Wie ist es möglich, einen 5-W-Sender mit einer 12-V-Versorgung zu betreiben, der 50 Ohm antreibt?

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Nehmen wir an, Sie haben eine Schaltung, die eine Trägerwelle mit einer bestimmten Frequenz (z. B. 27 MHz) erzeugt und an eine 50-Ohm-Scheinlast angeschlossen ist (die meiner Meinung nach einer Antenne für Schaltungsanalysezwecke entspricht). Die Stromversorgung erfolgt über ein geregeltes 12-V-Netzteil.

Stellen Sie sich vor, die Trägerwelle beträgt 12 Volt Spitze-Spitze, was 4,242 Volt RMS entspricht. Nach der Formel ergibt dies eine Leistung von etwa 0.36W. Selbst ohneBerücksichtigung derdurchschnittlichen Leistungbeträgt12 V bei 50 2,88 W. Und die Spitze der Wellenform beträgt tatsächlich 6 V und bei 50 Ohm sind das nur 0,72 W. $P = (V_{rms})^2/R$ $\Omega$

Wie können dann Schaltungen wie diese mit einer Leistung von 5 W oder mehr mit einer 12 V-Stromversorgung (einige Volt geben oder nehmen) betrieben werden?

http://www.rason.org/Projects/transmit/transmit.pdf (Dieser Bericht berichtet, dass die Leistung beim Erstellen tatsächlich über 7 W lag.)
http://www.radanpro.com/Radan2400/Transmitter/5-Watt%20Transmitter%20by%20SM0VPO.htm

Wenn Sie eine durchschnittliche Leistung von 5 W bei einer Last von 50 Ohm wünschen, benötigen Sie eine Spitzenspannung von fast 45 V. Für 100 W benötigen Sie ein Signal von 200 V Spitze zu Spitze! Irgendwie bezweifle ich, dass die Leute ihre Funkgeräte mit so hohen Spannungen betreiben.

Was ich nicht verstehe, ist, wie man mehr Leistung aus einem Stromkreis mit fester Last und fester Leistung herausholt Versorgungsspannung herausholt. Selbst wenn Ihr Verstärker 100 A liefern kann , ist I = V / R; Bei einer 12-V-Versorgung gibt das Ohmsche Gesetz an, dass selbst in Spitzenzeiten nur 0,12 A bei einer Verlustleistung von 0,72 W abgegeben werden.

Ich denke, man könnte irgendwie einen Aufwärtstransformator verwenden, um die Spannung auf den erforderlichen Pegel zu erhöhen, wobei Strom auf der Primärseite gegen Spannung auf der Sekundärseite getauscht wird, aber keiner der obigen Schaltkreise tut dies. Abgesehen davon werden alle Impedanzanpassungsnetzwerke der Welt nicht mehr Spannung über diese Last bringen.

Alles, was ich erklärt habe, ist möglicherweise falsch, und deshalb habe ich es erklärt. Bitte helfen Sie mir, meine konzeptuellen Missverständnisse auszuräumen :)

rf antenna impedance transmitter

— Frogging101
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Was macht Ihrer Meinung nach die Impedanzanpassung wirklich? In einem reaktiven Netzwerk gibt es keinen Verlustmechanismus, und sagen

— wir Zout

@SpehroPefhany Auch in einem solchen Netzwerk gibt es keinen Vorteil. Selbst eine absolut verlustfreie Anpassung erhöht die Spannung (und damit die Leistung) an der Last nicht.

— Frogging101

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Kein Stromgewinn. Ist der Ausgang Z höher als der Eingang Z, muss die Ausgangsspannung bei gleicher Leistung höher sein, oder? Energieeinsparung. Resonanz denken.

— Spehro Pefhany

In der Tat hat eine dieser Schaltungen einen Aufwärtstransformator, wenn Sie es richtig sehen ...

— Brian Drummond

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Der Schlüssel zu all dem ist "Impedanzanpassung". Sie müssen den Verstärker so einstellen, dass er eine niedrige Impedanz antreibt (damit er viel Strom aus der 5-V-Versorgung beziehen und somit viel Strom erzeugen kann). Dann müssen Sie diese Ströme "magisch" transformieren, um 50 Ohm mit einer viel höheren Spannung zu betreiben.

Dies geschieht mit einem Impedanzanpassungsnetzwerk. Wenn Sie die Gleichungen aufschreiben, die das Netzwerk regeln, muss es (bei der Frequenz von Interesse - diese Dinge müssen so abgestimmt sein, dass sie funktionieren) wie eine niedrige Impedanz am Eingang und eine hohe Impedanz (50 Ohm) am Ausgang aussehen.

Es gibt viele Möglichkeiten, eine Impedanzanpassung zu erzielen: Wenn Ihre Eingangsimpedanz 5 Ohm beträgt und Sie eine Anpassung auf eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm bei 27 MHz vornehmen möchten, können Sie eine einfache LC-Schaltung verwenden

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

was ich mit http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html "berechnet" habe und die entsprechenden Parameter eingebe.

Was hier passiert, ist, dass die Wechselspannung an der Quelle (mit der Impedanz R1) Strom in den Resonanz-LC-Kreis treibt. Da diese in Reihe geschaltet sind, sehen sie wie eine niedrige Impedanz aus - aber in Wirklichkeit sind die am Ausgang erzielbaren Spannungsschwankungen sehr hoch - viel höher als die Eingangsspannungen. Wenn Sie die Impedanz von C1 als Z1 (= 1 / jwC) und die Impedanz von L1 als Z2 (jwL) schreiben, sehen Sie, dass sie kombiniert werden können:

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

Jetzt wird die Eingangsspannung geteilt, also die Ausgangsspannung

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

\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}

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

Jetzt bricht der imaginäre Ausdruck im unteren Bereich ab, wenn

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

oder

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

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

Über den obigen Link erhalten Sie viele alternative Schaltkreise, die das Gleiche tun - aber letztendlich möchten Sie für einen effizienten Sender eine echte Impedanz bei der interessierenden Frequenz (keine Reflexion) haben - und der Anpassungsschaltkreis erreicht dies fast für Sie jede Impedanz (natürlich mit den richtigen Werten der Komponenten).

— Floris
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Ich wäre sehr dankbar, wenn Sie uns näher erläutern könnten, wie ein LC-Schaltkreis (oder ein beliebiger Resonanzkreis) das erreichen kann, was Sie sagen. Wenn die Spannung an R1 12 V beträgt, würde das nicht bedeuten, dass die Ausgangsspannung (an R2) gleich ist? Es tut mir leid, ich verstehe es einfach nicht. Ich verstehe, wie ein Transformator für die Impedanzanpassung verwendet werden kann, aber dies ...

— Golaž

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@Golaž Ich habe versucht, es ein bisschen mehr zu erklären. Dies ist ein riesiges Thema - googeln Sie einfach "Impedance Matching Circuit" und machen Sie sich mit der Weisheit des Internets vertraut ...

— Floris

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Golaz, es ist bekannt, dass ein Resonanzkreis ein Signal "verstärkt". Unabhängig davon, wie hoch die Spannung an R1 ist, ist die wichtige Frage, wie hoch die Spannung an R2 ist. Diese Spannung wird an L1 erzeugt. Stellen Sie sich dies vor, als würde der Induktor zum richtigen Zeitpunkt "gepumpt", um viel größere Spannungsschwankungen zu erzeugen. Daher sollte es nicht verwunderlich sein, Spannungsschwankungen von 45 V pp (oder mehr) über der Last zu haben!

— Guill

Wenn Sie den letzten Teil Ihrer Vereinfachung erreicht haben (wo der imaginäre Term im Nenner wegfällt), können Sie dann zeigen, wie VOUT aus der VIN unter Verwendung des verbleibenden Ausdrucks berechnet wird? Ich bin mir nicht sicher, wie ich mit dem j im Zähler umgehen soll.

— Tauchen

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Wenn Sie sich eines dieser Schemata ansehen, gibt es überall Induktivitäten. Es gibt viele Möglichkeiten, höhere Spannungen ohne Transformator zu erzeugen. Sehen Sie sich in der Tat eine Zündspule an, die in Autos verwendet wird. Sie erzeugen große Spannungen, indem Sie Strom aufbauen und ihn dann unterbrechen, und dieses Gerät ist "transformatorlos". Diese Schaltungen arbeiten auf unterschiedliche Weise, aber die Kernidee einer Spannungserhöhung mit einer Änderung des Stroms gilt für beide. Das "mächtige Mikrophon" (erstes Glied) schwingt mit der kondensatorgekoppelten "Pi" - und "T" -Kette mit. Das Lythal-Design (zweite Verbindung) ist ebenfalls resonant, aber mit einem Transformator wird sogar darauf hingewiesen, dass kein Ferritblock (der verlustbehaftet ist) verwendet wird und die Resonanz dämpfen würde.

— Platzhalter
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Die Ausgangsimpedanz des Treibertransistors kann ziemlich niedrig sein. Der HF-Verstärker kann also viel Strom ziehen. Nehmen wir an, ein halber Amp bei 12 V wäre ungefähr 6 Watt. Das sieht aus wie 24 Ohm. Führen Sie dann einen Transformator durch, um diesen auf 50 Ohm an der Antenne abzustimmen. Die Spannung ist höher, der Strom ist niedriger, aber die Leistung bleibt gleich.

— Gbarry
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Ja, in der Festkörper-Ära sind niederohmige Geräte und ein HF-Anpassungstransformator üblich. In der Röhrenzeit war es keine Seltenheit, eine Versorgungsschiene mit etwa 800 V zu erzeugen.

— Chris Stratton

Mir kam der Gedanke, dass man dem Ganzen ein Boost-Netzteil vorausschicken könnte, aber es schien, als wäre das, was ich mir ausgedacht hatte, direkter und weniger Teile. Und ja, ich bin mit Vibratoren und dann mit Germanium-Schalttransistoren aufgewachsen.

— Gbarry

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Zunächst einmal sind Ihre Spannungsberechnungen falsch. Bei einer 12-V-Versorgung über einen Transformator oder eine Induktivität beträgt die Mittelpunktspannung 12 VDC und der maximale Spannungshub 24 Vss. Es könnte also tatsächlich 4-mal mehr Leistung bei 50 Ω erzeugen als Sie berechnet haben.

Sie haben Recht, dass Sie fast 45 Vss benötigen, um eine 5-W-RMS-Sinuswelle auf 50 Ω zu bringen. Wenn der Endverstärkerausgang nur 24 Vss beträgt, benötigen Sie einen Aufwärtstransformator oder eine andere verlustfreie Impedanzanpassungsschaltung. Um die Spannung zu erhöhen, muss die Ausgangsimpedanz nur höher sein als die Eingangsimpedanz.

— Bruce Abbott
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