Software de calculo para la Red Filtro del modulador PWM (muy simple)

Algo de introducción.

  En el año 2015 , cuando decidí construir mi primer transmisor (PWM para 40 mts), no tenia la mas mínima idea "en su totalidad de nada" en cuanto al funcionamiento técnico de este tipo de proyectos Modulados por ancho de pulsos.
Por tal, y creo que como una gran minoría comencé a buscar información de circuitos verosímiles, publicados en internet en cuanto a su funcionamiento, entre ellos, la construcción de la etapa moduladora...etc etc. Compuesta por el famoso IR2110 y el Mosfet IRFP250.
Por supuesto que, paralelo al buceo de tanta información que radica por la gran RED, contaba con la ayuda de muchos amigos (Referentes) que me dieron una mano para encarar dicho abismo.

La idea básica y principal era encarar algo que pueda modular 100% a una etapa final de RF en clase "E" , que entregara aproximadamente 300/350 watts.

Volviendo entonces a lo que nos concierne, que es el modulador, el circuito que en aquel entonces había conseguido, era uno clásico, desarrollado por alguien que sabia y mucho del tema, y con el cual me puse a trabajar en su construcción.

Desde ya no había muchas complicaciones, solo había que seguir el esquema y sus valores al pie de la letra.

Este fue el circuito original recuperado de algún lugar de internet con el que comencé la construcción del proyecto.

Pero , acá había un tema a tener en cuenta...

Y es que este modulador estaba calculado para una impedancia (Z) en la red filtro cuyo valor esta en los 15 ohms. Es decir que la RED filtro de este modulador estaba calculada para una carga tal en la etapa final de salida. 

Llegado a esto y viendo que no se adecuaba a mi proyecto con 2 mosfet en mi etapa final, (y desconociendo matemática y técnicamente este punto), el amigo Alberto  "lu3ez" (quien no esta mas entre nosotros)  que me ayudo desde el arranque, me había pasado el dato que para el esquema que yo pretendía construir constituido por 2 irfp460 a la salida de la etapa clase "E" en RF, tenia que hacer lo siguiente:

- Dividir por 2, el valor de ambas inductancias (L1 y L2).

- Multiplicar por 2, el valor de ambas capacidades (C8 y C9).

quedando entonces L1 de 45 uHy y L2 de 72,5 uHy,  
C8 de 1,16 uF y C9 de 0,66 uF

Hasta aquí , empíricamente todo servido y fácil,  (como se dice ahora, copiar y pegar, tan solo algo que ya estaba prácticamente calculado y super probado).

De hecho, esto, sin ninguna duda, se encuentra funcionando de excelente forma así, como hoy tengo mis dos equipos TX PWM (de 80 mts y 40 mts) publicados aquí mismo en este blogs y por supuesto, operativos:

Pwm "80 mts" 3,5 Mhz  300 Watts

Pwm "40 mts" 7,0 Mhz 300 Watts

Después de varios años y queriendo saber algunas cositas mas, me puse a investigar un poco , para aprender al menos, de manera simple y efectiva ,
"el como" es que se calcula esta RED filtro, y sobre todo en base a que parámetros tenemos que considerar aquellos que no contamos con tanto y profundo conocimiento puntualmente en esta temática terrenal.

Entonces, yendo un poco a los cálculos y a los bifes, podemos decir que...

Matemáticamente la RED filtro del circuito anterior estaba calculada para una carga (Z) de 15 Ohms, debido al regimen de trabajo de la etapa final en clase "E" de RF: (50Volts aprox) y (3,3 Amperes aprox).

Es decir que aplicando la formula que alguna ves vimos en la ley de Ohms
V/I = R= 50v/3,3A = 15 Ohms. para el caso del circuito arriba publicado.

¿ Como entonces, quedaría la ecuación matemáticamente representada, para calcular una carga (Z) que nos sirva para modular a dos Irfp460 bajo un regimen de trabajo de 50 Volts, 6 Amperes ?

Simple ley de Ohms. V/I = R -->  50v/6a = 8,33 Ohms

Es decir que a la red de filtro de mi modulador se le iba a presentar una
carga R (Z) cuyo valor aproximadamente rondaría en 8 ohms.

Ahora bien, ¿Cómo sigue el trayecto de la película, ya que si bien tenemos la (Z)  calculada, nos esta faltando calcular lo que nos interesa?

Hace unos días atrás, recurrí a un amigo/colega (lu5hah) don Andres, que sabe bastante sobre tema cálculos en este terreno, al cual le pregunte, ¿Cómo hacia o al menos como podía calcular, de manera simple , sencilla, rápida y efectiva,  los filtros para la RED que estaba utilizando en el  modulador construido empíricamente hace tiempo que hoy vengo operando en mis equipos?

….su respuesta y recomendación (con algunas sugerencias de por medio), fue "SvcFilter Designer". Del Autor Jame L. Tonne , cuya pagina web se encuentra en www.TonneSoftware.com

Se puede descargar desde acá (programa SvcFilter Designer)

SvcFilter, es un programa magnifico, que sirve particularmente para que podamos calcular la RED filtro de nuestro modulador PWM, incluyendo varios esquemas y  topologías de filtro y otras particularidades las cuales estas ultimas para nuestro objetivo podemos omitir.

Probando SvcFilter Designer,
Una ves descargado el programa sugerido por el amigo (lu5hah), lo que inmediatamente hice, fue simular los valores de la red filtro constituida en mi modulador PWM, los cuales hoy  vengo operando desde hace tiempo con resultados excelentemente buenos y sobre todo confiable,

Entonces,  volviendo a los valores, con que habían quedado conformado la RED filtro de mi modulador pwm en su momento, tenemos que para un regimen de trabajo, en nuestra etapa final de RF en clase "E" compuesta por 2 Mosfet IRFP460 serian:

- La tensión es 50 Volt.
- La Corriente de consumo es de 6 Amp.
- La (Z) o R  será de 8,33 Ohms.

La red filtro quedo compuesta con los siguientes valores:

- L1 es de 45 uHy.
- L2 es de 72,5 uHy.
- C8 es de 1,16 uF.
- C9 es de 0,66 uF.

Circuito que fue publicado en agosto/2020 en otro articulo de este BLOG
ingresar aquí: PWM 40 mts  - 7 MHz

Midiendo L1

Midiendo L2

L1 y L2 terminadas

…como datos adicionales a contemplar también muy importantes, y sugerido por el amigo mencionado arriba, debemos tener en cuenta a la hora de calcularlos en el programa SvcFilter Designer  son: 

- La "Frecuencia de Corte". (20 KHz).

- La Family, que lo mas común para este tipo de filtros, que podría ser  "Chebyshev" o "Butterworth", en mi caso opte por (Chebyshev).

- El tipo de orden (que en nuestro caso serian 2 capacidades y dos Inductancias) seria el tipo de Orden 4.

- La topología L-Input Lowpass.

Ahora bien...
Llevando estos datos/parámetros adicionales, junto con el valor (Z) calculado al programa SvcFilter, pude evaluar/calcular la veracidad  de valores empíricos a los que había llegado en aquel entonces cuando construí la RED filtro para el modulador PWM, hace unos 6 años atrás aprox.

Podemos ver acá los resultados calculados actualmente por este Software

 y que son muy cercanos a los valores originales de hace 6 años atrás en su construcción.

siendo estos los valores arrojados por el programa:

- L1 47 uHy

- L2 87 uHy

- C8 1,14 uF

- C9 0,61uF

Versus los valores que ya tenia operativos en mi Modulador PWM construido hace 6 años aprox

- L1 es de 45 uHy.
- L2 es de 72,5 uHy.
- C8 es de 1,16 uF.
- C9 es de 0,66 uF.

ASOMBROSO..... no...?

Finalmente, seleccionado la opción  Display Responses nos dará un análisis final y graficado de los valores que constituirán nuestra RED filtro para el modulador PWM.

Verificando los devanados (cantidad de vueltas)

Para la construcción de ambas inductancias, en ese momento decidí desarrollarlas sobre toroides  modelo T130-26 de Micrometals, adquiridos en el mercado local. (Ver su Datasheet aquí)

Estos toroides se prestan adecuadamente para trabajar como filtros en el modulador PWM.
Dato importante a tener en cuenta, es que, dichos núcleos NO deben ser sometidos a consumos superiores de 6,5 Amp. Caso contrario podemos llegar a su saturación hasta explotarlos y no tenemos manera de refrigerarlos
En mi caso, la etapa final Clase "E" de RF ronda entre los 5,5 y 6 Amp, por tal se adaptaron perfectos al funcionamiento de la Red Filtro del Pwm.

Para la construcción de Inductancias siempre utilizo un programa (Software) que muchos conocen llamado "Coil32".  Anda muy bien y nunca me fallo en los cálculos. 

(Descargar aquí Coil32)

Agrego que, en todos los proyectos de construcción de mis equipos ha participado este programa con resultados satisfactorios

Entonces,... si volcamos al programa Coil32 los datos que nos interesan del toroide, brindados por el Datasheet: diámetro externo, diámetro interno, altura,  la permeabilidad del núcleo y otros datos que necesitamos,  como por ej. diámetro del alambre, el valor de la inductancia.

Obtenemos como resultado el calculo para el devanado que estamos necesitando, tanto en L1 y como L2.

Agrego, que la permeabilidad del núcleo que tome, fue de 75 segun indica el datasheet.

Ver imagen siguiente para el calculo de L1 de 45uHy (En mi caso redondee algunos valores del núcleo toroidal)

Ver imagen siguiente para el calculo de L2 de 72uHy (también redondee algunos valores del núcleo toroidal)

No habiendo mucho mas para decir.... Concluimos que todo lo que se había construido de una manera (Empírica), pudimos corroborarlo mediante Software de cálculos , que llegaron a resultados muy muy cercanos, efectivos y fiables para la construcción de nuestros próximos proyectos.

Hasta la Proxima y mucha suerte!!. 👍
Atesore sus criticas , si no son con fines esencialmente constructivas.

Gracias!
lu6dcs