n15) 40W Linear Power
amplifier with FETs for 80m
Some notes about saturation in ferrite- and iron-cores.
Written by LA7MI Stein Torp, N-5005 Bergen (Sept 93/May 98)
(partly translated
by LA8AK, and added some pictures and notes based on telephone
conversation with the author).
25 years ago the first power fets appeared on the marked. Today
most semiconductor manufacturers produce such devices. FETs
designed for RF applications are expensive, while devices for
audio amplifiers, motor control and power electronics are
reasonable priced
It is possible to find such devices for application up towards
30MHz with 5W RF output. In my 80m transceiver is used the
Siemens SIPMOS BUZ21. In lager quantities they cost under NOK
10,- each, and has impressive data: Max drain-voltage 100V. Max
draincurrent 19A. Max gate-swing is +/- 20Vin respect to source.
Max power dissipation is75W @25°C,
IRF630 was offered at a VHF meeting for NOK 1,-each, and they are
useful up to above 14MHz.
 |
 |
På lave frekvenser
kan man se bort fra indre kapasiteter og gate-elektroden er
svært høyimpedanset. På HF kommer kapasitansene mellom alle
elektrodene med i koplingen og gate blir lavohmig. Kapasitetene
varierer også med spenningen mellom elektrodene. IRF510 har
langt lavere kapasiteter mellom elektrodene. Når vi skal bruke
transistoren må drain mates fra et positivt supply, og gate må
forspennes et par volt positivt så det flyter en viss
hvilestrøm (ca.50-100mA).
Eksempel på PA-trinn
med en FET transistor.
På inngangen sitter
en trifilar-viklet toroidtrafo som nedtransformerer 50ohm
impedans til 5 ohm. Dette betyr at gate drives svært lavohmig,
og muligheter for selvsving er liten. I drain ligger en
bifilarviklet trafo viklet på 3-5cm ferritstav. En toroid uten
luftgap brukt her ville gått i metning pga likestrømmen som
flyter (se side n12).
Power amplifier with
single power FET.
To avoid DC
saturation the output transformer uses a 50mm long ferrite rod
with 2x 10 turns, while the input transformer is an ordinary
ferrite toroid (µ=850) with 3x 4 turns. Idle current = 100mA.
How to avoid DC
saturation in cores.
 |
 |
Here is a typical RF choke wound on a 35mm long ferrite core
(ferrite antenna) which is not so easily saturated by DC current,
it is primarily meant as an illustration for RF choke or RF
transformer with DC-field. This coil
consists of 25 turns in 2 layers of 1.5mm enamelled copper wire
on a 35mm long piece of 10mm diameter ferrite core (ferrite
antenna) is quite useful as choke, it has 27µH inductance. (LA8AK)
To the right is shown a toroid core with air-gap (0.05), suppose
it is made for DC-DC converters
DC-saturation (how to check
influence of DC saturation in a ferrite core).
For an Amidon FB43-4301 ferrite toroid core
the inductance drops by 50% for 1.2At. 3At for 75% reduction. One
should keep the DC-current below the value of 0.5A to keep the
reduction below 10%. In the example above this rule is used, but
the best is to use push-pull arrangement and the DC magnitation
is kept to a minimum level. The inductance reduction is stored
and the effect is called remanence, cores used with direct
current should have air-gap, and several such cores exists for
low frequency power inverter applications.
As an illustration for measuring core
saturation this picture could be used. NOTE: An RFC should
also have been connected in series with the input side. A DC
voltage is applied to one side, and an inductance meter to the
opposite. Note the DC current voltage needed to reduce the
inductance by 10%. Say the DC voltage is 1.25V, the current is
0.25A, and the ampere-turn = 2 * 0.25 = 0.5At (provided voltage
drop over the winding is negligible).
Preliminiary (texted in
Norwegian).
Når det gjelder å finne induktans ved DC-magnetisering av
ferritkjerner så bruker jeg andre metoder. Jeg har et
induktansmeter basert på at den ukjente spolen skal ha resonnans
med en 2000pF kondensator (i instrumentet). Jeg lager da to like
ferritspoler og kopler som vist. Man måler L/2 og unngår at
kraftforsyningen demper spolen.
Ved måling av LF drossler på jernblikk-kjerne brukes denne
oppstillingen. En MOS-power transistor mater strøm gjennom
spolen. Deb er så høyohmig at den ikke gir feile
måleresultateter. Det er interessant å måle på blikk-kjerner
og så endre luftgapet. Man tåler flere amperetørn ved stort
luftgap, men da blir det varmgang i spolen. Man må finne et
kompromiss mellom stort amperetørntall og passende oppvarming.
Jeg prøvevikler 100 tørn på en ukjent blikk-kjerne. Så måles
induktans som funksjon av amperetørn uten luftgap. Når en
innfører luftgap fåes lavere indukant ved liten magnetisering,
men større induktans ved stor magnetisering sammenlignet med
kjerne uten luftgap. Tilsvarende betraktninger brukes for
ferritkjerner i switchmode kraftforsyninger. I Philips databøker
står kurver for ferritpottekjerner med forskjellige luftgap. Dvs
det er kjernens effektive permeabilitet som er parameter. Den er
igjen avhengig av luftgapet.
Det var en gang en mann som het "Hanna" som
introduserte slike kurver, de kalles da også for "hannakurver".
I gode gamle powersupply ble brukt swinging-chokes. Da var det
smått med luftgap og induktans ved liten strøm var svært stor.
Man oppnådde en bedre regulering ved belastningsvariasjoner på
et nettdrevet powersupply fordi induktansen i serie med
likeretteren avtar når strømmen øker. (2004.10.01)
 |
Nødvendig driveeffekt er etpar hundre mW Required drive level is a few hundred mW |
Drivertrinnet består av 2N3904 (BC107) som emitterfølger og
BD135 på utgangen. En original detalj er diode 1N4148 mellom
basis på 2N3904 og kollektor på BD135. Den fjernet tendenser
til selvsving på 1,8MHz i BD135. BD135 leverer ca. 0,5W til
utgangstrinnet. PA-trinnet tåler å gå ubelastet, men det
tåler ikke en kortslutning av utgangen. En SWR-detektor
beskytter PA-trinnet ved opptuning av antennetuner.
The driver consists of 2N3904 as emitter follower with BD135 on
the output. The diode 1N4148 between base (2N3904) and collector
(BD135) cures self oscillation tendencies on 1.8MHz. BD135
delivers 0.5W to the output stage. The power amplifier will run
without load, but shouldn't run with shortcircuited output. A
VSWR detector protects the linear amplifier when tuning with an
antenna tuner.
Forklaring på oppbygningen av utgangstrafoen med Philips
ferritrør 3122 134 90783 (ferrit type 4A1, se forøvrig
side n22)
Explanation for the output transformer using Philips ferrite tube
3122 134 90783 (ferrite grade
4A1, see also page n22)
Resten av transceiveren er nesten identisk med den som er
beskrevet i Amatør Radio nr 3-1995. Driver og PA-trinn mates med
24V. De andre krestsene mastes via 12V regulator (LM317).
Alle kretskort er utfrest med tannlegebor og det er brukt
overflatemonterte komponenter i stor grad. Amidonkjerner leveres
fra ELFA i Oslo. Transceiveren trekker ca 4A fra 24V supply når
man plystrer i mike'n. Under normal tale går det ca 2A.
Overstrøket PA er byttet med FET-trinn. (se også side n12)
LA7MI 25/5.98
Reference article:
n12 Choosing ferrite cores for
linear amplifier (LA7MI)
Documents
received from LA7MI in May and Oct. 2004..
The author has no email, but is reached by telephone nr +47-55-902392.
Letters are welcomed to: LA7MI Stein Torp,
Tollbodalmenning 34, N-5005 Bergen, Norway
Updated: 2004.10.03