Как определить мощность трансформатора: формула для нахождения сечения магнитопровода, как рассчитать обмотки
В быту и технике широко применяется низковольтная аппаратура. Этот факт требует использования устройств, понижающих стандартное напряжение до необходимого уровня. Нужно создать прибор, который соответствует предъявляемым нормам. Перед электриком встаёт задача, как определить мощность трансформатора. Знание элементарных физических законов помогает решить проблему.
Латинское слово transformare переводится на русский язык как «превращение». Трансформатор предназначен для изменения уровня входного напряжения на определённую величину. Устройство состоит из одной или нескольких обмоток на замкнутом магнитопроводе. Катушки наматываются из алюминиевого или медного провода. Сердечник набирается из пластин с повышенными ферромагнитными свойствами.
Первичная обмотка присоединяется к электрической сети переменного тока. Во вторичную обмотку включается устройство, которому требуется напряжение другой величины.
После подключения к трансформатору питания в магнитопроводе появляется замкнутый магнитный поток, который индуцирует в каждой катушке переменную электродвижущую силу. Закон Фарадея гласит, что ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, который проходит через электромагнитный контур. Знак «минус» указывает на противоположность направлений магнитного поля и ЭДС.
Формула e = − n (∆Ф ∕ ∆ t) объединяет следующие понятия:
- Электродвижущая сила e, исчисляемая в вольтах.
- Количество витков n в индукторе.
- Магнитный поток Ф, единица измерения которого называется вебером.
- Время t, необходимое для одной фазы изменения магнитного поля.
Учитывая незначительность потерь в катушке индуктивности, ЭДС приравнивается к напряжению в обмотке. Отношение напряжений в первичной и вторичной обмотке равно отношению количества витков в двух катушках. Отсюда выводится формула трансформатора:
K ≈ U ₁ ∕ U ₂ ≈ n ₁ ∕ n ₂.
Коэффициент K всегда больше единицы. В трансформаторе изменяется только напряжение и сила тока. Умноженные друг на друга, они определяют мощность прибора, постоянную величину для конкретного устройства. Соотношение тока и напряжения в обмотках раскрывает формула:
K = n₁ ∕ n₂ = I ₂ ∕ I₁ = U₁ ∕ U₂.
Иначе говоря, во сколько раз уменьшено напряжение во вторичной обмотке в сравнении с напряжением в первичной катушке, во столько раз сила тока во вторичной катушке больше тока в первичной обмотке. Различное напряжение устанавливается количеством витков в каждом индукторе. Формула, описывающая коэффициент K, объясняет, как рассчитать трансформатор.
Трансформатор предназначен для работы в цепи переменного напряжения. Постоянный ток не индуцирует ЭДС в магнитопроводе, и электрическая энергия не передаётся в другую обмотку.
Ещё в 1822 году Фарадей озаботился мыслью, как превратить магнетизм в электрический ток. Многолетние исследования приводят к созданию цикла статей, в которых описывалось физическое явление электромагнитной индукции. Фундаментальный труд публиковался в научном журнале английского Королевского общества.
Суть опытов состояла в том, что исследователь намотал два куска медной проволоки на кольцо из железа. К одной из катушек подключался постоянный ток. Гальванометр, соединённый с контактами другой обмотки, фиксировал кратковременное появление напряжения. Чтобы восстановить индукцию, экспериментатор отключал источник питания, а затем вновь замыкал контакты на батарею.
Работу Майкла Фарадея высоко оценило научное сообщество Великобритании. В 1832 году физик удостоился престижной награды. За выдающиеся работы в области электромагнетизма учёный награждён медалью Копли.
Однако устройство, собранное Фарадеем, ещё трудно назвать трансформатором. Аппарат, который действительно преобразовывал напряжение и ток, запатентован в Париже 30 ноября 1876 года. В 80-х годах позапрошлого столетия автор изобретения и конструктор трансформатора П. Н. Яблочков жил во Франции. В это же время выдающийся русский электротехник представил миру и прообраз прожектора — «свечу Яблочкова».
Расчёт параметров прибора
Иногда в руки к электрику попадает прибор без описания технических характеристик. Тогда специалист определяет мощность трансформатора по сечению магнитопровода. Площадь сечения находится перемножением ширины и толщины сердечника. Полученное число возводится в квадрат. Результат укажет на примерную мощность устройства.
Желательно, чтобы площадь магнитопровода немного превышала расчётное значение. Иначе тело сердечника попадёт в область насыщения магнитного поля, что приведёт к падению индуктивности и сопротивления катушки. Этот процесс увеличит уровень проходящего тока, вызовет перегрев устройства и поломку.
Практический расчёт силового трансформатора не займёт много времени. Например, перед домашним мастером стоит задача осветить рабочий уголок в гараже. В помещении имеется бытовая розетка на 220 В, в которую необходимо подключить светильник с лампой мощностью 40 Вт на 36 В. Требуется рассчитать технические параметры понижающего трансформатора.
Определение мощности
Во время работы устройства неизбежны тепловые потери. При нагрузке, не превышающей 100 Вт, коэффициент полезного действия равен 0,8. Истинная потребная мощность трансформатора P₁ определяется делением мощности лампы P₂ на КПД:
P₁ = P₂ ∕ μ = 40 ∕ 0‚8 = 50
Округление осуществляется в бо́льшую сторону. Результат 50 Вт.
Вычисление сечения сердечника
От мощности трансформатора зависят размеры магнитопровода. Площадь сечения определяется следующим образом.
Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/transformatory/kak-opredelit-moschnost-transformatora-po-formule.html
Как правильно подобрать понижающий трансформатор? / Статьи
Значительная доля интересной и редкой на нашем рынке техники, не получило широкого распространения — по причине того, что в целом такая техника была ориентирована на внутренний рынок страны производителя. И как это часто бывает, стандарты электропитания существенно отличаются. Рассмотрим на примере техники из Японии, напряжение в сети 100В, а не 220В как мы привыкли.
Или разъемы вилки питания, стандарты в Азии и Европе, также существенно отличаются. Тут к нам приходят на помощь различные модификации понижающих, повышающих трансформаторов. Так какой трансформатор выбрать? И на какие параметры трансформатора стоит обратить внимание, при его непосредственном выборе? Именно на эти вопросы, мы постараемся ответить в этом посте.
Информация будет постоянно обновляться, мы будем дописывать какие-либо существенные аспекты с которыми столкнемся сами, либо кто-то из членов клуба Ecolife Systems. Забегая вперед, хотим сказать, что варианты с тиристорным преобразователем и инвертором напряжения, не будут рассматриваться. Т.к.
основная цель – это знакомство обывателя, с уже готовыми реализациями для бытового использования.
Понижающий трансформатор
Дословно принцип устройства трансформатора, можно определить так:
На вход устройства подаётся напряжение (при этом в обмотке возникает электродвижущая сила, которая порождает магнитное поле). Это поле пересекает витки второй катушки, где возникает своя электродвижущая сила самоиндукции. В свою очередь во второй катушке тоже возникает напряжение, которое будет отличаться от первичного во столько же раз, во сколько отличается количество витков обеих обмоток.
Существует множество модификаций трансформаторов напряжения: понижающие однофазные, двухфазные и трёхфазные. Существуют автотрансформаторы и трансформаторы тока. Не вдаваясь в детали и многообразие модификаций, остановимся только на понижающих однофазных трансформаторах.
В качестве примера возьмем: учитывая что у нас есть прибор с мощностью в 700 Ватт, подходящий по мощности, а именно превышающий мощность прибора процентов на 25-30. понижающий японский трансформатор Kashimura NTI-18 (мощность 100 Ватт) или его аналог Kashimura NTI-18 NF (мощность 100 Ватт), произведенный в Китае, для внутреннего рынка Японии.
Оба аппарата практически идентичны как внешне, так и по параметрам. И небольшим отличием скорее будет только выходное напряжение, цена и качество исполнения.
| Фото 2 Kashimura NTI-18Мощность трансформатора 1000 Ватт | Фото 2 Kashimura NTI-18NFМощность трансформатора 1000 Ватт |
- выходное напряжение. Японский аналог — Kashimura NTI-18, выдает на выходе, твердые 100 вольт, когда как вторая модель 110 вольт, этот параметр смутил многих, но видимо существует какое-то обоснование. Входные вилки и выходную розетку будет довольно трудно перепутать, существенное отличие — это круглое и плоское сечение контактов вилки и технических отверстий розетки.
- цена. В зависимости от модели цены отличаются, в нашем варианте японец существенно дешевле оппонента, но довольно трудно найти его на рынке.
- качество исполнения. Бытует мнение о ненадлежащем качестве товаров произведенном в Китае, можем смело Вас заверить, касательно бренда Kashimura, аппараты экспортные превзошли наши ожидания! Видимо стоит учитывать, что товар произведенный для внутреннего рынка Japan, проходит надлежащим образом сертификацию устройств для внутреннего рынка.
Подведем итоги, на что нужно обратить внимание при выборе понижающего трансформатора для Вашего оборудования. Во-первых, уделяем большое внимание мощности и напряжению на выходе трансформатора. Во-вторых, не менее существенным параметром будет, производитель устройства. Этот параметр скажется на качестве и гаранте приобретаемого оборудования.
Есть еще ряд существенных параметров, всё что связанно касательно корпуса устройства, использования-наличия заземления, характеристик внешнего воздействия (некоторые из продуктов предусматривают то, что оборудование может находиться в помещении с повышенной влажностью, кухня и т.д.). Всё это и многое другое мы будем постепенно более детально рассматривать на примере различной продукции японских брендов.
Поэтому периодически просто проверяйте нашу ленту новостей или же просто подпишитесь на нашу рассылку, мы будем держать Вас в курсе последних наших обновлений.
Последние статьи в блоге
Источник: https://ecolife-systems.com/stati/kak-pravilno-podobrat-ponizhayushhij-transformator/
Как рассчитать мощность блока питания для светодиодной ленты? | Полезные статьи
Благодаря экономности энергопотребления, комплект подсветки окупает себя за 5-6 лет. Чтобы обеспечить безотказную работу в течение такого срока, необходимо правильное электропитание. Это, кстати, касается любого электроустройства. Мы не будем Вас утомлять сложными формулами и теоретическими выкладками, но подойдем к вопросу основательно и с практической точки зрения.
Далее блок питания будем обозначать буквами БП.
1. Основные параметры БП
На корпусе любого БП Вы увидите маркировку, которая содержит номинальные параметры. «Номинальные» означает, что при таких параметрах устройство будет без проблем выполнять все свои функции. Если маркировки нет, что бывает редко, смотрите документацию на бумаге или в Сети.
1.1. Входные параметры
Обозначаются «INPUT:». Это параметры электроэнергии переменного тока, подающейся на вход. С ними, как раз, проблем меньше всего:
• Входное напряжение в вольтах (V). Например: 180-240 V. Означает, что если на входе БП будет напряжение в этих пределах, то на выходе мы всегда получим то, что нужно.
• Частота в герцах (Gz). Например: 50-60 Gz. В нашем случае не актуально.
1.2. Выходные параметры. ВАЖНО!
Обозначаются «OUTPUT:». Это параметры электроэнергии, получаемой на выходе. Мы всегда получаем на выходе постоянный ток. Поэтому имеем 2 провода: «+» (обычно красный) и «-» (обычно черный). Выходные характеристики для нас наиболее важны.
• Выходное напряжение в вольтах (V). Например: 12V. Большинство LED лент питаются постоянным напряжением 12V или 24V. Выходное напряжение БП должно точно соответствовать напряжению питания ленты. Если взять БП с выходным напряжением 9V и запитать от него ленту, то диоды, скорее, светить будут, но тускло. Превышать питающее напряжение вообще не советуем – диоды (LED) засветятся ярко и ненадолго.
• Выходная мощность в ваттах (W) или вольт-амперах (VA). Например: 25W или 25VA. Для постоянного тока W и VA одно и то же. Можно догадаться – наиболее важный показатель БП в нашем случае. Здесь, как и с напряжением, ошибаться нельзя, но в меньшую сторону. В большую – сколько угодно. Скажем, вся лента потребляет 75W. Смело ставьте БП с выходной мощностью 100W – дольше прослужит.
• Выходная сила тока в амперах (A). Иногда указывается в миллиамперах (mA). Например: 0.8A или 800mA. Для нас интересен лишь тем, что если вдруг не указана выходная мощность, мы можем легко ее рассчитать, умножив силу тока на напряжение. Например, выходная мощность БП 24V, 2A будет равна 48VA (24х2=48).
2. Определение параметров питания светодиодной ленты
Теперь, когда мы вооружены сведениями о БП, можно приступить к определению характеристик реальной ленты конкретной длины, необходимых для правильного выбора БП.
2.1. Напряжение питания LED ленты
Обязательно спросите у продавца, какое напряжение питания. Чаще это 12V или 24V. Можете определить и по диодам, которыми оснащена лента. Присмотритесь к лицевой стороне ленты. От дорожек, идущих по краю вдоль всей ленты, отходят поперечные дорожки, на которых смонтированы несколько LED-диодов и сопротивление. Если на поперечной дорожке смонтировано 3 светодиода, то напряжение питания ленты 12V; 6 светодиодов – 24V.
2.2. Потребляемая мощность светодиодной ленты
Проще всего узнать у продавца. Уточните: вам называют мощность всей стандартной ленты (длина 5 метров) или 1-го погонного метра. Если не у кого узнавать, не беда. Самостоятельно пересчитайте все светодиоды на 1 метре ленты и воспользуйтесь составленной нами таблицей ниже, чтобы определить потребляемую мощность 1-го диода.
| Название светодиода | Внешний вид | Потребляемая мощность, W |
| SMD 3528 | 0.06 | |
| SMD 5050 | 0.2 | |
| SMD 5630 | 0.5 | |
| SMD 5730-5 | 0.5 | |
| SMD 5730-1 | 1 |
Обратите внимание: светодиоды 5730-5 и 5030-1 внешне очень похожи. Попробуйте определить вид по маркировке диода.
Теперь умножьте количество элементов (LED-диодов) на 1 метре ленты на мощность 1-го LED-диода. Получите мощность 1-го метра ленты. Осталось умножить мощность 1-го метра на суммарную длину всей ленты.
Пример: суммарная длина ленты 15м, диодов на 1м насчитали 30, каждый диод SMD 5050 мощностью 0,2 W. Считаем: 15x30x0,2=90W. Теоретически нам нужен БП с выходной мощностью не менее 90 W.
3. Подбор конкретного БП
Найти БП, который по мощности точно равен мощности конкретной ленты, скорее всего, не удастся. Да это и не требуется. Просто выберите блок, который примерно на 25%-35% мощнее ленты. Этим обеспечивается необходимый запас надежности.
Обратите внимание на диапазон входного напряжения БП (пункт 1.1). Чем он больше, тем БП дороже и тем лучше защищает ленту от перепадов напряжения питающей сети.
Источник: https://ru-led.ru/poleznye-stati/kak-rasschitat-moshchnost-bloka-pitaniya-dlya-svetodiodnoj-lenty
Максимальная мощность светильника
Какие факторы нужно учесть при выборе светильника и расчете его мощности? Изучаем конструкцию прибора и возможности электропроводки в квартире, выбираем лампы и трансформатор, читаем текст ГОСТа.
Каждый светильник рассчитан на лампы определенной мощности. Если ее недостаточно, нужно задуматься о покупке другого осветительного прибора или приобрести сразу несколько маломощных светильников.
Мощность светильника: ограничения
Конструкция самого светильника. Чем выше мощность лампочки, тем больше энергии она потребляет и тем большая сила тока возникает в цепи. Соответственно, тем сильнее греются провода и сами элементы светильника. Не стоит вкручивать лампочки с более высокой мощностью, чем рекомендовано: светильник попросту сгорит.
Светильники с абажурами из текстиля и бумаги обычно комплектуются лампами небольшой мощности. Если вкрутить более мощную лампочку, материал может загореться.
Возможности электропроводки. Если включить одновременно несколько приборов (не только светильников), в сети может возникнуть перегрузка. Обычно в этом случае срабатывают «пробки». Но если они рассчитаны на большую силу тока, чем сами провода (например, на 25 А против 16 А), последние при перегрузке могут загореться. Чтобы не пришлось вызывать пожарных, адекватно оцените возможности вашей электропроводки при выборе светильника.
Тип лампы
Можно ли заменить? Для одного и того же цоколя выпускаются разные типы ламп. При работе они выделяют разное количество тепла. Предположим, светильник рассчитан на лампу накаливания мощностью 40 Вт с цоколем E27. Если она вам кажется тусклой, логично заменить ее энергосберегающей.
При той же мощности в том же светильнике вы получите яркость 250-ваттной модели. То есть требования производителя по мощности светильника будут формально соблюдены.
Но чудес не бывает! Энергосберегающие лампы обычно длиннее ламп накаливания и при установке могут упереться в абажур, что опасно из-за угрозы перегрева.
Многие люстры оборудуются патронами под лампочки-миньоны с цоколем Е14. Каждая из них имеет небольшую мощность – в среднем до 60 Вт, но все пять «рожков» в сумме дают много света.
Светодиоды – самый передовой на сегодняшний день источник света. Главным их достоинством является высокая эффективность: они потребляют очень мало электроэнергии, светят ярко, а служат очень долго – несколько десятков лет. Кроме того, они безопасны в использовании (поскольку не греются) и устойчивы к перепадам температуры и влажности. Единственный минус – высокая цена, да и та постепенно снижается.
На фото: модель EC 302 от фабрики Catellani & Smith
Застрахуйтесь от перегрева. Будьте особенно бдительны, если производитель рекомендует использовать в светильнике только компактные люминесцентные (энергосберегающие) лапы. Не нужно рисковать и менять их на галогенки или традиционные лампы накаливания. Даже имея одинаковую мощность, лампочки такого вида сильно греются и могут запросто испортить пластиковый или бумажный абажур.
Конструкция трансформатора
Какой подойдет? Низковольтные осветительные системы работают только с понижающим трансформатором. Он преобразует напряжение 220 В в 12 В, которые необходимы для работы галогенных ламп.
Производитель уже произвел расчет мощности светильника и предусмотрел, на какое число ламп и какой мощности рассчитан трансформатор.
Если же вы хотите поставить лампы «поярче», придется заново произвести все вычисления, определив коэффициент мощности светильника, и заменить трансформатор на более мощный.
Максимальная мощность по ГОСТу
Ярче нельзя! Согласно ГОСТ 8607-82 (2004) «Светильники для освещения жилых и общественных помещений» максимальная потребляемая мощность одного бытового светильника должна быть не более:
- 550 Вт — для светильников общего освещения;
- 180 Вт — для светильников комбинированного освещения;
- 150 Вт — для светильников экспозиционного (точечного) и декоративного освещения;
- 25 Вт — для ночников (ориентирующее освещение).
Светильники на светодиодах способны творить чудеса! Они дают очень яркий свет, хотя потребляют минимум электроэнергии (в данном случае – до 7,5 Вт). А некоторые модели способны светить разными цветами.
При этом единичная мощность одной лампы светильника должна быть не более:
- 150 Вт — для светильников общего, местного и комбинированного освещения;
- 100 Вт — для экспозиционных светильников, при этом для светильника с галогенными лампами накаливания не более 150 Вт;
- 60 Вт — для декоративных светильников;
- 25 Вт — для ночника.
На практике это означает, что российские фабрики (руководствуясь ГОСТом) не делают люстры мощнее 550 Вт. При этом каждый патрон рассчитан на лампочку мощностью не более 150 Вт. А во все модели для местного освещения (торшеры, бра и пр.
) можно вкручивать лампы суммарной мощностью не более 180 Вт. Это связано с возможностями типовой электропроводки в наших домах.
Правила в других странах даже более строгие, так что в смысле мощности заграничные светильники превосходно адаптируются к российским реалиям.
Нюансы при выборе светильника
Яркость света зависит не только от мощности светильника, но и от материала изготовления рассеивателя. Например, если поставить 100-ваттную лампу в одинаковые приборы с полупрозрачным и «глухим» абажурами, эффект будет совершенно разным. В первом случае света будет достаточно, а во втором, возможно, придется покупать два светильника или один, но совершенно другой конструкции.
На фото: модель BELL 95 от фабрики Gervasoni, дизайн Startup Jasper
Тусклый или яркий? Заранее решите, насколько ярким должен быть свет в той или иной зоне дома. Для этого надо провести примерный подсчет. Например, если вам приглянулся подвесной светильник с одним патроном для лампы накаливания с цоколем Е14 («миньон»), вы должны понимать: мощность лампочки такого типа минимальна, свет будет тусклым.
Для общего освещения подобной модели недостаточно, даже если речь идет о санузле. И наоборот, если выбрать для этого помещения панельный светильник 60×60 см, он даст слишком много света, и находиться в санузле будет просто невозможно: слишком ярко! В обоих описанных случаях заменить лампу более или менее мощной невозможно из-за конструкции светильника.
Источник: http://www.4living.ru/items/article/useful-power-of-lighting/
Распределенный GaN-усилитель диапазона 1–8 ГГц с использованием трехпортового трансформатора
В статье описана схема и измерение характеристик усилителя мощности диапазона 1–8 ГГц, изготовленного по серийному технологическому процессу GaN 0,15 мкм. В этом процессе используется 100‑мм SiC‑подложка и компактное расположение транзисторов с отдельными сквозными отверстиями для истоков. Топология усилителя допускает неравномерную нагрузку c трехпортовым трансформатором на выходе. Двухкаскадный усилитель обеспечивает выходную мощность 9,3–13,1 Вт в диапазоне 1–8 ГГц с КПД выше 29%.
Многим современным микроволновым системам требуются усилители с большой выходной мощностью в широкой полосе частот и с высоким КПД. До настоящего времени многие такие системы обходились вакуумными усилительными устройствами. Недавние публикации показали устойчивый прогресс в разработке систем с использованием GaN МИС для диапазонов от НЧ до 7 ГГц [1–3].
В частности, выходная мощность достигла 10 Вт [1] в диапазоне частот 1–6 ГГц и 20 Вт в диапазоне 1–7 ГГц с использованием полностью монолитного усилителя. В диапазоне 0,02–6 ГГц выходная мощность составила 25 Вт [2]. В этой схеме усилитель является монолитным, а кристалл требует внешней обвязки. Другая разработка с внешними цепями смещения [3] обеспечивает 10 Вт в диапазоне 0,03–2,7 ГГц.
В статье рассматривается усилитель в диапазоне 1–8 ГГц на основе СВЧ МИС с новинкой — трехпортовым трансформатором на выходе.
Технологический процесс
Используемая МИС усилителя изготовлена с помощью технологического процесса с длиной затвора 0,15 мкм и рабочими эпитаксиальными слоями AlGaN/GaN. Эта GaN-структура выращена на SiC-подложке толщиной 100 мкм. Типичные характеристики по постоянному току данного процесса: максимальная плотность тока: 115 А/мм; максимальная поверхностная проводимость: 425 мСм/мм; запирающее напряжение: –2,9 В при рабочем напряжении сток–исток 10 В.
Пробивное напряжение затвор–сток превышает 75 В при токе затвор–сток 1 мА и допустимом рабочем напряжении 28 В. К особенностям процесса заземления относятся три слоя металлизации для соединения элементов внутри структуры, тонкопленочный и эпитаксиальные резисторы, три разные плотности емкостей и сквозные отверстия для нижней металлизации.
Сквозные отверстия малого размера обеспечивают контакт отдельных ячеек транзисторов с нижней металлизацией.
Схемное решение
Преимущества использования монолитного усилителя следующие: полоса частот 1–8 ГГц; коэффициент усиления (КУ) в режиме малого сигнала превышает 25 дБ; мощность в режиме насыщения 10 Вт и КПД выше 30%. Чтобы обеспечить такой КУ, необходимо использовать как минимум два каскада усиления.
Чтобы удовлетворить требованиям полосы частот, топология распределенного усилителя мощности была модифицирована для обеспечения повторяемости результатов при производстве МИС [4–5]. Выходная мощность этого усилителя равна VD2/RL , где VD — напряжение питания; RL — рабочий импеданс нагрузки МИС. Выходную мощность можно увеличить при разработке усилителя с большим напряжением питания или с меньшим импедансом нагрузки.
Увеличение рабочего напряжения при использовании данной технологии может оказаться затруднительным, поскольку устройство не обеспечивает необходимой надежности при большем рабочем напряжении, и выходной импеданс стоковой цепи может быть бесконечно велик.
Таким образом, для повышения выходной мощности применяется выходная микрополосковая схема с трехпортовым трансформатором (на которую заявлен патент), преобразующая 50-Ом импеданс нагрузки в 25 Ом выходной цепи усилителя. Идеализированное представление такого трансформатора в исходном состоянии показано на рис. 1.
Теоретически коэффициент преобразования 2,25:1 достигается при определенном положении выходного ползунка [6]. Из-за физических ограничений на его расположение коэффициент преобразования оказался близок к 2:1. Электромагнитное моделирование этого трансформатора показало возможность его работы в полосе с перекрытием 8:1.
Для применения распределенного усилителя соединение с землей заменяется конденсатором, обеспечивающим индукционные свойства стока. Это исключает необходимость применения высокоомного дросселя смещения цепи стока, который может отрицательно повлиять на производительность и пропускную способность усилителя.
Результаты моделирования схемы с помощью средства Axiem EM пакета AWR Microwave Office показаны на рис. 2. Расчетные потери структуры составляют 0,28–1,26 дБ в полосе 1–8 ГГц.
Учитывая частотный диапазон, параметры элементарной ячейки транзистора, ограничения по току передающей линии и характеристический импеданс, получаем, что шесть ячеек способны работать на 25-Ом выходную нагрузку.
Выходной каскад МИС также использует нестандартные транзисторные ячейки для реализации оптимального выходного импеданса на SiC-подложке толщиной 100 мкм [5]. Входной каскад реализован с помощью трех транзисторных ячеек, дающих 50 Ом. Оба каскада питаются одним уровнем напряжения, а плотность тока смещения позволяет соединить соответствующие линии друг с другом.
Соответственно, двухкаскадная МИС имеет один стоковый и один затворный контакт. Изображение этой МИС приведено на рис. 3, размеры кристалла — 3,25Ѕ3,5 мм.
Результаты проведения теплового анализа показаны на рис. 4. Оценка температуры канала является достаточно сложной для этой схемы распределенного усилителя, т. к. частотная зависимость рассеиваемой мощности затрудняет определение наихудшего теплового состояния системы.
Было установлено, что максимальная температура канала возникает там, где находится наибольший полевой транзистор, а также на обратной стороне кристалла, показанного на рис. 3 на частоте 2,5 ГГц. На рис. 4 показаны результаты теплового моделирования при использовании золото-оловянного (AuSn) припоя для монтажа МИС на основание. Температура задней поверхности МИС при анализе поддерживалась равной 85 °C.
Максимальная температура канала при этих условиях составила 211 °C с ограничением для данного процесса по среднему времени наработки на отказ (MTTF) 106 ч.
Результаты измерений
Произведенные устройства были полностью протестированы по постоянному току и СВЧ-измерениям. КПД в импульсном режиме этого усилителя показан на рис. 5. Партия тестируемых образцов насчитывала 187 МИС, изготовленных из пяти пластин из партии. На усилитель подавалась входная мощность 16 дБм в непрерывном режиме и в импульсном режиме при питании 28 В (100 мкс, скважность — 10). Ток смещения составил 600 мА.
Измеренная выходная мощность составила 10 Вт в полосе 2–8 ГГц, немного спадая к 1 ГГц до 9 Вт. Типичный КПД выше 30% в измеренном диапазоне. Трехпортовый трансформатор в силу своей особенности увеличивает импеданс в нижнем участке полосы до того, как возникает короткое замыкание. Это уменьшает выходную мощность на низких частотах, но увеличивает КПД. Разброс выходной мощности в партии тестируемых МИС не превысил 1 дБм.
Для облегчения разварки кристалла проволокой, его корпус был припаян к основанию из сплава меди и молибдена, толщиной 1,016 мм (40 мил). Вход и выход кристалла подключались к измерительным цепям с 50-Ом сопротивлением тремя проволоками каждый. S-параметры для отладочной платы были измерены при напряжении на затворе 28 В и температуре 25 °C задней части кристалла. Эти параметры показаны на рис. 6 для пяти тестируемых образцов.
Типичное значение КУ для данной схемы в режиме малого сигнала превосходит 30 дБ в полосе 1–8 ГГц и колеблется в пределах 2 дБ. Данные, полученные при измерениях в широкой полосе, показаны на рис. 7. Поведение усилителя прогнозируемо с изменением температуры и не содержит пиков и резких изгибов. Моделирование схемы при 25 °C также показано на рис. 7 с соответствующими пометками при различных значениях температуры.
Измерение характеристик в режиме большого сигнала делались при тех же условиях, при которых производилось измерение S-параметров. Частотные зависимости измеренных выходной мощности и КПД в непрерывном режиме показаны на рис. 8 и 9, соответственно. Для входной мощности 16 дБм выходная мощность в режиме насыщения составила 9,3–13,1 Вт в полосе частот 1–8 ГГц.
Измеренный КПД для этого значения входной мощности превысил 29% с пиком 46% в области 1 ГГц. Кроме того, измерялась зависимость выходной мощности и КПД от температуры для оцен- ки влияния температурных режимов на МИС, что показано на рис. 10 и 11, соответственно. Были установлены достаточно хорошие результаты, близкие к частотному поведению S-параметров.
Выходная мощность варьировалась в пределах 0,2–0,4 дБ в пределах изменения температуры на 125 °C.
Зависимость мощности насыщения от температуры показана на рис. 12. Заметим, эта кривая не выявила разрывов и пиков, что говорило бы о зависимости от входного сигнала или потенциальной нестабильности усилительной системы. Сравнение этих результатов с полученными на GaN МИС из других источников приведено в таблице.
Данные включают измерения в достаточно близких частотных диапазонах. В некоторых областях выходная мощность усилителей превышает 10 Вт. МИС, приведенные в табл. и в [1], являются полностью монолитными: все дроссели и пассивные элементы, блокирующие постоянный ток, интегрированы в кристалл.
Для работы усилителей, описанных в [2–3], необходимо устанавливать дроссели и блокираторы по постоянному току на входных и выходных портах устройства. Сравнивая выходную мощность, КПД и размер кристалла этих МИС, где цепи смещения реализованы на чипе, с теми, где они расположены вне кристалла, становится ясно, как параметры этих цепей влияют на производительность МИС в целом и на размер кристалла.
Интеграция дросселя смещения в микросхему при сохранении разумного размера матрицы является трудной задачей при разработке широкополосных усилителей мощности.
Выводы
В статье была рассмотрена монолитная ИС, произведенная по процессу 0,15 мкм GaN. В ее схеме используется схема распределенного усилителя с трехпортовым трансформатором. Трансформатор обеспечивает положение рабочей точки цепи стока, избавляет от необходимости применения широкополосного дросселя в выходной цепи. Все остальные элементы цепей смещения монолитно интегрированы в кристалл.
Двухкаскадный усилитель обеспечивает КУ, равный 31 дБ в режиме малого сигнала, 9,3– 13,1 Вт выходной мощности в полосе 1–8 ГГц и КПД выше 29%. В режимах малого и большого сигналов были получены данные температурных зависимостей МИС, которые говорят о ее стабильном поведении.
Измеренная производительность описанного усилителя выгодно отличается от недавно опубликованных результатов по полосе пропускания, усилению, размерам и КПД.
| [1] | 1–6 | 1 | 10–15 | 39,2–41,6 | 18–46 | 60,4 | В кристалле |
| [2] | 1–7 | 2 | 8–16 | 41,4–44,3 | 18–44 | 47,4 | В кристалле |
| [3] | 0,02–6 | 1 | 18–21 | 43,2–45,1 | 29–52 | 9,6 | Вне кристалла |
| [4] | 0,03–2,7 | 1 | 19–25 | 39,5–40,4 | 53–70 | 4,3 | Вне кристалла |
| Данный образец | 1–8 | 2 | 30–32 | 39,7–41,2 | 29–46 | 11,4 | В кристалле |
Литература
- J. J. Komiak, R. J. Lender, K. Chu, P. C. Chao. Wideband 1 to 6 GHz Ten and Twenty Watt Balanced GaN HEMT Power Amplifier MMICs. Proc. 2011 Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp.
- Wolfspeed Datasheet, CMPA0060025D.
Источник: https://www.macrogroup.ru/raspredelennyy-gan-usilitel-diapazona-1-8-ggc-s-ispolzovaniem-trehportovogo-transformatora
