
mai puțin critic momentul intrării în conducție al
tranzistorului Q (derivata tensiunii este zero), permițând o
toleranță mai mare a valorilor componentelor ( C1, C2
, L2) sau o variație a frecvenței de lucru.
Fig.3
Forma tensiunii de drenă.
Oscilațiile suprapuse peste curba de
bază (roșie) sunt produse de rezonanțele
capacităților din circuit cu inductanțele parazite (terminalele
tranzistorului și ale celor doi condensatori). Apariția unei tensiuni
negative pe drena lui Q este dăunătoare dacă valoarea
depășește 0,7V – tensiunea de deschidere a diodei intrinseci a
tranzistorului MOSFET. Când Q nu conduce, C1 și C2
sunt înseriate, frecvența oscilațiilor este mai mare, când Q e
saturat, frecvența e mai mică (rămâne numai C2 în
circuit). Aceste oscilații nu ajung în sarcină, ele fiind filtrate de
circuitul C2 – L2. Dar prin capacitatea de reacție Crss,
oscilațiile din drenă ajung pe poartă, deformând tensiunea de
comandă a lui Q. Crss are 60 pF , dar prin efect Miller,
capacitatea aparentă poate crește de zeci de ori. Din acest punct de
vedere, o impedanță redusă a sursei tensiunii de comandă
pentru Q este de dorit. Sursa tensiunii de comandă (driver) trebuie
să poată asigura o tensiune care să aducă în saturație
tranzistorul Q ; la 7 Mhz se preferă o tensiune sinusoidală (mai
ușor de asigurat decât una dreptunghiulară ), care va trebui să
încarce și să descarce în fiecare perioadă capacitatea de
intrare Ciss care are valoarea de 670 pF (sau chiar mai mare la tensiuni mici
de drenă, vezi fig. 5). Tensiunea necesară, de ordinul 15V la vârf
și sarcina capacitivă necesită o putere de ordinul 2 -5 W de la
driver. Forma tensiunii de comandă pe poartă (fig,4) este „urâtă”,
având suprapuse peste tensiunea sinusoidală generată de driver
și componente de frecvență superioară care trec prin capacitatea
de reacție drenă – poartă (Crss). Cel mai grav este
că oscilațiile parazite pot avea amplitudini atât de mari încât
să comande mai multe comutări ON-OFF în timpul cât Q ar trebui
să fie ferm blocat sau saturat. In acest fel, pe de o parte scade DA
(durata activă – timpul cât Q este în conducție raportat la perioada
frecvenței de lucru – care teoretic ar trebui să fie 50%) crescând
valoarea efectivă (RMS) a curentului prin Q necesar pentru obținerea
puterii de ieșire dorite și crește numărul de comutări
a lui Q, ambele fenomene ducând la creșterea puterii disipate pe Q și
la scăderea randamentului. Ce se poate face pentru obținerea unei
forme mai bune a tensiunii de comandă ?
La frecvențe mai joase (până la
circa 1 MHz) se pot utiliza CI dedicate comenzii MOSFET-urilor de putere, care
pot genera sau absorbi curenți de ordinul amperilor, tensiunea de
comandă aplicându-se pe poartă printr-o rezistență de
amortizare de circa 4,7 – 10 Ohm. La câțiva megaherți se poate
introduce o rezistență între poartă și masă, se poate
scăderea impedanța internă a driverului (de exemplu prin
reacție negativă), și se poate acorda capacitatea de intrare a
tranzistorului MOSFET cu o inductanță (L3 din fig.5),
circuitul rezonant paralel asfel format având o impedanță mare pe
frecvența de lucru (7MHz) și mică la frecvențele parazite
superioare.
Fig.4 Forma tensiunii de
comandă pe poartă, deformată de reacția prin Crss.
Eu am încercat, cu bune rezultate, o
soluție (antică !) pe care nu am mai întâlnit-o în montajele publicate
cu MOSFET în comutație : neutrodinarea.
Dacă tensiunile parazite vin din
drenă prin capacitatea Crss, putem compensa aceasta prin introducerea
unui semnal de polaritate opusă, printr-o capacitate egală,
aplicată printr-un transformator de bandă largă 1:1 cu priza
mediană conectată la masă. Transformatorul cu priza
mediană la masă , Crss și CN formează
o punte echilibrată, astfel că tensiunea injectată prin
reacție în poartă tinde la zero. Compensarea nu poate fi
perfectă – Crss depinde de tensiunea de drenă (fig.5, ca
la un varicap) deci capacitatea de neutrodinare (CN în fig.5) se va
alege experimental pentru o formă cât mai bună a tensiunii de
poartă. Pentru montajul meu cu IRF530 la 13,6V, CN
(styroflex) are valoarea optimă de 270 pF. Transformatorul de neutrodinare
este bobinat bifilar (pentru simetrie) cu 2x10 spire (F
0,3mm Cu Em) pe un tor de ferită FT50-43.
Fig.5 Schema de compensare (neutrodinare)
a tensiunilor parazite și de polarizare (BIAS) cu o tensiune mai mică
decât cea de deschidere a IRF530. In dreapta, variația
capacităților parazite ale tranzistorului cu tensiunea de drenă
(din catalogul Vishay Siliconix).
Prin aplicarea neutrodinării, forma
de tensiune pe poartă se îmbunătățește semnificativ,
la fel și cea a tensiunii pe drenă (fig.6). Tensiunea de deschidere
a tranzistorului rămâne tot timpul peste 10V (tensiunea de prag la IRF530
este de 3-5V), asigurând saturarea fermă.
Fig.6 Tensiunea de comandă pe
poartă (stânga) și tensiunea pe drenă (dreapta) pentru schema cu
neutrodinare.
Schema din fig.5 asigură și o
polarizare (BIAS) de circa + 2,7V pe poartă, puțin mai mică decât
tensiunea de deschidere a IRF530, prin divizarea tensiunii stabilizate de +5V
cu rezistențele de 470 și 560 Ohm. Astfel este necesară o
tensiune mai mică alternativă de comandă de la driver și
deci o putere de excitație mai mică. L3 acordează
capacitatea de intrare a MOSFET-ului. Miezul lui L3 se reglează
pentru a avea amplitudinea maximă a semnalului sinusoidal pe poartă.
Reglajul nu este critic, factorul de calitate al circuitului oscilant
derivație format de L3 și capacitățile parazite
fiind probabil de ordinul unităților, fiind amortizat și de
rezistențele divizorului tensiunii de polarizare.
Rezistența de sarcină RLoad
, determinată prin calcul, este de circa 2 Ohm (pentru 40W out). Va fi
necesar un transformator de adaptare pentru o sarcină standardizată
de 50 W, cu raportul numărului de spire 1:5
. Am încercat un transformator disponibil, realizat anterior, cu raportul 1:4
(fig. 7).
Fig.7
Transformator pe ferită, raport 1:4 și elementele componente
Transformatorul este o construcție
tipică, destinată inițial pentru un etaj clasic RF de putere de
bandă largă (3,5 – 30 MHz) de circa 100W, cu două tranzistoare
în contratimp clasă AB alimentat la 12 V. In acel tip de montaj,
alimentarea cu 12V se aplică pe bucata de imprimat din planul
îndepărtat, fiecare tranzistor fiind conectat la câte o jumătate de
spiră. Aici am folosit alimentarea peo
jumătate a plăcii de circuit imprimat din față,
cealaltă jumătate fiind conectată la masă (în total o
spiră în primar) , cele două patrate din folia de Cu fiind capetele
spirei primare. Secundarul este realizat din liță izolată cu
cauciuc siliconic (4 spire) care ocupă tot spațiul disponibil în
cilindrii de ferită ( Fext = 17,6 , Fint
= 9,5 , lungime = 28,5 - material similar cu tipul 43 de la AMPHENOL).
Primarul este realizat din două tuburi din tablă de Cu, cu grosimea
de 0,1 - 0,2 mm ; din cauza efectului pelicular, adâncimea de pătrundere a
curentului la 7 MHz este de circa 0,025 mm (pe fiecare față), astfel
că o grosime mai mare ar fi fost inutilă. O construcție de tip
autotransformator (fig.8 în dreapta) cu o spiră la intrare și
încă trei bobinate în serie, poate realiza tot un raport de transformare
1:4 (respectiv 1:16 în impedanță) cu performanțe mai bune
(pierderi mai mici, inductanță de scăpări mai mică).
In porțiunea comună a bobinajului sensurile curenților sunt
contrare, curentul total e mai mic decât cel de intrare. Deasemenea solicitarea
miezului este mai redusă cu 25% (un sfert din putere trece direct din
primar în secundar) și inductanța de dispersie este mai redusă.
Autotransformatorul poate asigura un randament mai bun, sau se poate realiza la
dimensiuni mai mici (pentru aceeași putere și aceleași pierderi
admise).
Fig.
8 Comparație între soluția cu transformator și cu
autotransformator.
Schema de adaptare cu transformator este
reprezentată în fig. 9. Se constată apariția unui condensator
suplimentar față de schema Sokal clasică (C3 =
120pF). Dacă luăm în considerare transformarea (reducerea de 4*4 ori
a rezistenței de sarcină) la valoarea echivalentă de 50/16 =
3,125 Ohm, constatăm că nu corespunde cu cea rezultată din
calcului inițial (1,859 Ohm pentru o putere de 40W la alimentarea cu 13,6V).
In
urma testelor, am măsurat o putere de peste 50W , ceea ce corespunde unei
rezistențe de sarcină reale chiar mai mici decât valoarea
calculată !
Transformatorul de ieșire are in realitate o
inductanță de scăpări, de care nu am ținut cont ! Prin
introducerea condensatorului C3, acesta formează împreună
cu inductanța de scăpări un circuit G,
care realizează o transformare de impedanță suplimentară
și o filtrare a armonicelor. Practic, din alegerea valorii lui C3
se poate mări puterea la ieșire și se poate
imbunătății forma tensiunii de ieșire. Pentru alegerea
valorii optime a lui C3 am conectat provizoriu un condensator
variabil cu aer, pe care l-am reglat pentru forma optimă a tensiunii de
ieșire, după care l-am măsurat și înlocuit cu unul fix cu
mică.
Fig.9
Inductanța de scăpări acordată cu C3.
In cazul utilizării unui circuit G pentru
transformarea de impedanță (fig.10), inductanța de acord Lgamma
se va afla înseriată cu inductanța circuitului L2 ;
cele două inductanțe se pot contopi într-una singură, cu
valoarea egală cu suma celor două.
Fig.10
Transformare de impedanță cu circuit Gamma.
Dacă și Lgamma și CV sunt
reglabile, se pot adapta și sarcini diferite de 50 Ohm, eventual și
cu componente reactive – situație întâlnită des la lucrul în portabil
cu antene improvizate. CV permite și modificarea frecvenței de lucru
(doar în limite restrânse, pentru că C1 și C2
sunt fixe și optimizate pentru o anumită frecvență).
O altă posibilitate este de a dimensiona montajul
direct pentru o sarcină de 50 W. Calculatorul lui VK1SV
ne furnizează (pentru Q ales = 5 la 7MHz) următoarele valori : VDD
(alimentare) = 100V, POUT = 100W, C1 = 370 pF, C2
= 468pF, L2 = 22,35 mH, ID (CC) =
1,01A, VDS = 445V. Din punct de vedere al curentului și al
tensiunii suportate, putem alege tranzistorul IRF840 (VDmax = 500
V). Din păcate acesta are capacități parazite prea mari (Ciss =
1300pF – mai mare decât C1 rezultat din calcul !, Coss = 310pF, Crss
= 120 pF), ceea ce îl face utilizabil numai pentru banda de 1,8 MHz. Pentru
frecvențe mai mari ar trebui să utilizăm un tranzistor special
de radiofrecvență și de tensiune mare, foarte scump. La
frecvențe și mai joase (136 kHz), clasa E nu mai este atât de
interesantă; o schemă tipică în semipunte cu o pereche de IRF840
(similară cu clasa D), utilizată la surse în comutație, poate
furniza ușor 200W (sau 400 W pentru o punte completă cu 4 x IRF840),
alimentată printr-o punte redresoare și condensator de filtraj direct
din rețeaua de 230V.
Pentru montajul experimental (fig.11 , cu plan de
masă = o tablă cositorită) am utilizat un radiator relativ mic
și ventilare forțată. In stânga este un tranzistor IRF530 neconectat
(pentru eventuale teste de montaj în contratimp și pentru măsurarea
capacității dintre placa de drenă și masă). La mijloc,
într-o capsulă asemănătoare, este stabilizatorul de 5V; ultimul
din dreapta este IRF530 din montaj. Tranzistorul IRF trebuie izolat
față de radiator, deoarece conexiunea de drenă este chiar la
carcasa metalică. Montarea izolată înrăutățeste
transferul termic și mărește capacitatea drenei față
de masă. Cu folia existentă pe radiator (plastic + silicon) am măsurat
o capacitate de 26 pF ; la utilizarea unui izolator din folie de mică ne
putem aștepta la o creștere a capacității (grosime mai
redusă și er mai mare) dar
și la o îmbunătățire a transferului termic. Am
prevăzut un ventilator tip PC, necesar pentru perioade lungi de
funcționare continuă (key down). Puterea absorbită de 1,4W a
ventilatorului poate deranja la un echipament portabil alimentat din baterii,
unde contează orice consum suplimentar (ex. iluminarea scalei );
rămâne de experimentat regimul termic cu un radiator de dimensiuni mai
mari, fără ventilație forțată. Sonda osciloscopului
este conectată la ieșirea transformatorului 1:4 ( de unde pleacă
cablul coaxial RG58 către sarcina de 50W). Se poate
recunoaște în dreapta bobina L2; torul bobinat din partea
superioară este bobina L1. Excitatorul conține un
oscilator cu cuarț, 2 etaje de amplificare cu tranzistoare bipolare
și un final cu 2 x 2N3632 în contratimp care poate furniza lejer 10 W la 7
MHz. Prin coaxialul subțire din stânga (RG174) se aplică
excitația (2 – 5W) pe frecvența de 7,040 sau 7,150 MHz (prin alegerea
cuarțului din oscilator). Puterea de excitație se poate regla comod
prin variația tensiunii de alimentare a finalului în contratimp.
Excitatorul nu va fi prezentat aici; excitația pentru teste se poate asigura
de la orice transceiver care poate emite pe 7 MHz și are posibilitatea
reglării puterii la ieșire (eventual intercalând și un atenuator
de 10 dB).
Fig 11. Montajul
experimental pentru testare.
In fig. 12 este prezentată schema completă a
montajului; am măsurat tensiunea și curentul de alimentare cu
două instrumente digitale și tensiunea efectivă VEF de
RF pe sarcina RF de 50 W /300W cu un osciloscop digital (= VRMS
fig.13). Cu valorile măsurate s-a calculat puterea de alimentare în
CC, puterea de radiofrecvență, randamentul de drenă (100 x PRF/PDC)
și raportul dintre VRF și VDD, pentru
aprecierea liniarității modulării prin variația tensiunii
de alimentare.
Fig.12. Schema
montajului experimentat, cu valorile finale obținute prin
reglaje/ajustări.
In Tabelul 1 sunt prezentate valorile
măsurate/calculate. Randamentul este de peste 80% în toată gama de
tensiuni de alimentare între 4 V și 15 V. Randamentul maxim se obține
la tensiunea de alimentare de 6V (86,4%). La tensiunea nominală de
alimentare de 13,6 V , puterea de ieșire este de 51W, randamentul 83%,
curentul de alimentare 4,54 A. La o tensiune de alimentare de 7,2 V (două
acumulatoare Li - Ion înseriate) montajul poate furniza o putere de circa 15 W,
la un curent absorbit de circa 2,4 A, performanță interesantă
pentru un emițător QRP.
Creșterea tensiunii de alimentare până la
24V ar duce la curenți absorbiți prea mari pentru IRF530, deși din
punct de vedere al tensiunii maxime de drenă nu s-ar atinge valori
periculoase (la 12V alimentare, VDS pe oscilogramă este de 39,2
Vmax – la 24 V, VDSmax se poate dubla la 80V, cu 20% rezervă
față de 100V, cât tolerează IRF530). Pentru reducerea curentului
la valori acceptabile ar trebui redus raportul de transformare de la 1:4, la
1:3 ; în acest fel impedanța echivalentă de sarcină crește
de 16/9 ori, curentul absorbit ajungând la circa 5,1 A, încă suportabil
de către IRF530. Ne putem aștepta în aceste condiții la o
putere de ieșire de circa 98 W (la un randament estimat de 80%).
Fig. 13. Forma tensiunii de ieșire la 13,6V
alimentare, 51W out. Este o sinusoidă “onorabilă”, cel puțin pe
osciloscop nu se observă deformări. Desigur, sunt necesare
determinări ale nivelului armonicelor cu un analizor de spectru.
In Tabelul 1 coloana în dB reprezită abaterea
(nelinearitatea) modulației în amplitudine prin variația tensiunii de
alimentare. Între 4 și 15 V nelinearitatea este mai mică de 0,34dB,
ceea ce asigură o modulație vocală acceptabilă pentru un
emițător MA cu purtătoare controlată. Pentru SSB (sistemul Kahn
- EER, cu eliminarea și restaurarea anvelopei) ar fi necesară o
predistorsionare (o creștere) în amplitudine pentru nivele mici de semnal.
Modulația parazită MA/MP nu afecteză transmisiile vocale, nu
este necesară o schemă mai complicată (cu reacție în
cuadratură) pentru eliminarea distorsiunilor de fază. Desigur,
alimentarea finalului în clasă E ar trebui făcută de la o
sursă în comutație (cu randament mare) comandată de amplitudinea
tensiunii semnalului de RF.
Tabelul
1. Rezultatele măsurărilor la diverse tensiuni de alimentare .
VDD[V]
IDD[A]
PCC[W]
Vef [V]
PRF[W]
h[%]
Vef/VDD
dB
VDSmax[V]
15,0
4,96
74,4
55,3
61,16
82,2
3,686
-0,339
49,2
13,6
4,54
61.74
50,7
51,41
83,27
3,728
-0,2412
44,4
12,0
4,04
48,48
45,2
40,84
84,28
3,766
-0,1553
39,2
10
3,40
34,0
37,9
28,73
84,5
3,79
-0,0983
30,4
8
2,75
22,0
30,6
18,73
85,1
3,825
-0,018
-
6
2,07
12,42
23,0
10,58
86,4
3,833
0
-
4
1,27
5,08
14,4
4,147
81,6
3,6
-0,545
-
2
0,52
1,04
6,21
0,771
74,16
3,1
-1,843
-
Un alt set de teste ( cu valorile din Tabelul 2) a
fost făcut utilizând pentru adaptarea sarcinii un autotransformator (fig.
8 dreapta) realizat pe același tip de miez magnetic, cu trei spire din
conductor lițat înseriate cu spira comună a primarului – schema din
fig. 14. Rezultatele măsurării confirmă așteptările,
apărând o creștere a randamentului.
Fig.
14. Schema cu autotransformator de adaptare. C3
este variabil cu aer
Varierea inductanței bobinei L2 s-a
făcut prin apropierea sau depărtarea spirelor. Valoarea de 225nH este
aceeași cu cea din fig. 12, care a dat setul de valori din Tabelul 1. C3
a fost reglat în linia 1 din tabel pentru maxim de randament; în linia 3 pentru
a obține același curent ca în tabelul 1 (4,54 A la 13,6 V - pentru a
putea compara randamentul în cele două scheme), și pentru putere maximă
la ieșire în liniile 2 și 4. Se observă
că la aceeași tensiune de alimentare, schema cu autotransformator are
un randament cu 4,31 % mai mare decât schema cu transformator. O a doua
observație este că randamentul scade semnificativ dacă se intenționează
obținerea unei puteri mari (h circa 90 % la PRF
= 36W , respectiv 77 % la PRF = 68W). Concluzia este că prin
reglaje (L2 și C3) se poate optimiza montajul pentru
randament maxim (L2 mare, C3 mic) sau pentru putere
maximă la ieșire (L2 mic, C3 mare).
Tabelul
2. Rezultatele măsurărilor pentru schema din fig.14.
L2 [nH]
VDD [A]
IDD [A]
PDC [W]
Vef [V]
PRF [W]
h [%]
C3 [pF]
Obs.
250
13,6
2,91
39,57
42,2
35,87
90,6
max. h
225
13,6
4,91
66,226
54,1
58,53
87,66
PRF max
225
13,6
4,54
61,744
52
54,08
87.58
314, ID=4,54 A
+4,31%
200
13,6
6.34
88,126
58,8
67,857
77
443, PRF max
6. Alte tranzistoare utilizabile
Toate tranzistoarele din familia IRF5x0 (100V tensiune
maximă pe drenă) pot fi utilizate ca amplificatoare în clasă E pentru
frecvențe din gama undelor scurte. Incepând cu IRF510, fiecare tip
ulterior reprezintă o dublare a ariei chip-ului de siliciu, ceea ce se
observă din dublarea capacităților parazite și
(aproximativ) înjumătățirea RDS ON. In Tabelul 3
sunt prezentate specificațiile tranzistoarelor IRF510…540. ID este
curentul de drenă mediu admis la o temperatură a capsulei de 1000C.
LD și LS sunt inductanțele parazite ale terminalelor
de drenă, respectiv de sursă, aceleași pentru toate tipurile, construite
în aceeași capsulă TO - 220AB.
Tabelul
3. Tranzistoarele IRF 510…540
TIP
ID
[A]
LD
[nH]
LS[nH]
Ciss[pF]
Coss[pF]
Crss[pF]
RDS
ON[W]
IRF510
4
4,7
7,5
180
81
15
0,54
IRF520
6,5
4,7
7,5
360
160
34
0,27
IRF530
10
4,7
7,5
670
250
60
0,16
IRF540
20
4,7
7,5
1700
560
120
0,077
Evident tipul IRF510 va fi capabil să
funcționeze la frecvențele cele mai mari, dar cu puterea cea mai
mică. Apare întrebarea : are rost să înlocuim un tranzistor IRF530
cu 4 tranzistori IRF510 conectați în paralel ? Din punct de vedere al
capacităților nu, capacitatea totală este de circa 4 ori mai
mare – deci frecvența maximă de lucru nu va crește. Dar
LD și LS totale vor fi de 4 ori mai mici (4
conexiuni în paralel), deci problemele cu oscilațiile parazite vor fi mai
reduse. Un
singur IRF510 va putea furniza circa 15W la 7 MHz, alimentat la 12V. Curentul
maxim admis de 4 IRF510 în paralel va fi de 16A, cu 60% mai mare decât e
capabil IRF530 (capsulele identice au aproximativ aceeași
rezistență termică între joncțiune și capsulă),
deci se va putea realiza o putere cu 60% mai mare, adică de 96 W,
față de 60W, cât este capabil IRF530.
Două IRF510 în paralel sunt capabile de un curent
de 8A, mai mare decât 6,5 A cât suportă un IRF520, (respectiv o
crește de putere de 8/6,5 = 1,23, o creștere de 23% față de
puterea unui IRF520). Două IRF510 se pot conecta în paralel (asigurînd
dublarea puterii ) sau în contratimp (asigurând și reducerea armonicelor
pare, datorită simetriei schemei). Montajele în contratimp pot funcționa
la frecvențe mai mari (dublarea frecvenței de lucru), dacă se
adoptă schema E/F2, odd.
Se pot încerca și tranzitoare de RF bipolare (care
nu mai sunt “la modă” pentru proiecte
noi) sau MOSFET care nu și-au găsit o utilitate și au rămas
uitate prin sertare.
Am păstrat un tranzistor LDMOS SD2942 „mort
pe jumătate“ - capsula conține de fapt 2
tranzistoare MOS cu sursele comune, din care unul s-a distrus în cursul unor
teste (la 145 MHz). Era momentul să încerc într-o schemă în clasă
E un tranzistor de RF “adevărat.”
Parametrii
tranzistorului sunt: tensiunea maximă de drenă VDS = 130V,
tensiunea maximă pe poartă VGS = +/- 20V. Pentru o
singură secțiune: curentul maxim de drenă ID = 20A (la
Tcase=250C), căderea de tensiune în saturație
(la VGS = 10V) maxim 1,5V la ID = 5A, rezistența
termică Rth JC = 0,350C/W, capacitățile
parazite Ciss = 415 pF, Coss = 236 pF, Crss = 17 pF. La frecvența de 175
MHz și alimentare cu 50V, Pout =175 W, câștigul în putere este 17 dB,
iar randamentul de drenă este 61%. Comparativ cu IRF530, capacitățile
sunt mult mai mici (în special Crss). In fig.15 sunt redate aspectul exterior,
variația capacităților cu tensiunea și curba ID
în funcție de VGS, din care se vede că tensiunea de prag
(deschidere) este de aproximatix 2,5V la o temperatură a capsulei de 800C.
Dacă se va utiliza o polarizare pe poartă (bias) valoarea aleasă
va fi de 2V, pentru a avea curentul de repaos zero, chiar la temperaturi mari
și a evita ambalarea termică.
Fig.15. Variația
capacităților parazite cu tensiunea de drenă, a curentului ID
cu tensiunea de poartă și aspectul exterior (capsula M224).
Din măsurările efectuate RDS
ON pare mai redus decât cel indicat de producător (eu am
măsurat circa 0,18 W, la o
temperatură a capsulei de 250C, e adevărat, la un curent
de numai 2A).
Tranzistorul are sursa conectată la
placa de prindere pe radiator, dispărând astfel necesitatea izolării
drenei, care adaugă rezistență termică și capacitate
suplimentară la IRF530. Cuplajul termic cu radiatorul este mai bun, iar
din cauză că se utilizează o singură jumătate a
tranzistorului, fluxul termic fiind mai redus, căderea de temperatură
J - C este mai mică. Inductanțele bornelor de poartă, drenă
și sursă nu sunt indicate în catalog, dar ne putem aștepta la
valori foarte mici, drena și poarta fiind linii plate cu
inductanță redusă, iar sursa fiind în contact direct cu placa de
bază a capsulei. Inductanțe mici în terminale înseamnă
oscilații parazite mai reduse și o formă a tensiunilor mai
apropiată de cea teoretică.
Capacitatea de reacție mai
redusă face posibilă funcționarea fără neutrodinare;
urmează să se stabilească prin teste dacă neutrodinarea este
utilă sau nu.
Primul test a fost făcut cu shema din
fig. 16.
Fig.16.
Schema de testare a tranzistorului SD2942
Componentele sunt : Q = SD2942, montat pe
radiator (neizolat, sursa e la placa de prindere)
C1 = 1292 pF (înglobând și
Coss) = 1000pF styroflex + 56pF mică + 236 pFCoss
L1 = 650 mH
, 18 spire F 1,0 mm Cu Em pe tor ferită
L2 = 310nH = 2x2x3 spire F
1,1 Cu EM pe tor Amphenol T106 – 2 (construcție similară cu bobina
din stânga în fotografia cu cele 4 bobine, dar alt miez și alt număr
de spire)
ATr = 12 spire +24 spire F 0,8 mm Cu Em pe
tor ferită
L1 și ATr sunt bobinate pe
toruri românești din material necunoscut, m
aprox.1200, cu dimensiunile Fext
= 12,5, Fint
= 11, înălțime 12,2 mm
Alimentat la 28V/3,8 A montajul a furnizat
pe sarcina de 50W o putere de 91,1W, deci randamentul
de drenă a fost 85,6%. La funcționarea de durată, cu radiatorul
ventilat, am constatat încălzirea puternică a condensatorului cu
styroflex (din compunerea lui C1) și deasemenea încălzirea
autotransformatorului de ieșire. Aceasta m-a determinat să fac
fotografii cu o cameră în infraroșu pentru a determina temperaturile
componentelor cu pierderi. In fig.17 este fotografia în infraroșu, în
paralel cu fotografia în vizibil, pentru identificarea componentelor.
Fig.17
Fotografia în infraroșu și vizibil
Condensatorul cu styroflex - 1000pF /500V
atinge o temperatură de 88,7 grade C (cea mai mare din tot montajul). ATr
are și el 680C ( miezul e mai cald decât bobinajul ! ).
Tranzistorul SD2942 atinge circa 60oC, o temperatură
normală. Condensatorii cu mică au o temperatură normală;
deasemenea L1 nu se încălzește (nici miezul și nici
conductorul) deci pentru funcționarea ca șoc de alimentare torul
românesc este acceptabil. L2 este ceva mai cald, atinge circa 400C.
A trebuit deci să înlocuiesc transformatorul de ieșire și
condensatorul de 1000pF (C1). Condensatorul cu styroflex de 1nF a
fost înlocuit cu un condensator cu mică de 1 nF/1000V, iar conexiunile
sale au fost dublate cu platbadă (fig. 18). Condensatorii cu styroflex
din compunerea lui C2 sunt corespunzători (ating circa 400C). Autotransformatorul
a fost rebobinat pe un tor T106 – 2 și are 7 + 14 spire; primele 7 spire
sunt din două fire în paralel cu F
= 1,5 mm, restul de 14 cu un singur fir, același diametru. În restul
montajului s-a modificat doar C3 = 229 pF. Cu noul montaj ( fig.18) am
măsurat la 28V/5,15A o putere de ieșire de 128,96W, adică un
randament de 89,26%, (o creștere de 3,66 %, la o creștere cu aproape
o treime a puterii de ieșire), făra a mai observa componente
fierbinți în montaj. Formele de tensiune (fig.19 ) sunt mai bune,
fără a fi necesar să aplic neutrodinarea. Conexiunile cu
platbandă la C1 au avut o influență benefică,
reducând amplitudinea oscilațiilor prin reducerea inductanțelor
parazite. Nu am aplicat nicio polarizare (bias); cu polarizare (de circa +2V)
este de așteptat o reducere a puterii de excitație necesare.
Fig.18
Varianta constructivă finală cu SD2942
Fig.
19 Formele de tensiune pe poartă și pe drenă
Torul T106 – 2 nu este, probabil, cel mai
indicat (din cauza permeabilității reduse poate apare un câmp de
scăpări relativ mare) – aici ar fi mai bun un tor tip FT106- 43, care
ar fi permis reducerea numărului de spire și/sau a dimensiunilor, dar
nu am avut disponibil unul de mărime suficientă.
In privința preciziei valorilor
măsurate, apreciez că erorile sunt de ordinul +/- 2%, în orice caz
mai mici decât la utilizarea unui powermetru de RF (VD și ID
s-au măsurat cu două multimetre digitale iar Vef cu un osciloscop
digital Tektronix de 150 MHz).
7. Sugestii pentru ce putem experimenta în
continuare:
- realizarea unui transformator de
curent de RF de bandă largă pentru măsurarea cu osciloscopul a
curentului ID;
- testarea tranzistoarelor IRF510 și 520 (single
sau câte două în paralel sau contratimp) la frecvențe de 10 sau 14
MHz, în schema cu autotransformator de adaptare la ieșire;
- obținerea de performanțe deosebite în
privința randamentului (peste 90%) prin optimizarea comenzii pe
poartă și utilizarea celor mai bune componente posibile (tranzistori
de RF, condensatori SMD, bobine “în aer” sau pe miezuri magnetice de calitate
mai bună);
- montaje în contratimp în clasă E/F2,odd ,
cu putere RF dublă și la frecvență dublă
față de cât e capabil un singur tranzistor;
- modulația în amplitudine prin alimentarea cu
tensiune care urmărește anvelopa RF (MA, SSB, PSK);
- testarea unor montaje în UHF (432 – 1296 MHz) cu
linii de transmisie microstrip în locul circuitelor oscilante LC cu constante
concentrate.
Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2020-11-12 15:43:48 (ora Romaniei)
Un articol foarte interesant pentru experimentatorii avansati care nu vor sa ramana ancorati in schemele clasice si conceptiile populare in materie de amplificatoare de putere medie. Excelent si ca exercitiu cerebral si educativ in radioamatorismul tehnic.
TNX atat pentru efort Liviu, cat si pentru impartasirea experientei tale. Te asteptam cu interes sa publici si alte materiale de acelasi nivel.
73 de Morel 4X1AD ex.YO4BE
Postat de Florentin - YO9CHO (yo9cho) la 2020-11-13 06:32:45 (ora Romaniei)
Felicitari Liviu pentru articol! Firma Infineon, pune de asemeni la dispozitie un articol de asemeni excelent pentru cei interesati de designul si realizarea unui amplificator in clasa E. Designul propus, include si protectiile necesare in caz de reflectate ridicate, temperatura excesiva, etc.
Postat de Liviu - YO2BCT (yo2bct) la 2020-11-13 11:42:28 (ora Romaniei)
Multumesc pentru aprecieri.
@4X1AD - Pare foarte promitatoare clasa E/F2,odd care combina avantajos absorbirea Coss in montaj cu tratarea armonicelor specifica clasei F si cu simetria montajului in contratimp care atenueaza armonicele pare.
@YO9CHO -am studiat si articolul mentionat (n-am mai dat bibliografie...). Infineon a tintit numai aplicatia WPT, dar sigur ca sunt informatii valabile si pentru noi ca radioamatori.
73 ,SANATAE ! Liviu
Comentariu modificat de autor.
Postat de Dan - YO3GH (yo3gh) la 2020-11-13 20:55:43 (ora Romaniei)
Multumim pentru articol, imbinarile cu info practice sunt bine venite, numai bine...
Postat de Florin - YO8CRZ (yo8crz) la 2020-11-13 22:53:20 (ora Romaniei)
Apreciez articolul in mod deosebit. Putini radioamatori YO au construit un amplificator in clasa E, desi nu este dificil de facut. Eficienta ridicata si implicit dimensiunea redusa a radiatorului sunt plusuri pentru acest gen de amplificatoare. Problema este ca funcționează pe o banda redusa de frecventa si e sensibil la variatiile de sarcina. Sunt multe lucruri de invatat dintr-o constructie practica.
Cateva scurte comentarii le textul articolului. 1. Se mentioneaza in mai multe locuri in articol despre toruri Amphenol. Cred ce este vorba de fapt de Amidon. 2 Condensatoarele cu stiroflex nu suporta curenti mari si nu pot fi folosite in aplicatii ce vehiculeaza o putere reactiva mai mare de cativa W. Puterea reactiva se poate calcula pe fiecare componenta in parte. 3. Cred ca un autotransformator pe ferita tip 43 are pierderi mai mari la frecventa de 7MHz decat unul pe miez cu pulbere de fier tip 2. Fluxul de scapari ceva mai ridicat la miezul tip 2 nu este in nici un caz o problema in aceasta aplicatie. De fapt toate astea se pot calcula in prealabil.
In final, am si cateva intrebari. Ce marime au armonicele generate? Puterea de 128.96W este puterea pe RL din Fig. 16? Cu ce a fost masurata puterea de iesire? Cum merge pe o sarcina cu VSWR de 2:1?
73,
Florin YO8CRZ
Postat de Liviu - YO2BCT (yo2bct) la 2020-11-14 10:09:53 (ora Romaniei)
@YO8CRZ
1.Corect, este vorba de AMIDON, nu de Amphenol - constructor de conectica - ce sa-i faci, varsta (77 ani hi!)
2. Spre surprinderea mea condensatorii cu styroflex ce formeaza C2 au functionat fara probleme, spre deosebire de C1 unde temperatura a fost inadmisibila. Am utilizat condensatori de 500V, si m-a tentat faptul ca styroflexul poate asigura Q destul de mare. Cea mai mare problema este ca terminalele filare introduc inductante - la C2 inductanta terminalelor se aduna la L2, dar la C1 produce oscilatii parazite foarte mari si incalzire. Nu am avut condensatori cu mai multe terminale sau cu armaturi decalate pentru reducerea acestor inductante. Puterea reactiva se poate calcula, dar nu am avut specificatii pentru componentele utilizate (recuperate de multi ani !) deci nu am avut termen de comparatie. Numai pentru condensatoarele speciale de emisie se indica puterea reactiva (KVAr), dar acestea au gabarit prea mare pentru aplicatia aceasta. Optim ar fi condensatori SMD tip ATC de 500V si circa 100 pF, multi in paralel.
3. Am incercat autotranformator si pe ferita si pe pulbere de fier, cu temperatura de functionare sensibil egala, deci nu sunt diferente semnificative. In constructia cu doua miezuri tubulare, primarul fiind o singura spira, cam e nevoie de permeabilitate mare a miezului. Inductanta de scapari se acordeaza cu C3, constituind un circuit gamma de ridicare a impedantei de sarcina.
- nu am masurat (inca) armonicele. Urmeaza sa experimentez si scheme in contratimp si acolo voi face comparatia cu ce poate o schema single.
- puterea la iesire s-a masurat cu osciloscopul digital (RMS) - mi s-a parut mai comod si mai precis decat cu un powermetru de RF.
- nu am incercat pe alta sarcina decat 50 Ohm pur rezistiv; clasa E prefera o sarcina bine definita, altfel randamentul se strica si elementul activ poate fi pus in pericol (varful de tensiune poate trece de 4*Valimentare si alegerea unui MOSFET de tensine foarte mare (pentru rezerva) nu e indicata pentru ca Rds on creste.
73 si SANATATE,
Liviu
Postat de Florin - YO8CRZ (yo8crz) la 2020-11-15 01:13:03 (ora Romaniei)
@ YO2BCT Mulțumesc pentru răspunsuri.
Am întrebat despre modul cum a fost măsurată puterea de 128.96W pentru ca măsurarea puterii de RF cu acuratețe este dificilă și se face frecvent cu erori mari. Mărturisesc că văzând puterea exprimată în articol cu două zecimale mi-a produs amintiri legate de propriile experiențe hi,hi…. Văd că eroarea de măsură a puterii specificată în articol este de +/-2%. Cred ca este o mărime ultra optimistă. Asta atât datorita instrumentului de măsura folosit dar și a conținutului armonic, respectiv a factorului de formă a semnalului măsurat, care nu are cum să fie o sinusoidă pura. De aceea am întrebat de armonici, pentru ca un nivel armonic de -40dBc este suficient pentru a cauza o eroare de determinare a tensiunii efective din cea de vârf de 2%.
Legat de comportarea pe o sarcină reală, eram curios pentru că și eu am făcut un amplificator în clasă E dar cu IRF510, cu mai bine de 20 de ani în urma. Din ce-mi amintesc, nu l-am putut pune pe antenă decât cu un antena tuner datorită sensibilității la sarcini reactive. Am aruncat în cursul anului trecut întreaga documentație și prototipul după ce m-am uitat cu nostalgie prin datele obținute. Am făcut câteva QSO-uri în RTTY cu el. Eu am obținut o eficiență de cca. 75% însă era în mod cert perfectibil. Am renunțat atunci din lipsă de timp…
Dar astea rămân chestiuni de detaliu și în final sunt lucruri pe care le putem învăța doar dacă am realizat ceva practic și am fost puși în situația să rezolvăm problemele apărute, așa cum este cazul în acest articol. De aceea am apreciat articolul.
73,
Florin YO8CRZ
Postat de Liviu - YO2BCT (yo2bct) la 2020-11-15 15:34:57 (ora Romaniei)
@YO8CRZ
Am lucrat 30 de ani in cercetare (la Institutul National de Sudura din Timisoara) si m-am obisnuit sa dau datele primare asa cum au rezultat din masurare/calcul, pentru ca oricine sa poata verifica valorile. Sigur ca nu pot masura puterea cu 5 zecimale semnificative (si inafara de frecventa nici alte marimi electrice !)
Azi am masurat continutul de armonici la montajul cu SD2942 -fig.16- deci fara nicio filtrare (am acces la laborator numai in weekend, din cauza de Covid-19, hi!). Am utilizat un SA Agilent E4402B, un atenuator de 30 dB + altul de 10 dB: nu am calibrat instalatia, nu am tinut cont de atenuarea pe cabluri. Iata ce a iesit;
Fundamentala 11,14 dBm (cu cei 40 dB atenuare, destul de aproape de 129 W): dupa circa 4 minute, montajul se incalzeste si puterea scade la 10,87 dBm ( randamentul nu scade chiar atat de mult, pentru ca scade si consumul DC. Atenuarea armonicelor este: -a 2-a =25,38 dBc, 3=37,3 dBc, 4=61,2 5=63,5 6=59,5. E clar ca e nevoie de o filtrare. Ramane de vazut daca e mai bine cu un FTJ sau (pentru ca PA lucreaza intr-o banda f. ingusta - ex.CW+FT8) cu circuite trap sau notch (depinde de cum interactioneaza montajul cu puterea reflectata). Iarasi e de vazut daca adaptarea sarcinii e mai bine (din punct de vedere al randamentului) sa se faca cu (auto)transformator de banda larga + FTJ sau cu un circuit Gamma sau Pi, care pe langa adaptare poate reduce si armonicele.
Nu stiu daca osciloscopul Tektronix calculeaza valoarea efectiva ca 0,7 din valoarea de varf - poate ca face media patratica a tuturor esantioanelor dintr-o perioada, asa cum calculeaza un AS puterea intr-o banda de frecvente.
Cu stima, YO2BCT
Postat de Florin - YO8CRZ (yo8crz) la 2020-11-16 10:34:10 (ora Romaniei)
@ YO2BCT
Armonica a doua e ceva mai mare decât mă așteptam. Evident e necesar un filtru înainte de a-l pune pe o antenă. Filtrul în sine poate crea probleme dacă este un filtru reflectiv, pentru că armonicele reflectate de filtru pot duce fie la scăderea eficienței, fie chiar la creșterea acesteia. Depinde de faza cu care armonicele reflectate de filtru ajung înapoi la tranzistor. Se poate încerca fie un filtru cu impedanță joasă pentru armonici (condensator la masă la intrare, reflexie cu fază inversată) sau unul cu impedanța mare (primul element o inductanță serie, reflexie în fază). Determinarea fazei corecte de reflexie a armonicilor pentru a obține eficientă bună, necesită ceva experimentare și poate e mai simplu de folosit un filtru ne-reflectiv cu diplexer, (trece jos/trece sus) care trimite armonicile pe o rezistență de sarcină. Cu diplexerul se păstrează randamentul inițial al amplificatorului.
Referitor la măsurarea puterii cu un analizor de spectru, eroarea de măsură tipică pentru măsurătorile de putere absolută ca un AS este de obicei cam între 0.3 și 0.5dB (7% și 11.2%). Eroarea e chiar mai mare când semnalul este prea aproape de pragul de zgomot. Pentru măsurători relative între două semnale erorile sunt mai mici și de fapt asta este principala utilizare a unui analizor de spectru.
O eroare de 2% este o eroare de 0.1dB. Puține laboratoare specializate pot certifica o măsurătoare de putere în RF cu o eroare mai mică. Eu dispun de o dotare destul de substanțială la servici, cu calibrare la zi, și cu toate astea, dacă adun toate sursele posibile de incertitudine, nu știu dacă pot garanta o eroare a unei măsurători absolute de putere mai mică de 0.1dB. Lucrul bun pentru mine este că în activitatea mea rareori am nevoie de o asemenea precizie. Ca radioamator sunt mulțumit cu un Bird 43 cu o eroare de 5% la cap de scală și un Daiwa 901, care are 10% eroare.
Referitor la modul de măsură a tensiunii efective cu un osciloscop digital, multe din osciloscoapele digitale mai noi, folosesc integrarea eșantioanelor pe o perioadă întreagă. Practic se calculează aria ocupată de semnal, după care se raportează la aria unei sinusoide ideale. Din păcate, deși teoria este simplă, rezultatele diferă chiar și între osciloscoape din serii diferite produse de aceeași firmă. Se poate vedea ușor cât de corectă este conversia la valoarea efectivă dacă se dispune de un generator de funcții (de calitate), verificând indicația afișată pentru semnal sinusoidal, dreptunghiular și triunghiular. La toate trei, factorul de formă a undei este cunoscut. Forma triunghiulară este cea mai edificatoare, unde apar erorile cele mai mari. Eu am avut surprize mari cu câteva osciloscoape foarte scumpe.
Cred m-am întins prea mult, promit să nu mai abuzez de acest spațiu….
73,
Florin YO8CRZ
Postat de Liviu - YO2BCT (yo2bct) la 2020-11-16 13:00:53 (ora Romaniei)
@YO8CRZ
Multumesc pentru comentarii si pentru timpul consumat.
73, Liviu
Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2020-11-16 16:00:49 (ora Romaniei)
@YO8CRZ: Florin, multi iti urmaresc materialele si comentariile cu mult interes. Asa ca, te rog "abuzeaza" cat mai mult de spatiul oferit de http://www.radioamator.ro . 73 de Morel 4X1AD ex.YO4BE
Postat de Miron Iancu - YO3ITI (yo3iti) la 2020-12-11 21:38:01 (ora Romaniei)
Excepțional material. Cu mulțumiri.
73 de YO3ITI
Scrieti un mic comentariu la acest articol!
Opinia dumneavoastra va aparea dupa postare sub articolul "Amplificatoare de putere de RF in clasa E" Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului.
Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin
(fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse iar dupa caz se va ridica dreptul
de a posta comentarii.