Banddoorlaat filter voor middengolf

Voor een middengolf zender, werkend in klasse D heb ik een uitgangs filter/impedantie aanpassing ontworpen welke ik ook in de praktijk getest heb.
De resultaten waren goed, zo op het eerste gezicht komt er een schone en onvervormde sinus spanning uit en vermogens overdracht is goed.
Op de ingang van dit filter staat een blokspanning, terwijl op het schema een sinus is getekend voor de bron.

Voor alle condensators koos ik een reactantie van 50 ohm.

Spoel L2 heeft een reactantie van 100 ohm, later kies ik voor de fijn afregeling een aftakking op de spoel waarbij de stroom door de eindtrap niet al te groot is.
In feite dient deze spoel als een "loading spoel" waar bij "te veel aan windingen" de eindtrap ook te veel aan stroom trekt en het uitgangs vermogen ook te hoog is als wat er nominaal afgegeven moet worden.

Spoel L1 is de "tuning spoel"; hiervoor gebruikte ik een spoel met een reactantie van 100 ohm, door simpel het aantal windingen op de spoel te veranderen, komt de serie kring L1, C1 in resonantie.

Spoel L3 heeft ook een reactantie van 100 ohm, deze spoel is het minst kritisch in de afregeling en wordt als laatste afgeregeld.

Omdat ik niet in het bezit ben van bruikbare meetapparatuur kan ik ook niet verder beoordelen wat dit filter voor eigenschappen heeft.
Daarom post ik mijn ontwerp hier en hoop jullie mening te lezen.

"tijd is relatief"

Ha Martin V,

Het signaal aan de ingang is dit CW..... laat ik zeggen uit een of andere oscillator of is het een draaggolf die gemoduleerd kan worden?
Met andere woorden wat is de bandbreedte van je filter :?

Op zich is met de keuze van een afstembaar filter niets mis een filterbank op lage frequenties is niet te doen gewicht, kosten maar ook elektrisch gezien de afscherming tussen de filter bankjes onderling !
Alleen zou ik altijd proberen zo min als mogelijk spoelen te gebruiken i.v.m. de slechtere Q t.o.v. een condensator en het verplaatsen van een tap is mooi maar je dient dan wel aan te geven welke kant de tap heen moet dit voor de gebruiker.

Eigenlijk bestaat zo'n eerste orde bandfilter uit 3 gedeelten aanpassing van de ingang, de resonator, en de aanpassing van de uitgang.......
Ook hier kunnen we maar uit drie componenten kiezen weerstand, condensator en spoel.
Met de bekende PI of T netwerken kunnen we elke impedantie transformeren + jX impedantie naar elk andere R’ + jX’ impedantie :D

Je schrijft dat je van een versterker af kom is deze bron reëel dat denk ik niet dus zal je waarschijnlijk van een van de transformatie vormen gebruik willen maken.
De belangrijkste redenen voor het gebruik van ingang en uitgang impedantie-aanpassing netwerken zijn in mijn optiek :

1. Het verkrijgen van de gewenste componentwaarden die de effecten van parasitaire of componentgerelateerde verliezen verminderen.
2. Voor het verkrijgen van het gewenste filter impedantie gedrag met de filter middenfrequentie in gedachte.

Als je bekijkt welke combinatie van de twee eerder genoemde filter constructies het beste uitwerken kom ik ( uit mijn ervaring ) op twee mogelijke oplossingen voor een afstembaar filter......

1. Aan de ingang een hoogdoorlaat sectie, als resonator een parallel sectie, en aan de uitgang een laagdoorlaat sectie.
2. Aan de ingang een laagdoorlaat sectie, als resonator een serie sectie, en aan de uitgang een hoogdoorlaat sectie.

Je heb op deze manier goede over all eigenschappen maar je kunt ook de nadruk op een constante bandbreedte leggen, of een constante Q !
Ik zal moeten rekenen om te bekijken of schakelbare condensatoren een optie is dit ligt uiteraard aan de bandbreedte en het totale frequentie bereik.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo Elektron, Henk

Het signaal aan de ingang is dit CW..... laat ik zeggen uit een of andere oscillator of is het een draaggolf die gemoduleerd kan worden?
Met andere woorden wat is de bandbreedte van je filter

Het HF signaal is AM gemoduleerd tot aan 6kHz audio, voor de bandbreedte van het filter hoef ik me niet zorgen te maken, die is breed genoeg om geen effect op de modulatie te hebben.

In mijn startpost ben ik vergeten te vermelden wat de bandbreedte van het filter is.
Getest werd er op een frequentie van 1600kHz en zonder al te veel vermogens verlies kon ik de frequentie verlagen naar 1400 of 1200kHz. Omhoog in frequentie tot aan 1800kHz. Maar let op; dit zijn niet de echte 3dB vermogens reductie punten. Zeg dat de bandbreedte van het filter 400kHz is, dan is de Q 1600-400 is 4.
Een lage Q is in mijn belang omdat bij een hoge Q de afstelling van het filter zo kritisch is en dat wil ik niet.
Wanneer de Q van het filter 160 is kan dit effect hebben op de modulatie, maar zo hoge Q kan ik hier met dit simpele filter niet behalen.

Wat betreft het vermogen waarbij getest werd dat bedroeg 300Watt.
Ik had geen problemen dat er bepaalde componenten warm werden, alleen bij C2 heb ik een keer een mica condensator moeten vervangen omdat die zich opstookte aan warmte.
Blijkbaar loopt door die condensator de hoogste stroom, of was die condensator niet zo goed meer van kwaliteit.

"tijd is relatief"
Frederick E. Terman

Honourable Member

De stroom door C2 en C3 is even groot in jouw filter (hieronder, links).

Met evenveel materiaal kun je trouwens een beter filter maken.
Met drie kwartgolfsecties is de harmonischendemping flink groter dan in jouw filter (3×λ/4: hieronder, midden).
3e: 13 dB beter; 5e: 22 dB beter; 7e en 9e: 27 dB beter.
Dit is een heel praktisch filter, omdat alle secties gelijk zijn. Alle spoelen zijn even groot (hier 50 ohm), en voor de 'tussencondensatoren' van 25 ohm kun je eventueel ook steeds twee condensatoren parallel nemen, waardoor ook alle condensatoren even groot worden (nl. ook 50 ohm).
Ook zijn de secties dan eenvoudig apart te gebruiken of te testen. De 'success rate' is hierdoor praktisch 100% :).

Eventueel kun je, als de ingangsstroom op de flanken een probleem zou zijn, het alternatief gebruiken (hieronder, rechts).

Dit is nu eens leuk om in Simetrix uit te proberen!

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

@FET

Vraagje van een hobbyist die nog niet praktisch met Class D amps heeft gewerkt. Wat gaat dit lowpass filter doen met de schakel/samplefrequentie?

Die zou, wat ik begrepen heb uit de vereenvoudigde theorie, rond de 15x van de te versterken frequentie moeten zijn ivm resolutie van het PWM signaal. Da's rond de 25 Mhz voor 1.6 Mhz.

Bron van mijn onwetendheid gaat weliswaar over audio maar het principe blijft gelijk lijkt mij: https://www.soundonsound.com/techniques/what-class-d-amplification

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Ha harry64,

Het principe is het zelfde als bij jou directe audio sample techniek.
Ook hier wordt de sample frequentie zo gekozen dat voldaan wordt aan de Nyquist frequentie met als enig verschil dat de sample frequentie gebruikt wordt als draaggolf voor verdere transmissie.......

Het reconstructie filter wat eigenlijk een grote spoel is die als tank gebruikt wordt om een constante elektrische stroom te leveren wordt in combinatie met een condensator zo gekozen dat in jou situatie de sample frequentie onderdrukt wordt.
Hierdoor is het overgebleven residu het teruggewonnen audio signaal.

Spectrum audio versterker na reconstructie

In de situatie van @Martin V wordt de sample frequentie b.v.b. 1,6 MHz meegestuurd maar worden de harmonische onderdrukt op deze wijze ontstaat wederom een mooie sinus golfvorm met een omhullend karakter welke het audio signaal volgt AM modulatie :D

@Martin V,

Is het de bedoeling om een afstembaar bandfilter te fabrieken of sla ik nu de plank weer helemaal mis 8)7
Ik kom hierop omdat je het heb over taps verplaatsen.......
Als je op een vaste frequentie werkt dan is het voorstel van @Frederick E. Terman een mogelijkheid alleen weer veel spoelen en dat is niet nodig !

Kijk die harmonische is een punt maar dat kan met een sper in de vorm van een kam filter worden opgelost maar je zijband vermogen nabuur, met 300 Watt is dat significant en verdient veel meer aandacht dan je in eerste instantie denkt ;(

Ik heb verleden jaar een klein beetje met je mee gebouwd d.w.z. een modulator opgezet voor Hifi audio ik maak dan gebruik van een geheel andere manier om het driehoek probleem op te lossen.
Maar belangrijker door op de juiste manier pre distorsie toe te passen onderdruk ik het zijband vermogen aanzienlijk oké het nog maar in een onderzoek stadium maar het zag er veel belovend uit....
Geen tijd meer voor komt later wel weer :D

Weet je de eisen die je moet stellen aan de zender zodat de buren geen problemen ondervinden ?

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
rob007

Golden Member

Ik doe momenteel niets met MG (Heb er nu ZEKER geen tijd voor! )
Maar voor later, als het kan en mag ik zou ook graag het schema van dit filter willen hebben?
En als het kan natuurlijk het betere schema FET?
Maar dan graag het schema om in praktijk uit te voeren want anders schiet je/ik er nog niets mee op.
Dus als het kan met gangbaar materiaal?

VrGr Rob

ben in afwachting van de eerste 3D beurs!
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 18 april 2021 08:56:26 schreef electron920:
Als je op een vaste frequentie werkt dan is het voorstel van @Frederick E. Terman een mogelijkheid alleen weer veel spoelen en dat is niet nodig !

Ik heb niet gezegd dat drie spoelen nodig zijn. Wat ik zeg, is dat het met evenveel materiaal mogelijk is een beter filter te maken. Met evenveel materiaal, dus met drie spoelen, kun je drie kwartgolfsecties maken.

Nodig is dit niet. Gebruikelijk is, twéé kwartgolfsecties te gebruiken. Bij aansturing met een blokgolf is de 3e harmonische dan 55 dB 'down'.
In combinatie met de antenne tuning unit, die nog volgt, is dat ruim voldoende. Dit is dan ook het gewone schema dat je bijna overal vindt.
Alleen voor wat hogere vermogens wordt er meer gefilterd, maar dan denk je al aan de klassieke omroepzenders.

Het filter met kwartgolfsecties wordt gebruikt vanwege zijn praktische eenvoud: alles is 50 ohm (al kun je natuurlijk elementen samen nemen, zoals hierboven gedaan was).
Om de zijbanden zou ik me geen zorgen maken. Het leuke is juist de enorm vlakke top rond de ontwerpfrequentie: als je het filter voor 1600 kHz maakt, is de afval bij +160 kHz en -200 kHz slechts 0,01 dB. Dat kun je niet meten (zie hieronder).
In de gewone fabrieksapparatuur wordt zo'n filter toch ook voor een complete band (maritiem, amateur) gebruikt.

Over de hele middengolfband is het filter op zijn ergst 0,3 dB 'down'.
Wil je nog minder, dan kom je toch weer bij Butterworth uit. Maar veel zin heeft dat niet, omdat bij de lage frequenties de tweede of zelfs derde harmonische gewoon binnen de filterdoorlaat valt. Je zou dan toch meer filters moeten hebben.

Alle onderdelen 50 ohm op de ontwerpfrequentie
(NB: verticale schaal hier in milli-decibel. Cursors staan bij 0,01 dB.)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 18 april 2021 01:06:37 schreef harry64:
Vraagje van een hobbyist die nog niet praktisch met Class D amps heeft gewerkt. Wat gaat dit lowpass filter doen met de schakel/samplefrequentie?

Die zou, wat ik begrepen heb uit de vereenvoudigde theorie, rond de 15x van de te versterken frequentie moeten zijn ivm resolutie van het PWM signaal. Da's rond de 25 Mhz voor 1.6 Mhz.

Als de schakelfrequentie zóveel hoger ligt dan de gewenste frequentie, zou het filterontwerp eigenlijk geen probleem moeten zijn.
Je zou in de application notes kunnen kijken van de vele schakelende versterkers die verkocht worden.
Of eens kijken hoe dat in schakelende voedingen opgelost wordt. Daar moeten aanzienlijke vermogens gefilterd worden, en ook zo schoon mogelijk.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 18 april 2021 08:56:26 schreef electron920:
Ha harry64,

Het principe is het zelfde als bij jou directe audio sample techniek.
Ook hier wordt de sample frequentie zo gekozen dat voldaan wordt aan de Nyquist frequentie met als enig verschil dat de sample frequentie gebruikt wordt als draaggolf voor verdere transmissie.......

Het reconstructie filter wat eigenlijk een grote spoel is die als tank gebruikt wordt om een constante elektrische stroom te leveren wordt in combinatie met een condensator zo gekozen dat in jou situatie de sample frequentie onderdrukt wordt.
Hierdoor is het overgebleven residu het teruggewonnen audio signaal.

Spectrum audio versterker na reconstructie [bijlage]

In de situatie van @Martin V wordt de sample frequentie b.v.b. 1,6 MHz meegestuurd maar worden de harmonische onderdrukt op deze wijze ontstaat wederom een mooie sinus golfvorm met een omhullend karakter welke het audio signaal volgt AM modulatie :D

Groet,
Henk.

Dus je jaagt heel simpel je draaggolf op oversturing in een opamp, hangt je modulatie aan de referentie, mikt er een lowpass op de uitgang en dat is dan effectiever dan liniair met ruststroom?

Was me overigens al wel eerder opgevallen dat enige vervorming in de sinus voor het lowpassfilter na het filter veel minder was. Alleen ging dat ten koste van de modulatie omdat de amp de pieken aftopt. Wat wel weer resulteerde in veel meer warmteontwikkeling in de spoelen van het filtertje. Die werden met vervorming echt heet en met een 'zuivere' sinus er in hooguit lauw.

Dat moduleren op de referentie van de comparator kan ik wel redelijk eenvoudig integreren in m'n huidige opzet:

https://www.g0kla.com/scpa/scpa_circuit_v1.png

Bias weg en PWM blokgolf er in.

Ik heb inmiddels wel een kleine modificatie aangebracht in dit schema. T2 is weg en T3 is 2*4wikkelingen 1mm met voeding op het middenpunt en 12 wikkelingen 0,6mm op de uitgang i.p.v. 1 en 3 wikkelingen. T3 en fets werden nogal heet en nu niet meer.

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Op 18 april 2021 13:45:19 schreef Frederick E. Terman:
[...]Als de schakelfrequentie zóveel hoger ligt dan de gewenste frequentie, zou het filterontwerp eigenlijk geen probleem moeten zijn.
Je zou in de application notes kunnen kijken van de vele schakelende versterkers die verkocht worden.
Of eens kijken hoe dat in schakelende voedingen opgelost wordt. Daar moeten aanzienlijke vermogens gefilterd worden, en ook zo schoon mogelijk.

Ik heb zonet van electron begrepen dat het nogal een omweg is om je draaggolf in PWM te zetten. Dat kan kennelijk voor AM ook rechtstreeks op de draaggolf. :)

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Ha Frederick E. Terman,

Ik ben er nog steeds van overtuigt uit praktische overwegingen hoe minder spoelen hoe beter !
De quote die je aanhaalt heeft betrekking op de analogie van het @Martin V filter dat zijn naar mijn menig teveel spoelen en dus het kopie ook !

Dat gezegd hebbende wil ik niet beweren dat je geen spoel zou kunnen gebruiken :D

Toen @Martin V bezig was met zijn ontwerp ik weet niet meer verleden jaar of het jaar er voor heb ik een beetje mee gebouwd op de achtergrond.
Ik heb hierbij twee modificaties gemaakt aan de bestaande gebezigde techniek.
in de eerste plaats maak ik gebruik van een andere manier om de comarator te bedienen hierdoor bereik ik een grotere lineariteit en ben ik veel minder afhankelijk van de driehoek.

In de tweede plaats valt het niet mee om het uitgangsfilter aan te sturen zonder dat er artifacts ontstaan de ( MOS FET's ) schakelaars zorgen voor de nodige problemen aan spurs voor de goede orde dit zijn geen harmonische en vallen zowel onder als boven de gewenste frequentie......

Dit is bijna niet te filteren dus heb ik naar een oplossing gezocht in de vorm van een pre distorsie waardoor het aanstoten van het reconstructiefilter mooier verloopt.
Ik ben hier niet verder mee gegaan het draadje van @Martin V werd stil maar mijn ervaring leerde mij dat je uiterst voorzichtig moet omgaan met heftige filters aan de uitgang van een klasse D,E,F versterker.
De rest is voor @Martin V zijn experiment/ontwerp :P

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo Elektron en Harry,

Een sample frequentie welke hoger is als de draaggolf frequentie gebruik ik niet.
De modulator en de modulatie staat geheel los van het HF gedeelte en hebben niets met elkaar te maken.
De zender wekt zijn eigen draaggolf frequentie op door een aparte oscillator, het PWM gedeelte staat daar helemaal los van en bevindt zich in de PWM modulator.
De voedingspanning voor de eindtrap wordt inderdaad PWM gemoduleerd maar de schakelfrequentie en de zijbanden worden geheel uitgefilterd.
Ik gebruik zeg maar de "klassieke vorm" van de PWM modulatie, dus geen PWM op het HF signaal.

Even terug naar het filter. Frederick als eerste mijn dank voor de adviezen, nu weet ik ongeveer wat mijn ontwerp doet.
Op de ingang van het filter staat een blokspanning, in mijn geval een blokstroom en een halve sinus voor iedere transistor.
Je kan niet simpelweg een condensator op de uitgang zetten welke naar de massa loopt (shunt condensator), want daarmee sluit je de boel kort.
Eerst gebruik je een spoel in serie, of een seriekring welke van de blokgolf een sinus vormig signaal maakt.
Hierna kan verder gefilterd worden.

Dat kwartgolf filter is zeker interessant en kan ik zeker gaan gebruiken, maar eerst moet er een spoel of een serie kring voor staan.
Laten we eens naar een commercieel ontwerp kijken; dit is het filter ontwerp van de J1000 AM omroep zender.

Ik heb daar even een principe schema van gemaakt zoals het in elkaar zit:

L1 en C1 vormen een serie kring, evenals C3 en L4.
L3 en C2 vormen een parallel kring, L2 en C2 zijn een zuigkring.
Dit is een 3e orde Eliptisch Banddoorlaat filter zoals in onderstaande afbeelding is weer gegeven:

Als voorbeeld heb ik een doorlaat gekozen tussen de 1400 en 1800kHz.
Ik zie dan op 3200kHz een demping van 72dB.

Nu kan ik dit ook wel kopiëren, maar dat vindt ik niet origineel.
Het liefste gebruik ik een ontwerp wat ik zelf heb bedacht.
tot zover even..

"tijd is relatief"

Ha Martin V,

Tja daar kan ik niet zo veel mee ik zie niet hoe jou versterker er uit ziet.
Is het een zelf oscillerende schakeldoos of gebruik je een losse oscillator en is er nog een controle lus ( feed back ) aanwezig :?
Ik begrijp nu wel dat het bandfilter niet afstembaar is maar een laagdoorlaatfilter is weer wel iets geheel anders !

Dat je een sper gebruikt dat is op zich goed ik kan wel eens een bandfilter volgens jou opgegeven specificaties uitrekenen.
Ik verzin er wel een versterker bij stroom gestuurd en dan transformeren naar 50 Ω in eerste instantie reëel maar hou er rekening mee dat je antenne kort is en niet reëel......

Als schakel frequentie zou ik een afgeleide nemen van je PWM klok als dat kan ?

PS: De ingang komt van een stroombron vertel je is dan 50 Ω aan de ingang wel reëel ?
En de combinatie van de condensatoren en spoelen..... b.v.b. 644 nH met 4 nF dat is een redelijke uitdaging >:)

Groet,
Henk.

[Bericht gewijzigd door electron920 op 18 april 2021 21:11:55 (12%)]

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo Henk, Elektron,

Ha Martin V,

Dat is wel erg lang dus die sla ik even over :Z
Wat ik wel heb ontdekt toen jij bezig was met de klasse D zender ( misschien het zelfde project ) ik denk twee jaar geleden is dat er uiteraard veel harmonische uitkomen.
Nu is dat niet verwonderlijk maar belangrijker er komen ook redelijk wat spurs uit door het schakelgedrag van de MOS FET's en dat is veel lastiger dat wist ik ook niet !
Ik weet nog wel dat ik toen voorstelde om een laagdoorlaatfilter te schakelen i.p.v. een bandfilter af te stemmen maar uit mijn metingen is bovenstaande gebleken.

De keuze van een bandfilter t.o.v. een laagdoorlaatfilter is dus gerechtvaardigd.
Wel zou het kunnen om het bandfilter afstembaar te maken ik heb toen een ontwerp gemaakt (theoretisch ) met motor gestuurde condensatoren lijkt ingewikkeld maar is uiterst simpel :D

Jij vertelde op je draadje dat er een apparte klok gebruikt wordt om de eindversterker in klasse D te bedrijven kan je daar misschien iets meer op je draadje over vertellen......

Om even je vragen te beantwoorden; de oscillator is een PLL gelockt aan een frequentie van 9kHz:https://www.nfor.nl/radioforumservice/index.php?p=artikelen&sub=artike…
Dat is slechts een tijdelijke oplossing, uiteindelijk maak ik gebruik van een DDS met de AD9850 synthesizer.
https://www.banggood.com/nl/2MHz-UDB1002S-DDS-Signal-Generator-LCD1602…
De versterker is een CMCD Current Mode Class D versterker, maar ook dit is tijdelijk, later zal ik een VMCD in H brug (volle brug) klasse D versterker gaan gebruiken:

De CMCD versterker heeft een breedband HF uitgangs transformator welke van 12,5 ohm naar 50 ohm omhoog transformeert.

Er zit geen feedback in (regellus).

"tijd is relatief"

Ha Martin V,

Verplaats :)

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Beste Henk,

vind je het erg als ik hiervoor een apart topic aanmaak?
Dit heeft namelijk weinig met het banddoorlaat filter voor de middengolf te maken.

Ik heb je reactie gekopieerd en geplakt in het nieuwe topic:
https://www.circuitsonline.net/forum/view/message/2260176#2260176

"tijd is relatief"