Rendimento di un amplificatore finale in TX

[IK0QDQ]

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.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Voi cosa ne pensate?
Paolo IW5AFV

Si vede che non mi sono espresso chiaramente. Nei nostri ragionamenti il generatore non è il tubo ma l'alimentatore in cc!!!!!!!! dove abbiamo asserito che la resistenza interna è trascurabile. Se richiedessimo il massimo trasferimento di energia,dovremmo caricare con resistenze bassissime,(semprechè il sistema reale sopporti tali sevizie)
Per cui ci accontentiamo del trasferimento (non massimo) che soddisfa i nostri bisogni. Per umana convenzione definiamo il rendimento in potenza di un amplificatore accordato che lavora in classe "c" come il rapporto tra la potenza dissipata dal tubo e quella irradiata dal carico (supposte trascurabili le varie perdite.) Ovviamente non si lavora in un regime di massimo trasferimento di energia. ma in un sistema dove l'energia è limitata dalla quantità massima di energia che può gestire l'interruttore.
Per fare un esempio al limite, è come se andassi a chiederti perchè l'interruttore della luce e la lampadina non hanno la stessa resistenza!!!!!!!!

Edoardo

[IW5AFV]

Bene, vedo che i partecipanti alla discussione aumentano, e cogitano anche di notte!.
Andrea, ottimo il grafico che hai postato, che esplicita il teorema del trasferimento energetico.
Ugo, può darsi che il concetto di ROS e coefficiente di riflessione sia nato intorno alle linee di trasmissione, ma comunque il coefficiente di riflessione è quello che si misura correntemente con un ponte riflettometrico (come modulo) o con un Network Analyser Vettoriale (VNA, con modulo e fase) sia su un componente a costanti concentrate sia che il suddetto componente sia collegato tramite una linea di trasmissione al misuratore. Specificato con i parametri S usati per i progetti a RF questo sarebbe il parametro S11 per l'ingresso ed S22 per l'uscita del componente.
Nel mio caso avrei misurato lo S22.
Ho letto con interesse l'articolo di EDN che hai suggerito, e che rafforza la mia convinzione che nel trasferimento di potenza dalla valvola al carico non siamo nel massimo della curva postata da Andrea. L'articolo spiega come abbassando il valore del condensatore "Load" del PI la resistenza del carico riportata sulla placca diminuisce, aumentando appunto il carico (questo articolo stimola l'apertura di una nuova discussione proprio sul funzionamento del PI).
Variando il condensatore "Load" cambia la resistenza di carico e di conseguenza la potenza di uscita ed il rendimento, come si vede nel grafico di Andrea. Quindi non si opera in condizioni di adattamento, probabilmente andiamo verso questa condizione quando diminuiamo la capacità del "Load".
Edoardo grazie, con il tuo ultimo post hai confermato la mia supposizione, che avevo scritto nel post di apertura di questa discussione "Come è possibile che si possono ottenere rendimenti complessivi superiori al 50% ? L'unica spiegazione è che il carico NON è adattato all'uscita dell'amplificatore". La tua spiegazione che "Ovviamente non si lavora in un regime di massimo trasferimento di energia, ma in un sistema dove l'energia è limitata dalla quantità massima di energia che può gestire l'interruttore" mi soddisfa in pieno.
A questo punto se non ci sono pareri contrari di altri lettori, si potrebbe passare ad analizzare le conseguenze che questo disadattamento di impedenza "potrebbe" comportare al collegamento tra il finale ed una antenna attraverso la linea di trasmissione.

Paolo

[IK0MOZ]

Tempo fa qualcuno definì il nostro Forum come "Università del surplus", seguendo l'andamento di questa discussione, ora quella definizione mi sembra molto riduttiva..... A bocce ferme, ossia alla fine della discussione, sarebbe magnifico l'emissione di una monografia sull'argomento (multifirma) magari da mettere nel Blog.

[ik5nxd]

Ho dato uno sguardo al seguente libro
“Electronic Circuit and tubes” Cruft Laboratory (Harvard University) 1947
mi ripropongo di rileggere bene tutto il capitolo dopo le feste .

Le parti del libro riportate qui sotto sono riferite al calcolo per amplificatori audio ma comunque il discorso non cambia dato che il quesito riguarda se l’impedenza di carico doveva essere uguale a quella interna dell’elemento attivo.

In pratica il conto della impedenza di uscita viene fatto quasi esclusivamente per via grafica cercando il valore che fornisce le migliori prestazioni sia in termini di potenza che di distorsione, cose che servono anche in RF dato che specialmente nei lineari la distorsione è importante per evitare che i prodotti di intermodulazione superino certi valori.

curve_placca.png

in queste curve sono riportatate tre rette con tre valori di RL per un amplificatore a triodi, da cui si vede che variando l’impedenza varia come previsto anche la potenza d’uscita.
la potenza d'uscita sarà grosso modo data dalla seguente relazione.

pg-398.png

Nella figura sotto invece la potenza in relazione alla RL e la distorsione di seconda armonica.

power_distortion_pg-398.png

Ma il passo che ci interessa di più è il seguente, nel quale si dichiara in maniera esplicita che non si lavora in regime di adattamento di impedenza

Pg-397.png

plate_power_pg-396.png

[ik5nxd]

Per i pentodi invece la RL da usare è circa 10 volte più bassa della Ri:

Rp_pentodes.png

In conclusione la RL non è adattata al tubo ma viene scelto il valore che permette di avere la massima potenza d'uscita con una distorsione ed un rendimento accettabile .
L'adattamento si ottiene, come previsto, variando il valore dei componenti del circuito d'uscita il Pi greco o altro circuito accordato.

resistance_plate.png

[IW5AFV]

Andrea,
il libro che hai trovato sembra la bibbia dei circuiti a valvole! L'ho trovato anch'io su internet e l'ho scaricato: lo consulterò man mano che mi viene qualche dubbio. Riporta proprio la risposta al quesito che mi ero posto. Interessanti anche le considerazioni sulla distorsione.
Ho trovato anch'io un articolo di poche pagine

RF power amplifier efficiency.pdf

relativo più che altro agli amplificatori di potenza allo stato solido che conferma (ai punti 9 e 10) che non si opera in regime di adattamento di impedenza.
A questo punto, tanto per continuare ad esercitare i famosi scarsi neuroni, butto un'altro sassolino nello stagno.
Collego uno di questi amplificatori disadattati, che mettiamo abbia una resistenza di uscita bassa (mettiamo 15 Ohm), ad una antenna attraverso un cavo a coassiale a 50 Ohm molto lungo ( mettiamo 60 metri) e che perde un paio di dB.
L'antenna, che come l'amplificatore lavora in banda 20 metri, ad una frequenza presenta una resistenza di 50 Ohm, ad un'altra invece presenta un ROS di 3:1.
Cosa succede (potenza irradiata, ROS ecc..) quando l'antenna presenta 50 Ohm?
Cosa succede quando l'antenna presenta un ROS di 3:1?

Buon fine anno a tutti
Paolo IW5AFV

[I5XUZ]

Scusate se intervengo ancora ma continuo a non essere d'accordo con l'affermazione che" NON SI OPERA IN REGIME DI ADATTAMENTO DI IMPEDENZA".
L'efficienza di placca di un amplificatore in classe C è dovuta principalmente al fatto che l'angolo di circolazione della corrente è meno di 180° ed è quasi sempre nulla eccettuato quando la tensione placca-catodo scende al suo valore più basso ai capi del tubo , il tutto seguendo l'andamento della forma d'onda del pilotaggio.
Quindi la resistenza serie del tubo varia al variare della forma d'onda del pilotaggio , ma la resistenza di placca rs non è la resistenza del tubo.
L'energia fornita al circuito di tank fa sì che ci siano una corrente e una tensione che scorrono anche quando non c'è circolazione di corrente nel tubo, e il rapporto tra la tensione e la corrente ai capi del tank" E' LA RESISTENZA DI PLACCA " su cui si genera l'energia RF sinusoidale.
Questa energia viene prelevata e con un adattamento di impedenza applicata al carico (antenna o carico fittizio).
Anche quando il carico è perfettamente adattato tramite il pigreco per il massimo trasferimento di energia il rendimento supera il 50%.
Tutte le misurazioni fatte indicano perfetto adattamento tra il carico e il circuito di adattamento.
Il sistema per misurare l'impedenza dell'amplificatore alla porta di uscita non è alla portata di tutti e per i circuiti a transistor il misurare il parametro S22 con piccoli segnali (con VNA e simili) non da risultati coerenti perchè i parametri S per piccoli segnali e per grandi segnali non coincidono, e (in classe C) misurando il parametro S22 quando non circola corrente nel transistor falsa il risultato.
Ho scoperto ,ricercando in rete ,che W8JI ha fatto delle misure con metodi appropriati (LOAD PULL) è ha trovato esattamente quello che ho sempre constatato di cui ero convinto da sempre e che dovrebbe rispondere al quesito iniziale di Paolo.

Leggetevi al link: https://www.w8ji.com/Vacuum_tube_amps.htm

le sue considerazioni che sono perfettamente esposte anche con circuiti che schematizzano bene la situazione specialmente nel paragrafo "EFFICIENCY".
Da parte mia ho sempre calcolato l'efficienza di un amplificatore in classe C come il prodotto di due fattori.

Np= F1xF2 come valore decimale

F1 è il rapporto Epm/Ebb dove

Epm è il valore della tensione di picco di placca del segnale sinusoidale.
Ebb e la tensione DC di alimentazione di placca.

F2 è ricavato da un grafico che in funzione del coseno dell'angolo di circolazione della corrente
da un valore che và da 0,7 (per 115°) a 0,99 per 10°.

Il maggiore contributo numerico viene dal secondo fattore dato che F1 ha sempre valori prossimi a 1.

Con Paolo poi ci vediamo a Viareggio e continueremo a discutere de visu.

Dino I5XUZ

[IW1FQG]

Supponiamo per una attimo che uno stadio finale venga dimensionato non rispettando l'adattamento energetico ma, nella speranza (illusione?) di ottimizzare il rendimento, con una resistenza di uscita molto bassa.
Che senso avrebbe, in tali condizioni, cercare di avere VSWR = 1?
VWSR (ROS) = 1 implica che l'impedenza di uscita del TX è pari al coniugato dell'impedenza del carico. Caso particolare, come ben sappiamo, se la componente reattiva è nulla si ha che la resistenza di uscita del TX è pari alla resistenza del carico. Siamo quindi in condizioni di adattamento energetico, di qui non si scappa.

ciao
Ugo IW1FQG

[IK0MOZ]

Bene adesso ogni volta che spingo il tasto o PTT vado in ansia.... mi sembra di vedere il segnale che entra nei singoli elementi, va e viene con alterna fortuna e alla fine qualcosa riesce ad uscire e pure ad andare in antenna......
Interessante il link segnalato da Dino/XUZ dove W8JI con un linguaggio tutto sommato semplice spiega il funzionamento dello stadio. Vi immaginate una simile discussione su 707x ???

[IW5AFV]

Buongiorno.
Dino, e, se ho capito bene anche Ugo, affermano che l’amplificatore opera in condizioni di massimo trasferimento di energia, con la resistenza del carico uguale a quella del amplificatore (parliamo sempre di resistenze e non di impedenze perché il concetto che in condizioni di risonanza le componenti reattive si annullano non viene messo in discussione da nessuno dei partecipanti)
Nessuno mette in dubbio (tranne W8JI) che però in condizioni di adattamento il rendimento di trasferimento sia del 50%.
Basandomi su questo assunto, io ho supposto che per ottenere un rendimento globale (rendimento di conversione per il rendimento di trasferimento ) superiore al 50% NON bisogna lavorare in condizioni di adattamento.
Provo a chiarire con un esempio: devo progettare un amplificatore da 100W per un trasmettitore CW in classe C e devo scegliere il tubo o il semiconduttore che fa al caso mio.
Ho a disposizione due componenti: uno che ha una resistenza interna di 50 Ohm, uguale a quella del carico, ed uno che ha una resistenza interna di 10 Ohm. Quale dei due è conveniente utilizzare?
Siccome si tratta di elementi resistivi, si può calcolare potenza e rendimento come se si lavorasse in corrente continua, come ha fatto Andrea nel grafico prodotto nel suo primo intervento. Il circuito è quello di Andrea dove si vede il generatore di tensione, e le due resistenze, Ri ed Rl in serie.
Per fornire una potenza di 100W ad un carico Rl da 50 Ohm bisogna che nel carico scorra una corrente di circa 1.41A. L’amplificatore che ha una resistenza interna da 50Ohm, e quindi lavora in condizioni di adattamento, deve generare una tensione di 141V per far scorrere 1.41A nella serie delle due resistenze. Quindi deve generare 200W ; 100W vengono dissipati all’interno dell’amplificatore con un rendimento del 50% .
L’amplificatore che ha una resistenza interna di 10 Ohm, e quindi NON lavora in condizioni di adattamento, deve generare una tensione di 84.6V per far scorrere 1.41A nella serie delle due resistenze. Quindi deve generare circa 120W; 20W vengono dissipati all’interno dell’amplificatore con un rendimento del 83%.
Se voi foste il progettista, quale dei due componenti scegliereste?
Per quale ragione il progettista dovrebbe bruciare potenza creando tra l’altro problemi di smaltimento del calore e prediligere la condizione di adattamento?

Ho letto l’ottimo articolo di W8JI, ma non concordo proprio sul paragrafo della Efficiency. Come può stare in piedi la frase “Despite being a 50 Ohm source, efficiency was around 50%!” Allora non sta in piedi il principio del massimo trasferimento di energia! Avrà fatto bene le sue misure?
Il problema forse è che non è chiaro quale sia la resistenza di uscita dell’amplificatore, e di conseguenza quale sia la resistenza di adattamento.
Io penso che sia quella dell’ “interruttore “ che Edoardo ha efficacemente descritto nel suo ultimo post.
Tra l’altro è l’unica resistenza attiva che dipende dal tubo, le altre dipendono solo dal circuito di accordo.
Tanto minore è questa resistenza tanto maggiore è il rendimento di CONVERSIONE tra l’alimentatore e la RF generata dall’amplificatore, e su questo non ci piove.
Questa resistenza dovrebbe essere considerata anche nel calcolo del rendimento di TRASFERIMENTO tra l’amplificatore ed il carico, e anche in questo caso tanto minore è tanto maggiore è il rendimento.
Ma se questo trasferimento si dovesse fare in condizioni di adattamento allora si che ci piove…
Il costruttore del tubo /semiconduttore NON specifica la impedenza di uscita del componente, ma quella che deve essere presentata dal carico all’uscita del tubo /semiconduttore per ottenere la potenza ed il rendimento specificati nelle condizioni di lavoro, fregandosene della condizione di adattamento.
E per chiudere cito quanto riportato al punto 9 dell’articolo che ho postato : “For power amplifiers, the source impedance is rarely 50 Ohm as that would limit the efficiency of the amplifier to 50% before other losses reduces this value further”
Paolo IW5AFV