IRF510 amp gesimuleerd

Naast QRP is er natuurlijk ook nog QRO.
Bericht
Auteur
pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

IRF510 amp gesimuleerd

#1 Bericht door pa0phh »

Voor mijn zelfbouw tranceiver heb ik een kleine 10Watt versterker gemaakt met de bekende IRF510, tevens leek me dit een leuk project om meer kennis te krijgen wat nu eigenlijk de lineariteit bepaald van een mosfet eindrap. Want het eerste resultaat gaf een hoop output maar ook veel harmonischen. Ook na veel experimenteren kon ik niet veel verbetering realiseren. Volgens QRP labs zou je toch -30db moeten kunnen halen op de 3e harmonische.
IMG_20201107_105306.jpg
Om gemakkelijker te bepalen waar de non-lineariteit nu vandaan komt, maar het geheel in kicad/pspice gezet en met de verschillende variabelen aan het experimenteren gegaan.
schema.png
output.png
En het lukt om de output met hoge 3e harmonische te simuleren. Zover ik nu heb ontdekt zijn een paar variabelen van belang 1) de leakage inductie van de output transformator. (die heeft veel invloed als je geen voedings trafo gebruikt maar twee losse rfc's) en de koppelfactor van de voedingtransformator T3.

Ik ben benieuwd of meer mensen dit hebben opgemerkt, nu nog kijken of ik de koppelfactor in de praktijk kan meten en eventueel verbeteren.
(Ik heb de pspice files toegevoegd)
irf510.zip
(6.33 KiB) 194 keer gedownload

Gebruikersavatar
PA3DJS
Berichten: 2494
Lid geworden op: 04 mei 2014, 16:41
Roepletters: PA3DJS
Locatie: Maarssen
Contacteer:

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#2 Bericht door PA3DJS »

Ja, de koppelfactor kun je meten:

Wat je nodig hebt is de primaire inductie bij open secundaire wikkeling en de primaire inductie bij kortgesloten secundaire wikkeling. Je mag sec en prim ook omwisselen als dat tot makkelijker te meten zelfinducties leidt.

Er geldt:

Lshort/Lopen = 1 - k^2

k is de de "coupling coefficient" die je bijvoorbeeld in een spice pakket kunt gebruiken bij inductor coupling. Bij twee gekoppelde spoelen heb je één coupling coefficient, bij 3 gekoppelde spoelen (bijvoorbeeld transformator met middenaftakking) heb je 3 coupling coeffcienten nodig om de transformator te kunnen simuleren.

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#3 Bericht door pa0phh »

PA3DJS schreef:Ja, de koppelfactor kun je meten:

Wat je nodig hebt is de primaire inductie bij open secundaire wikkeling en de primaire inductie bij kortgesloten secundaire wikkeling. Je mag sec en prim ook omwisselen als dat tot makkelijker te meten zelfinducties leidt.

Er geldt:

Lshort/Lopen = 1 - k^2

k is de de "coupling coefficient" die je bijvoorbeeld in een spice pakket kunt gebruiken bij inductor coupling. Bij twee gekoppelde spoelen heb je één coupling coefficient, bij 3 gekoppelde spoelen (bijvoorbeeld transformator met middenaftakking) heb je 3 coupling coeffcienten nodig om de transformator te kunnen simuleren.
Ja eens proberen, ik dacht dat je met kortgesloten secundaire winding juist de leakage inductie kan meten, maar dat zal een andere formule zijn. Het zou interesant zijn om een aantal trafo's te maken met bekende koppelings factor en dan te kijken of het overeen komt met de simulatie. De inductie van T3 is van minder belang in de simulatie, ik kon die behoorlijk reduceren.

Gebruikersavatar
PA3DJS
Berichten: 2494
Lid geworden op: 04 mei 2014, 16:41
Roepletters: PA3DJS
Locatie: Maarssen
Contacteer:

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#4 Bericht door PA3DJS »

pa0phh schreef:
PA3DJS schreef:Ja, de koppelfactor kun je meten:

Wat je nodig hebt is de primaire inductie bij open secundaire wikkeling en de primaire inductie bij kortgesloten secundaire wikkeling. Je mag sec en prim ook omwisselen als dat tot makkelijker te meten zelfinducties leidt.

Er geldt:

Lshort/Lopen = 1 - k^2

k is de de "coupling coefficient" die je bijvoorbeeld in een spice pakket kunt gebruiken bij inductor coupling. Bij twee gekoppelde spoelen heb je één coupling coefficient, bij 3 gekoppelde spoelen (bijvoorbeeld transformator met middenaftakking) heb je 3 coupling coeffcienten nodig om de transformator te kunnen simuleren.
Ja eens proberen, ik dacht dat je met kortgesloten secundaire winding juist de leakage inductie kan meten, maar dat zal een andere formule zijn. Het zou interesant zijn om een aantal trafo's te maken met bekende koppelings factor en dan te kijken of het overeen komt met de simulatie. De inductie van T3 is van minder belang in de simulatie, ik kon die behoorlijk reduceren.
Ja, dat klopt, de zelfinductie bij kortgesloten secundaire wikkeling is de primair gemeten lekinductie. In (LT)SPICE heb je een coupling coefficient nodig (k) om de koppeling tussen twee (of meer) spoelen te modelleren.

Je kunt je model vervolgens "testen" door de lekinductie te simuleren.

Je kunt ook een transformatormodel opzetten aan de hand van een ideale transformator, met daar omheen diverse inducties. Maar als je eenmaal weet hoe je de k tussen twee spoelen in je spice modelleert, heb je snel je trafo gemodelleerd. Je meet Lopen.prim, Lshort.prim, en Lopen.sec en je rekent k even uit en je hebt de drie gegevens voor een transformator met twee wikkelingen. je kunt eventueel nog AC weerstanden toevoegen.

Gebruikersavatar
PA3FQS
Berichten: 135
Lid geworden op: 14 aug 2010, 10:59

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#5 Bericht door PA3FQS »

Ik heb ooit ergens gelezen dat bij mosfets zoals de irf510 de afzonderlijke exemplaren altijd van elkaar verschillen.
Dus moet je ze elk apart instellen qua bias.
In het schema zie ik alleen vaste weerstanden.
Misschien is het een idee om hier iets mee te doen voor het gewenste resultaat.

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#6 Bericht door pa0phh »

PA3FQS schreef:Ik heb ooit ergens gelezen dat bij mosfets zoals de irf510 de afzonderlijke exemplaren altijd van elkaar verschillen.
Dus moet je ze elk apart instellen qua bias.
In het schema zie ik alleen vaste weerstanden.
Misschien is het een idee om hier iets mee te doen voor het gewenste resultaat.

Dat zou kunnen, ik zat eerst te denken dat je zelfs de mosfets moet selecteren, echter in de simulatie zijn ze natuurlijk identiek. Immers beide fets gebruiken hetzelfde model. In de praktijk is dat anders. Dat was ook beetje de reden om te simuleren. Kan ik dezelfde output vervorming krijgen als in de praktijk?
Zie de scoope screenshot (dit is een andere eindtrap, maar dezelfde soort vervorming). Door te simuleren heb ik verschillen in de fets geelimineerd.
DS0053.PNG

Gebruikersavatar
PA0FRI
Berichten: 2377
Lid geworden op: 19 nov 2007, 02:48
Roepletters: PA0FRI
Locatie: Etten-Leur
Contacteer:

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#7 Bericht door PA0FRI »

Als je toch bezig bent, kijk dan eens hoe het signaal eruit ziet op beide gates.
http://pa0fri.home.xs4all.nl/ met ongeveer 200 praktische onderwerpen voor radiozendamateurs
De eerste stappen zijn theorie en simulatie, maar in de praktijk blijkt pas of het klopt.

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#8 Bericht door pa0phh »

PA0FRI schreef:Als je toch bezig bent, kijk dan eens hoe het signaal eruit ziet op beide gates.
Bij deze de gates en drains (uit de simulatie), zal later ook nog in de praktijk meten.
Koppelfactor T3 0.6
Gates
Gates
Drains
Drains

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#9 Bericht door pa0phh »

Nogmaals maar nu met een koppelfactor van 0.99
Gates
Gates
Drains
Drains
Output
Output

Gebruikersavatar
PA3DJS
Berichten: 2494
Lid geworden op: 04 mei 2014, 16:41
Roepletters: PA3DJS
Locatie: Maarssen
Contacteer:

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#10 Bericht door PA3DJS »

Transformatoren zijn best lastige componenten en velen blijven er het liefste ver bij vandaan (ook van spoelen). Helaas (of juist leuk) ontkom je er vaak niet aan.

Uit deze simulaties blijkt maar weer wat de invloed van je transformator is op het (eind)resultaat. Vandaag QRL-matig ook nog de nodige tijd aan een transformator besteed, en voor de hobby een paar dagen terug ook nog een dikke halve dag.

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#11 Bericht door pa0phh »

PA3DJS schreef:Transformatoren zijn best lastige componenten en velen blijven er het liefste ver bij vandaan (ook van spoelen). Helaas (of juist leuk) ontkom je er vaak niet aan.

Uit deze simulaties blijkt maar weer wat de invloed van je transformator is op het (eind)resultaat. Vandaag QRL-matig ook nog de nodige tijd aan een transformator besteed, en voor de hobby een paar dagen terug ook nog een dikke halve dag.
Inderdaad, in de simulatie varieer ik nu twee variabelen. De koppelfactor van T3, en de leakage inductie van T1 (output transformator) in het schema als een inductie in serie met T1 geplaatst. In het begin gebruikte ik twee smoorspoelen inplaats van een transformator (T3), een aantal amateurs gaven aan dat dat beter zou zijn. Maar het gebruik van T3 in de simulatie geeft een beter resultaat. Ik dacht dat dat ook de reden van PA0FRI was om een ferrietstaaf transformator als voedings transformator te gebruiken. Je zou eigenlijk ook nog het verschil tussen het core materiaal willen simuleren zoals materiaal 61, 43 etc. Maar dat zal wel lastig worden.

Het simuleren kost wat tijd om voorelkaar te krijgen maar geeft wel veel inzicht, de laatste keer dat ik electronica simuleerde was eind jaren tachtig met TUTSIM op een mainframe. Gaat tegenwoordig gelukkig een stuk gemakkelijker op je PC.

Gebruikersavatar
PA0FRI
Berichten: 2377
Lid geworden op: 19 nov 2007, 02:48
Roepletters: PA0FRI
Locatie: Etten-Leur
Contacteer:

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#12 Bericht door PA0FRI »

[quote="pa0phh"]Ik dacht dat dat ook de reden van PA0FRI was om een ferrietstaaf transformator als voedings transformator te gebruiken. Je zou eigenlijk ook nog het verschil tussen het core materiaal willen simuleren zoals materiaal 61, 43 etc. Maar dat zal wel lastig worden.[quote"]
Vaak is ook de impedantie van T3 onnodig groot. Voldoende is ongeveer vijf maal de impedantie van de drains op de laagste frequentie.
T1 als autotrafo blijkt een van de betere methodes te zijn. Een DL amateur is daar inmiddels ook voorstander van zag ik op het Internet.
Bijlagen
Auto trafo.gif
Auto trafo.gif (1.94 KiB) 8138 keer bekeken
http://pa0fri.home.xs4all.nl/ met ongeveer 200 praktische onderwerpen voor radiozendamateurs
De eerste stappen zijn theorie en simulatie, maar in de praktijk blijkt pas of het klopt.

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#13 Bericht door pa0phh »

PA0FRI schreef: Vaak is ook de impedantie van T3 onnodig groot. Voldoende is ongeveer vijf maal de impedantie van de drains op de laagste frequentie.
T1 als autotrafo blijkt een van de betere methodes te zijn. Een DL amateur is daar inmiddels ook voorstander van zag ik op het Internet.
Ik heb niet de s parameters van een IRF510, maar een RD16HFF heeft een output impedantie van 2.99-j3.66, dat zou betekenen dat T3 rond de 5x 4 tot 5 ohm moet zijn. Zeg rond 25 ohm -> 2,2 uH. Dat is laag. Had ik nog niet aan gedacht.
Ik neem aan dat de leakage inductie in relatie staat met de totale inductie van de transformator, dus door de inductie van T3 zo laag mogelijk te houden verlaag je ook de leakage inductie. Ik had de leakage inductie nog niet in de simulatie opgenomen, maar als je die toevoegd zie je dat die voor T3 ook veel invloed heeft (heb 0.3 uH gemaakt in de simulatie).
Schema
Schema
Output
Output

pa0phh
Berichten: 67
Lid geworden op: 05 okt 2020, 09:53
Roepletters: PA0PHH
Locatie: Lelystad

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#14 Bericht door pa0phh »

PA0FRI schreef: T1 als autotrafo blijkt een van de betere methodes te zijn. Een DL amateur is daar inmiddels ook voorstander van zag ik op het Internet.
Zal ik ook een proberen interresant, kan je de link delen van de DL?

Gebruikersavatar
PA3DJS
Berichten: 2494
Lid geworden op: 04 mei 2014, 16:41
Roepletters: PA3DJS
Locatie: Maarssen
Contacteer:

Re: IRF510 amp gesimuleerd

#15 Bericht door PA3DJS »

Het materiaal is best een lastige om goed mee te nemen, vooral als parasitaire capaciteit niet meer verwaarloosbaar gaat zijn. Bovendien is de effectieve permeabiliteit afhankelijk van de piekflux in het materiaal. In zo'n versterker is alles behoorlijk laagohmig, en zullen de parasitaire effecten meevallen.

Door te meten aan de transformator, neem je de materiaaleigenschappen al mee.

Het materiaal heeft het meeste effect op de onbelaste inducties, maar er komt, zeker bij mat 43, ook een weerstandscomponent bij. Mits dezelfde kerngeometrie en hetzelfde gewikkeld, heeft het materiaal weinig invloed op de lekinductie. De lekinductie wordt voornamelijk bepaald door het veld dat juist niet door het ferriet gaat maar tussen de prim en sec wikkeling door glipt.

Het minste last van capacitieve effecten heb je als je de inductie meet aan de laagohmigste kant, waarbij je nog niet de hoogohmigste wikkeling hebt aangebracht. Even vergeten te vermelden, dat je de inductie wel moet halen uit het parallelvervangingschema (dus op basis van een Lpar en Rpar, dus niet Lser en Rser).

Vervolgens meet je de kortsluitinductie (als de sec wikkeling er zit), en daaruit bereken je de koppelfactor (k). De secundaire inductie kun je dan berekenen via
Lsec = Lprim.par*N2.

Je kunt het model verfijnen door op basis van meting aan prim en sec zijde nog extra verliesweerstand aan te brengen, en eventueel capaciteit tussen de wikkelingen. Ik vermoed dat die laatste bij een 10W eindtrap op 12V weinig invloed gaat hebben.

Even over het effect van parasitaire capaciteit:
Stel dat door de capaciteit de transformator precies in parallelresonantie zou komen, meet je theoretisch een oneindige inductie parallel aan een weerstand. Dan zie je dat het modelleren op basis van alleen Lp, Lsec en kortsluitinducties niet meer gaat lukken.

Wat simuleren betreft:
Ik ben ook begonnen met text input en text output (spice draaiend op een PDP 11 uit mijn hoofd met primos besturingsysteem). Nee foutje, het draaide op een Prime 750...

Plaats reactie