Широколентов усилвател с IRF510 - има ли смисъл? :)

[ahedproductions]

Привет сандъкчии!
Тези дни изкопах от купищата старата платка на малкия усилвател с IRF510, с който бутах двете ГУ50 в ранните ми експерименти за 100W АМ предавател. Реших да подходя както трябва, а не да копирам схеми от интернет, които в повечето случаи са грешни, и да пресметна какво реално може да се направи с тези транзистори като противотактен усилвател клас В. Изборът на противотактен принцип е продиктуван от нуждата от потискане на четните хармоници в изхода на усилвателя и подобряване на линейността му. Нека погледнем какво се твърди за ОРИГИНАЛНИТЕ транзистори в дейташита им -  http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/IRF510.pdf
Дрейново напрежение Vds = 100V, постоянен ток при температура на кристала 100⁰C - Id = 4A (виждам, че може и повече, но това е само при 25⁰C, което не ни засяга почти никога), съпротивление дрейн-сорс при наситен транзистор Rdson = 0.54R и мощност на дрейна Pd = 43W. Практически това е и горната граница като изходна мощност, която ще постигнем без насищане на транзисторите.
Има два начина да се подходи при анализа и изчисленията на тези схеми. Единия е да вземем пред вид напрежението Vsat на отпушения транзистор, като това се прави в анализа с биполярни транзистори. Другия анализ, използван при употреба на MOSFET транзистори, използва формули, включващи ефекта от Rdson.
В повечето случаи за изходни данни имаме желаната мощност и наличното захранващо напрежение. Нека за момент да подходим по този начин, като предположим, че имаме параметъра Vsat. За илюстративни цели на анализа пресмятам Vsat = Rdson * Id = 0,54 * 4 = 2.16V. Ако преминем в другия класически тип анализ ще получим същите резултати и с Rdson като параметър.
Приемаме, че имаме захранващо напрежение Vdc . Ако не искаме да насищаме транзистора и да кривим сигнала, трябва да държим размаха на напрежението на колектора/дрейна на транзистора под Vdc – Vsat!
Нека си пожелаем усилвател с изходна мощност 50W върху 50R товар при Vdc = 13.6V. Типични параметри при автомобилно захранване. Сега да видим дали би било възможно с тези транзистори!
Vdc – Vsat = 11.44V
Pomax = (Vdc – Vsat)2 / 2R
Решаваме горното уравнение за R:
R = (Vdc – Vsat)2 / 2Pomax = 11.442 / 2*50 = 1.31R
Тази стойност на товарното съпротивление е меко казано непрактична. Тя би изисквала изходен трансформатор с коефициент на трансформация 50 / 1.31 = 38.17, който би бил не само ужасно сложен за изработка, но и би се оказал безкрайно теснолентов. Винаги се прави компромис между коефициента на трансформация на изходния трансформатор, респективно изходната мощност която получаваме, и широчината на усилваната лента. В практиката се използват предимно 2 коефициента 1:4 и 1:9. И тъй като искаме да работим с разумно ниски захранващи напрежения, нека изберем k=9. Нека сега пресметнем с колко ома можем да си позволим да натоварим транзисторите:
RL = R / k = 50 / 9 = 5.55R
Очевидно трябва да повишим захранващото напрежение. Нека скочим високо, да дадем въздух на усилвателя и да го захраним с Vdc = 36V! Какво ще стане?
Vdc – Vsat = 33.84V
Pomax = (Vdc – Vsat)2 / 2R = 33.842 / 2 * 5.55 = 103.16W
Би било хубаво да можехме да получим тази мощност с тези транзистори, но няма как – далеч надхвърляме 4А ток при това напрежение.
Нека слезем малко по-надолу до друга стандартна захранваща стойност Vdc = 24V:
Vdc – Vsat = 21.84V
Pomax = (Vdc – Vsat)2 / 2R = 21.842 / 2 * 5.55 = 42.97W
Това е правилното захранващо напрежение за този коефициент на трансформация и тези транзистори!
Нека сега използваме формулите, които включват Rdson като параметър и да анализираме избора, който направихме. Те са изведени от горните чрез подмяна на членове:
Pomax = (Vdc2 * R) / 2(R + Rdson)2 = 242 * 5.55 / 2(5.55 + 0.54)2 = 3196.8 / 74.176 = 43.1W
Постояннотоковата мощност ще бъде:
Pdcmax = 2/π * (Vdc2 / R + Rdson) = 0.6366 * (576 / 6.09) = 60.21W
η = Pomax / Pdcmax = 43.1 / 60.21 = 71.582%
Нека сега отчетем, че не можем да вдигаме дрейновете на 24 волта, а само до 21.84V и да преизчислим:
Vdmax = Vdc + (Vdc - Vsat) = 45.84V, което ни дава 54% резерв по напрежение, идеално.
Imax = (Vdc-Vsat) / R = 3.935A, пак се намираме във възможностите на IRF510.
При номинална изходна мощност в транзисторите се разсейват максимално:
Pdismax = 2/π2 * Vdc2/R = 0.2026 * 103.78 = 21.02W
Тази мощност е за двата транзистора и е значителна. Охлаждащия радиатор трябва да може да я отвежда с такова темпо, че температурата на кристала да не достига, да кажем, 130⁰С.
Нека сега обърнем внимание на охлаждането.
Според дейташита термалното съпротивление между кристала и корпуса е RthJC = 3.5⁰С/W. Нека добавим и термалното съпротивление между радиатора и транзистора, който е с изолационна подложка, защото дрейна не е изолиран RthCS = 1⁰С/W (при качествена подложка!!!) и получаваме сумарно RthJS = 4.5⁰С/W. Следователно нашите 21.02W загубна мощност ще прегреят кристала с 94.59⁰С. Това означава, че максималната температура на околната среда, в която ще може да се ползва усилвателя ще бъде 130 – 94.59 = 35.41⁰С. Скромно, но постижимо. На такава жега няма да седя и да лафя на КВ… Трябва да осигурим адекватен радиатор с адекватно обдухване, но не ми се смята повече!

Сметките показват, че можем да реализираме стъпало с тези транзистори, но не бива да очакваме много от тях. За мен реална изходна мощност е до 35-40W и предполагам, че с адекватен дизайн и изпълнение могат да се постигнат някакви що-годе приемливи параметри за топлина и изкривявания. Да видим!
В следващите постове ще ви покажа какво съм сътворил до момента и как ще продължа с реализацията и тестовете на стъпалцето.
 

[origo]

Интересна и полезна тема! Следя с интерес! За подложки - при необходимост от по-ниско топлинно съпротивление е най-добре да се използват керамични подложки които макар и значително по-голямата си дебелина спрямо слюдата имат драстично по-добра топлопроводност и респективно се постигат най-ниски топлинни съпротивления между елемента и радиатора. Налични на пазара са подложки от Al₂O₃ или наричани неправилно алуминиев оксид. Те имат топлопроводност около 25W/m.k за разлика от слюдата която има само 0.7W/m.k така с подобна подложка дебела 1.5мм получаваш около 2.3 пъти по-ниско топлинно съпротивление от колкото при използване на слюда. А дебелата подложка в случая е и предимство защото осигурява нисък капацитет между дрейна и радиатора. Като цяло с керамика можеш спокойно да разчиташ на под 1K/W топлинно съпротивление между корпуса на транзистора и радиатора. Освен това ако това ще го използваш за SSB телефония, то стъпалото няма да работи никога на пълна мощност в продължителен режим, така че всичко ще бъде точно освен ако за 100% сигурност не искаш да го оразмериш като за АМ 24/7.
Керамични подложки за корпус TO-220 мисля все още се намират в Елимекс, поне преди две седмици имаха. За съжаление на мен за сегашния ми нискочестотен проект ми трябваха подложки за TO-3P (TO-247) каквито те нямат, и ми се наложи да поръчам от тук:
https://www.tme.eu/bg/katalog/radiatori-oborudvanie_100096/#id_category=100096&s_field=artykul&s_order=DESC&visible_params=2%2C32%2C138%2C329%2C511%2C734%2C762%2C762%2C768%2C823%2C2418&used_params=762%3A3282%3B
Тази фирма:
http://ketbg.com/ прави доставки от каталога на TME на цената която виждаш в сайта с ДДС без цена за доставка. Доставят ги за 3 дни, така че може да се възползваш ако ти се наложи и за други неща.
По отношение на изходната мощност, чисто от любопиство ми е интересно възможно ли е свързването на няколко транзистора в паралел за увеличаване на мощността? Това най-вероятно ще усложни нещата от гледна точка на гейтов капацитет, но постижимо ли е изобщо?

[ahedproductions]

А, ясно, сложил съм каквото имам. Не го мисля много, 510 не е транзистор за такива цели. Просто проверявам за себе си какво може. Като го направя ще го измеря в работата като хората и ще лъсне истината. Разбира се, че може да се слагат в паралел транзистори, просто трябва да се справиш със съгласуването. Виждал съм с до 6 в рамо, но това е безумица. Има къде по-добри транзистори за целта без да струват кило пари.
Направих входните и изходните трафчета. Входното е на бинокъл BN43-202, има 2 навивки PETF кабелче към една вторична, направено от тръбички от медно фолио. Средната ѝ точка е заземена. Тъй като трансформирам 4:1, изходния импеданс след трафчето е 12.5 ома и съм го натоварил с две резисторчета по 5.6 ома във всяко рамо. Те са качени върху кондензатори 100нФ, защото ще подавам преднапрежението за транзисторите през тях. Трафът също е изолиран със 100нФ кондензаторчета, но керамични. Връзката на резисторите с гейтовете става през феритни мъниста за постискане на самовъзбуждането. На входа преди трафчето поставих Пи затихващо звено с 6dB затихване, което служи за няколко неща. Първо представлява добър товар за източника на сигнал, осигурявайки много човешко входно КСВ и стабилност за източника. Второ, намалява нивото 2 пъти, позволявайки усилвателя да се възбуди с по-висока мощност до номинално изходно ниво, че и без това ще е много чуствителен. Потенциално трябва да изкара пълна мощност с 1W на входа, а повечето трансвъри не се регулират добре под 1 ват, ако въобще могат... Тъй като теоритчните стойност за това звено са Rp= 150.476 ома и Rs= 37.352ома, очевидно няма да сме точни. Сложих 150 ома и 39 ома, получавайки звено със затихване от 6.14dB, входно и изходно съпротивление от 50.662 ома, КСВ 1.013, напълно приемливо. Изходния траф е на ядро BN43-3312, малко едричко за целта, но пък с добри характеристики. Първичната е една навивка, напраена от тръбички от медно фолио. Вторичната е от по-дебеличък PETF кабел и има 3 навивки, давайки ни търсеното преобразуване 1:9. Двойния дросел има 6 бифилярни навивки от леко усукан изолиран проводник върху Т106-45 ядро от Micrometals. Материалът има начална проницаемост 100 и ми даде към 6 микрохенри на половинка, напълно достатъчно. По някакво чудо намери един пластмасов детайл, който изкормих едно време от един ТЕС, който просто гушна дросела и го монтирах на двете колонки над транзисторите! Голям късмет, стана много прибрано. Като направя схемата и я кача ще обсъдим в детайли всеки компонент и неговата роля, сега само отчитам прогрес.







Хубава вечер на всички!
 

[lz1tka]

4 x irf510 (150w)
Правено отдавна и така си остана неподкарано.

[ahedproductions]

Уха!
Дай схема да видя. Входния ти траф е за 200 вата, изходния за 1000  Виждам някои проблеми, големи разстояние, големи компоненти, дълги жици и двата ти трафа ще имат огромна индуктивност на разсейване с тези конструкции и ако не са компенсирани няма и да ти тръгне. Транзисторите притиснати ли са към радиатора, каква е подложката? Двойния дросел изглежда добре, но първото дроселче е хилаво и с тънка жица за тази мощност с тези транзистори. Защо не ти тръгна, какви проблеми имаше?

[lz1tka]

Защо не ти тръгна, какви проблеми имаше?

Феритните трансформатори се оказаха нискочестотни от кабели за монитори  .Разбрах го след като непроработи.Транзисторите са на подложки без да са закрепени.Като видях че неработи нямах време да продължа  по проекта.
Проекта е от един руски сайт,леко си го доработих.Трябва да потърся платката и схемата за да я кача.
От към дълги жици и писти,нямах идея какво ще се получи и всичка е почти като макетна конструкция.

[ahedproductions]

Ясно. Е, поне до към 7 дори с тия ферити може би трябваше нещо да изкара де, но има и други грижи. Ако решиш някой ден да го съживяваш може да се видим да го видим пък ще видим!

[lz1tka]

В архива оригиналнаята схема(орязана на платката),платката в SL5 и описание на схемата с трафове на руски.
По схемата има предусилвател и друго.На моята платка ги няма,небяха необходими,максимално изчистен усилвател.

[ahedproductions]

Хъ... шашава схема. То и без това им е нужен един ват на тия транзистори, за какво ли е драйвера... Нещо не ми харесва особенно, но пък знам ли, може да си е добре. Единия ом последователно на сорса е безумие, това са значителни загуби.  Нуждата от обратна връзка (680 ом + 10нФ) ми говори, че човекът равил схемата е имал сериозни проблеми с двойния дросел, които не е решил. 1VD29-31 не са смислени, нито като някаква рудиментарна защита, нито като избор на диоди. Изходните кондензатори 100нФ са ненужни и само вкарват честотни зависимости и загуби. Харесва ми регулацията на вентилатора, но бих я опростил. Абе имало е драми с подкарването, усещам.
Оууу! Изходния траф е 1:16!!! Каква ли лента са изкарали се чудя...

[veso74]

Хъ... шашава схема ... 1VD29-31 не са смислени, нито като някаква рудиментарна защита, нито като избор на диоди. Изходните кондензатори 100нФ са ненужни и само вкарват честотни зависимости и загуби...

Схемата по-горе е взаимствана от широколентов усилвател на мощност с 2 бр. КП904А (Широкополосный усилитель мощности, Дроздов В. В., RA3AO). 1VD22 е ценеров диод, а е отбелязан като диод. Описание на веригите с диодите има:

Широкополосный усилитель мощности:
http://r4f.su/hf/pa/pa_ra3ao.html

и по-подробно в книгата "Любительские КВ трансиверы", Дроздов В. В., 1988 г., стр. 168
http://www.newlibrary.ru/book/drozdov_v_v_/lyubitelskie_kv_transivery.html#

В конструкцията има схемни решения, уникални и актуални за взаимстване дори днес, независимо от дългата времева линия (30 години са изминали все пак).

[ahedproductions]

Да, прегледах, но пак не съм съгласен с някои неща. И в нашите усилватели има защитна верига, но тя е реализирана по друг начин, за да не пречи на ВЧ. Сега видях, че усилвателя на RA3AO е с пълна мощност до 21МХц и има причини за това. Диодните защити се реализират с двупосочна диодна група, качена върху трансил диод. От него се отнема сигнала за нивото, като се спаралелва с кондензатор. Основната работа на двойния дросел и причина да не са два единични, е че двете намотки формират трансформатор. По този начин единия транзистор подпомага запушването на другия на ниските обхвати, където времето е малко и енергията, необходима за източване на изходния капацитет е голяма. Другия вариант е слагането на два отделни дросела, което ще изтествам в моето стъпало, но с обратна връзка. Ако има отделни дросели без ООВ се получават високи напрежения на 1.8М и 3.5М, както и силно влошаване на 2 хармоник. В реализацията на RA3AO също така няма входна трансформация, а входния импеданс на транзисторите е много нисък. Тази липса на съгласуване също ограничава горната работна честота. Липсата на изходна трансформация също обуславя големи токове за търсената мощност, въпреки че компенсира други решения и осигурява по-широка лента.
НЧФ, формиран от С8-11 и L1-2 не му е мястото там, преди трансформатора. За получаване на равномерен изходен импеданс на стъпалото е необходимо съгласуване на транзисторите към 50 ома и балансиране, чак след това добавянето на диапазонни филтри, както се прави по принцип. Тази разработка крие рискове за транзисторите при реактивни товари, защото филтърните звена могат да трансформират тези реактивности към силно неблагоприятни за трзнзисторите стойности, предизвикващи или високи напрежения (заради което е сложил диодите) или големи токове, заради което е избрал тези транзистори, в този корпус. Тук идеята  е била да се спестят средства.
Не виждам нищо уникално в схемните решения, нито къде се взаимства в производството и индустрията от нея, но бих искал да видя, ако знаеш конкретно приложение.
И да не забравяме, че КП940А е бая по-солиден от IRF510, керамика на позлатена основа. Дори да са два броя 510 в рамо, пак ще има пуканки с капацитивни антени, ако няма съгласуване след усилвателя. А със една силно индуктивна антена тез нежни диодчета ще окапят за миг. Виждал съм го с очите си, изследвал съм го.

[veso74]

... усилвателя на RA3AO е с пълна мощност до 21МХц и има причини за това.

OFFTOP: Изходната мощност е 90W до 21 MHz и 80W на 28 MHz при IMD -36 IMD, с компоненти отпреди 1988 год.

[ahedproductions]

Тъй!
Сума време не бях пипал стъпалцето. Тази вечер налепих и платчицата за преднапрежението и бих казал, че е готово! В понеделник го слагам на измерване и ще кача резултати веднага. 



Дайте ми малко време за схема, ама би трябвало да е ясно като цяло! Стабилизатора на платчицата е 78L05.

[stoi]

Харесвам, когато някой не копира схеми на сляпо, а тръгва да проектира почти от 0-лата.  Браво и УСПЕХ ! 

[ahedproductions]

 
Имах такъв въпрос на ЛС и искам да поясня. НЕ, С ДВА 50 ВАТОВИ ТРАНЗИСТОРА В ПУШ-ПУЛ НЕ СТАВА 100 ВАТОВО СТЪПАЛО, А 50 ВАТОВО! Те се редуват да отдават ток в товара, не го отдават едновременно. С 4 броя 50-ватови става 100 вата.