Posted on Leave a comment

Бифилярный трансформатор против катушек индуктивности в выходном каскаде усилителя на LDMOS транзисторе

Некоторые последующие расчеты, демонстрирующие трансформаторное действие бифилярной катушки питания.

Ниже приведен некоторый анализ, демонстрирующий, что бифилярная катушка действует как трансформатор импеданса в дополнение к своим другим функциям. Также ниже дан ответ на вопрос: «Как он может действовать как трансформатор, если я могу заменить его двумя отдельными дросселями сток / коллектор, а схема по-прежнему функционирует должным образом?»

Сначала некоторые расчеты напряжения / тока / мощности, чтобы продемонстрировать его функцию в качестве трансформатора импеданса.
Ниже приведена схема из заметки по применению «Microsemi Application Note 1819: широкополосный усилитель мощностью 700 Вт с использованием VRF2944». Этот усилитель выдает 700 Вт на нагрузке 50 Ом при напряжении питания 65 В. Посмотрим, как это возможно. Давайте пойдем в обратном направлении от нагрузки.

Напряжение и ток нагрузки
• Учитывая 700 Вт на нагрузку 50 Ом, напряжение нагрузки будет 187,1 В (среднеквадратичное), 264,6 В пике.
• Ток нагрузки составит 3,74 А (среднеквадратичное), 5,29 А (пиковое).

Первичное напряжение и ток T3:
Конечный выходной трансформатор представляет собой трансформатор линии передачи Guanella 1: 4 (соотношение витков 1: 2).
Таким образом, напряжение на первичной обмотке конечного трансформатора будет в два раза меньше, чем на вторичной обмотке, а ток будет вдвое больше, чем на вторичной обмотке.
• Первичное напряжение составит 93,5 В (среднеквадратичное значение), 132,3 В (пиковое значение).
• Первичный ток будет 7,48 А (среднеквадратичное значение), 10,58 А (пиковое значение).

Источник постоянного тока: у нас есть только источник постоянного тока на 65 В. Как мы получаем 132 В пиковое или 264 В пиковое значение на первичной обмотке выходного трансформатора?

Ответ заключается в том, что, как показано ранее в этой цепочке, бифилярная питающая катушка действует как трансформатор с соотношением витков 1: 2 или соотношением импедансов 1: 4. Он удваивает напряжение источника постоянного тока 65 вольт, что приводит к пику 130+ вольт на первичной обмотке выходного трансформатора.

Вкратце, на пике цикла проводимости Q1 на полной мощности Q1 вызывает полное напряжение 65 В на одной обмотке бифилярной катушки. Это дает еще 65 вольт на другой катушке. Последний трансформатор видит напряжение на двух последовательно соединенных катушках или в два раза больше напряжения на отдельных катушках. IE; на полной мощности бифилярной катушки удваивается независимо от напряжения источника постоянного тока (при полной нагрузке).

Если бы бифилярная питающая катушка не удваивала напряжение питания постоянного тока, пиковое напряжение на первичной обмотке конечного трансформатора было бы 1/2 от первоначального, а выходная мощность была бы 1/4 от номинальной.

Взаимосвязь между напряжением источника постоянного тока и сопротивлением цепи.


Таким образом, очевидно, что в примечаниях к применению, в которых используется приведенная выше формула, предполагается, что пиковое напряжение на первичной обмотке конечного трансформатора будет тем или иным образом в два раза превышать напряжение питания постоянного тока. При использовании бифилярная катушка питания удваивает напряжение питания постоянного тока через действие трансформатора, так что пиковое напряжение на первичной обмотке конечного трансформатора будет в 2 раза больше напряжения питания постоянного тока.

Другой метод удвоения напряжения питания постоянного тока – это  “flywheel action” действие маховика или “inductive kick” индуктивный толчок, обеспечиваемый двумя отдельными большими катушками индуктивности между источником постоянного тока и коллекторами или стоками.

Почему я могу заменить Т2 двумя катушками индуктивности и получить те же результаты?

Кто-то предположил, что если вы можете заменить T2 двумя катушками индуктивности, и схема по-прежнему будет работать практически так же, то T2 не может действовать как трансформатор. Вот в этой логике изъян. Трансформатор T2 удваивает напряжение питания Vdd. Индукторы также удваивают напряжение питания.

Короче говоря, при правильном выборе двух индуктивностей стока – они обеспечивают “маховик” (Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента), очень похожий на индукторы стока или коллектора в усилителях классов C, D, E и F, и в конечном итоге они удваивают напряжение на первичной обмотке конечного трансформатора. так же, как бифилярная катушка Т2.

Если вы посмотрите анализ несимметричного усилителя класса B, вы увидите, что при правильной настройке выходное напряжение от пика до пика будет в два раза больше напряжения питания постоянного тока из-за маховикового действия катушки индуктивности стока. В линейных усилителях класса B или AB выходы двух несимметричных усилителей класса B подключены к первичной обмотке конечного трансформатора, поэтому размах напряжения на первичной обмотке конечного трансформатора в четыре раза превышает напряжение питания постоянного тока, как и в случае с бифилярной катушкой питания.

Двухтактные схемы класса B или AB по существу объединяют два несимметричных усилителя, сдвинутых по фазе на 180 градусов.

Прямое сравнение с использованием коллекторных дросселей и бифилярной питающей катушки с идентичными результатами
В обоих случаях размах напряжения на первичной обмотке конечного трансформатора составляет 4 x Vcc.
В одном случае напряжение питания постоянного тока удваивается за счет маховика коллекторных дросселей.
В другом случае напряжение питания постоянного тока удваивается бифилярной катушкой питания.


Пример: W6PQL 1 кВт SSPA для 1,8-54 МГц – использование бифилярной катушки и запорных дросселей
http://www.w6pql.com/1_kw_sspa_for_1_8-54_mhz.htm
Это реальный пример замены бифилярного трансформатора на дросселя.
Ниже показаны схемы стока для линейного усилителя W6PQL мощностью 1 кВт до и после замены бифилярной питающей катушки на дроссели стока по различным техническим причинам. Обратите внимание, что это было единственное изменение, внесенное в выходную часть усилителя.

В обоих случаях выходная мощность составляет около 1000 Вт при нагрузке 50 Ом с использованием источника постоянного тока 50 Вольт. См. URL-адрес выше для получения полной схемы и подробностей.
T3 и T4 – это трансформаторы Ruthroff 1: 4, изготовленные с использованием коаксиального кабеля.
Т3 и Т4 подключены к цепи стока и выходному балуну таким образом, что они образуют трансформатор с импедансом 1: 9 (соотношение витков 1: 3).

Расчет мощности, напряжения и тока одинаков для обоих случаев.
В обоих случаях для получения 1 кВт нам нужно около 100 вольт пикового напряжения на входе трансформатора T3 / T4, но у нас есть только 50 вольт постоянного тока.
В одном случае бифилярная катушка удваивает напряжение питания постоянного тока за счет действия трансформатора. В другом случае напряжение питания постоянного тока удваивается за счет эффекта маховика индуктивных дросселей на стоках.


Выводы:

Т2 явно действует как трансформатор. Транзистор вызывает появление сигнального напряжения на одной катушке трансформатора. T2 вызывает появление копии этого напряжения на другой катушке T2. Сумма этих двух сигнальных напряжений появляется на первичной обмотке конечного трансформатора.
Такое действие трансформатора позволяет пиковому напряжению на конечном трансформаторе в два раза превышать напряжение источника постоянного тока. Если бы T2 не выполнял эту функцию, напряжение на выходном трансформаторе было бы половиной желаемого значения, а выходная мощность была бы четвертью желаемого значения.
При замене T2 на два дросселя питания стока или коллектора правильного размера использует индуктивное реактивное сопротивление по принципу «маховика» или «индуктивного толчка», чтобы по существу удвоить напряжение сигнала, в результате чего пиковое напряжение на первичной обмотке T3 в два раза превышает напряжение питания постоянного тока, как в случае использования бифилярного трансформатора.
Было предоставлено несколько рабочих примеров, показывающих, что тех же результатов можно достичь, используя бифилярный трансформатор или дроссели правильного размера.
Рабочие примеры показывают, что для получения заявленной выходной мощности как использование дросселей стока, так и использование бифилярной катушки должны иметь возможность вызывать на первичной обмотке конечного трансформатора пиковое напряжение, вдвое превышающее напряжение питания постоянного тока.

BY KD2NCU from QRZ dot com

На фото парные катушки индуктивности рабочего усилителя на ART1K6FH (BLF188XR) по схеме W6PQL с доработками по питания и BIAS от UT3UJN

Posted on Leave a comment

Bifilar Coil vs Drain Chokes / 1kw LDMOS amp

Some follow up calculations demonstrating the transformer action of the bifilar feed coil.  

Below is some analysis demonstrating that the bifilar coil is acting as an impedance transformer in addition to its other functions. Also below is the answer to the question, “How can it possibly be acting as a transformer if I can replace it with two separate drain/collector chokes and the circuit still functions properly?”

First some voltage/current/power calculations to demonstrate its function as an impedance transformer.
Below is a circuit from an application note “Microsemi Application Note 1819: A 700W Broadband Amplifier Using VRF2944”. This amplifier produces 700 Watts across a 50 ohm load using a 65 volt supply. Let’s see how this is possible. Let’s work backwards from the load. 

upload_2017-11-25_19-43-9.png

Load Voltage & Current
•Given 700 Watts into a 50 ohm load, the Load Voltage will be 187.1 Volts RMS, 264.6 Volts Peak.
•The Load Current will be 3.74 Amps RMS, 5.29 Amps Peak. 

T3 Primary Voltage & Current:
The final output transformer is a 1:4 Guanella Transmission Line Transformer (1:2 turns ratio)  
So the voltage at the primary of the final transformer will be ½ that of the secondary and the current will be double that of the secondary.
•Primary voltage will be 93.5 Volts RMS, 132.3 Volts Peak
•Primary current will be 7.48 Amps RMS, 10.58 Amps Peak

DC Supply:  We only have a 65 volt DC supply. How are we getting 132 Volts Peak or 264 volts peak to peak across the primary of the output transformer? The answer is, as shown earlier in this thread, the bifilar feed coil is acting as a transformer with a 1:2 turns ratio or 1:4 impedance ratio. It is doubling the DC source voltage of 65 volts resulting in the 130+ volts peak across the output transformer primary winding.

As a quick review, at the peak of Q1’s conduction cycle at full power, Q1 causes the full 65 volt supply to appear across one winding of the bifilar coil. This produces another 65 volts across the other coil. The final transformer sees the voltage across the two coils in series or twice the voltage across the individual coils. IE; at full power, the bifilar coil is doubling whatever the DC source voltage is (at full load).

If the bifilar feed coil were not doubling the DC supply voltage, the peak voltage across the final transformer primary winding would be ½ of what it is and the output power would be 1/4th of what it is.

Relationship Between DC Source Voltage, and Circuit Impedance.
upload_2017-11-25_19-46-4.png
So clearly, the application notes that use the formula above are assuming that the peak voltage across the final transformer primary winding will be twice the DC supply voltage by one means or another. When used, the bifilar feed coil is doubling the DC supply voltage via transformer action so that the peak voltage across the final transformer primary will be 2 x the DC supply voltage. 

Another method of doubling the DC supply voltage is through the flywheel action or inductive kick provided by two separate large inductors between the DC supply and the collectors or drains. 

Why can I replace T2 with two inductors and still get the same results?

One person reasoned that if you can replace T2 with two inductors and the circuit still works essentially the same, then T2 cannot be acting as a transformer. Here’s the flaw in that logic. The transformer action of T2 is doubling the supply voltage Vdd. The inductors also double the supply voltage.

In a nutshell, if selected correctly, the two drain inductors provide a flywheel action very similar to the drain or collector inductors in Class C, D, E, and F amplifiers and they end up doubling the voltage across the primary of the final transformer the same way the T2 bifilar coil does.

If you look up analysis of a single ended class B amplifier you will see that if properly set up the peak to peak output voltage will be twice the DC supply voltage because of the flywheel action of the drain inductor. In a class B or AB linear amp, the outputs of the two single ended Class B amps are connected across the primary of the final transformer so the peak to peak voltage across the final transformer primary is four times the DC supply voltage as is the case with the bifilar feed coil.

The class B or AB push pull circuits essentially bring together two single ended amplifiers 180 degrees out of phase.

upload_2017-11-25_19-50-36.png
upload_2017-11-25_19-53-34.png

Direct Comparison Using Collector Chokes and Bifilar Feed Coil With Identical Results
In both cases, the peak to peak voltage on the primary of the final transformer is 4 x Vcc.
In one case the DC supply voltage is doubled by the flywheel action of the collector chokes. 
In the other case, the DC supply voltage is doubled by the bifilar feed coil.  

upload_2017-11-25_19-55-40.png

Example: W6PQL 1 KW SSPA for 1.8-54 MHz – Using Bifilar Coil and Using Drain Chokes
http://www.w6pql.com/1_kw_sspa_for_1_8-54_mhz.htm
This is an actual example of replacing a Bifilar Feed Coil with drain chokes.
Shown below are the drain circuits for W6PQL’s 1 KW linear amplifier before and after replacing the bifilar feed coil with drain chokes for various technical reasons. Notice that this was the only change made to the output portion of the amplifier. 

In both cases, the power output is about 1000 Watts into a 50 ohm load using a 50 Volt DC supply. See the URL above for full schematic and details.
T3 and T4 are both Ruthroff 1:4 transformers made using coax cable.
T3 and T4 are connected to the drain circuit and the output balun such that they form a 1:9 impedance transformer (1:3 turns ratio).

The power, voltage, and current calculations are the same for both cases.
In both cases, to obtain 1 KW, we need about 100 volts peak at the input to the T3/T4 transformer but we only have 50 volts DC available.
In one case, the bifilar coil doubles the DC supply voltage via transformer action. In the other case, the DC supply voltage is doubled via the flywheel effect of the inductive chokes on the drains.

upload_2017-11-25_19-58-7.png

Conclusions:

  1. T2 is clearly acting as a transformer. The transistor causes a signal voltage to appear across one coil of the transformer. T2 causes a replica of this voltage to appear across the other coil of T2. The sum of these two signal voltages appears across the primary winding of the final transformer.
  2. This transformer action allows the peak voltage across the final transformer to be twice that of the DC supply. If T2 were not providing this function, the voltage across the output transformer would be one half of the desired value and the power output would be one fourth of the desired value.
  3. Replacing T2 with two correctly sized drain or collector inductors employs inductive reactance as a “flywheel” or “inductive kick” principle to essentially double the signal voltage resulting in the peak voltage across T3 primary being twice the DC supply voltage as in the case of using a bifilar coil. 
  4. Several working examples have been provided showing that the same results can be achieved using a bifilar coil or correctly sized drain chokes. 
  5. The worked examples show that to obtain the stated output power, both the use of drain chokes and the use of the bifilar coil have to have the ability to cause the final transformer primary winding to see a peak voltage of twice the DC supply voltage.

BY KD2NCU from QRZ dot com