¿Cómo es posible tener un transmisor de 5 W que maneja 50 ohmios con un suministro de 12 V?

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Entonces, supongamos que tiene un circuito, que genera una onda portadora a alguna frecuencia (digamos 27MHz) y está conectado a una carga ficticia de 50 ohmios (que, según creo, es equivalente a una antena para fines de análisis de circuitos). Y está alimentado por una fuente de alimentación regulada de 12V.

Entonces, imagine que la onda portadora es de 12 voltios pico-pico, que es 4.242 voltios RMS. Según la fórmula $P = (V_{rms})^2/R$ , esto proporciona una potencia de salida de aproximadamente 0.36W. Incluso sin tener en cuenta la potencia promedio, 12V a 50 es 2.88W. Y el pico de la forma de onda es en realidad 6V, y a 50 ohmios eso es solo 0.72W. $\Omega$

¿Cómo entonces los circuitos como estos tienen una salida de 5W o más con una fuente de alimentación de 12V (más o menos voltios)?

http://www.rason.org/Projects/transmit/transmit.pdf (Este informa que cuando se construyó, la salida era realmente superior a 7W)
http://www.radanpro.com/Radan2400/Transmitter/5-Watt%20Transmitter%20by%20SM0VPO.htm

Si quisieras un promedio de 5W de una carga de 50 ohmios, necesitarías un voltaje pico-pico de casi 45V. ¡Para 100 W, necesitaría una señal de 200 V pico a pico! De alguna manera dudo que la gente esté alimentando sus radios con tan altos voltajes.

Lo que no entiendo es cómo se obtiene más potencia de un circuito con una carga fija y un voltaje de suministro fijo . Incluso si su amplificador puede entregar 100A, I = V / R; Con un suministro de 12V, la ley de Ohm dice que incluso en el pico, solo entregará 0.12A, con la carga disipando 0.72W.

Creo que de alguna manera se podría usar un transformador elevador para aumentar el voltaje al nivel necesario, intercambiando corriente en el primario por voltaje en el secundario, pero ninguno de los circuitos anteriores hace esto. Aparte de eso, todas las redes de correspondencia de impedancia en el mundo no van a obtener más voltaje a través de esa carga.

Todo lo que expliqué puede estar mal, y es por eso que lo expliqué. Por favor, ayúdame a resolver mis malentendidos conceptuales :)

rf antenna impedance transmitter

— Frogging101
fuente

¿Qué crees que realmente hace la correspondencia de impedancia? No hay mecanismo de pérdida en una red reactiva y Zout> Zin, por ejemplo ...

— Spehro Pefhany

@SpehroPefhany Sin embargo, tampoco hay ganancia en dicha red. Incluso una combinación perfecta sin pérdidas no aumentará el voltaje (y, por lo tanto, la potencia) a través de la carga.

— Frogging101

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Sin ganancia de potencia. Si la salida Z es mayor que la entrada Z, entonces el voltaje de salida debe ser mayor para la misma potencia, ¿verdad? Conservacion de energia. Piensa en la resonancia.

— Spehro Pefhany

De hecho, uno de esos circuitos TIENE un transformador elevador si lo miras bien ...

— Brian Drummond el

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La clave de todo esto es la "coincidencia de impedancias". Necesita el amplificador para pensar que está impulsando una baja impedancia (por lo que puede generar mucha corriente desde el suministro de 5 V y, por lo tanto, generar mucha potencia). Entonces "mágicamente" necesita transformar esas corrientes para conducir 50 ohmios a un voltaje mucho más alto.

Esto se hace con una red de adaptación de impedancia. Cuando escriba las ecuaciones que gobiernan la red, debe mirar (a la frecuencia de interés, estas cosas deben ajustarse para que funcionen) como una baja impedancia en la entrada y una alta (50 ohmios) en la salida.

Hay muchas maneras de lograr la coincidencia de impedancia: si su impedancia de entrada es de 5 ohmios y desea hacer coincidir una impedancia de salida de 50 ohmios a 27 MHz, puede usar un circuito LC simple

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

que "calculé" usando http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html e ingresando los parámetros apropiados.

Lo que sucede aquí es que la tensión alterna en la fuente (con impedancia R1) conduce la corriente al circuito LC resonante. Debido a que estos son conmutadores en serie, se ven como una baja impedancia, pero en realidad los cambios de voltaje que se pueden lograr en la salida son muy altos, mucho más altos que los voltajes de entrada. Al escribir la impedancia de C1 como Z1 (= 1 / jwC) y la impedancia de L1 como Z2 (jwL), verá que se pueden combinar:

R1 y Z1 en serie: R2 y Z2 en paralelo: $X_1 = R_1 + Z_1$
$X_2 = R_2 * Z_2 / (R_2 + Z_2)$

Ahora el voltaje de entrada está dividido, entonces el voltaje de salida es

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

\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}

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

Ahora el término imaginario en la parte inferior se cancela cuando

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

o

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

Si R1 es cero y $\omega = \sqrt{\frac{1}{LC}}$

El enlace anterior le ofrece muchos circuitos alternativos que harán lo mismo, pero en última instancia, para un transmisor eficiente, desea tener una impedancia real a la frecuencia de interés (sin reflexión), y el circuito de adaptación lo logra para usted, casi cualquier impedancia (con los valores correctos de los componentes, por supuesto).

— Floris
fuente

Le agradecería mucho, si pudiera explicarlo con más profundidad, cómo un circuito LC (o cualquier circuito resonante) puede lograr lo que está diciendo. Si el voltaje a través de R1 es de 12V, ¿no significa eso que el voltaje de salida (a través de R2) sería el mismo? Lo siento, simplemente no lo entiendo. Entiendo cómo se puede usar un transformador para la correspondencia de impedancias, pero esto ...

— Golaž

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@ Golaž Traté de explicarlo un poco más. Este es un tema enorme: solo google "circuito de coincidencia de impedancia" y atiborrarse de la sabiduría de Internet ...

— Floris

1

Golaz, es bien sabido que un circuito resonante "amplifica" una señal. Independientemente de cuál sea el voltaje en R1, la pregunta importante es ¿cuál es el voltaje en R2? Este voltaje se genera a través de L1. Piense en esto como el inductor que se "bombea" en el momento adecuado para generar oscilaciones de voltaje mucho mayores. Por lo tanto, tener oscilaciones de voltaje de 45v pp (o más grandes) a través de la carga, ¡no debería ser sorprendente!

— Guill

Una vez que llegue a la última parte de su simplificación (donde el término imaginario en el denominador se cancela), ¿puede mostrar cómo se calcula VOUT a partir de VIN usando la expresión restante? No estoy seguro de cómo manejar la j en el numerador.

— buceo

2

Si observa cualquiera de esos esquemas, hay inductores por todas partes. Hay muchas formas de generar voltajes más altos sin usar un transformador. De hecho, mire una bobina de chispa usada en automóviles. Usted genera enormes voltajes acumulando corriente y luego interrumpiéndola, y ese dispositivo es "sin transformador". Estos circuitos funcionan de diferentes maneras, pero la idea central de un aumento de voltaje con un cambio en la corriente se aplica a ambos. El "micro poderoso" (primer enlace) resuena con condensador acoplado a la cadena "Pi" y "T". El diseño de Lythal (segundo enlace) también es resonante, pero con un transformador, incluso señala que no debe usar una bala de ferrita (que tiene pérdidas) y amortiguaría la resonancia.

— marcador de posición
fuente

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La impedancia de salida del transistor del controlador puede ser bastante baja. Por lo tanto, el amplificador de RF puede consumir mucha corriente. Digamos medio amplificador, a 12V que sería alrededor de 6 vatios. Eso parece 24 ohmios. Luego, pase por un transformador para igualar eso hasta 50 ohmios en la antena. El voltaje es más alto, la corriente es más baja, pero la potencia sigue siendo la misma.

— gbarry
fuente

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Sí, la baja impedancia y un transformador de adaptación de RF son comunes para equipos portátiles en la era del estado sólido. En la era del tubo, generar un raíl de suministro de 800v no era raro.

— Chris Stratton el

Se me ocurrió que uno podría mantener una fuente de alimentación de refuerzo por delante de todo, pero parecía que lo que se me ocurrió sería más directo y menos partes. Y sí, crecí con vibradores y luego con transistores de conmutación de germanio.

— gbarry

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En primer lugar, sus cálculos de voltaje son incorrectos. Con el suministro de 12V a través de un transformador o inductor, el voltaje del punto medio es de 12VDC y el voltaje máximo es de 24Vpp. Por lo tanto, en realidad podría producir 4 veces más potencia a 50Ω de lo que calculaste.

Tienes razón en que para poner una onda sinusoidal de 5W rms en 50Ω necesitas casi 45vpp. Si la salida final del amplificador es de solo 24 Vpp, entonces necesita un transformador elevador u otro circuito de adaptación de impedancia sin pérdidas. Para aumentar el voltaje, la impedancia de salida solo tiene que ser mayor que la impedancia de entrada.

— Bruce Abbott
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