Hi, Ich bin an der Entwicklung eines HF HV Netzteiles, welches zur erzeugen von kaltem Plasma eingesetzt wird. Nun sehe ich, dass in der Industrie meist das 13.56Mhz ISM Band gewählt wird, was natürlich sinn macht aus rechtlicher Sicht, nur ist dieses Frequenzband eher schwierig für eine solche Anwendung, speziell im geringen Leistungsbereich. Ich brauche um die 5-10kV bei 10W Ausgangsleistung, wobei bei 13.56Mhz die Slew-Rate extrem hoch ist. Der richtige Ansatz wird wohl schon ein Class-E Amplifiers sein, was auch in der Simulation mit LTSpice vielversprechend aussieht. Jedoch erreiche ich die gewünschten Spezifikationen einfach nicht, da ich ja immer noch Elektroden anschließen muss, welche sich im kleinen Nanofarad bereich bewegen. Für das Design des Class-E Amplifiers habe ich folgendes Berechnungstool verwendet: http://people.physics.anu.edu.au/~dxt103/calculators/class-e.php Ich komme so auf 1.25kV bei zu kleinen Kapazitäten für den Ausgang nach dem Übertrager. Ich vermute, bei dieser geringen Ausgangsleistung ist das gar nicht zu erreichen. Aber ich kenne kein anderes frei verfügbares Band für Hochfrequenz außer dem ISM?
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Bert S. schrieb: > Aber ich kenne kein anderes frei verfügbares Band für Hochfrequenz? Nun, es gibt zahlreiche ISM-Bänder … was mir nicht ganz klar ist: sind dir die 13,56 MHz denn zu hoch oder zu niedrig? Grundsätzlich kannst du deine Frequenz natürlich beliebig legen – solange du sicherstellst, dass du davon nichts (oder nur wirklich sehr geringe Leistungen) abstrahlst. Der Sinn der ISM-Bänder ist es lediglich, dass in diesen auch eine Abstrahlung durch derartige Anlagen toleriert werden kann. > da ich ja immer noch Elektroden anschließen muss, welche sich im kleinen > Nanofarad bereich bewegen Für variable Lasten eignet sich nach meinen Experimenten ein Class-E-Verstärker nicht so gut. Du hast ja dein Netzwerk am Ausgang, welches aus den Impulsen einen Sinus rekonstruieren muss. Schon geringfügige Veränderung der Last wirken auf dieses Netzwerk zurück, und es entstehen erstens wieder unerwünschte Oberwellen, der Wirkungsgrad fällt ab, und deine PA muss plötzlich wieder Verlustleistung verheizen.
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Jörg W. schrieb: > Nun, es gibt zahlreiche ISM-Bänder … was mir nicht ganz klar ist: > sind dir die 13,56 MHz denn zu hoch oder zu niedrig? Ups ja, ich meinte natürlich kein niedrigeres Hochfrequenzband, dass frei zu Verfügung steht. Das Frequenzband ist mir viel zu hoch für Ausgangskapazitäten im nF Bereich. Jörg W. schrieb: > Grundsätzlich kannst du deine Frequenz natürlich beliebig legen – > solange du sicherstellst, dass du davon nichts (oder nur wirklich > sehr geringe Leistungen) abstrahlst. Der Sinn der ISM-Bänder ist > es lediglich, dass in diesen auch eine Abstrahlung durch derartige > Anlagen toleriert werden kann. Ok, dann würde evtl. eine gute Abschirmung Sinn machen und die Frequenz frei wählen. Jörg W. schrieb: > Für variable Lasten eignet sich nach meinen Experimenten ein > Class-E-Verstärker nicht so gut. Du hast ja dein Netzwerk am Ausgang, > welches aus den Impulsen einen Sinus rekonstruieren muss. Schon > geringfügige Veränderung der Last wirken auf dieses Netzwerk zurück, > und es entstehen erstens wieder unerwünschte Oberwellen, der > Wirkungsgrad fällt ab, und deine PA muss plötzlich wieder > Verlustleistung > verheizen. Das ist schon ein Problem, daher müssten zuerst die Elektroden konstruiert werden und dann direkt in die Berechnung des Class-E Verstärkers mit einfließen. Was für eine Art Verstärker würdest du denn für eine solche Anwendung verwenden?
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Hi ! Also deine Last ist nicht ohmsch sondern kapazitiv. Die musst Du mit dem "Load Netzwerk" auf z.B 50Ohm reell transformieren. u.U. geht das auch mit dieser Schaltung nicht, dann musst du eine andere nehmen. Es gibt da T- L- N- und PI Schaltungen, die decken nur jeweils Teilbereiche der Lastimpedanz ab. Ich habe früher solche Anlagen gebaut da waren die C- und L-Werte ganz andere. (C > 50pF, L einige 100nH). Ich hatte damals mit WinSmith zunächst das Anpassungs- Netzwerk dimensioniert, so dass die Last auf z.B. rell 50 Ohm transformiert wurde. (Anmerkung: Kabelimpedanz einbeziehen). Dann habe ich die Endstufe dimensioniert. Ein wechsel der Frequenz ist nicht unbeding sinnvoll, da z.B beim Sputtern die Effektivität mit steigender Frequenz abnimmt. Dann brauchst Du auch noch eine Zündeinrichtung. Tipp: KFZ-Zündkerze (aber vor Verwendung entölen) und Hochspannung zum Zünden.
Noch ein Tipp: Du kannst die Kondensatoren variable machen und mit einem um die Anpassung zu verbessern. Brauchst halt auch noch einen Richtkoppler zum messen. Die Lastimpedanz ist auch nicht unbedingt konstant, die ist abhängig von der Elektrodenform, vom Vakuum, vom verwendeten Gas und von der Tatsache ob das Plasma gezündet ist oder nicht.
Bert S. schrieb: > Jörg W. schrieb: >> Nun, es gibt zahlreiche ISM-Bänder … was mir nicht ganz klar ist: >> sind dir die 13,56 MHz denn zu hoch oder zu niedrig? > > Ups ja, ich meinte natürlich kein niedrigeres Hochfrequenzband, dass > frei zu Verfügung steht. Das Frequenzband ist mir viel zu hoch für > Ausgangskapazitäten im nF Bereich. Es gibt zwar noch eins bei 6,7 MHz, aber das bringt dir auch nicht viel. Das ist nicht international koordiniert, und dementsprechend hat man dort andere Nutzungsbestimmungen, die eine Störung von Funkdiensten verbieten. > Ok, dann würde evtl. eine gute Abschirmung Sinn machen und die Frequenz > frei wählen. Die Frage ist, wie sich dein Plasmaprozess dann verhält. Wenn du eine Frequenz um 1 MHz wählst, dann störst du erstens niemanden mehr, denn es gibt eh keine Mittelwellensender mehr :/, zweitens hast du schon durch die große Wellenlänge dann bei kompaktem Aufbau fast keine Abstrahlung mehr, die du abschirmen müsstest. > Das ist schon ein Problem, daher müssten zuerst die Elektroden > konstruiert werden und dann direkt in die Berechnung des Class-E > Verstärkers mit einfließen. Wie andere dir schon schrieben: deine Last ist nicht konstant, du müsstest sie also permanent neu abstimmen können (Prinzip automatischer Antennentuner). > Was für eine Art Verstärker würdest du denn > für eine solche Anwendung verwenden? Für 13 MHz (oder mehr) würde ich eher klassisch auf Class C gehen. Der Wirkungsgrad dürfte bei diesen Frequenzen nur unwesentlich schlechter als Class E werden. Deine Last geht zwar immer noch in das Reko-Filter am Ausgang mit ein, aber nicht mehr so stark wie bei Class E.
Edgar S. schrieb: > Die musst Du mit dem "Load Netzwerk" auf z.B 50Ohm > reell transformieren. u.U. geht das auch mit dieser > Schaltung nicht, dann musst du eine andere nehmen. Genau, ich habe in der Simulation eine perfekte Lastanpassung angenommen, daher die reelle Ausgangsimpedanz. Edgar S. schrieb: > Dann habe ich die Endstufe dimensioniert. Ich denke das macht am meisten Sinn zuerst die Endstufe zu bauen. Jedoch möchte ich zuerst noch ein paar Simulationen machen, ob dies dann überhaupt mit den Elektroden im nF Bereich klappt. Edgar S. schrieb: > Dann brauchst Du auch noch eine Zündeinrichtung. > Tipp: KFZ-Zündkerze (aber vor Verwendung entölen) > und Hochspannung zum Zünden. Von der Elektrode her werde ich wohl so etwas wie hier wählen (Figure 3): https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4016545/ Jörg W. schrieb: > Wie andere dir schon schrieben: deine Last ist nicht konstant, du > müsstest sie also permanent neu abstimmen können (Prinzip automatischer > Antennentuner). Da hast du natürlich recht. Jörg W. schrieb: > Für 13 MHz (oder mehr) würde ich eher klassisch auf Class C gehen. Ich mache auch mal eine Simulation mit einem Class C Verstärker, ich denke auch, dass hier die höhere Verlustleistung eine eher unwesentliche Rolle spielt. Jörg W. schrieb: > Wenn du eine Frequenz um 1 MHz wählst, dann störst du erstens niemanden > mehr, denn es gibt eh keine Mittelwellensender mehr :/ Ich dachte auch an eine Frequenz um die 1Mhz, dass liegt noch so im Rahmen des Machbaren für eine Ausgangsleistung von 10W.
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Bert S. schrieb: > Genau, ich habe in der Simulation eine perfekte Lastanpassung > angenommen, daher die reelle Ausgangsimpedanz. C1,C2 und L2 transformieren die kapazitive Last ins reelle, deshalb kann in deiner Schaltung R nicht ohmsch sein.... Die 1800 Ohm können auch nicht stimmen, das entspricht 6,5pF bei 13.56Mhz
Bert S. schrieb: > Ich denke das macht am meisten Sinn zuerst die Endstufe zu bauen. Jedoch > möchte ich zuerst noch ein paar Simulationen machen, ob dies dann > überhaupt mit den Elektroden im nF Bereich klappt. Ich hatte früher Anlagen gebaut mit Last-Kapazitäten von bis 10nF, allerdings bei deutlich höheren Leistungen (bis in den KW Bereich), allerdings mit Röhren. Mit Transistoren sind 10W heutzutage auch kein Problem bei 13Mhz. Du hast allerdings noch ein Problem wenn Du Sputtern willst. Und zwar versifft deine Vaakuumkammer, irgendwann gibt es dann Überschläge. Durch das Anpassungsnetzwerk bekommst Du dann an deiner Endstufe Überspannungen, das muß der Transistor aushalten können. Deswegen bin ich auch heute noch ein Freund der Röhre. Die steckt bei Fehlanpassung auch die reflektierte Leistung locker weg, die bekommt höchstens "rote Backen"
Bert S. schrieb: > Ich bin an der Entwicklung eines HF HV Netzteiles, welches zur erzeugen > von kaltem Plasma eingesetzt wird. Nun sehe ich, dass in der Industrie > meist das 13.56Mhz ISM Band gewählt wird, was natürlich sinn macht aus > rechtlicher Sicht, nur ist dieses Frequenzband eher schwierig für eine > solche Anwendung, speziell im geringen Leistungsbereich. Ich brauche um > die 5-10kV bei 10W Ausgangsleistung, wobei bei 13.56Mhz die Slew-Rate > extrem hoch ist. Der richtige Ansatz wird wohl schon ein Class-E > Amplifiers sein, was auch in der Simulation mit LTSpice vielversprechend > aussieht. Jedoch erreiche ich die gewünschten Spezifikationen einfach > nicht, da ich ja immer noch Elektroden anschließen muss, welche sich im > kleinen Nanofarad bereich bewegen. Zu der Frequenzwahl sollte man beachten, dass die Frequenz einen Einfluss auf die Energie der Ionen im Plasma hat hat. Jenach Anwendung (z.b. Sputter, PECVD, Aetzen), gibt es fuer gewisse Prozesse bessere und schlechtere Frequenzen.. Auch ist man bei einer Plasmaanwendung in einer Plasmakammer (gute Schrimung) weniger an Frequenzplaene gebunden, als bei einer Normalatmosphaeren-Anwendung ohne Shirmung einer Kammer. Typische Frequenzen sind 400kHz,3.2MHz-4MHz,13.56MHz, 27MHz,60MHz, 80MHz 100MHz, 2450MHz, Teilweise auch Kombinationen von diesen zusammen in einem Plasma.. > > Für das Design des Class-E Amplifiers habe ich folgendes Berechnungstool > verwendet: > http://people.physics.anu.edu.au/~dxt103/calculators/class-e.php > > Ich komme so auf 1.25kV bei zu kleinen Kapazitäten für den Ausgang nach > dem Übertrager. Ich vermute, bei dieser geringen Ausgangsleistung ist > das gar nicht zu erreichen. Aber ich kenne kein anderes frei verfügbares > Band für Hochfrequenz außer dem ISM? Bei kleinen Leistungen und hohen Spannungen koennte man auch an die Tesla-Spule denken...
Bert S. schrieb: > Nun sehe ich, dass in der Industrie > meist das 13.56Mhz ISM Band gewählt wird, was natürlich sinn macht aus > rechtlicher Sicht, nur ist dieses Frequenzband eher schwierig für eine > solche Anwendung, speziell im geringen Leistungsbereich. Warum ist dieses Frequenzband schwierig bei kleiner Leistung? > Ich brauche um > die 5-10kV bei 10W Ausgangsleistung, wobei bei 13.56Mhz die Slew-Rate > extrem hoch ist. Welche Slew-Rate? Für die Ansteuerung des Gate-Anschlußes? > Der richtige Ansatz wird wohl schon ein Class-E > Amplifiers sein, was auch in der Simulation mit LTSpice vielversprechend > aussieht. Du möchtest 10W HF erzeugen, wendest aber ca. 130W Gleichstromleistung dafür auf? Die Schaltung ist unrealistisch. Von dem extremen LC-Verhältnis im Ausgangskreis und dem riesigen Lastwiderstand mal abgesehen, kannst du keine "1,8pF" Shuntkapazität realisieren wenn der STW11 MOSFET schon min. das 100-fache dessen mitbringt. Die Arbeitsfrequenz des Reihenschwingkreises liegt auch ziemlich weitab von 13,56MHz. > Ich komme so auf 1.25kV bei zu kleinen Kapazitäten für den Ausgang nach > dem Übertrager. Ich vermute, bei dieser geringen Ausgangsleistung ist > das gar nicht zu erreichen. Die Spannung an Spule bzw. Kondensator im Serienkreis ist zwar sehr hoch, Leistung kannst du aber so nicht entnehmen. Die erzeugte HF wird im Lastwiderstand verheizt. Du benötigst anstatt des Lastwiderstandes eine Anpassschaltung die den Generator möglichst reell abschließt und dessen verfügbare Ausgangsspannung auf die gewünschte HV-Spannung hochtransformiert.
Robert M. schrieb: > Warum ist dieses Frequenzband schwierig bei kleiner Leistung? Wegen der Ausgangskapazität, welche im nF Bereich liegen wird. Robert M. schrieb: > Welche Slew-Rate? Für die Ansteuerung des Gate-Anschlußes? Die Flankensteilheit der Ausgangsspannung. Robert M. schrieb: > Die Schaltung ist unrealistisch. Das weiß ich schon. Das Problem ist, dass ich damit nicht annähernd auf realistische Werte komme, wenn ich die Ausgangskapazität auf 1-5nF erhöhe. Robert M. schrieb: > Die > Arbeitsfrequenz des Reihenschwingkreises liegt auch ziemlich weitab von > 13,56MHz. Am Ausgang? Diese liegt ja bei 13.558MHz? Robert M. schrieb: > Du benötigst anstatt des Lastwiderstandes > eine Anpassschaltung die den Generator möglichst reell abschließt und > dessen verfügbare Ausgangsspannung auf die gewünschte HV-Spannung > hochtransformiert. Laut dem Simulator müsste R ja 1840 Ohm reell sein, also muss die Impedanz so gewählt werden, dass der Imaginärteil gerade aufgelöst wird und der Realteil 1840 Ohm entspricht. Da kommt man ja nicht drum herum irgendwo diese 1840 Ohm einzusetzen. Ich werde aber nun auf einen Class-C Verstärker ausweichen und dort mal ein paar Simulationen machen. Auch von der Frequenz her gehe ich wohl so auf 3.2MHz.
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Hi ! Das ist doch alles gaanz einfach. Kauf dir im ebay einen CB-Nachbrenner, die gibt es für wenig Geld mit verschiedenen Leistungen. 10W bei 27Mhz macht man da mit einem Transistor. Dann baust Du dir ein Anpassungsnetzwerk was deine nF auf reell 50 Ohm transmormiert und fertig. Den CB-Nachbrenner auf 13.56Mhz umzurüsten ist auch kein Hexenwerk. Das ist ein Resonanzverstärker mit 2 Schwingkreisen, einer am Eingang und einer am Ausgang....
Bert S. schrieb: > Robert M. schrieb: >> Die Schaltung ist unrealistisch. > > Das weiß ich schon. Das Problem ist, dass ich damit nicht annähernd auf > realistische Werte komme, wenn ich die Ausgangskapazität auf 1-5nF > erhöhe. Wo möchtest du die 1...5nF Elektroden am Generator überhaupt anschließen? Kennst du das vollständige Ersatzschaltbild der Elektroden? Bert S. schrieb: > Robert M. schrieb: >> Die >> Arbeitsfrequenz des Reihenschwingkreises liegt auch ziemlich weitab von >> 13,56MHz. > > Am Ausgang? Diese liegt ja bei 13.558MHz? Nur im Berechnungstool stimmt die Resonanz des Reihenschwingkreises. Im Simulator wird die Resonanz auf ca. 10MHz gedrückt. Die Bauteilwerte aus dem Berechnungstool lassen sich nicht einfach 1:1 in den Simulator übernehmen wenn z.B. ein STW11 MOSFET eingesetzt werden soll. Bert S. schrieb: > Ich werde aber nun auf einen Class-C Verstärker ausweichen und dort mal > ein paar Simulationen machen. Auch von der Frequenz her gehe ich wohl so > auf 3.2MHz. Die Betriebsklasse zu ändern bringt dich nicht weiter, außer dass der Wirkungsgrad nun schlechter ausfällt. Was erhoffst du dir davon?
Robert M. schrieb: > Die Betriebsklasse zu ändern bringt dich nicht weiter, außer dass der > Wirkungsgrad nun schlechter ausfällt. Was erhoffst du dir davon? Hatte ich ihm aus ganz eigenen praktischen Erfahrungen vorgeschlagen. Class E ist außerordentlich penibel, was die Last (also das Reko-Filter) betrifft, ansonsten geht der Wirkungsgrad schlagartig ab in den Keller. Class C ist da weniger anfällig. Zumindest bei 13 oder 27 MHz dürfte es schwer werden, mit Class E selbst optimal noch den Wirkungsgrad von C zu erreichen. Bei geringeren Frequenzen eher.
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