Rendimento di un amplificatore finale in TX

[IZ5TEK]

Andrea ha fatto degli esempi numerici pertinenti e chiari.
Cercherò di riprendere in modo più esauriente i concetti di massimo trasferimento di energia e di rendimento di trasferimento.

La condizione di massimo trasferimento di energia (o di potenza) da un generatore al suo carico ed il rendimento di trasferimento dell’energia (sempre da un generatore al suo carico) sono due concetti diversi.

Per entrambi i casi si fa riferimento ad un generatore di tensione che ha una resistenza interna RS e ad un carico di resistenza RL. In generale bisognerebbe considerare anche le parti reattive e quindi parlare di impedenze e non di resistenze. La scelta di considerare solo la parte resistiva può giustificarsi considerando che nello specifico della nostra discussione i circuiti sono alla risonanza (o prossimi a tale condizione) per cui le parti reattive possono considerarsi nulle. Un altro motivo è quello che stiamo parlando di concetti e per arrivare in modo diretto al concetto, senza perdersi in altri ragionamenti, ci concediamo la semplificazione di considerare solo le parti resistive.

Condizione di massimo trasferimento di energia.
È possibile arrivare alla condizione di massimo trasferimento di energia cercando il massimo della curva che esprime la potenza trasferita dal generatore (con resistenza interna RS) alla resistenza di carico RL al variare della stessa resistenza di carico RL (grafici che ha postato Andrea nel suo intervento del 22-12-2017). In corrispondenza del massimo della curva si trova RL=RS, ovvero si trova che per essere nella condizione di massimo trasferimento di energia occorre che la resistenza di carico RL sia uguale alla resistenza interna RS del generatore.
In questa condizione, se VS è il valore efficace della tensione a vuoto ai morsetti del generatore, le potenze che interessano il circuito sono:
- P=VS2/(RS+RL), erogata dal generatore;
- PS=[VS/(RS+RL)]2∙RS, dissipata dalla resistenza RS;
- PL=[VS/(RS+RL)]2∙RL, utilizzata dalla resistenza RL.

Per RL=RS, condizioni di massimo trasferimento di energia, risulta PS=PL e P=2PS=2PL.

Rendimento di trasferimento dell’energia.
Il rendimento di trasferimento dell’energia (indicato con ηT nel mio intervento precedente) è definito come rapporto fra l’energia fornita alla resistenza di carico RL e l’energia erogata dal generatore.
L’energia che non è fornita al carico è energia persa, per cui l’ideale è un rendimento di trasferimento del 100%. In questo caso tutta l’energia fornita dal generatore è energia utile.
Un esempio banale in cui il rendimento di trasferimento è uguale al 100% si ha nelle utenze alimentate dalla rete elettrica pubblica. In questo caso ηT = 100%, perché, come si dice, la rete è prevalente e la resistenza RS del generatore può considerarsi nulla.
Diversamente, se la resistenza RS non è nulla ηT è, comunque, minore del 100%.
Nel caso particolare di un generatore collegato ad un carico per il massimo trasferimento di energia ηT risulta uguale al 50%, perché solo metà dell’energia erogata dal generatore (quella assorbita da RL) può essere considerata energia utile. L’altra metà (quella dissipata da RS) è energia persa, spesa per rendere massima la potenza fornita alla resistenza di carico RL.
Per aumentare ηT occorre aumentare RL, ma in questo modo ci allontaniamo dalla condizione di massimo trasferimento di energia e da questo punto di vista, quanto più ci avviciniamo alla condizione ηT = 100% tanto più si ha una riduzione dell’energia trasferita ad RL. (Perché questo sia più chiaro basta ricordare che la potenza assorbita da RL è uguale al prodotto del valore di RL per quello della corrente che la attraversa elevata al quadrato. All’aumentare di RL, la corrente che la attraversa e quindi la potenza che assorbe diminuisce.)


In alcune applicazioni come negli amplificatori RF in classe C considerati in questa discussione non è conveniente adattare i finali dell’amplificatore all’antenna per il massimo trasferimento di potenza perché avremmo un valore basso del rendimento di trasferimento che risulterebbe uguale al 50%.

Per evitare questa condizione che, per le alte potenze in gioco, danneggerebbe in modo irrimediabile gli stadi finali dell’amplificatore che dovrebbero in grado di dissipare una potenza uguale alla potenza trasmessa e abbasserebbe il rendimento complessivo dell’amplificatore si trova più conveniente adattare i finali alla resistenza dell’antenna per un valore del rendimento di trasferimento prossimo al 90%, rinunciando ad ottenere un livello della potenza trasferita all’antenna uguale a quello che avremmo nel caso di massimo trasferimento di energia.

[I5XUZ]

Andrea

non credo di avere equivocato:"HO PROPRIO SBAGLIATO!!!!!"

E ovviamente chiedo scusa ad Andrea per primo e a tutti gli altri.
I conti di Andrea tornano e anche i miei, solamente che quanto ho illustrato vale "solo" come definizione di massima potenza erogabile al carico in condizioni di adattamento.
Nel caso di resistenza RL molto bassa come nel caso illustrato da Andrea non ci sono dubbi che le potenze calcolate sono giuste.
Basta applicare la legge di OHM e anche un asino come me lo capisce.
Mi ha solamente fuorviato la definizione di :MASSIMA POTENZA EROGABILE DAL GENERATORE che riportano i sacri testi e che è veramente fuorviante.

E sì che nella mia vita ne ho fatti di cortocircuiti !!!!!

Scusate ancora

DINO I5XUZ

[ik5nxd]

ciao Dino
nessun problema, di cortocircuiti ne abbiamo fatti tutti in tutti i sensi
si in effetti può trarre in inganno la definizione di potenza erogabile dal generatore,
infatti sarebbe meglio definirla come potenza fornita al carico.
Quindi oramai si può dare per certo che nei finali, tubi o transistor, la "resistenza" interna è molto più bassa della
"resistenza" di carico, e che è una scelta obbligata per avere un rendimento totale decente.

Ora però c'è da risolvere il quesito che ha posto Paolo e che è la conseguenza di tutti i discorsi fatti:
dato che la linea da una parte è terminata su 10 ohm e l'altra sull'antenna, cosa succede con le onde stazionarie?

73

[IK0QDQ]

Andrea,
non ho capito se la tua ultima domanda è una provocazione, oppure se è il "botto " di fine anno !!!!!!!

Tanti Auguri

Edoardo

[IZ5TEK]

Ciao a tutti, per continuare le riflessioni sull’argomento provo a dare il mio contributo.
Secondo me se la linea di trasmissione ed antenna sono adattati (impedenza caratteristica dell’antenna e quella dell’antenna uguali) la potenza in arrivo dall’amplificatore è completamente assorbita dall’antenna. La potenza riflessa è nulla e con essa sono nulle le onde stazionarie, in definitiva, nel caso ideale considerato, il ROS è 1:1.

[IK2CNC]

L'argomento in effetti era il rendimento di un amplificatore.

Seguendo il ragionamento di Andrea il caso è concentrato nel generatore (in questo caso di RF) che è il componente attivo dell'amplificatore. Un generatore ideale che ha un rendimento pari ad 1 (100%) è quello che ha una resistenza interna pari a 0. Viene quindi naturale dire che il rendimento dell'amplificatore dipende, appunto da una catena di rendimenti:

a) rendimento del tubo/semiconduttore che invece ha una sua resistenza interna
b) rendimento dei componenti passivi, condensatori, induttanze e resistenze (vere o dei conduttori)
c) rendimento della parte alimentatrice

Ovviamente il tutto è molto semplicistico ma credo di non essermi allontanato troppo dal nocciolo...!

Carlo