Rendimento di un amplificatore finale in TX

[IW5AFV]

Buonasera, vorrei avrei il vostro parere sul rendimento degli amplificatori di potenza a RF.
Gli amplificatori di potenza (a valvole o a semiconduttori) utilizzati nei trasmettitori HF – VHF – UHF hanno un rendimento che nel funzionamento in classe B può superare il 50%, ed in classe C anche il 70%.
Questo rendimento, specificato dal costruttore, rappresenta il rapporto tra la potenza RF fornita al carico (all’antenna) e la potenza fornita dall’alimentatore.
In qualche caso il costruttore definisce il rendimento sommando alla potenza dell’alimentatore la potenza RF fornita dal driver.
In ogni caso questo è un rendimento complessivo, che è il prodotto del rendimento di conversione per il rendimento di trasferimento energetico.
Per conversione si intende l’azione della valvola o del semiconduttore che utilizza la tensione e la corrente fornita dall’alimentatore per generare la tensione e la corrente RF disponibile sulla placca o sul collettore/drain. Il rendimento di conversione varia con la classe di funzionamento dell’amplificatore: nella classe A non può superare il 50% teorico, nelle classi AB, B e C aumenta progressivamente fino a raggiungere il 100% (sempre in teoria, in pratica in classe C non si arriva al 80%).

Per trasferimento energetico si intende il trasferimento della potenza RF dalla placca/ collettore/ drain al carico.

Ora è noto che il massimo trasferimento di energia tra un generatore ed un carico si ottiene quando la resistenza del carico è uguale a quella del generatore (adattamento di impedenza); però in queste condizioni il rendimento di trasferimento energetico è il 50% : metà potenza viene dissipata nella resistenza interna del generatore e metà va sul carico.
Ma in queste condizioni non si potrà mai ottenere un rendimento complessivo superiore al 50% nemmeno lavorando in classe C.
Come è possibile allora che invece si possono ottenere rendimenti complessivi superiori al 50% ? L’unica spiegazione è che il carico NON è adattato all’uscita dell’amplificatore.

Ho fatto una ricerca abbastanza approfondita su questo argomento, in particolar modo spulciando le application notes della Motorola e qualche testo sugli amplificatori di potenza RF a semiconduttori, e non ho trovato una spiegazione.

Voi cosa ne pensate?
Paolo IW5AFV

[IK2CNC]

Ciao a tutti. Dal mio punto di vista il rendimento di un amplificatore Lineare è il rapporto tra la potenza in uscita e quella in ingresso, per ingresso si può valutare se quella consumata dalla rete (incluso quindi il rendimento di un alimentatore) oppure quella di alimentazione dell'amplificatore fine a se stesso.

Detto questo per amplificatori a valvole si misura la potenza direttamente all'uscita del circuito accordato dopo la placca, nel caso di quelli a stato solido dopo la batteria dei filtri di banda.

Da parte mia, parlando di sperimentazione pura, ho notato che gli amplificatori in classe B, AB1 e AB2 hanno un rendimento intorno al 55-60% (rapporto tra potenza in uscita e alimentazione anodica) per i Valvolari e non più del 50% per quelli a stato solido (sempre uscita dopo i filtri e potenza alimentazione allo stadio finale).

Per la classe C non ho fatto misure in quanto, a parte i TX AM di vecchia data, recentemente non si utilizzano amplificatori in tale classe. Almeno da parte mia.

Grazie per lo stimolo!

Carlo

[IW5AFV]

Buonasera Carlo,
concordo con la tu spiegazione e sui valori del rendimento.
La mia domanda però era diversa, forse non mi sono spiegato bene.
Per ottenere un rendimento complessivo, che come hai spiegato anche tu è dato dal rapporto tra la potenza di uscita e quella fornita dall'alimentatore, superiore al 50%, bisogna che l'impedenza di uscita del trasmettitore sia diversa da quella del carico (in sostanza deve essere minore). Questa è la mia convinzione alla quale non ho trovato una risposta sulla letteratura.
Cioè cercavo una frase del tipo : "negli amplificatori RF per aumentare il rendimento e ridurre la potenza dissipata l'impedenza del carico è diversa da quella di uscita dell'amplificatore".
Questa frase non l'ho trovata, quindi rimango con il dubbio se la mia convinzione sia corretta.
Paolo

[IK0QDQ]

Il problema è di banale soluzione. Basta rendersi conto di cosa si sta affermando. I vari circuiti oscillanti , serbatoio di placca e adattatore di impedenza di antenna, svolgono proprio questa funzione.
Mentre gli amplificatori di potenza (o di segnale in classe A o B ( e classi miste derivate) hanno una relazione tra segnale di ingresso ed il segale di uscita, nella classe "C" bisogna tener presente il diverso funzionamento del circuito oscillante di placca che diventa il vero generatore del segnale. Il tubo (od il semiconduttore) non conducono per tutto il periodo del segnale di ingresso ma solo per una piccola frazione di quest'ultimo.
A questo punto il circuito equivalente può semplicemente essere schematizzato con l'alimentatore che fornisce una certa tensione CC, un interruttore (che quando chiude non ha resistenza nulla) ed il circuito oscillante con tutti e tre gli elementi che compongono l'impedenza) come carico.
A questo punto bisogna cominciare a fare delle considerazioni pratiche: gli alimentatori hanno resistenze interne molto piccole ma comunque non possono fornire la corrente massima che provocherebbe il dimenzzamento della tensione di uscita!!!! In generale i circuiti risonanti (almeno quelli costituiti da elementi discreti, per le bande di nostro interesse) quando correttamente caricati, hanno fattori di merito di circa 10.
A questo punto l'alimentatore diventa un alimentatore ideale (la potenza dissipata al suo interno è almeno uno o due ordini di grandezza inferire a quella in gioco.)
Noti i valori dei parametri, con semplici passaggi matematici, si calcolano i valori di un circuito equivalente RLC che rappresenta ciò che l'alimentatore" vede" in serie alla valvola. Alla risonanza la L e la C si compensano e quello che l'alinentatore vede è la resistenza equivalente del tubo e la resistenza equivalente del circuito risonante.
Questi conti non si possono più fare come se si lavorasse in continua, perchè bisogna tener presente che stiamo lavorando in un regime impulsivo.
Comunque per chi si volesse divertire i conti (in alcuni casi in maniera semplificata) li trova su tutti i testi sacri, dal F.E. Terman, al Malatesta, al Vallauti, al Montù ecc. ecc.
Riassumendo: gli alimentatori di alta tensione (soprattutto quelli moderni) hanno resistenze interne che li fanno assomigliare a generatori ideali. I circuiti risonanti hanno la capacità di adattare le impedenze con perdite trascutabili. L'unica perdita apprezzabile è quella del tubo interruttore.
Il rendimento sarà quindi dato dal rapporto tra la potenza sul carico (antenna) e la potenza di alimentazione in CC
Se vogliamo considerare quella assorbita dalla rete, scenderà di qualche punto percentuale, per le perdite nell'alimentatore. Nei casi pratici, più la potenza è piccola più il rendimento è basso. Con una 807 superano di poco rendimenti del 50%. Già all'ordine del Kwatt (push-pull di 813) si arriva a rendimenti del 70% che possono ancora salire con l'aumentare della potenza.

Edoardo

[IW5AFV]

Buongiorno Edoardo, ho letto con interesse il tuo contributo, con cui concordo, ma per sciogliere i miei dubbi avrei bisogno di chiarire un punto fondamentale.
Nella tua risposta tu dici: “Alla risonanza la L e la C si compensano e quello che l’alimentatore vede è la resistenza del tubo e la resistenza equivalente del circuito risonante “ e più avanti: “l’unica perdita apprezzabile è quella del tubo interruttore”
Sono d’accordo: ma la “resistenza del tubo” dovrebbe essere la resistenza interna del generatore RF, che entra in gioco quando si calcola il rendimento di trasferimento. E qui ritorno al punto: se per ottenere il massimo trasferimento di energia tra la placca della valvola ed il carico bisogna che la resistenza del carico riportata sulla placca sia UGUALE alla resistenza del tubo , il rendimento di trasferimento sarebbe del 50%, e quello complessivo 40% al massimo.
Ora il Malatesta che è stato il mio libro di Radiotecnica all’ITI, e che rimane un caposaldo della mia limitata istruzione, quando descrive (cap 13) quello che hai sintetizzato molto bene nella tua risposta , nel calcolo del rendimento di trasferimento NON tiene conto della resistenza del tubo, ma solo della resistenza di perdita del circuito di accordo. Infatti lo lega al rapporto tra il Q scarico ed il Q carico. In pratica calcola la perdita di un circuito risonante passivo.
E’ possibile che la resistenza del tubo sia trascurabile di fronte a quella di perdita del circuito di accordo?
E’ possibile che della ” perdita del tubo interruttore “ ne venga tenuto conto solo nel rendimento di conversione?
Purtroppo non ho potuto consultare gli altri testi che tu hai citato, che probabilmente sono più esaustivi .
Se trovi qualcosa, ti sarei grato me ne pubblicassi un’estratto.
In ogni caso il tuo intervento, e quello precedente di Carlo rafforzano la mia convinzione che nel trasferimento tra la placca ed il carico non siamo in condizioni di massimo trasferimento di energia, ma si opera in una condizione di compromesso per ottenere un rendimento accettabile.
Detto in altre parole, se riuscissi a misurare il ROS dell’amplificatore, entrando dalla parte del carico (cosa alquanto problematica per un amplificatore che non lavora in classe A) leggerei un ROS superiore a 2:1.
Con un ROS di 3:1 Il rendimento di trasferimento sarebbe intorno al 75%.
Forse vi sto tediando con un argomento che probabilmente è di scarso interesse, ma penso che alla mia età convenga stimolare i pochi neuroni che mi rimangono.
Avanti con altri interventi!
Paolo

[I5XUZ]

Il quesito per come è stato posto da Paolo è stimolante, ma temo di non avere ancora ben compreso i termini del problema e per questo chiedo scusa in anticipo.
Quello che hanno scritto Carlo e Edoardo è sacrosanto.
Tanto per fare un esempio chiaro prima di lanciarci in dimostrazioni matematiche e magari fuori luogo, prendiamo il circuito di adattamento a pigreco tra la placca del tubo e il carico.

pigreco.jpg

La domanda che faccio io è : il disadattamento (ROS) di cui parli dove lo individui?
Perchè mi è difficile parlare di ROS in mancanza di una linea di trasmissione.
Magari dopo la tua risposta capirò meglio che cosa intendi e potrò analizzare il problema del bilancio energetico dal tuo punto di vista.


Dino I5XUZ

[I5XUZ]

Scusate non ho allegato la foto del pi greco

pigreco.jpg

[IW5AFV]

Buonasera Dino,
hai ragione, parlare di ROS forse non è corretto, meglio sarebbe parlare di coefficiente di riflessione, ma comunque il concetto non cambia. Io intendevo la misura del ROS che normalmente si fa con un ponte riflettometrico, entrando al posto del carico sullo schema che tu hai postato. Se il ponte misura ad esempio un coefficiente di riflessione di 0.5 questo su una linea di trasmissione produrrebbe un ROS di 3:1.
Mettiamo il caso classico che il carico sia 50 Ohm. La misura con il ponte servirebbe a verificare se la resistenza del generatore (in questo caso il tubo amplificatore) trasformata dal PI è anch'essa 50 Ohm. Se si misura un coefficiente di riflessione inferiore a 0.1 che equivale ad un ROS di 1.2:1, allora vuol dire che la resistenza del generatore è circa 50 Ohm e siamo in condizioni di adattamento. Se si misura un coefficiente di riflessione di 0.5 vuol dire che la resistenza del generatore
è circa 17 Ohm ( o 150 Ohm) e quindi come affermo io non c'è adattamento di impedenza tra il tubo ed il carico.
(Purtroppo questa misura non la vedo fattibile con un amplificatore che non lavora in classe A, ma serve a chiarire, spero, il concetto).

Paolo IW5AFV

[ik5nxd]

uno schema semplificato di un finale.
L'elemento attivo di questo si può semplificare con un generatore di tensione G con una resistenza in serie ( ri) messi nel riquadro tratteggiato,
all'esterno una resistenza di carico RL .

circuito.jpg

RL può essere l'impedenza del Pi greco o l'ingresso dei filtri di banda.
Avevo letto su un libro che la resistenza di carico deve essere più alta di quella interna all'elemento attivo, ma prima voglio ritrovare questo capitolo e rileggerlo.
Comunque ho fatto dei grafici usando un foglio elettronico e queste sono le curve ottenute.

curve_potenza.jpg

per dare dei valori ho messo che il generatore da 100V
la resistenza di carico è 50 ohm,
Rv e la resistenza variabile per ottenere i grafici , da 1 a 7000 ohm e che è nell'asse X.
i grafici sono ottenuti variando la resistenza di carico o quella interna.
in particolare le formule sono le seguenti:
potenza totale: P = 100*100/(RL + Rv)
rendimento ; (RL/ (RL +Rv) *100
potenza al carico : (100/(Rv+RL))*(100/(Rv+RL))*RL
potenza trasferita: 100/(50+Rv)*100/(50+Rv)*Rv in questo caso ho posto la ri del generatore a 50ohm.
Dai grafici si vede che la RL deve essere maggiore della resistenza interna dell'elemento attivo per avere un rendimento totale accettabile.
Comunque ritornerò sull'argomento non appena letto il famoso capitolo.

73

[I5XUZ]

Continuo a non capire perchè (per definizione) il coefficiente di riflessione o il ROS sono legati alla presenza di una linea di trasmissione in quanto trattasi di circuiti a costanti distribuite, ma prima di ogni ulteriore considerazione cerca su Google "Pi-Network and "Dipping the Final".
Il circuito equivalente con l'esempio numerico e il grafico della retta di carico del tubo sono molto esplicativi.
Eventualmente approfondiamo,così ci teniamo in esercizio visto che in quanto a calo di neuroni
da queste parti non scherziamo

Dino I5XUZ