Amplificador de Potencia – 3º Parte

Ultima entrega sobre el diseño del amplificador de potencia, ya tenemos diseñado las etapas necesarias para la amplificación que elegimos, entrando con 1mW y saliendo con 2W…. 3000 veces más grande. Seleccionamos los transistores a utilizar y diseñamos los circuitos para realizar la polarización de cada uno.

Este último paso es muy importante ya que si no lo tenemos en cuenta o lo hacemos mal nos tira toda la ganancia y hasta podríamos terminar haciendo un atenuador jaja :)… lo más común es que en lugar de tener un amplificador obtenemos un oscilador y tampoco queremos eso.

Cálculo de las Redes de Adaptación

Es muy importante adaptar las impedancias de cada etapa entre sí, con la carga y con el generador, para poder tener máxima transferencia de potencia y viéndolo desde el lado de medios de enlace evitar tener ondas reflejadas

Adaptar significa que la impedancia de salida de una etapa tiene que ser igual a la impedancia de entrada de la etapa siguiente.

Elijo adaptar todo el amplificador a 50 ohm. Según fuimos calculando las impedancias de entrada y salida de las etapas son:

Para realizar las adaptación use la versión DEMO de Smith V2.3 (nada de andar haciendo en papel con compas y regla 😉 )

Red de Adaptación Nº 3

Zo = 50Ω
Zin = Z’out Q2 = 60 + j 45
Se elige un Q= 5

Red de Adaptación Nº 2

Zo = Z’in Q2 = 24.5 + j 11  Ω
Zin = Z’out Q = 125 + j 190 Ω
Se elige un Q= 5.

Red de Adaptación Nº 1

Zo = Z’in Q1 = 60 + j52.5  Ω
Zin = 50 Ω
Se elige un Q= 5

Terminamos! 🙂

Esquema del Amplificador de Potencia


Notas Finales

El  pcb que se diseñe para este circuito tiene que ser de 2 capas, ya que es necesario si o si tener un plano de tierra, en mi caso, puse planos de tierra en los 2 lados de la plaqueta (de fibra de vidrio) y los conecte mutuamente en muchos puntos para tener el plano de tierra lo más homogéneo posible.

A pesar que en el calculo de los circuitos de las redes de adaptación se encuentran valores fijos para los capacitores, además de ser valores muy difíciles (algunos imposibles) de conseguir el diseño de la plaqueta que realicemos no va a ser perfecto ya que no tuvimos en cuenta las capacitancias parásitas (que en alta frecuencia adquieren importancia) de, por ejemplo los resistores, además de las capacitancias debido a un ruteo de pistas no correcto. Por todo eso no se ponen valores de capacitores fijos en las redes de adaptación sino que se colocan capacitores variables.

Con un osciloscopio tenemos que ir etapa por etapa corroborando los valores de la señales entrantes y salientes y ajustar cada capacitor variable hasta alcanzar los maximos.

Les conviene usar tanto en la entrada y salida del amplificador conectores BNC (los que traen los osciloscopios), les va a ser más fácil medir el verdadero valor de potencia si disponen de una carga (antena) fantasma. Desde la salida del modulador de FM hasta el amplificador usen conectores BNC y cable coaxial, lo mismo para la salida.

Por ultimo dejar en claro que al transistor 2n3553 debemos colocarle un disipador.

PD: Les debo la foto del prototipo por que lo done je, voy a ver si lo consigo así le saco unas fotos y pueden apreciar el diseño particular de mi pcb, los planos de tierra, la forma en que están bobinadas las inductancias de choque en los VK200

Amplificador de Potencia 2W

Amplificador de Potencia – 2º Parte

Continuamos con el diseño del amplificador de VHF. En este artículo hacemos el calculo de los circuitos de polarización de las 3 etapas diseñadas previamente.

Continuamos con el diseño electrónico del amplificador de potencia de 2w trabajando en rango de frecuencia VHF. En la primera parte, del diseño del amplificador se demostró como se calculan las etapas teniendo la potencia necesaria en la salida y la potencia de entrada (que es la pot de salida del transmisor).

Se calculo un total de 3 etapas, teniendo en consideraron una atenuación de -0,5 dB en las etapas de adaptación de impedancias.

Teniendo definido las etapas, podemos dedicarnos a calcular la polarización de cada una.

Polarización de los Transistores


Polarización del 2N3553

Esta etapa se caracteriza por ser de clase “C”, en ella encontraremos un transistor de potencia capaz de disipar en el colector una potencia de hasta 3,5W con una potencia de entrada de aproximadamente 100mW.

Hay que tener cuidado con la temperatura que puede llegar a tomar el encapsulado ya que este no podrá en ningún caso superar los 125 ºC por lo que se debe colocar un disipador.

Clase C
Po = 3W
Pin = 0.1W
VCEQ= 25V
Gain (min) = 10dB
Eficiencia = 50%

Diagrama Esquemático

En el articulo anterior para realizar los cálculos del 2N3553 no se basaron en los parámetros S ya que no se cuentan con los mismos en la hoja de datos del transistor. Por lo que éste circuito es una modificación del recomendado por el fabricante en la hoja de datos que ya está adaptado a 50Ω.

Reactancia del choke de RF:

Polarización del BRF96TS

Clase “A”
Vcc = 12V
VCEQ = 5V
ICQ = 60mA
hfe = 50
Rendimiento = 50%

Diagrama Esquemático

Re2 en el diagrama es R7

Según la hoja de datos el hfe está entre 25 y 150,  asumo hfe = 50. Ahora podemos calcular Rb y con ella podemos encontrar la tensión de base Vbb y calcular las resistencias.

Polarización del BFR90

Clase “A”
Vcc = 12V
VCEQ = 5V
ICQ = 10mA
hfe = 30
Rendimiento = 50%

Diagrama Esquemático

Análisis en alterna

Vrc = 0,7 V

La red de salida será

Análisis en continua

Según la hoja de datos el hfe = 50

En el próximo y último articulo vamos a ver como se calculan las redes de adaptación para tener máxima transferencia de potencia y con eso terminamos 🙂

Amplificador de Potencia 2W

Amplificador de Potencia 2W – 100 MHz

Primera parte del diseño de un amplificador de RF para el transmisor de FM. Se puede ver los primeros pasos una vez elegida la potencia de salida y la frecuencia de trabajo; calculo de ganancia y determinación de las etapas.

En este artículo (divido en varias partes) voy a tratar el diseño de un amplificador de potencia de 2W trabajando en una frecuencia de 100 MHz en la banda de VHF, los cálculos paso a paso, determinación de los parámetros S, calculo de las redes de adaptación, etc.

El desarrollo de este amplificador llevo bastante tiempo de diseño y sobre todo muchas pruebas en el laboratorio para ir corrigiendo errores y lo esencial que consiste en sintonizar correctamente las redes de adaptación para disminuir las atenuaciones entre las distintas etapas.

Diseño de un Amplificador Potencia

Este amplificador fue diseñado para el transmisor de FM, por lo cual no es necesario una amplificación lineal, pudiéndose emplearse un amplificador clase C obteniendo una mayor eficiencia y sencillez.

Cálculo de Ganancia y Diagrama en Bloques

La ganancia es la relación entre la potencia de salida y la de entrada:

1mW es la potencia de salida ideal del transmisor de FM, como se puede ver la ganancia es muy grande como para alcanzarla en una sola etapa eficazmente, por lo cual es necesario amplificar en varias etapas, tampoco se pueden colocar muchas ya que aumenta el número de redes de adaptación, con el consiguiente problema de que cada una de estas debe cubrir un ancho de banda entre 88 – 108 MHz, es por esto que se elige dividir en 3 etapas.

3º Etapa

La tercera etapa viene a ser la última, como la potencia que queremos alcanzar es de 2W, elegimos el transistor 2N3553 que según la datasheet puede suministrar un máximo de 7 W. Los características eléctricas son:

  • Pout = 2,5W @175MHz @Vcc 28V
  • Vcc < 28v
  • f max = 500MHz
  • Gain =  >10dB Typ @175MHz
  • Efficiency > 50%

La curva de potencia salida vs entrada es:

Considerando una potencia de salida de 3W, y teniendo en cuenta una frecuencia mayor a 100 MHz se puede ver que la curva que cumple los requerimientos es la (4), la cual se da para una potencia de entrada de 100 mW. Se adopta una tensión de alimentación igual a 25V.

Donde ZL es la impedancia que “ve” el colector para la potencia de 3W.

2º Etapa

La 2da etapa es la encargada de suministrar los 100 mW a la 3ra etapa calculada previamente. Las etapas de adaptación de impedancias generan perdidas (perdida de inserción), por lo cual se considera 0,5 dB (1,12) de potencia extra.

Potencia requerida para entregar al 2N3553: PN + 0,5 dB = 100 mW x 1,12 = 112 mW.

Se elige el transistor de RF BFR96TS para ésta etapa, en su datasheet podemos encontrar una tabla de parámetros S

Con los parámetros S11 (coef de reflexión de entrada) y S22 (coef de reflexión de salida), mediante la fórmula del coeficiente de reflexion o mediante el abaco o carta de Smith (más rápido) podemos encontrar las impedancias de entrada y salida para señales debiles.

Como ya tenemos la potencia y la resistencia de salida, podemos calcular la tensión de salida, y a partir de ella la corriente de salida (Icq).

(no olvidarse que los parámetros están relacionados con 50 mA, fijamos una Vce=5 V). Teniendo la corriente del colector y habiendo determinado la tensión colector-emisor, podemos calcular la potencia del colector. Por medio de fórmula y con los parámetros S elegidos (para una frec de 100 MHz) encontramos la ganancia del transistor, tenemos ganancia y potencia de salida (Pc) podemos fácilmente calcular la potencia de entrada que debera suministrar la primera etapa.

Ya tenemos potencia de entrada y también la resistencia de entrada, por lo que podemos calcular la tensión de entrada.

Análisis del factor de estabilidad de Rollett

Este análisis nos permite conocer si el amplificador (en este caso la 2da etapa) va a comportarse de forma estable. Para poder considerarlo estable el factor K debe ser mayor a la unidad.

Al no cumplir debemos colocar una red de neutralización lo cual produce una disminución en la ganancia.

1º Etapa

Para esta etapa como la ganancia va a ser menor que la de la segunda, elegimos un transistor de RF “más chico”, específicamente el BFR90.

Potencia requerida para entregar al BFR96TS: PN + 0,5 dB = 0,39 mW * 1,12 = 0,436 mW

Los parametros S son:

Calculamos las impedancias Zin y Zo (Zout)

A partir de Zo obtenemos Vo e Icq

Fijamos una Vce de 5V

calculamos Vin

Factor de Rollet

En esta etapa también necesitamos una red de neutralización.

En el próximo artículo voy a tratar el calculo de los valores de corriente y tensión necesarios para la polarización de los transistores.

Amplificador de Potencia 2W

 

Carta o Abaco de Smith

abaco-carta-smith

El Ábaco de Smith… que temita largo y con múltiples posibilidades de encararlo, pero esa no es mi idea. En realidad necesitaba la carta de smith para realizar unas adaptaciones de impedancia, busque la imagen en Internet y se me ocurrió publicarla, asi le sirve a otra persona y se evita el trabajo de buscarla en buena calidad por Internet.

Pueden descargar la carta/abaco de Smith haciendo click en la siguiente imagen y luego sobre ella (la imagen) hacen click derecho y eligen Guardar imagen como…

Carta de Smith

abaco-smith

También pueden descargarla pdf haciendo Click  ACA