Как можно получить передатчик мощностью 5 Вт с сопротивлением 50 Ом и напряжением 12 В?

13

Допустим, у вас есть схема, которая генерирует несущую волну на некоторой частоте (скажем, 27 МГц), и она подключена к фиктивной нагрузке 50 Ом (которую я собираю эквивалентно антенне для анализа цепи). И он питается от регулируемого источника питания 12 В.

Итак, представьте, что несущая волна имеет пик 12 вольт, что составляет 4,242 вольт RMS. Согласно формуле , это дает выходную мощность около 0,36 Вт. Даже несмотря на среднюю мощность, 12 В на 50 Ом составляет 2,88 Вт. И пик сигнала на самом деле составляет 6 В, а при 50 Ом это всего 0,72 Вт.Ωпзнак равно(Врмs)2/рΩ

Как тогда работают такие цепи, как эти, мощностью 5 Вт или более с источником питания 12 В (дать или взять несколько вольт)?

Если вы хотите в среднем 5 Вт из нагрузки 50 Ом, вам потребуется пиковое пиковое напряжение почти 45 В. Для 100 Вт вам понадобится сигнал с пиковым напряжением 200 В! Почему-то я сомневаюсь, что люди питают свои радиостанции с таким высоким напряжением.

Что я не понимаю, так это то, как можно получить больше энергии от цепи с фиксированной нагрузкой и фиксированным напряжением питания. Даже если ваш усилитель может выдавать 100А, I = V / R; Согласно закону Ома, при напряжении 12 В, даже на пике он будет выдавать только 0,12 А при нагрузке, рассеивающей 0,72 Вт.

Я думаю, что можно каким-то образом использовать повышающий трансформатор для увеличения напряжения до необходимого уровня, обменивая ток на первичной обмотке на напряжение на вторичной обмотке, но ни одна из вышеуказанных цепей не делает этого. Кроме того, все сети с согласованием импедансов в мире не помогут вам увеличить напряжение в этой нагрузке.

Все, что я объяснил, вполне может быть неправильным, и именно поэтому я объяснил это. Пожалуйста, помогите мне разобраться в моих концептуальных недоразумениях :)

Frogging101
источник
Как вы думаете, что такое согласование импеданса? В реактивной сети нет механизма потерь, и Zout> Zin, скажем ...
Spehro Pefhany
@SpehroPefhany В такой сети тоже нет выгоды. Даже идеально согласование без потерь не увеличит напряжение (и, следовательно, мощность) на нагрузке.
Frogging101
3
Нет прироста мощности. Если выход Z выше, чем вход Z, то выходное напряжение должно быть выше для той же мощности, верно? Сохранение энергии. Подумайте резонанс.
Спехро Пефхани
Действительно, у одной из этих цепей есть повышающий трансформатор, если вы посмотрите на него правильно ...
Брайан Драммонд,

Ответы:

12

Ключом ко всему этому является «согласование импеданса». Вам нужен усилитель, чтобы думать, что он управляет низким импедансом (поэтому он может подавать большое количество тока от источника 5 В и, таким образом, генерировать много энергии). Затем вам нужно «волшебным образом» преобразовать эти токи, чтобы получить 50 Ом при гораздо более высоком напряжении.

Это делается с помощью сети согласования импедансов. Когда вы записываете уравнения, управляющие сетью, она должна выглядеть (на интересующей частоте - эти вещи должны быть настроены для работы) как низкий импеданс на входе и высокий (50 Ом) импеданс на выходе.

Есть много способов достичь согласования импедансов: если ваш входной импеданс составляет 5 Ом, и вы хотите согласовать с выходным импедансом 50 Ом при 27 МГц, вы можете использовать простую схему LC

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

который я "вычислил", используя http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html и введя соответствующие параметры.

Здесь происходит то, что переменное напряжение на источнике (с полным сопротивлением R1) направляет ток в резонансную цепь LC. Поскольку они последовательно соединены, они выглядят как низкий импеданс, но в действительности колебания напряжения, которые могут быть достигнуты на выходе, очень велики - намного выше, чем входные напряжения. Записав импеданс C1 как Z1 (= 1 / jwC) и импеданс L1 как Z2 (jwL), вы видите, что они могут быть объединены:

R1 и Z1 последовательно: R2 и Z2 параллельно:X 2 = R 2Z 2 / ( R 2 + Z 2 )X1=R1+Z1
X2=R2Z2/(R2+Z2)

Теперь входное напряжение делится, поэтому выходное напряжение

ВоUT/ВяNзнак равноИкс2/(Икс1+Икс2)

знак равно(р2*JωL)(р2+JωL)(р1+1JωС+р2*JωLр2+JωL)знак равнор2*JωL(р1+1JωС)(р2+JωL)+р2*JωLзнак равнор2*JωLр1р2+J(р1ωL-р2ωС)-LС)+р2*JωLзнак равнор2*JωLр1р2-LС+J(р1ωL-р2ωС+р2ωL)

Теперь мнимый термин внизу отменяется, когда

р1ωLзнак равнор2(ωL-1ωС)

или

р1р2знак равно1-1ω2LС

Если R1 равен нулю и , вы можете подавать практически любое напряжение в R2, даже не создавая напряжения на входе - потому что ваш ток через C1 идеально согласован с током, протекающим в L1. Но эти изменения тока генерируют напряжение на L1 и, следовательно, на R2. Все это связано с тем фактом, что последовательная цепь LC выглядит как резонанс с гораздо меньшим сопротивлением - напряжение на конце изменяется меньше, чем напряжение в точке между L и C.ωзнак равно1LС

Приведенная выше ссылка дает вам множество альтернативных цепей, которые будут делать то же самое - но в конечном итоге для эффективного передатчика вы хотите иметь реальный импеданс на интересующей частоте (без отражения) - и схема согласования достигает этого для вас, почти любой импеданс (с правильными значениями компонентов, конечно).

Floris
источник
Я был бы очень благодарен, если бы вы могли объяснить более подробно, как схема LC (или любой резонансный контур) может достичь того, что вы говорите. Если напряжение на R1 составляет 12 В, значит ли это, что выходное напряжение (на R2) будет одинаковым? Извините, я просто не понимаю. Я понимаю, как преобразователь может быть использован для сопоставления импеданса, но это ...
Golaž
1
@ Golaž Я попытался объяснить это немного больше. Это огромная тема - просто Google "схема согласования импедансов" и сосредоточиться на мудрости Интернета ...
Floris
1
Голаз, хорошо известно, что резонансный контур «усиливает» сигнал. Независимо от того, какое напряжение на R1, важный вопрос - какое напряжение на R2? Это напряжение генерируется через L1. Думайте об этом как об "накачке" индуктора в нужное время, чтобы генерировать намного большие колебания напряжения. Таким образом, наличие перепада напряжения 45 В на (или более) поперек нагрузки не должно удивлять!
Guill
Когда вы дойдете до последней части своего упрощения (где мнимый термин в знаменателе сокращается), можете ли вы показать, как VOUT рассчитывается из VIN с использованием оставшегося выражения? Не уверен, как обращаться с J в числителе.
подводное плавание
2

Если вы посмотрите на любую из этих схем, повсюду есть индукторы. Существует много способов получения более высоких напряжений без использования трансформатора. Действительно, посмотрите на катушку зажигания, используемую в автомобилях. Вы генерируете огромное напряжение, накапливая ток и затем прерывая его, и это устройство «без трансформатора». Эти схемы работают по-разному, но основная идея повышения напряжения с изменением тока относится к обоим. «Могучий микрофон» (первое звено) резонирует с конденсаторами, соединенными цепью «Пи» и «Т». Конструкция Lythal (второе звено) также является резонансной, но с трансформатором она даже отмечает, что не следует использовать ферритовую пробку (которая с потерями) и может ослабить резонанс.

заполнитель
источник
2

Выходное сопротивление транзистора драйвера может быть довольно низким. Таким образом, усилитель RF может потреблять много тока. Скажем, половина усилителя, при 12 В, это будет около 6 Вт. Это выглядит как 24 Ом. Затем пройдите трансформатор, чтобы согласовать это до 50 Ом на антенне. Напряжение выше, ток ниже, но мощность все та же.

gbarry
источник
1
Да, низкий импеданс и РЧ согласующий трансформатор - обычное явление для переносных устройств в эпоху твердого тела. В эру ламп не было ничего необычного в том, чтобы генерировать шину питания 800 В или около того.
Крис Страттон,
Мне пришло в голову, что перед всем этим можно поставить импульсный источник питания, но казалось, что то, что я придумал, будет более прямым и меньшим количеством деталей. И да, я вырос на вибраторах, а затем на германиевых транзисторах.
gbarry
0

Во-первых, ваши расчеты напряжения неверны. При питании 12 В через трансформатор или индуктор напряжение средней точки составляет 12 В постоянного тока, а максимальное колебание напряжения составляет 24 В пост. Таким образом, он мог бы производить в 4 раза больше энергии при 50 Ом, чем вы рассчитывали.

Вы правы, что для ввода синусоидальной волны 5 Вт в 50 Ом вам нужно почти 45 ВПП. Если конечный выход усилителя составляет только 24 В, то вам необходим повышающий трансформатор или другая схема согласования полного сопротивления без потерь. Чтобы увеличить напряжение, выходное сопротивление просто должно быть выше, чем входное сопротивление.

Брюс Эбботт
источник