Forum: HF, Funk und Felder HV HF Netzteil welches Frequenzband?


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Bert S. (kautschuck)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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?

: Bearbeitet durch User
von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

: Bearbeitet durch Moderator
von Bert S. (kautschuck)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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?

: Bearbeitet durch User
von Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

von Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

von Bert S. (kautschuck)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

: Bearbeitet durch User
von Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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

von Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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"

von blubb (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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...

von Robert M. (r0bm)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

von Bert S. (kautschuck)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

: Bearbeitet durch User
von Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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....

von Robert M. (r0bm)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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?

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.