Come è possibile avere un trasmettitore da 5 W che guida 50 ohm con un'alimentazione a 12 V?

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Supponiamo quindi che tu abbia un circuito, che genera un'onda portante a una certa frequenza (diciamo 27 MHz) ed è collegato a un carico fittizio di 50 ohm (che raccolgo equivale a un'antenna per scopi di analisi del circuito). Ed è alimentato da un alimentatore regolato a 12V.

Quindi immagina che l'onda portante sia di 12 volt picco-picco, che è 4.242 volt RMS. Secondo la formula $P = (V_{rms})^2/R$ , ciò fornisce una potenza in uscita di circa 0,36 W. Anche trascurando la potenza media, 12V in 50 è 2,88 W. E il picco della forma d'onda è in realtà 6 V, e a 50 ohm è solo 0,72 W. $\Omega$

In che modo quindi circuiti come questi output da 5 W o più con un alimentatore da 12V (danno o prendono qualche volt)?

http://www.rason.org/Projects/transmit/transmit.pdf (Questo riporta che quando costruito l'output era effettivamente superiore a 7 W)
http://www.radanpro.com/Radan2400/Transmitter/5-Watt%20Transmitter%20by%20SM0VPO.htm

Se volevi una media di 5 W su un carico di 50 ohm, avresti bisogno di una tensione di picco-picco di quasi 45 V. Per 100 W, avresti bisogno di un segnale da 200 V picco a picco! In qualche modo dubito che le persone stiano alimentando le loro radio con tensioni così elevate.

Quello che non capisco è come si ottiene più potenza da un circuito con un carico fisso e una tensione di alimentazione fissa . Anche se l'amplificatore può fornire 100A, I = V / R; Con un'alimentazione a 12V, la legge di Ohm afferma che anche al picco, fornirà solo 0,12 A, con il carico che dissipa 0,72 W.

Penso che si possa in qualche modo usare un trasformatore step-up per aumentare la tensione al livello necessario, scambiando corrente sul primario con tensione sul secondario, ma nessuno dei circuiti sopra lo fa. A parte questo, tutte le reti di adattamento di impedenza nel mondo non ti daranno più tensione attraverso quel carico.

Tutto ciò che ho spiegato potrebbe anche essere sbagliato, ed è per questo che l'ho spiegato. Per favore, aiutami a risolvere i miei equivoci concettuali :)

rf antenna impedance transmitter

— Frogging101
fonte

Cosa pensi che faccia realmente la corrispondenza dell'impedenza? Non esiste un meccanismo di perdita in una rete reattiva e Zout> Zin, diciamo ...

— Spehro Pefhany,

@SpehroPefhany Tuttavia non c'è alcun vantaggio in una tale rete. Anche una corrispondenza perfettamente senza perdita non aumenta la tensione (e quindi la potenza) attraverso il carico.

— Frogging101

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Nessun guadagno di potenza. Se l'uscita Z è superiore all'ingresso Z, la tensione di uscita deve essere superiore per la stessa potenza, giusto? Conservazione dell'energia. Pensa alla risonanza.

— Spehro Pefhany,

In effetti uno di quei circuiti ha un trasformatore step-up se lo guardi bene ...

— Brian Drummond,

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La chiave di tutto ciò è la "corrispondenza dell'impedenza". È necessario che l'amplificatore pensi che stia guidando una bassa impedenza (quindi può generare molta corrente dall'alimentazione a 5 V e quindi generare molta potenza). Quindi "magicamente" devi trasformare quelle correnti per pilotare 50 ohm a una tensione molto più alta.

Questo viene fatto con una rete di adattamento dell'impedenza. Quando si annotano le equazioni che governano la rete, è necessario guardare (alla frequenza di interesse - queste cose devono essere sintonizzate per funzionare) come una bassa impedenza all'ingresso e un'alta impedenza (50 ohm) all'uscita.

Esistono molti modi per ottenere la corrispondenza dell'impedenza: se l'impedenza di ingresso è 5 ohm e si desidera abbinare un'impedenza di uscita di 50 ohm a 27 MHz, è possibile utilizzare un semplice circuito LC

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

che ho "calcolato" utilizzando http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html e inserendo i parametri appropriati.

Quello che succede qui è che la tensione alternata sulla sorgente (con impedenza R1) guida la corrente nel circuito LC risonante. Poiché questi sono commutati in serie, sembrano una bassa impedenza - ma in realtà le oscillazioni di tensione che possono essere ottenute in uscita sono molto elevate - molto più alte delle tensioni di ingresso. Scrivendo l'impedenza di C1 come Z1 (= 1 / jwC) e l'impedenza di L1 come Z2 (jwL), vedi che possono essere combinati:

$X_1 = R_1 + Z_1$
$X_2 = R_2 * Z_2 / (R_2 + Z_2)$

Ora la tensione di ingresso è divisa, quindi la tensione di uscita è

$V_{out}/V_{in} = X_2 / (X_1 + X_2)$

\begin{aligned} = \frac{(R_{2} * j ω L)}{(R_{2} + j ω L) (R_{1} + \frac{1}{j ω C} + \frac{R_{2} * j ω L}{R_{2} + j ω L})} \\ = \frac{R_{2} * j ω L}{(R_{1} + \frac{1}{j ω C}) (R_{2} + j ω L) + R_{2} * j ω L} \\ = \frac{R_{2} * j ω L}{R_{1} R_{2} + j (R_{1} ω L - \frac{R_{2}}{ω C}) - \frac{L}{C}) + R_{2} * j ω L} \\ = \frac{R_{2} * j ω L}{R_{1} R_{2} - \frac{L}{C} + j (R_{1} ω L - \frac{R_{2}}{ω C} + R_{2} ω L)} \end{aligned}

$\begin{align} &= \frac{(R_2 * j \omega L)}{(R_2 + j \omega L) (R_1 + \frac{1}{j \omega C} + \frac{R_2 * j \omega L}{R_2 + j \omega L})}\\ &= \frac{R_2 * j \omega L} {(R_1 + \frac{1}{j \omega C})(R_2 + j \omega L) + R_2 * j \omega L}\\ &= \frac{R_2 * j \omega L}{R_1R_2 + j(R_1 \omega L - \frac{R_2}{\omega C}) - \frac{L}{C}) + R_2 * j \omega L}\\ &= \frac{R_2 * j \omega L}{R_1R_2 - \frac{L}{C} + j(R_1\omega L - \frac{R_2}{\omega C} + R_2 \omega L)}\\ \end{align}$

Ora il termine immaginario in fondo annulla quando

$R_1 \omega L = R_2 (\omega L - \frac{1}{\omega C})$

o

$\frac{R_1}{R_2} = 1 - \frac{1}{\omega ^2 LC}$

$\omega = \sqrt{\frac{1}{LC}}$

Il link sopra ti dà molti circuiti alternativi che faranno la stessa cosa - ma alla fine per un trasmettitore efficiente vuoi avere un'impedenza reale alla frequenza di interesse (nessuna riflessione) - e il circuito di adattamento lo raggiunge per te, quasi qualsiasi impedenza (con i giusti valori dei componenti, ovviamente).

— Floris
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Sarei davvero grato, se potessi spiegarlo in modo più approfondito, come un circuito LC (o qualsiasi circuito risonante) possa realizzare ciò che stai dicendo. Se la tensione attraverso R1 è 12V, ciò non significherebbe che la tensione di uscita (attraverso R2) sarebbe la stessa? Mi dispiace, non capisco. Capisco, come si può usare un trasformatore per l'adattamento

— dell'impedenza

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@ Golaž ho provato a spiegarlo un po 'di più. Questo è un argomento enorme: basta "google" circuito di adattamento dell'impedenza "e concentrati sulla saggezza di Internet ...

— Floris,

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Golaz, è risaputo che un circuito risonante "amplifica" un segnale. Indipendentemente da quale sia la tensione attraverso R1, la domanda importante è: qual è la tensione attraverso R2? Questa tensione viene generata attraverso L1. Pensa a questo come l'induttore viene "pompato" al momento giusto per generare oscillazioni di tensione molto maggiori. Quindi, avendo oscillazioni di tensione di 45v pp (o più grandi) attraverso il carico, non dovrebbe sorprendere!

— Guill

Una volta arrivato all'ultima parte della tua semplificazione (in cui il termine immaginario nel denominatore si annulla) puoi mostrare come VOUT viene calcolato da VIN usando l'espressione rimanente? Non sono sicuro di come gestire la j nel numeratore.

— scuba

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Se osservi uno di questi schemi ci sono induttori dappertutto. Esistono molti modi per generare tensioni più elevate senza utilizzare un trasformatore. In effetti, guarda una bobina usata nelle automobili. Generi enormi tensioni accumulando corrente e quindi interrompendola, e quel dispositivo è "senza trasformatore". Questi circuiti funzionano in modi diversi, ma l'idea di base di un aumento di tensione con un cambiamento di corrente si applica a entrambi. Il "potente microfono" (primo anello) risuona con condensatore accoppiato "Pi" e catena "T". Anche il design Lythal (secondo collegamento) è risonante, ma con un trasformatore, nota anche di non usare una lumaca di ferrite (che è in perdita) e smorzerebbe la risonanza.

— segnaposto
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L'impedenza di uscita del transistor del driver può essere piuttosto bassa. Quindi l'amplificatore RF può assorbire molta corrente. Di 'mezzo amplificatore, a 12V, che sarebbe di circa 6 watt. Sembra 24 ohm. Quindi, passa attraverso un trasformatore per abbinare fino a 50 ohm sull'antenna. La tensione è più alta, la corrente è più bassa, ma la potenza è sempre la stessa.

— gbarry
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Sì, bassa impedenza e un trasformatore di adattamento RF sono comuni per dispositivi portatili nell'era a stato solido. Nell'era del tubo, la generazione di circa 800 V circa non era rara.

— Chris Stratton,

Mi è venuto in mente che si potrebbe sostenere un potenziamento dell'alimentazione prima di tutto, ma mi è sembrato che quello che ho inventato sarebbe stato più diretto e meno parti. E sì, sono cresciuto con vibratori e poi transistor a commutazione di germanio.

— Gbarry,

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Prima di tutto, i calcoli della tensione sono sbagliati. Con l'alimentazione a 12V che passa attraverso un trasformatore o un induttore, la tensione del punto medio è di 12VDC e l'oscillazione della tensione massima è di 24Vpp. Quindi potrebbe effettivamente produrre 4 volte più potenza a 50 Ω di quanto calcolato.

Hai ragione a dire che per inserire un'onda sinusoidale da 5 W rms in 50Ω hai bisogno di quasi 45vpp. Se l'uscita dell'amplificatore finale è solo 24 Vpp, è necessario un trasformatore step-up o un altro circuito di adattamento a impedenza senza perdite. Per aumentare la tensione, l'impedenza di uscita deve essere superiore all'impedenza di ingresso.

— Bruce Abbott
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