Warum reicht bei Röhren-PAs ein Collinfilter aus?

DL6LUW · January 21, 2022 at 5:36 PM

Hallo QRP-Freunde

Wenn ich mir die Endstufen für verschiedenste QRP Selbstbaugeräte anschaue,

dann ist dort ein Tiefpassfilter mit 3 Induktivitäten der Standard. Manchmal auch nur zwei.

Die alten Röhrensender und Transceiver (man findet viel in dem CQDL-Archiv) haben

durchweg nur ein Collinsfilter mit einer Induktivität oder sogar nur einen Parallelschwingkreis.

Offensichtlich reicht dies für eine ausreichende Oberwellenunterdrückung aus.

Kann man die Abstimmung auf Resonanz als Ursache für die bessere Wirksamkeit

dieser Anordnung ansehen?

73 de Wolfgang DL6LUW - DARC OV S06

DF5SF · January 22, 2022 at 10:49 AM

Hallo Wolfgang,

ich versuchs mal.

Im Gegensatz zu Transistor-Gegentaktendstufen haben Röhrenendstufen einen hohen Ausgangswiderstand. Das Collins- oder Pi-Filter besteht aus 2 Resonanztransformatoren, deren zwei Spulen zu einer Spule zusammengefasst wurde. Der erste Resonanztransformator (an Anode) setzt den hohen Ausgangswiderstand auf einen Wert kleiner 50 Ohm um. Dieser Wert wird im zweiten Resonanztransformator auf 50 Ohm erhöht. Reonanztransformatoren arbeiten nur in einem engen Frequenzbereich. Deswegen die gute Oberwellenunterdrückung von 40...50dB.

Wenn ich mich recht erinnere wurde das Pi-Filter bei Röhrensendern auf maximale Ausgangsleistung bei minimalem(?) Anodenstrom abgestimmt. Der Röhre ist eine kurzzeitige grobe Fehlanpassung egal. Bei einer Transistorendstufe ist das sehr problematisch.

Transistor-Gegentaktendstufen haben i.A. einen Ausgangswiderstand kleiner 50 Ohm. Dieser wird auf 50 Ohm hochtransformiert. Das dahinterliegende Filter hat einen Ein- und Ausgang von 50 Ohm.

DF2OK · January 22, 2022 at 11:17 AM

Quote from DF5SF

Wenn ich mich recht erinnere wurde das Pi-Filter bei Röhrensendern auf maximale Ausgangsleistung bei minimalem(?) Anodenstrom abgestimmt.

Moin Uli,

korrekt. Das Ganze wechselseitig und man hört immer beim Anoden-C auf.

DL6LUW · January 22, 2022 at 3:59 PM

Hallo Uli,

danke für deine Ausführungen. Ich verstehe das jetzt auch so.

Wenn man das Collinsfilter nicht nur als PI-Filter,

sondern als zwei hintereinander geschaltete Resonanztransformatoren ansieht,

erscheint mir die hinreichende Oberwellenunterdrückung erklärbar.

Eigentlich war das Collinsfilter doch eine gute Sache. Macht aber niemand mehr.

Man muss zwar zwei Drehkos bedienen aber die abstimmungsfreie

Bandumschaltung mit jeweils zwei Relais und 3(2) Ringkernen

pro Tiefpass ist für den Selbstbauer auch ein beträchtlichen Aufwand.

Es kann aber auch sein, dass bei den niedrigen Impedanzen der Transistorstufen

die Güte der Resonanzkreise für die Oberwellenunterdrückung zu gering ist.

73 Wolfgang

DL4ZAO · January 22, 2022 at 5:30 PM

Die Kunst liegt darin, das Pi-Filter so zu dimensionieren, dass der Lastwiderstand für die Anode bei den Oberwellen möglichst klein, für die Grundwelle aber optimal angepasst ist . Die Zusammenhänge, wie ein Pi-Tank Filter einer Röhren PA als Impedanztrnsformator und als Harmonischenfilter wirkt ist von Owen Duffy hier verständlich zusammengefasst:

Owen Duffy, VK1OD, "Pi coupling a single ended valve RF Power Amplifier"

Theorie dahinter mit den Berechnungsgrundlagen

Bill Kaune, W7IEQ "Quality Factor, Bandwidth, and Harmonic Attenuation of Pi Networks" (pdf)

73

Günter

DL4ZAO · January 23, 2022 at 8:56 AM

Hier noch ein gut verständlicher Artikel zum Tank-Pi Filter und seiner Anpassungsfunktion. Er beschreibt die Betrachtung eines Pi-Tankkreises als 2-Resonanztransformatoren Modell, das Uli schon vorher erwähnt hat, geht aber nicht auf den Mechanismus der Oberwellenunterdrückung und die Abhängigkeit von Q ein. Dazu besser die im Vorpost zitierten Papers.

Lloyd Butler, VK5BRRF, "POWER AMPLIFIERS - TANK CIRCUITS & OUTPUTCOUPLING" (pdf)

Günter

DL6LUW · January 23, 2022 at 3:47 PM

Hallo Günter,

danke für die Literaturstellen, sie beantworten meine Frage nun auch im Detail.

Bei Owen Duffy ist eine Grafik, welche die Dämpfung der

zweiten Harmonischen von der Güte der Resonanzkreise darstellt.

Bei Q=12 erreicht man bereits -45dB.

Der Artikel von Lloyd Butler beantwortet auch noch weitere Fragen,

für die ich bisher keine zufriedenstellende Antwort hatte.

So gibt es fast keine Gegentaktendstufen mit Röhren für KW?

Ich dachte immer die Umschaltung wäre zu aufwendig.

Es ist aber so, dass der Tankkreis bei einer Eintaktstufe

als Schwungmasse für die fehlende Halbwelle das Signal ausreichend

regeneriert.

Ein Breitbandtrafo und ein Tiefpassfilter liefern das nicht.

Gegentaktendstufen sind bei Transistoren mit dieser Schaltungstechnik

also wirklich sinnvoll.

Warum nutzt niemand das Collinsfilter für Transistorstufen?

Das Collins- oder Pi-Filter funktioniert nur für die Transformation

von hohen zu niedrigen Impedanzen.

Für die niedrigen Ausgangswiderstände von Transistorstufen

muss man auf ein T-Filter übergehen.

Die Abstimmung erfolgt dann durch zwei variable Induktivitäten.

Dann doch besser mehrere Tiefpassfilter wickeln.

Der Artikel von Owen Duffy ist wirklich lesenswert.

73 Wolfgang

DL3LK · January 23, 2022 at 4:10 PM

Quote from DL6LUW

Das Collins- oder Pi-Filter funktioniert nur für die Transformation

von hohen zu niedrigen Impedanzen.

Das stimmt so nicht ganz, denn in fast allen Röhren-PAs sind u.a. auch Pi-Filter im Eingang.

Bei Groundet Grid z.B. 4x572 oder 811 ist Ri=Ra des Input-Filters 50 Ohm.

Bei anderen PAs z.B. auch 50 In und etwa 100 Out je nach verwendeter Röhre und Schaltung der PA.

73 Volker

DL6LUW · January 23, 2022 at 6:57 PM

Hallo Volker,

meine Aussage gilt nur für das Pi-Filter am Ausgang einer Endstufe.

Das Pi-Filter als solches ist eigentlich ein Tiefpass und damit recht universell

verwendbar. Für mich war es nur verwunderlich, wieso man mit einer Induktivität

eine so starke Oberwellenunterdrückung erreicht.

Das Pi-Filter am Ausgang der Endstufe stellt jedoch zwei selektive Resonanzkreise dar.

Man kann es auch als zwei L-Glieder ansehen. Die beiden Spulen sind zusammengefasst.

In dem Filter transformiert das erste L-Glied den hohen Röhrenarbeitswiderstand auf einen

virtuellen niedrigen Widerstand.

Je niedriger dieser Widerstand, umso höher die Güte und damit die Oberwellenunterdrückung.

Leider steigen mit der Güte auch die Verluste. Das zweite L-Glied transformiert dann auf 50 Ohm.

Der niedrige Ausgangswiderstand von Transistorendstufen erfordert bei einer Transformation

auf einen noch niedrigeren virtuellen Widerstand nicht realisierbare Werte für die Bauelemente.

Bei dem T-Glied ist es umgekehrt. Je höher der virtuelle Widerstand umso höher die Güte.

Deshalb kann man es für Transistorstufen verwenden.

Soweit habe ich das bisher aus der genannten Literatur verstanden.

Ich denke, dass das Pi-Filter am Eingang einer PA sicher anderen Zwecken dient. Es kann natürlich

Impedanzen in beide Richtungen transformieren.

73 Wolfgang

DL4ZAO · January 23, 2022 at 8:46 PM

Quote from DL3LK

.. in fast allen Röhren-PAs sind u.a. auch Pi-Filter im Eingang.

Bei Groundet Grid z.B. 4x572 oder 811 ist Ri=Ra des Input-Filters 50 Ohm.

Unter diesen genannten Bedingungen erfüllt das Pi-Filter aber einen anderen Zweck als bei einem Pi-Anoden-Tank Kreis. Es ist in dem von dir genannten Beispiel m. E. als Tiefpass 3. Ordnung dimensioniert und verwendet und hat dann nur 18dB/Oktave Oberwellenunterdrückung. Ist dafür aber im Durchlassbereich flach. Beim Pi-Filter Tank Kreis gibt es keine flache Durchlasskurve, es ergibt sich ein deutlicher Peak bei der eingestellten Resonanzfrequenz.

73

Günter

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