Rendimento di un amplificatore finale in TX

[I5XUZ]

Caro Paolo

penso che il problema stia nel fatto che stiamo colloquiando per interposta tastiera, se ci trovassimo de visu credo che chiariremmo il tutto in 5 minuti.
Comunque per amore della discussione diciamo che scindiamo il circuito in due parti.
La prima presa in prestito da W8ij e la seconda quella che avevo già postato raffigurante il P greco.

PlateRes1.jpg

L'efficienza di conversione ,come già detto, nasce dal fatto che l'energia accumulata (in forma sinusoidale) sulla resistenza "Tankin" è prodotta da un alimentatore (generatore HV) che alimenta il tubo in cui circola una corrente, il cui angolo di circolazione è <180°, con un andamento che è legato alla forma d'onda di ingresso, ovvero la parte alta del mezzo periodo di una sinusoide.
Il valore medio di tale corrente non è calcolabile se non con uno sviluppo in serie di Fourier e quindi
sono stati tabellati dei valori approssimati che danno il valore medio in funzione del valore dell'angolo di circolazione della corrente (Ip).
La resistenza del tubo varia in continuazione in funzione della forma d'onda in ingresso alla griglia del tubo.( Edoardo lo ha chiamato interruttore )
Ora è chiaro che la resistenza serie del tubo (durante il periodo di circolazione di Ip) è una resistenza (variabile) in serie a quella di source dell'alimentatore.
Quella dell'alimentatore è molto bassa e quindi influisce poco al variare della corrente richiesta,quella del tubo ( che provoca la perdita di dissipazione) è presente solamente quando circola corrente ed è per questo che il rendimento di conversione è alto perchè la corrente è alta quando il voltaggio ai capi del tubo è basso e per il resto del tempo tende a zero o è nulla.
Con i tubi si lavora con resistenze di carico alte e con tensioni di migliaia di volt rispetto ai pochi mA o A di corrente.
Si lavora perciò prevalentemente in tensione e il fatto di avere una resistenza di source dell'alimentatore molto bassa (più la resistenza del tubo variabile) fa sì che si abbia un ottimo trasferimento di tensione (ma non di potenza) verso una resistenza molto alta (Tankin).
Quindi se il disadattamento che tu intendi è inteso tra la resistenza di source dell'alimentatore con in serie la resistenza variabile del tubo verso la resistenza Tankin , concordo in pieno.
Solo che io non lo chiamavo disadattamento di impedenza trattandosi sostanzialmente di un circuito a commutazione dove gli alimentatori hanno per definizione una resistenza bassissima e dove la perdita di
commutazione del tubo è tutto sommato bassa.( da quì il rendimento di conversione alto)
Io pensavo che questo punto fosse chiaro sin dal primo intervento di Edoardo.

pigreco.jpg

Nella seconda parte del circuito che riguarda il pigreco , la metà di sinistra è il circuito risonante tank e la metà di destra l'adattamento al carico.
Questo circuito riflette la resistenza di carico a 50 ohm sul circuito di tank facendo vedere una resistenza di centinaia o migliaia di ohm.
Ha una perdita tutto sommato modesta attorno a un 10-15%.
E' anche quì che è nata un pò di confusione quando io ho postato il disegno del P greco e tu mi hai detto che sarebbe interessante misurare S22 sulla porta di uscita del Pgreco e mi sà che o tu non ti sei spiegato o io ho frainteso (la seconda è più probabile).
Una volta che sulla resistenza Tankin (che altro non è che i 50 ohm del carico riportati al tubo tramite il Pgreco) ,abbiamo un vettore tensione e un vettore corrente sinusoidali, avremo una certa energia RF che verrà sottratta in modo bilanciato per essere inviata al carico, tramite appunto il Pgreco e la ulteriore perdita è solo quella della parte dissipativa dei componenti del Pgreco.
Spero almeno di aver cominciato a chiarire meglio come la vedo io.(il che non significa affatto che sia vero !!!!)
Magari quando ci vediamo a Viareggio ci chiariamo ulteriormente e poi pubblichiamo le conclusioni
(però concordate HI!!!) sul forum.

DINO I5XUZ

[ik5nxd]

Su suggerimento di Paolo ho scaricato un file da internet
in cui viene descritta l'influenza del comando loading nell'accordo del trasmettitore.
Dato che mi è sembrato interessante lo allego alla discussione, l’autore è John Dunn e l’articolo è al seguente link

https://www.edn.com/electronics-blogs/living-analog/4418401/Pi-Network-and--Dipping-the-Final-
L'autore fa tre casi:
uno con il load a 0,cioè il condensatore tutto chiuso nell'esempio 2000pf
uno con il load a metà , condensatore a 1000pf e l'ultimo con il load per il carico ottimale per la massima potenza di uscita, in questo caso 200pf.

Dall'esame dei tre casi si vede come una volta accordato il condensatore di placca l'impedenza che il pigreco fa vedere alla valvola non è costante ma varia da 11255 a 2693 e a 333
logicamente anche la potenza di uscita segue questo e sarà più alta con l'impedenza più bassa.
Come si vede nel grafico del pdf allegato, l’escursione della tensione e della corrente è maggiore con 333 Ohm.
e quindi anche la potenza sarà maggiore.
Vedi anche i grafici che avevo allegato in precedenza.

Per capire come fa il pigreco a trasformare l’impedenza da 50 ad un altro valore, si segue il seguente procedimento, descritto nel libro della TMC “single sideband handbook”
per i valori ho ripreso quelli che ha usato John Dunn nel suo articolo .
Prendiamo il primo caso con 2000pf per il load , 2 uh per la bobina,e 137 pf per il C di plate con una frequenza di 10 Mhz.

pigreco_01.jpg

Partendo dal condensatore di load con in parallelo la resistenza di carico da 50 Ohm, si trasformano da parallelo in serie, è un po’ come trasformare due resistenze da 200 Ohm in parallelo in due da 50 in serie, il risultato non cambia, ai terminali ci sono sempre 100 ohm.
In rete c’è un convertitore apposito a questo link
http://www.daycounter.com/Calculators/Parallel-Series-Imedance-Conversion-Calculator.phtml

pigreco_02.jpg

quindi adesso abbiamo che l’induttanza è in serie con il risultato dell’operazione precedente
si può trasformare ancora la L la R e la C in un circuito parallelo,

pigreco_03.jpg

e vediamo che è rimasta un L da 1,877 uH in parallelo ad una resistenza da 11260 Ohm,
se accordiamo il C di placca alla risonanza le due reattanze si annulleranno e rimarrà solo la resistenza.
Per calcolare il C si può usare questo link:
http://www.claredot.net/it/sez_Elettronica/frequenza_di_risonanza.php
e si vede che con una capacità di 134,9 pF si ottiene la risonanza, confermando quindi i calcoli fatti dall’autore.
La resistenza da 50 Ohm del carico è quindi vista dall’elemento attivo finale come una resistenza da 11260 Ohm.

Questo è un ulteriore conferma che l'amplificatore non lavora su una impedenza caratteristica ma una scelta in maniera , diciamo , arbitraria per la massima potenza /rendimento dell'elemento attivo.
In pratica in questo caso la RL è dettata dalla posizione del comando load , con il quale si può “regolare” la potenza magari per far lavorare in una zona meno stressante per l'elemento attivo.

Dall'articolo però si vedono anche altre cose.
con load 0, il primo caso, variando il C di placca avremo un dip molto pronunciato quando ruotiamo l'accordo di placca.
cosa che diventa più blanda quando diamo load al trasmettitore.
Nel caso specifico inoltre fra load a zero e full la variazione dell'accordo di placca è minima 135 e 138, cosa che avviene anche nei tx reali.

Infatti nel tx ssb della TMC, il GPT-750D2 , per l'accordo il manuale dice di mettere il load a 0 e fare l'accordo del condensatore di placca per il dip della corrente, regolare l'eccitazione per avere circa 150 mA di placca.
Aumentare quindi il load e ritoccare il C di placca.
continuare ad aumentare il load fino a che non si raggiunge la massima potenza con una tensione di pilotaggio di griglia controllo di circa 30 V rf, ed una corrente di placca di 250mA.
Sono necessari solo dei piccoli ritocchi del C di placca per ripristinare l’accordo.
Se si aumenta il load e quindi per ottenere la potenza massima di uscita necessita di un pilotaggio più alto,
nel manuale viene riportato solo che questo può provocare maggiore distorsione sul segnale d’uscita.

Logicamente questo è valido sia in classe A , B e C, cambia solo il rendimento dello stadio finale.
Per il discorso valvola interruttore nel caso di un finale in classe C, anche nel libro citato nel mio precedente intervento
ne fanno cenno, li chiamano power-converter tube.

power_switch.png

dato che sopratutto in classe C il tubo viene mandato in conduzione solo per una piccola parte della semionda la similitudine mi sembra corretta.

[IW5AFV]

Buongiorno,
ritorno sull'argomento ma, visti gli interventi, mi sembra che riscuota scarso interesse per la stragrande maggioranza degli iscritti al Forum, e quindi per non volere essere pedante la chiuderei li.
D'altronde con Andrea ci sentiamo spesso e mi sembra siamo sostanzialmente d'accordo; con Dino ci vedremo a breve, quindi potremo chiarire de visu i nostri punti di vista.
Andrea, il file che hai postato lo aveva suggerito Dino in uno dei suoi primi interventi, e anch'io l'ho trovato utile. Comunque a te va il merito di aver mostrato con semplici passaggi come variando il condensatore di Load cambia la resistenza che il carico presenta alla placca, e con questa la potenza di uscita ed il rendimento.
Per quanto riguarda il tubo "interruttore" il tuo libro conferma quando descritto da Edoardo e ormai condiviso da tutti i partecipanti. Il ruolo di questo interruttore per quanto riguarda il rendimento di CONVERSIONE , dalla DC alla RF è chiaro : tanto più questa resistenza è bassa tanto più alto è il rendimento di CONVERSIONE.
La mia questione, per rispondere a Dino al suo ultimo intervento, e che spero di aver espresso in maniera chiara, era rivolta al problema del rendimento di TRASFERIMENTO: solo in questo caso si applica il principio del massimo trasferimento di energia in condizioni di adattamento. Ora, se si considera che nel trasferimento di energia dalla placca del tubo al carico l'unica resistenza di perdita è quella del pigreco, per me vuol dire che la resistenza del tubo è trascurabile e quindi NON STIAMO LAVORANDO IN CONDIZIONI DI ADATTAMENTO, e per questa ragione il rendimento di trasferimento è molto più alto del 50%.
Per fare un esempio banale è come calcolare il rendimento di trasferimento tra la rete a 220V ed una stufa da 1KW: trascuro la resistenza interna che l'ENEL presenta all'uscita del contatore, e calcolo la perdita in base al valore della resistenza dei fili di collegamento alla stufa (peccato: non sto lavorando in condizioni di adattamento....).
Per chiudere devo dire che questa discussione per me è stata molto utile perchè personalmente ho ottenuto le risposte che cercavo, anche se sono sempre disposto a cambiare opinione.
Paolo

[IK2CNC]

Sono contento della tua soddisfazione Paolo. Andrea ha portato die contributi analitici importanti e materiale su cui riflettere. Io da praticone che sono ho chiaro il concetto che se ho un circuito ben accordato (leggasi Pi-greco con Q intorno a 20 in HF e 50 e oltre n VHF e superiori) avrò il massimo rendimento per quella classe di lavoro (AB1, AB2 e B intorno al 60%) e se avrò un circuito a larga banda (Q inferiore di 10) il rendimento sarà inferiore di 10-15 punti. Parlo sempre di circuiti a valvole.

Carlo

[I5XUZ]

Paolo
dove sintetizzi :

per me vuol dire che la resistenza del tubo è trascurabile e quindi NON STIAMO LAVORANDO IN CONDIZIONI DI ADATTAMENTO

Dagli schemi che abbiamo pubblicato mi chiarisci cosa è la resistenza "del tubo"??
Non mi è chiaro.

Dino I5XUZ

[IZ5TEK]

Ho letto con interesse la discussione in oggetto e vorrei esprimere il mio pensiero per un modesto contributo.
Come è noto si ha il massimo trasferimento di energia fra un generatore avente una resistenza interna RS ed una resistenza di carico RL quando RL=RS. In queste condizioni metà potenza fornita dal generatore è dissipata da RS e l’altra metà da RL ed il rendimento di trasferimento generatore-carico ηT, uguale al rapporto fra la potenza PL fornita al carico e la potenza erogata dal generatore (PS+PL) risulta uguale al 50%. Aumentando la resistenza RL è possibile aumentare il rendimento di trasferimento, a scapito della potenza trasferita ad RL, che rimane massima per RL=RS. Per RL >> RS, ηT approssima il 100%, tutta la potenza fornita dal generatore raggiunge RL, ma il suo valore può essere minore in modo significativo rispetto alla potenza che potrebbe essere trasferita in condizioni di massimo trasferimento di energia o come si dice di adattamento fra generatore e carico.
Negli amplificatori di potenza a radiofrequenza, il rendimento è dato dal rapporto fra la potenza (di segnale) erogata al carico (antenna) e quella (DC) assorbita dall’alimentazione. Per gli amplificatori in classe C questo rendimento può essere espresso come prodotto di due termini uno che tiene conto del rapporto fra la potenza (di segnale) in uscita dallo stadio finale e quella (DC) assorbita dall’alimentazione (rendimento di trasformazione o conversione) l’altro che tiene conto di quanta potenza è trasferita dallo stadio finale al carico (antenna) (rendimento di trasferimento). Per ottenere un rendimento complessivo piuttosto alto, ma anche per altri motivi che riguardano la potenza dissipata dai finali, negli amplificatori in classe C si preferisce ottimizzare il rendimento di trasferimento (indicato sopra con ηT) più che lavorare in condizioni di adattamento per il massimo trasferimento di energia. Da qui le formule che si trovano nei sacri testi che esprimono ηT in funzione dei Q a vuoto e a carico, come quella che si trova nella nota (1) a pag. 258 del Malatesta (http://www.aireradio.org/testi_vecchi/malatesta/14.pdf), dove con i valori scelti per i Q risulta ηT = 0,96, significativamente maggiore dello 0,5 che avremmo scegliendo la condizione di massimo trasferimento di energia.
È evidente che, per la scelta fatta di dare priorità al rendimento di trasferimento, il finale dell’amplificatore lavora in modo disadattato rispetto al carico, per cui dal punto di vista pratico mi sembra di poter concludere che l’impedenza presentata dall’amplificatore alla sua uscita, verso il cavo che alimenta l’antenna, sia in generale diversa dall’impedenza caratteristica del cavo stesso.
Comunque per non avere segnale riflesso, l’impedenza caratteristica del cavo deve essere uguale all’impedenza presentata dall’antenna.

[IK2CNC]

Rossano grazie del tuo contributo. Mi chiariresti il concetto del 50% di rendimento se Rs = Rl ...? Non mi è chiarissimo il concetto. In caso di Zs = Zl , quindi in caso di corrente alternata, ed in caso ideale il rendimento è il 100% = massimo trasferimento energetico. Per questo motivo faccio fatica a trovarmi con quanto da te esposto, ma sicuramente è un mio limite!

Carlo

[ik5nxd]

Ciao Carlo
Dato che siamo alla risonanza ,quindi le componenti reattive si sono annullate, i carichi sono resistivi o giù di lì, quindi i conti si possono fare con le resistenze.
In un precedente post ho messo lo schema di un generatore di tensione G con la sua resistenza interna ri, che rappresenta l'elemento attivo, il carico è la RL.
Facciamo un esempio mantenendo la tensione del generatore a 100V e la sua resistenza interna la supponiamo di 10 Ohm come detto da Paolo.
Facciamo tre esempi con un RL di 100 di 50 e di 10 e di 5 ohm.
con la RL di 100 otteniamo una potenza al carico di 82W
con 50 si ottengono 138W
con 10 la potenza sulla RL diventa 250W
infine con RL di 5 Ohm otteniamo 222W
effettivamente con il carico da 10 ohm si ha più potenza d'uscita.

Vediamo allora la potenza totale, la potremo definire potenza input, anche se in realtà ci sono ulteriori perdite da considerare a seconda della classe di funzionamento:
con RL=100 il generatore deve fornire 90W totali
con RL=50 ne fornisce 166W
con 10Ohm 500W
con 5 Ohm la potenza fornita sale a 666W

I rendimenti nei tre casi saranno
di 82/90= 0,911 91%
138/166= 0,83 83%
250/500= 0,5 50%
222/666= 0,33 33%

Quindi se invece dei 50 Ohm usassimo i 10 Ohm per il carico , usando degli appositi circuiti di accoppiamento per trasformare i nostri 50 in 10 Ohm,
avremo si più potenza in uscita ma dissiperemo 250 W nell'elemento attivo cosa non tanto
economica, ed inoltre si saranno superati i limiti sia di dissipazione che di corrente .
Dall'esempio sopra per ottenere 250W conviene usare due elementi attivi con carico da 50 Ohm, 138 + 138 = 276 W out con una potenza input di 332W
Spero di essere stato chiaro , ma sentiamo se Rossano se ho travisato qualche concetto...

73

[I5XUZ]

Andrea

non concordo sui calcoli.

Messaggio cancellato : i calcoli vanno bene...

DINO I5XUZ

[I5XUZ]

Messaggio annullato.