Experiment Leitungsübertrager
Teil 3
Als Versuchsobjekt dient die von eb104 als Bausatz bezogene 300W–Endstufe.
Die Ausführung des Ausgangsübertragers war ursprünglich als Wicklungsübertrager 1:4 mit einem Doppllochkern in üblicher Röhrchenbauweise ausgeführt. Bei einem nachbestellten gleichen Bausatz wurde der Übertrager durch nach dem Leitungsprinzip 1:4 vorgeschlagen. Da ich als Hf-Leie mir mit der Bewicklung damals funktionsmäßig schwer tat, entschloss ich mich das ursprüngliche Wickel-Prinzip beizubehalten, jedoch als Ausführung mit 2 Doppellochkernen. Weitere Informationen siehe weiter unten.
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Versuchsausführung:
Die Versuche finden im Endstufe-Aufbau zu meiner zweiten SDR – Kombination, als Grundschaltung zur Ansteuerung dient der Red Pitaya . Die Endstufe basierend auf der ursprünglichen 100W Ausführung, einschließlich einer 10W-Vorstufe von DJ0ABR. Zwischenzeitlich wurde die eigentliche 100W-Stufe durch die 300W-Bausatz-Endstufe von Victor ersetzt. Für die Versuche wurde die sonst feste Verlötung des Ausgangsübertragers mit der Trägerplatine durch eine Steckverbindung ersetzt, so dass die Versuchsobjekte leicht ausgetauscht werden können. In Bild 02 ist die Anbringung zusätzlicher Klemmhülsen für den Übertragerwechsel sichtbar.
Die Ansteuerung wird über die SDR-Bedienung (PowerSDR) so vorgenommen, dass die Ausgangsleistung zumindest im 160m-Band 200W (283 Vss an Ra=50 Ohm) beträgt. Gemessen wird mittels Oszilloskop hinter dem LPF in Richtung Dummy.
Schrittweise wird je Übertrager für jedes Band mit der gleichen Leistugseinstellung (TUN – Drive) ein Träger erzeugt. Die gemessenen Scheitel-Scheitel- Spannungswerte sind zu jeder Versuchsreihe in Abb. 01 graphisch aufgezeichnet.
Das Bild 01 zeigt die für die Versuche angefertigten 3 Übertragerelemente.
A. Wicklungsübertrager 1 : 4
Als Ferritkerne kommen die Type Amidon 43-7051 zur Anwendung.
Die beiden Doppelloch-Kerne sind hochkant und seitwärts angeordnet. Sowohl die primäre Röhrchenanordnung als auch die Sekundärwicklung sind so angeordnet , dass physikalisch eine Hintereinander-Anordnung der Kerne vorliegt, und der Magnetflussverlauf sich gleichgerichtet überschneidet. Die Sekundärwicklung ist mit Teflon ummantelter Litze AWG 18 ausgeführt.
Bild 03 zeigt den aufgesteckten Übertrager. Dieser Übertrager dient zunächst als Basis für die weitere Vergleichsmessungen.
Wie die Abb. 01 zeigt, sind die PAGain-Werte (unten) so gesetzt, dass die Ausgangsleistung ziemlich onstant über alle Bänder 200 W entspricht (durchgezogene Linie oben).
Zur Funktionskontrolle wurde vor dem Einsatz jeder Übertrager in Bezug auf das Übersetzungsverhältnis und Frequenzverhalten mit dem FA-VA3 überprüft. Bild 04 zeigt für den vorliegenden Fall die Messanordnung. Der Ausgangswiderstand wurde hierbei für das günstigste SWR mit Ra= 210 Ohm ermittelt, der leicht über dem theoretischen Wert (200 Ohm) liegt.
In Abb. 02 ist der SWR-Verlauf über der Frequenz von 1 – 40 MHz aufgezeichnet. Die Abb. 03 zeigt den zugehörigen Wirk- und Blindwiderstand- Verlauf. Nach meiner Einschätzung ist das Frequenzverhalten über den KW-Bereich recht günstig.
Anmerkung:
Zu berücksichtigen ist die Messunsicherheit der Methode und Messmittel. Bei der Messung wird hier zunächst von Ri=50 Ohm als gerätetechnischer Kompromiss ausgegangen. In der Anwendung mit dem MOSFET SD2933 kann man von schätzungsweise Zout = 3 +j2,3 Ohm bei 30 MHz ausgehen, der dann in Richtung 50 Ohm hoch transformiert werden soll. Eine gezielte Blindanteil- Kompensation findet auch nicht statt.
B. Leitungsübertrager 1 : 4
Bild 05 zeigt den Versuchsaufbau.
Der Übertrager ist in Anlehnung an den Vorschlag von eb104-Victor und dessen im Bausatz mitgelieferten Ferrithülsen aufgebaut. Als Leiter ist RG316-25 Ohm verwendet. Der Wellenwiderstand dieser Leitung erfüllt die Bedingung RL=(12,5 x 50)1/2 entsprechend dem geforderten Ra=50 Ohm.
D er weitere Aufbau entspricht eingangsseitig der Parallel- und ausgangsseitig der Reihenschaltung der beiden Leitungszweige ( siehe Teil 1 , Skizze 3 ) .
Die dem Einsatzfall in der Endstufe vorausgegangene externe Überprüfung mit dem FA-VA3 ergab ein Ri/Ra = 50 / 220 Ohm–Verhältnis. Das Ergebnis fällt in der Erwartungsbereich, wenn man Messfehler vernachlässigt.
In Abb. 04 ist wieder der SWR-Verlauf über der Frequenz von 1 – 40 MHz aufgezeichnet. Die Abb. 05 zeigt den zugehörigen Wirk- und Blindwiderstand- Verlauf. Das Frequenzverhalten über den KW-Bereich erscheint mir nicht gerade günstig. Ich vermute zumindest im Bereich um 4,5 MHz eine Resonanzstelle. Zu berücksichtigen bei dieser externen Messanwendung ist, beim aufwärtstransformieren von theoretisch Ri=50 auf Ra=450 Ohm der unpassende Wellenwiderstand der Leitung. Die Steckverbindung mit ihren zusätzlichen parasitären Blindanteilen wirken sich auch nachteilig aus.
In Abb. 01 ist der zugehörige Spannungs- bzw. Leistungsverlauf (gestrichelt), im Vergleich zum Wicklungsübertrager 1:4 mit relativ großen Abweichungen zum gewünschten Sollwert behaftet. D.h. um auf den gleiche Leistungsverlauf zu kommen, wäre eine entsprechende Anpassung der PA-Settings über den gesamten KW-Bandbereich notwendig.
C. Leitungsübertrager 1 : 9
Bild 06 zeigt den Versuchsaufbau.
Der Aufbau entspricht wieder der eingangsseitigen Parallelschaltung. Der Ausgang ist entsprechend der Darstellung in Skizze 5 in Teil 1 ausgeführt. Die Ferrithülsen bestehen aus dem Material 43. Als Leitung ist das Koaxkabel SM 141-17 FEP verarbeitet. Für jeden Kabelzweig wurden 2 Ferrithülsen verwendet, da das biegesteife Kabel sonst nicht verwendbar ist (Biegeradius).
Die vorausgegangene externe Überprüfung mit dem FA-VA3 ergab ein Ri/Ra = 50 / 480 Ohm–Verhältnis. Auch dieses Ergebnis fällt in der Erwartungsbereich.
In Abb. 06 ist wieder der SWR-Verlauf über der Frequenz von 1 – 40 MHz aufgezeichnet. Die Abb. 07 zeigt den zugehörigen Wirk- und Blindwiderstand- Verlauf. Das gemessene Frequenzverhalten erscheint hier noch üngünstiger wie im vorausgegangenen Fall. Diese Feststellung war der Grund für die unten unter Punkt E durchgeführten Rückwärtsmessungen.
In Abb. 01 ist der zugehörige Spannungs- bzw. Leistungsverlauf (strich-punktiert)), im Vergleich zum Wicklungsübertrager 1:4 ebenfalls mit relativ großen Abweichungen und prinzipiell stetiger Absenkung zu den höheren Bändern hin ersichtlich.
D. Wicklungsübertrager 1 : 9
Dieser Versuch ist aus Neugierde, wie sich das Wicklungsprinzip bei höheren Übersetzungen verhält, entstanden.
Bild 03 zeigt wieder den Versuchsaufbau ähnlich dem Beispiel oben unter Abschnitt A.
Die Primärwindungszahl ist von 2 auf 3 Windungen erhöht.
Die Voruntersuchungen zeigen in Abb. 08 und Abb. 09 ähnlich der obigen 1:4 Ausführung ein recht günstiges Frequenzverhalten. Auch das Verhältnis Ri/Ra= 50 / 470 Ohm ist erwartungsgemäß.
Der Spannugsverlauf in Abb. 01 verhält sich annähernd linear abfallend mit steigender Frequenz.
E. Messungen rückwärts
Die unter Abschnitt B und C ermittelten unbefriedigende Voruntersuchungen in Aufwätstransformation mittels FA-VA3 haben mich veranlasst, die Messungen rückwärts, also in Richtung Abwärtstransformation zu überprüfen. In diesen Fällen stimmt die Anpassung des Wellenwiderstandes gemäß RL= (Ri x Ra)1/2 und der Ri= 50 Ohm vom FA-VA3 liegt dann am Schaltungsausgang. Der zugehörige ermittelte Wert zu Ra= 8 Ohm liegt in der Messtoleranz.
Das Versuchsergebnis zum Leitungsübertrager 1: 9 ( oben schwierigster Fall) , hier betrieben als 9:1 - Übertrager, sind in den Abb. 10 bis 13 dargestellt. Im unteren Frequenzbereich bis 10 MHz liegen die Werte, für mich betrachtet, im gut annehmbaren Bereich. Im oberen Bereich ist eine ausgeprägte Resonanzstelle, ersichtlich in Abb. 11 und in Abb. 12 durch den Nulldurchgang der Phase bzw. verschwinden des Blindanteils.
Die Rückwärtsmessung mit dem Leitungsübertragunger 1:4 soll zur Vollständigkeit in den Abb. 14 und 15 ebenfalls gezeigt sein.
Der gemessene Wert für Ra= 13 Ohm liegt im richtigen Bereich. Durch die Verschiebung der Resonanzstelle in Richtung 33 MHz zeigen die übrigen Werte einen gutes Ergebnis (Abb. 14 und 15).
Die besseren Werte in den Rückwärtsmessungen zeigen wie ausschlaggebend die richtige Anpassung des Wellenwiderstandes der verwendeten Leitungen ist. Zu berücksichtigen ist bei den ganzen Betrachtungen das die Teile losgelöst von der übrigen Schaltung durchgeführt wurden. Einflüsse wie die Transistoreigenschaften und Kompensationselemente verändern die Eigenschaften der Schaltungen zusätzlich.
Nochmals zurück zur Abb. 01:
Aus dem Verlauf der Spannungskurven schließe ich, dass beide 1:9 – Übertrager, durch die abfallenden Charakteristik zum Leistung-Verlauf, für diese PA-Schaltung mit den Transistoren SD2933 nicht vorteilhaft sind, was mich ursprünglich interessierte, und Grund für die Versuche auslöste.
Als Zugabe :
06.10.2017 DK1KK
Anhang:
Dieses Experimente mit Messungen wurden zeitlich vor den obigen Übertrager-Betrachtungen durchgeführt. Es ging um die Umstellung der 300W - Victor–Platine von Wickeltransformator 1:4 ( Bild 01 links) auf den Leitungsübertrager 1:4 ( Bild 01 rechts) ,wie oben schon angedeutet. Wie Bild 01 zeigt ist der Übertrager noch mit der Hauptplatine fest verlötet.
Abb. 00 zeigt die Schaltung mit den entsprechenden Messpunkten ( ). In der rechten Ansicht ist zum Vergleich nochmals die frühere Schaltung mit den Wicklungsübertrager dargestellt.
Alle folgenden Messungen und Abbildungen beziehen sich auf den Leitungsübertrager.
In Abb. 06 ist auf die Spannungsüberhöhung infolge der Induktivitäten bzw. deren Selbstinduktionswirkung hingewiesen. Wesentliche Unterschiede oder Verbesserungen wurden zunächst nicht festgestellt. Diese Messungen waren der ausschlaggebende Grund für die näheren Untersuchungen wie oben beschrieben.
Versuchsbedingungen:
SDR - System angesteuert über RedPitaya, Vorstufe - Leistung ungef. 3 W.
Ausgangsleitung P= 200 W bei Frequenz f= 3,700 MHz.
12.10.2017 DK1KK