impedenza uscita amplificatore

[Franco Balestrazzi]

Stavo facendo alcune prove con il mio FT101ZD per misurare la potenza di uscita. Con il carrier al MAX la Pout oscillava dai 90 ai 120W dai 10 ai 40 metri. Tutto a posto. Ho poi ridotto il carrier facendogli erogare solo 30W e non ho toccato altro. A questo punto ho notato che il dip di corrente sulla placca era in posizione diversa da prima e quindi ho ritoccato i comandi PLATE e LOAD e ho notato che ho dovuto spostarli dalla posizione precedente. Perche' ?. Lo stadio di uscita del trasmettitore e' pensato e progettato per erogare 100W e quindi se riducendo il pilotaggio lo induci ad erogare 30W cambia la R di uscita dello stadio finale prima del pigreco che deve necessariamente essere riaccordato per il nuovo max trasferimento di energia. Di fatto il pigreco e' un trasformatore di impedenza che adatta la R di uscita alla R =50 OHm. Se non si ritara il pigreco per la nuova condizione di potenza di uscita ridotta allora lo stadio finale lavora disadattato. Nel mio caso si ha P=V^2/R e cioe' 100W=300^2/R dove 300 e la tensione di alimentazione dello stadio finale, e R e' la resistenza di uscita, allora R=V^2/P e cioe' R=300^2/100= 900 OHm. Se riduco il carrier in modo da ottenere 30W in uscita senza toccare altro allora la R risultera'  R=300^2/30=3000 OHm, ben maggiori dei 900 di prima ed ecco perche' devo riaccordare il PLATE e il TUNE. Mi e' venuto in aiuto quanto scritto da ix1ixg su un altro forum in relazione agli amplificatori allo stato solido e che riporto di seguito.
Se questo tipo di discorso lo riporto su un amplificatore allo stato solido, tanto di moda oggigiorno, la situazione e' la stessa solo con la complicazione che non ho un PIGRECO variabile in uscita per riadattarne la R.
Vediamo un esempio.
Supponiamo di avere un amplificatore che ha uno stadio finale push-pull pensato e progettato per erogare 500W con una tensione di alimentazione di 50V. Allora la R di uscita sara' R=((50^2)/500)*2=10 OHm.
Ho moltiplicato per 2 questa volta perche' e' in configurazione push-pull.
Allora bastera' un trasformatore di impedenza in uscita 5:1 perche' tutta la energia sia trasferita al carico 50 OHm (non considero perdite e quant'altro).
Siamo a posto, nessun problema, ma se mi viene lo sfizio di abbassare il pilotaggio in ingresso in modo da fargli erogare solo 200W che succede ?. Lo vediamo subito : R= R=((50^2)/200)*2=25 OHm e quindi servirebbe un trasformatore di impedenza 2:1, ma ne e' montato uno da 5:1 e quindi lo stadio finale lavora disadattato. Pertanto dove va a finire la potenza che non viene erogata a causa del disadattamento ?. Viene dissipata sui finali.
Allora, come si puo' fare ? L'unico modo e' ridurre la tensione di alimentazione a 36V e voila' si riottiene R uscita = 10 Ohm ma con potenza erogata di 200W e potenza in ingresso ridotta. Ovvio che non basta solo questo perche' andra' ricalibrato il bias dei finali per evitare di spingerli troppo all'interno della classe A con un conseguente rendimento minore.
In conclusione, se si ha un amplificatore allo stato solido e si riduce la potenza in ingresso al di sotto delle specifiche di progetto, se non e' prevista la riduzione della tensione di alimentazione e', secondo me, meglio non rischiare pena la maggiore dissipazione dello stadio finale a causa del disadattamento che si viene a creare.

73' Franco

[ik2nbu Arnaldo]

Valvole e transistor di ultima generazione ( lineari ) hanno comportamenti molto diversi.

Un ruolo fondamentale lo giocano i circuiti di adattamento / ingresso all'amplificatore
che non sono affatto lineari nelle loro perdite di adattamento impedenza e cambiano a seconda della frequenza,
e non in base al valore di pilotaggio del componente.

Qui trovate una bella raccolta di application Notes Motorola /NXP su argomento adattamento di impedenza
nei transitor, dai grafici e dalle misure, noterete che il circuito "perfetto" non esiste e la scelta fra un trasformatore
1:4, 1:9 1:10 è sempre una scelta di compromesso.

https://www.oe2khm.at/download

Per quanto riguarda un push pull di trasnsistor HF al lato pratico questa è la procedura:

a) Si collega finale ad un carico fittizio e si da alimentazione (esempio 50V) ponendo un amperometro di precisione in linea

b) Si da alimentazione al circuito di Bias (esempio 5 o 12V) e si regola il trimmer per arrivare a leggere sul'amperometro in linea ai 50V, il valore di targa per la classe desiderata, esempio 500 mA. Normalmente il trimmer lavora su entrambi i Transistor. Nel caso le regolazioni del bias fossero separate, si regola per 250mA ciascun transitor.

Solo una volta fatta questa regolazione del Bias, si puo dare RF in ingresso e leggere la potenza in uscita che nota bene:

a) resterà lineare solo se i circuiti di adattamento (balun ingresso/uscita) sono stati progettati correttamente, anche se
    saranno sempre delle lievi differenze agli estremi di banda 1.8 oppure 28 mhz, dipende dalla curva di erogazione.

b) NON sarà + lineare invece, se diminuiremo la tensione di alimentazione ad esempio da 50V a 36V, e a quel punto bisogna rifare la procedura di taratura del Bias da capo, per rientrare nelle classe di funzionamento desiderata.

Viceversa se cambieremo potenza di pilotaggio, non dobbiamo fare + niente perchè la regolazione del bias e quindi della classe di funzionamento del componente sono indipendenti e si fanno appunto in assenza di RF.

Comportamenti non lineari del componente sono solitamente ampiamente descritti nelle curve del datasheet, idem le curve di erogazione ingresso/ uscita RF ad una determinato voltaggio di alimentazione fisso.

Ora facciamo un "esempio" che potete misurare anche voi a casa su un aplificatore push-pull CB/HF:

Con 10 watt in ingresso abbiamo 100 watt RF in uscita assorbendo 10A a 50V
Con  1 watt di pilotaggio abbiamo 20 watt RF in uscita assorbendo 3A a 50V,

Quindi non c'è nessuna potenza "aggiuntiva" da dissipare sui transitor.

73 Arnaldo www.ik2nbu.com

[Franco Balestrazzi]

Arnaldo, se abbassi la tensione di alimentazione devi necessariamente modificare il bias , come fa ad esempio la SPE. Il problema degli adattatori di impedenza, che di fatto sono dei balun, sono calcolati per una impedenza di uscita. Se diminuisci l'ingresso, senza ridurre l'alimentazione necessariamente la resistenza di uscita del pallet LDMOS cambia e quindi il rapporto di trasformazione che prima era corretto adesso non lo e' piu' e lo stadio di uscita e' disadattato. Sto parlando di amplificatori LDMOS multibanda. Daltronde lo vedi anche dai numeri che hai riportato, il rendimento con 100w di uscita e 10A/50V e' sull'ordine del 20% mentre con 20W in uscita e 3A/50V diventa 13.3%.
73' Franco

[Bramax]

Parlando di SPE, i "vecchi" modelli non hanno nessun circuito di adattamento di ingresso, ma solo un trasformatore larga banda di disaccoppiamento.
I nuovi non so, visto che i nostri amici romani tengono gli schemi elettrici come fossero il quarto mistero di Fatima. 

P.S. spero che le rese dell'ipotetica macchina descritta da Arnaldo non siano che esempi.   

[ik2nbu Arnaldo]

Parlando di SPE, i "vecchi" modelli non hanno nessun circuito di adattamento di ingresso, ma solo un trasformatore larga banda di disaccoppiamento.
I nuovi non so, visto che i nostri amici romani tengono gli schemi elettrici come fossero il quarto mistero di Fatima. 

P.S. spero che le rese dell'ipotetica macchina descritta da Arnaldo non siano che esempi. 

Certo , erano esempi, mica misure reali.

Ma va da se che riducendo il pilotaggio, diminuisco gli ampere assorbiti.
Quindi non ci sono watt in eccesso da dissipare in calore.

[Franco Balestrazzi]

Purtroppo pero', cosi' facendo, cambia la r di uscita e il balun larga banda che serve per trasformarla non ha piu' il rapporto giusto e quindi lo stadio finale e' disadattato. Sui nuovi SPE abbassano la tensione di alimentazione per potere pilotare l'amplificatore con una potenza minore di quella di targa in modo che il balun adatti un po meglio la R di uscita. Certamente abbassando il pilotaggio di un amplificatore allo SS si riduce la potenza di uscita ma malauguratamente si ottiene un disadattamento dell'uscita prima del balun di adattamento.E allora cosa succede ? Si ha potenza riflessa che viene dissipata necessariamente su gli stessi LDMOS poi, che siano di bocca buona e resistenti alle variazioni di impedenza di uscita e montati su abbondanti dissipatori non toglie che scaldino di piu' rispetto al funzionamento con ingresso di targa. Quando l'input si riduce la corrente che scorre nello stadio finale si riduce e quindi cambia la R in uscita. Se avessi ad esempio un adattatore di impedenza variabile al posto di un trasformatore fisso non avresti problemi, ma poiche' era stato progettato per un rapporto di trasformazione fisso l'RF di ritorno da qualche parte deve essere dissipata.
73' Franco

[r5000]

73 a tutti, secondo me è un problema "teorico" in pratica poco importa se l'efficienza si riduce e spreco potenza in calore, poi se ci metto un'attenuatore tra tx e lineare per ridurre la potenza di pilotaggio e sotto alimento il lineare (correggendo opportunamente il bias) o lo lascio alimentato per la massima potenza il lineare non si guasta, poi se c'è di mezzo anche un'antenna disadattata e quindi faccio lavorare il lineare con ros elevato o l'apparato genera spike  e scoppia qualcosa si cercano colpevoli ovunque ma il responsabile è sempre tra la sedia e l'apparato... detto questo la leggenda che i lineari a stato solido sono delicati dipende propio dall'utilizzo che spesso è approssimativo, quanti in stazione hanno un'alimentatore dotato di amperometro e oltre a guardare i watt sul wattmetro tengono sotto controllo la potenza assorbita? ora i lineari evoluti indicano tutto ma questo problema è sempre esistito da quando ci sono i transistor...

[Franco Balestrazzi]

Di fatto non e' solo un problema teorico ma anche pratico in quanto e' verificabile. Ripeto pero' che gli LDMOS accettano disadattamenti anche significativi basta che pero' siano dissipati come si deve. E comunque una prova verificabile anche su un trasmettitore con stadio finale a valvole come ho fatto io e riscontrerete  che, una volta fatto l'accordo per il max e poi riducedte la potenza di uscita con il drive o carrier come dir si voglia, vedrete che sara' necessario ritoccare il plate e load per ottenere il dip minimo di corrente corrispondente al trasferimento max di potenza con l'ingresso ridotto. Questo risulta normale in quanto la corrente assorbita nel PA si riduce e quindi cambia la R di uscita.
Ci sono ampli SS che sono risicati come dissipatori e se non riduce la tensione di alimentazione quando li si pilota con meno potenza rischiano di dissipare oltre i l limite per cui e' stato progettato. E' una cosa da tenere in considerazione quando si acquista un ampli SS che peraltro costa una cifra non indifferente.
73' Franco

[r5000]

Di fatto non e' solo un problema teorico ma anche pratico in quanto e' verificabile. Ripeto pero' che gli LDMOS accettano disadattamenti anche significativi basta che pero' siano dissipati come si deve. E comunque una prova verificabile anche su un trasmettitore con stadio finale a valvole come ho fatto io e riscontrerete  che, una volta fatto l'accordo per il max e poi riducedte la potenza di uscita con il drive o carrier come dir si voglia, vedrete che sara' necessario ritoccare il plate e load per ottenere il dip minimo di corrente corrispondente al trasferimento max di potenza con l'ingresso ridotto. Questo risulta normale in quanto la corrente assorbita nel PA si riduce e quindi cambia la R di uscita.
Ci sono ampli SS che sono risicati come dissipatori e se non riduce la tensione di alimentazione quando li si pilota con meno potenza rischiano di dissipare oltre i l limite per cui e' stato progettato. E' una cosa da tenere in considerazione quando si acquista un ampli SS che peraltro costa una cifra non indifferente.
73' Franco

73 a tutti, se parliamo di prodotti fatti a economia e venduti cari e salati perchè tanto li usano i radioamatori con un ciclo di lavoro minimo concordo, se parliamo di prodotti fatti per le broadcasting e uso professionale dove il ciclo di lavoro è h24  il problema non si pone propio, sono talmente sovradimensionati che  per guastarli serve un fulmine...
ps: premesso che preferisco il qrp al qro e per ora non ho lineari e non penso di  costruire nulla di grosso (anche se ho da parte un trasformatore da 2kw per fare un lineare valvolare) il discorso efficienza \ potenza e classe di lavoro esiste anche con amplificatori di pochi watt e la scelta del dissipatore è fondamentale per smaltire il calore e per come la penso io sarà sempre dimensionato per non aver bisogno di ventole che si intasano di polvere ecc... poi se serve una ventola termostatata perchè non c'è spazio per un dissipatore grande ok, aggiungo anche un'altro termostato a temperatura maggiore che spegne il lineare nel caso la ventola si blocca ecc... e se mai dovessi comprare un lineare già fatto più che la potenza d'uscita guarderei schema alla mano (quindi niente marche che non forniscono schemi...) alle protezioni e a come è fatto il circuito del bias e in particolare alla compensazione della temperatura dei finali, e non ultimo alla purezza spettrale del segnale amplificato, e propio nell'intento di poterlo utilizzare a potenza ridotta (ormai vendono solo amplificatori da 1 kw minimo) sceglierei quello con il dissipatore più grosso...

[Franco Balestrazzi]

Sono due prodotti totalmente diversi. Il prodotto per broadcasting, come dici tu, a parte la potenza decisamente piu' elevata,  viene utilizzato h24 su una sola frequenza e con potenza in ingresso fissata e per tale specifica viene preparato. Normalmente si usano dei tubi come PA viste le potenze da generare. Pertanto i problemi che ho evidenziato numericamente non si pongono.
Diverso e' un ampli SS per uso radioamatoriale dove e' necessario un adattatore in uscita a larga banda per coprire le HF, cosa che non si pone in quelli "broadcasting" in quanto l'accordo e' fisso, ed inoltre viene utilizzato da individui tra i piu' disparati come preparazione che non considerano tutte le problematiche che sorgono con le loro manovre. Da qui le innumerevoli protezioni introdotte anche ultimamente (parlo di ampli SS) per salvaguardare quanto piu' possibile la vita del PA. Per fortuna, come dicevo, gli LDMOS sono robusti e permettono di lavorare in condizioni disadattate per un tempo maggiore se dissipati. Certo, la comodita' di un ampli SS e' impagabile : cambi banda e non devi accordare nulla, e' gia' pronto all'uso e per chi fa contest e' comodissimo, all'interno di alcuni e' gia' presenti l'accordatore. Io, pero', che non faccio contest, preferisco ancora gli ampli a tubi. Sono piu' brigosi, quando cambi banda devi rifare l'accordo, sono di dimensioni maggiori di quelli SS, pesano l'ira di dio, ma sono piu' spartani proprio come piace a me. Ho ancora in uso un Henry 2KD Classic con 2 triodi a catodo toriato 3-500Z originali e per spostarlo ci vogliono 2 persone per evitare di farsi venire l'ernia. Come dimensioni e' il doppio di un TL922, costruito in modo rustico, pero' va sempre e i tubi, anche se strapazzati qualche volta per mia dimenticanza, non si sono lamentati troppo.
Poi, magari, mi convertiro' all'SS ... .
73' Franco