power MOSFET eindtrap ontwerp voor HF

Hi Druiloor,

Maak eens een krabbeltje hoe je het denkt te willen oplossen...
Dan doe ik een poging voor je te helpen.

Een lowpass filter hoeft helemaal niet symetrisch te zijn, dus 300-Ohm in en 50 Ohm uit kan ook.
De ontwerper bepaald dat, niet het filtertype.

Je kan beginnen met en PI netwerk en daar dan een Low Pass achter op zeg 50-Ohm.

Gegroet,
Blackdog

Blackdog,

Dank je wel voor de reactie.

Ja, ik weet dat een low pass niet symmetrisch hoeft te zijn, en inderdaad kun je een meer elements low pass opvatten als een transformerend pi-filter naar 50 ohm en een 50 ohm low pass erachter.

Dat zou echter twee bezwaren hebben in mijn optiek:

ten eerste dat het filter dat erachter staat geen 50ohm ziet kijkend in de uitgang van het pi filter (weet ik nu niet zeker) en ten tweede dat dat complexer is dan twee vliegen in een klap, namelijk transformerend en tevens low pass Chebeshev.

(Cauer van lagere orde met de dempingspool op de derde harmonische heb ik aan gedacht, maar begin ik ook niet aan, want ik wil de mogelijkheid open houden om een filter te gebruiken voor meer dan een HF amateurband. Niet afregelbare ringkernen, en vaste handelswaarde voor de C's noden daar ook niet toe)

Maar ik heb een programmaatje geschreven in C dat van complexe impedanties de serie en parallelvervanging berekent, en aldus kun je van een laddernetwerk makkelijk de PC laten uitrekenen wat je op de ingang ziet voor impedantie als je de uitgang afsluit met 50 ohm.

Ik heb ter vervanging van de MOSFET schakelaar een hf spanningsbron genomen met Ri=0, daar direct 50 ohm opgehangen, en vervolgens die 50 ohm er weer af, het filter erop en dat filter afgesloten met 50 ohm. Voor die twee gevallen kun je het vermogen berekenen van de grondgolf in die 50 ohm. Dat verschil tussen die twee noem ik de tussenschakeldemping

Dus: spanningsbron Ri=0 afsluiten met 50 ohm OF spanningsbron gevolgd door impedantietransformerend low pass filter afgesloten met 50 ohm.

Daar een grafiekje van gemaakt (verticale as tussenschakeldemping in dB en horizontale as de frequentie) . Eerste reactie Heh? er zat een bult in de overdracht waar de tussenschakeldemping negatief was. Het filter scheen dus vermogen te produceren.

Na even denken: logisch want het filter transformeert de 50 ohm afsluiting omlaag en dus neemt het meer vermogen op uit de spanningsbron dan 50 ohm deed.

Naar die bult heeft een sterk beperkte bandbreedte en daarom heb ik die oplossing afgekeurd zoals ik in eerste post schreef.

Welke frequentie ?

Ik heb een 80W 500 kHz CW zender met mosfets gebouwd. Daar heb ik een "shaper" toegepast. Ik weet alleen niet meer welke. Ik heb wat later daarna nog verder geknutseld en kwam uiteindelijk op 80W. (met een hele vette MOSFET
http://www.pa4tim.nl/?p=1563

Wat toelichting die niet op mijn site staat.
Die shaper scheelde al wat harmonische (je moet er wel meer kwijt dan de derde) Ik heb de impedantie van mijn antenne gemeten en toen een aanpasnetwerk en filter gemaakt wat zorgde dat de zender zich happy voelde. De meeste 500 kHz zenders werden eerst naar 50 ohm gebracht om daarna middels grote variometers of spoelen om klikos en vacuüm condensators de antenne naar 50 Ohm te brengen. Dat is een beetje zonde. Afregeling van filters en antenne heb ik met een vna gedaan. Daarna met een spectrum analyser gekeken of de harmonische onderdrukking goed was.

Uiteindelijk ben ik over gegaan op luchtspoelen. Ik begon met Ringkernen maar daar was ik niet tevreden over. Maar met het goede ferriet moet dat natuurlijk kunnen. Bij mij was verzadiging het probleem)

Hoi Druiloor,
kijk ook eens op http://www.qrp.pops.net/RF-workbench-6.asp hoe het daar wordt opgepakt.

groeten,

cor

Fred101

Ik ga op je URL kijken. Ik weet nu nog niet wat een shaper is, maar ik heb daar tot nu toe geen behoefte aan gehad, want welliswaar heb je meer en sterkere harmonischen bij een blok , maar de tweede harmonische is bij een nagenoeg symmetriche blok al veel zwakker dan de derde, dus als ik de derde tot 40 dB demp dan zal het me verder worst zijn, want dan voldoe ik aan de eisen van de wet, alreeds op de dummyload. De antennetuner schoont nog extra op.

Omdat de derde blokharmonische al zonder filtering 9 dB down is, hoeft het filter dus maar 31 dB extra te leveren. Een 5 pole low pass Chebeshev haalt dat met gemak (twee ringkernspoelen en 3 condensatoren) Een simpele 3 pole (pi-filter met een spoel) haalt dat niet.

Frequenties zijn in principe die van de 80 tot 10 meter band. Als de MOSFET aangestuurd door de 74AC04 dat niet haalt, dan zo hoog als ik wel kan komen, 24 MHz misschien.

500 kHz is een ander verhaal, ik wil WEL naar 50 ohm, omdat ik antennes inclusief hun tuners wil kunnen verwisselen op dezelfde zenderoutput.

Strikt genomen kan een laagdoorlaatfilter niet tussen twee verschillende impedanties aanpassen. Zet er maar eens 0 Hz op, gelijkspanning dus, dan zie je vanzelf waarom niet.
Nu zul je wel niet veel lager hoeven dan je werkfrequentie ( ), maar de gewenste transformatie zal met een filter altijd selectief zijn, zoals je hebt gemerkt.

Normaal gesproken is toch een trafootje de meest voor de hand liggende oplossing. Met die trafo zorg je dat de fet de juiste weerstand ziet die hij moet zien om het gewenste vermogen te leveren.
Let wel, die weerstand die de fet moet zien hangt dus NIET van de fet af, maar alleen van het vermogen dat je wilt hebben en de voedingsspanning (en welke klasse, maar ik ga ervan uit dat dat altijd AB zal zijn).

Een bijkomend voordeel van een balanseindtrap is in dit geval dat je je ferriet niet kunt verzadigen met gelijkstroom.
Overigens hoeft het niet altijd een ringkern te zijn; trafo's op een ferrietstaaf komen ook wel eens voor. Die zijn helemaal 'onverzadigbaar'.

Aan de uitgang van de trafo komt dan een gewoon laagdoorlaatfilter naar keuze van 50 naar 50 ohm.

Heren,

Wel bedankt voor de antwoorden.

Frits101 : Ik heb de betreffende URL bekeken, ervan geleerd dat ik als op en neer sleurder van de spanning op de inputcapaciteit van de MOSFET een andere oplossing kan kiezen dan die 74AC04 hex inverter, die vast geen 30 MHz haalt, (zal dat voor 500 kHz gebruikte discrete trapje trouwens vermoedelijk ook niet doen).

Pax: De inleiding op die URL pagina spreekt me aan, verder gaat het zover ik begreep over bipolaire eindtorren, met alle problemen ervan die die je met schakelMOSFETS makkelijk ontwijkt. Alleen zelfoscillatie is riskant. Kun je iets aan doen met tegenkoppeling en een capacitieve filteringangscomponent op de drain, en wat zeners die de spanning op de drain tot de dubbele voedingsspanning beperken plus enkele ferrietkralen. In ieder geval ga ik geen dure hf powerMOSFETs gebruiken.

FET: Ja natuurlijk is een laagdoorlatend filter niet overal transformerend. Ik stond dus voor de keuze: Een transformerend niet afregelbaar filter voor ELKE band, of een ringtrafo die breedbandig genoeg is naar 50 ohm, en ik besloot, gelet op de smalbandigheid van het transformatiegebied, dat ik een niet transformerend filter wilde.

Maar ja zoals ik schreef, als je het ontwerpt van 50 naar 50 ohm dan wil het filter zelf, wil het ontwerp kloppen, 50 ohm zien op zijn ingang, en dat ziet het niet op de werkfrequentie, noch op de te dempen harmonischen, in de richting van de MOSFET, wat wel weet ik nog niet.

Nee, geen klas AB, absoluut niet, ten eerste is de ruststroom rendement verlagend, ten tweede is de intermodulatie sterk ruststroomafhankelijk met zeer grote spreiding bij MOSFET's, ten derde is het ontwerp bestemd voor A1A.

Ja een ferrietstaaf heeft zo'n grote luchtspleet, dat je daar redelijkerwijs niet snel problemen kunt verwachten.

Wel bedankt voor de tip betreffende balansgebruik, je mist dan de gelijkstroomcomponent die inderdaad roet in het verzadigingseten kan gooien, daar had ik niet aan gedacht. Glad ijs, ik schreef het al, ik tuin in elk wak.

Op 20 mei 2014 17:04:44 schreef Druiloor:
Nee, geen klas AB, absoluut niet, ten eerste is de ruststroom rendement verlagend, ten tweede is de intermodulatie sterk ruststroomafhankelijk met zeer grote spreiding bij MOSFET's, ten derde is het ontwerp bestemd voor A1A.

Misschien heb je hier wat aan: http://lpistor.chez-alice.fr/pairf510.htm

Henry S

Bedankt voor de link, zo wil ik het inderdaad doen, ik had alleen aanvankelijk 1 MOSFET willen gebruiken maar FET wijst erop dat balans beter is voor de trafo-ring, die kan dan kleiner uitvallen omdat de H halveert zonder gelijkstroomcomponent.

Die trafo T2 houdt de zaak symmetrisch in tegenfase op de drains, de werking van T3 is me niet duidelijk, soort balun, maar ik heb nog niet de tekst geheel gelezen.

Dat wijkt ook af van mijn plan, ik wilde gewoon op T2 een wikkeling leggen die eenzijdig geaard is en de andere kant naar het filter. Pistorius heeft het voor 80 m .Ik wil omschakelbare low pass filters, zo weinig mogelijk filters, mits ik met 5-de orde filters de vereiste harmonische onderdrukking maar haal.

edit: T3 is inderdaad een balun volgens de tekst, hij mist dus de mogelijkheid de impedantie te transformeren, en hij heeft dan ook 50 ohm tussen de drains.

Dat versterkt mijn idee dat een weglaten van balun T3 en een transformerende wikkeling op T2 meer mogelijkheden biedt wat betreft vermogensregeling.

[Bericht gewijzigd door Druiloor op dinsdag 20 mei 2014 20:55:00 (18%)]

Maar ja zoals ik schreef, als je het ontwerpt van 50 naar 50 ohm dan wil het filter zelf, wil het ontwerp kloppen, 50 ohm zien op zijn ingang, en dat ziet het niet op de werkfrequentie, noch op de te dempen harmonischen, in de richting van de MOSFET, wat wel weet ik nog niet.

Maar het is nu eenmaal niet mogelijk je filter aan beide kanten in zijn karakteristieke impedantie af te sluiten.
De FET moet immers een bepaalde weerstand zien om zijn normvermogen af te leveren, maar heeft zelf die weerstand niet. Er is dus nooit sprake van vermogensaanpassing, en dus ook niet van impedantieaanpassing.

Dat is immers het lot van dingen die met een redelijk rendement vermogen moeten leveren, zoals ook accu's en krachtcentrales. Stel je voor dat het elektriciteitsnet aangepast was aan de centrale: dan zou er voor iedere Megawatt in de stad, ook een Megawatt in de wikkeling van de generator verstookt moeten worden. Maar gelukkig hoeft dat door de sterke misaanpassing (de generator is veel laagohmiger dan de stad) niet.

Terug naar de HF-eindtrap: de FET ziet de getransformeerde 50 ohm, maar het filter ziet aan zijn ingang geen 50 ohm. Jammer, maar geen ramp; het filter zal de harmonischen evengoed sterk dempen.
Veel gebruikt zijn de eenvoudige halvegolffilters, die niet kritisch zijn om na te bouwen. In fabrieksapparatuur zitten vaker filters uit de Cauer-familie.

OK FET

Ik zie dat wel, maar het is natuurlijk wel vreemd dat men dan een Chebeshev of Cauerfilter ontwerpt 50/50 Ohm dat voor de berekende werking EIST dat het 50 ohm ziet richting MOSFET. Er zijn zelfs ontwerpen die gaan de grensfrequentie wijzigen zodat ze zo dicht mogelijk aansluiten bij handelswaarden voor de condensatoren.

Het zal best werken, maar dan niet zoals theoretisch voorspeld als het filter richting MOSFET geen 50 ohm ziet.

Ik zat al te piekeren of een impedantie oneindig of 0 op de ingang, zodat de werking die ik eerder de "linksheid" van de polen noemde, uitsluitend door de afsluiting van 50 ohm aan de antennezijde wordt bepaald. Immers het in het linker halfvlak liggen van de po;en wordt uitsluitend veroorzaakt door de afsluitweerstanden van een filter als het verder verliesvrije elementen heeft.

Als ik de MOSFET opvat qua open spanning (drainimpedantie bijvoorbeeld 1k) zie ik een blok met piek piek amplitude de voedingsspanning,

Sluit ik die spanningsbron kort dan loopt er een blokstroom die begrensd is door de verzadigingsstroom van de MOSFET. Ik kan die MOSFET dus opvatten als
een spanningsbron met een Ri die bijna 0 is, zodat een filterontwerp dat aan de ingang 0 ohm verwacht en aan de uitgang 50 ohm een meer met de theoretische verwachting overeenkomende H(f) resultaat zal geven dan een 50/50 ohm filter. Ben je het daarmee eens?

Eh ja, het is maar net hoe je het stelt. Ik had duidelijker moeten zijn. We pakken een voorbeeld.

Met een belasting van 50 ohm en een trafo met een wikkelverhouding van 1 op 4 ziet de FET een weerstand van 3,1 ohm. Bij 12,5V voeding zal hij hieraan in klasse C 25W kunnen leveren.
De belasting, terugkijkend in de trafo, zie géén 50 ohm, want de FET is zelf geen 3,1 ohm.
Stel dat de FET zich gedraagt als, noem iets geks, 1/16 ohm, dan zal de belasting, kijkend naar de trafo, een bron van 1 ohm zien.

Maar de uitgang van de trafo, kijkend naar de belasting, moet wèl 50 ohm zien. Anders ziet de FET zijn 3,1 ohm niet, en klopt het vermogen niet meer.
Het filter dat je tussen de uitgang van de trafo en de belasting zet, mag dus die 50 ohm niet veranderen. De trafo, nu kijkend naar de ingang van het filter, moet nog steeds 50 ohm zien.
Het filter, terugkijkend naar de trafo, ziet een bron van 1 ohm.

Wat je maakt is een laagdoorlaatfilter dat de juiste filterdoorlaat heeft bij een bron van 1 ohm en een belasting van 50 ohm. Dat is dus iets anders dan een filter dat aanpast van 1 ohm naar 50 ohm; dat doen we niet.

       Simetrix

Zoals bovenstaand Tsjebyshevfilter van 1 naar 50 ohm, afsnijfrequentie 4 MHz, rimpel 0,2 dB. Je ziet dat de ingangsimpedantie inderdaad ongeveer 50 ohm is in de doorlaat.
(Denk trouwens niet dat de Zi bij een 50->50 filter mooier is! Daar gaat hij ook als een jojo op en neer.)

Het zou best interessant zijn, uit te zoeken wat de bronimpedantie van de FET (of FETs) nu werkelijk is. Je zou waarschijnlijk ontdekken dat de soep in de praktijk niet zo heet gegeten wordt; de bronweerstand zal niet zó vreselijk laag blijken te liggen. Het rendement is dan ook geen 100%, of daar zelfs maar dicht bij.

Vandaar dat je met een 50/50 filter meestal niet eens zo ver van het doel af zit.

FET,

Dankjewel voor de berekening.

Ja, dat de ingangsimpedantie die de MOSFET ziet richting filter op en neer gaat en ongeveer 50 ohm is, dat is ook wel logisch, want zoals je zelf ook eerder schreef, voor gelijkstroom is het laagdoorlatende filter 50 ohm op de ingang, als het afgesloten is met 50 ohm, (ook als je het voor linker afsluiting 1 ohm ontwerpt)

En het op en neergaan van de impedantie die de MOSFET richting filter ziet moet wel, want de afsluitimpedantie ter rechterzijde is constant 50 ohm terwijl de doorlaatkarakteristiek een bij Chebechev behorende dempings-ripple heeft, wat bij verliesvrije filterelementen ook alleen maar kan als de aan de ingang zichtbare impedantie ook navenant op en neergaat.

In de sper maakt het wel uit of je links met een serie-L begint (Z_in gaat naar oneindig) of met een parallelcapaciteit (Z-in gaat naar 0)voor f naar oneindig.

Vandaar vermoedelijk dat sommige MOSFET eindtrappen niet stabiel te krijgen zijn en zichzelf opblazen met VHF zelfoscillatie, als het uitgangsfilter met een serie-L begint.