เป็นไปได้อย่างไรที่จะมีเครื่องส่ง 5W ขับ 50 โอห์มด้วยแหล่งจ่ายไฟ 12V?

13

สมมติว่าคุณมีวงจรซึ่งสร้างคลื่นพาหะที่ความถี่ (สมมติว่า 27MHz) และมันเชื่อมต่อกับโหลดดัมมี่ 50 โอห์ม (ซึ่งฉันรวบรวมได้เท่ากับเสาอากาศสำหรับการวิเคราะห์วงจร) และใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ 12V ที่ได้รับการควบคุม

ลองจินตนาการว่าคลื่นพาหะคือ 12 โวลต์พีคพีคซึ่งก็คือ 4.242 โวลต์อาร์เอ็มเอส ตามสูตรสิ่งนี้ให้พลังงานประมาณ 0.36W แม้ไม่สนใจพลังงานเฉลี่ย 12V ถึง 50เท่ากับ 2.88W และจุดสูงสุดของรูปคลื่นคือ 6V และที่ 50 โอห์มนั่นคือ 0.72W เท่านั้น $P = (V_{rms})^2/R$ $\Omega$

ถ้าอย่างนั้นวงจรเช่นเอาท์พุท 5W หรือมากกว่านี้กับแหล่งจ่ายไฟ 12V (ให้หรือใช้ไม่กี่โวลต์)?

http://www.rason.org/Projects/transmit/transmit.pdf (อันนี้รายงานว่าเมื่อสร้างเอาท์พุทมากกว่า 7W)
http://www.radanpro.com/Radan2400/Transmitter/5-Watt%20Transmitter%20by%20SM0VPO.htm

หากคุณต้องการค่าเฉลี่ย 5W จากการโหลด 50 โอห์มคุณต้องมีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ระดับสูงสุดที่เกือบ 45V สำหรับ 100W คุณจะต้องมีสัญญาณที่สูงสุดถึง 200V! อย่างใดฉันสงสัยว่าผู้คนกำลังเปิดวิทยุด้วยแรงดันสูงเช่นนี้

สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจคือวิธีการที่จะได้รับพลังงานมากขึ้นจากวงจรที่มีโหลดคงที่และแรงดันไฟฟ้าคงที่ แม้ว่าแอมพลิฟายเออร์ของคุณสามารถส่ง 100A ได้ แต่ I = V / R; ด้วยการจ่ายไฟ 12V กฎของโอห์มกล่าวว่าแม้ที่จุดสูงสุดมันจะส่งมอบแค่ 0.12A เท่านั้นและโหลดกำลังกระจาย 0.72W

ฉันคิดว่าใคร ๆ ก็สามารถใช้หม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่จำเป็นโดยการแลกเปลี่ยนกระแสหลักบนแรงดันไฟฟ้าที่สอง แต่วงจรทั้งสองข้างต้นไม่ได้ทำเช่นนี้ นอกจากนั้นเครือข่ายจับคู่ความต้านทานทั้งหมดในโลกจะไม่ได้รับแรงดันไฟฟ้ามากขึ้นสำหรับโหลดนั้น

ทุกสิ่งที่ฉันอธิบายอาจผิดไปและนั่นเป็นสาเหตุที่ฉันอธิบาย โปรดช่วยฉันแยกแยะความเข้าใจผิดเกี่ยวกับความคิดของฉัน :)

rf antenna impedance transmitter

— Frogging101
แหล่งที่มา

คุณคิดว่าการจับคู่สมรรถภาพนั้นทำอะไรจริงๆ? ไม่มีกลไกการสูญเสียในเครือข่ายปฏิกิริยาและ Zout> Zin พูด ...

— Spehro Pefhany

@SpehroPefhany ไม่ว่าจะเป็นเครือข่ายแบบนั้นก็ตาม แม้การจับคู่แบบไม่มีการสูญเสียอย่างสมบูรณ์จะไม่เพิ่มแรงดันไฟฟ้า (และดังนั้นกำลัง) ในโหลด

— Frogging101

3

ไม่มีกำลังไฟ ถ้าเอาต์พุต Z สูงกว่าอินพุท Z แรงดันไฟขาออกจะต้องสูงกว่าสำหรับกำลังงานเดียวกันใช่ไหม การอนุรักษ์พลังงาน คิดว่าเสียงสะท้อน

— Spehro Pefhany

ย่อมเป็นหนึ่งในวงจรเหล่านั้นจะมีหม้อแปลงขั้นตอนขึ้นถ้าคุณมองไปที่มันถูกต้อง ...

— ไบรอันดรัมมอนด์

12

กุญแจสำคัญในการทั้งหมดนี้คือ "การจับคู่ความต้านทาน" คุณต้องการแอมพลิฟายเออร์เพื่อคิดว่ากำลังขับความต้านทานต่ำ (ดังนั้นจึงสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มากจากแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์และสร้างพลังงานจำนวนมาก) จากนั้นคุณต้อง "วิเศษ" เพื่อแปลงกระแสไฟฟ้าเหล่านั้นให้ขับ 50 โอห์มที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ามาก

สิ่งนี้ทำกับเครือข่ายการจับคู่ความต้านทาน เมื่อคุณเขียนสมการที่ควบคุมเครือข่ายมันต้องดู (ที่ความถี่ของสิ่งที่น่าสนใจ - สิ่งเหล่านี้ต้องถูกปรับให้ทำงาน) เช่นความต้านทานต่ำที่อินพุตและอิมพีแดนซ์สูง (50 โอห์ม) ที่เอาต์พุต

มีหลายวิธีในการบรรลุการจับคู่ความต้านทาน: หากความต้านทานอินพุตของคุณคือ 5 โอห์มและคุณต้องการจับคู่กับความต้านทานเอาต์พุต 50 โอห์มที่ 27 MHz คุณสามารถใช้วงจร LC แบบง่าย ๆ

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ซึ่งฉัน "คำนวณ" โดยใช้http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.htmlและป้อนพารามิเตอร์ที่เหมาะสม

สิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่คือแรงดันไฟฟ้าสลับที่แหล่งกำเนิด (ที่มีอิมพีแดนซ์ R1) ขับกระแสเข้าสู่วงจร LC เรโซแนนท์ เพราะสิ่งเหล่านี้เป็นแบบอนุกรมพวกมันดูเหมือนอิมพีแดนซ์ต่ำ - แต่ในความเป็นจริงแรงดันไฟฟ้าที่สามารถทำได้ที่เอาท์พุทนั้นสูงมาก - สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตมาก เมื่อเขียนความต้านทานของ C1 เป็น Z1 (= 1 / jwC) และความต้านทานของ L1 เป็น Z2 (jwL) คุณจะเห็นว่าสามารถรวมกันได้:

R1 และ Z1 ในซีรี่ส์: R2 และ Z2 แบบขนาน: $X_1 = R_1 + Z_1$
$X_2 = R_2 * Z_2 / (R_2 + Z_2)$

ทีนี้แรงดันอินพุทจะถูกหารดังนั้นแรงดันเอาต์พุตจึงเป็น

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

\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}

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

ตอนนี้คำในจินตนาการในด้านล่างยกเลิกเมื่อ

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

หรือ

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

หาก R1 เป็นศูนย์และคุณสามารถขับแรงดันไฟฟ้าใด ๆ ลงใน R2 ได้โดยไม่ต้องสร้างแรงดันไฟฟ้าที่อินพุต - เนื่องจากกระแสของคุณผ่าน C1 นั้นลงตัวกับกระแสไหลเข้า L1 แต่ความแปรผันเหล่านี้ในปัจจุบันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าข้าม L1 และข้าม R2 ทุกอย่างเกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าวงจร LC ซีรีย์ดูเหมือนว่าอิมพีแดนซ์ที่มีความต้านทานต่ำกว่ามาก - แรงดันไฟฟ้าที่ปลายจะแตกต่างกันน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดระหว่าง L และ C $\omega = \sqrt{\frac{1}{LC}}$

ลิงค์ด้านบนให้คุณมีวงจรทางเลือกมากมายที่จะทำสิ่งเดียวกัน - แต่ท้ายที่สุดสำหรับเครื่องส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพคุณต้องการที่จะมีอิมพิแดนซ์จริงที่ความถี่ของความสนใจ (ไม่มีการสะท้อน) - และวงจรการจับคู่ทำให้คุณเกือบ อิมพีแดนซ์ใด ๆ (ด้วยค่าที่ถูกต้องของส่วนประกอบแน่นอน)

— Floris
แหล่งที่มา

ฉันจะขอบคุณจริงๆหากคุณสามารถอธิบายได้ในเชิงลึกยิ่งขึ้นว่าวงจร LC (หรือวงจรเรโซแนนท์ใด ๆ ) สามารถบรรลุสิ่งที่คุณพูดได้อย่างไร หากแรงดันไฟฟ้าข้าม R1 เป็น 12V จะไม่หมายความว่าแรงดันเอาท์พุท (ข้าม R2) จะเท่ากันหรือไม่ ฉันขอโทษฉันไม่เข้าใจ ฉันเข้าใจว่าหม้อแปลงสามารถใช้สำหรับการจับคู่อิมพีแดนซ์ได้อย่างไร แต่นี่ ...

— Golaž

1

@ Golažฉันพยายามอธิบายเพิ่มเติมอีกหน่อย นี้เป็นเรื่องใหญ่ - เพียงแค่ google "วงจรการจับคู่ความต้านทาน" และหุบตัวเองในภูมิปัญญาของอินเทอร์เน็ต ...

— อริส

1

Golaz เป็นที่ทราบกันดีว่าวงจรเรโซแนนท์ "ขยาย" สัญญาณ คำถามใดสำคัญคือแรงดันไฟฟ้าข้าม R2 คืออะไร? แรงดันไฟฟ้านี้ถูกสร้างขึ้นทั่ว L1 คิดว่านี่เป็นตัวเหนี่ยวนำที่ "สูบ" ในเวลาที่เหมาะสมเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ใหญ่ขึ้น ดังนั้นการมีแรงดันไฟฟ้าที่แกว่ง 45v pp (หรือใหญ่กว่า) ในการโหลดจึงไม่น่าแปลกใจ!

— Guill

เมื่อคุณไปถึงส่วนสุดท้ายของการทำให้เข้าใจง่ายของคุณ (ซึ่งคำจินตภาพในตัวส่วนยกเลิก) คุณสามารถแสดงให้เห็นว่าการคำนวณ VOUT จาก VIN โดยใช้นิพจน์ที่เหลืออยู่ได้อย่างไร ไม่แน่ใจว่าจะจัดการกับ j ในตัวเศษได้อย่างไร

— ดำน้ำ

2

ถ้าคุณดูที่แผนผังใด ๆ เหล่านั้นมีตัวเหนี่ยวนำทั่วสถานที่ มีหลายวิธีในการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยไม่ต้องใช้หม้อแปลง ที่จริงแล้วดูที่คอยล์ประกายที่ใช้ในรถยนต์ คุณสร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ด้วยการสร้างกระแสไฟฟ้าจากนั้นขัดจังหวะมันและอุปกรณ์นั้นคือ "transformerless" วงจรเหล่านี้ทำงานในรูปแบบที่แตกต่างกัน แต่แนวคิดหลักของการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันใช้กับทั้งสอง "ไมค์อันยิ่งใหญ่" (ลิงค์แรก) เป็นจังหวะที่มีตัวเก็บประจุควบคู่กับ "Pi" และ "T" โซ่ การออกแบบ Lythal (ลิงก์ที่สอง) นั้นมีการสั่นพ้องด้วยหม้อแปลง แต่มันก็ยังตั้งข้อสังเกตว่าอย่าใช้เฟอร์ไรต์กระสุน (ซึ่งสูญเสีย) และจะทำให้เสียงสะท้อนดังขึ้น

— ตัวยึด
แหล่งที่มา

2

ความต้านทานเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์ไดรฟ์เวอร์นั้นค่อนข้างต่ำ ดังนั้นเครื่องขยายคลื่นความถี่วิทยุสามารถจับกระแสได้มากมาย พูดครึ่งแอมป์ที่ 12V ที่ประมาณ 6 วัตต์ ที่ดูเหมือน 24 โอห์ม จากนั้นไปที่หม้อแปลงเพื่อให้ตรงกับเสาอากาศที่ 50 โอห์ม แรงดันไฟฟ้าสูงกว่ากระแสไฟฟ้าต่ำกว่า แต่กำลังไฟยังคงเหมือนเดิม

— gbarry
แหล่งที่มา

1

ใช่ความต้านทานต่ำและหม้อแปลงจับคู่ RF เป็นเรื่องปกติสำหรับอุปกรณ์พกพาในยุคโซลิดสเตต ในยุคของรถไฟใต้ดินการสร้างรางรถไฟขนาด 800 โวลต์หรือราวนั้นไม่ใช่เรื่องแปลก

— Chris Stratton

มันเกิดขึ้นกับฉันว่าใครสามารถติดตั้งแหล่งจ่ายไฟเพิ่มก่อนสิ่งทั้งหมด แต่ดูเหมือนว่าสิ่งที่ฉันเกิดขึ้นจะตรงและมีชิ้นส่วนน้อยลง และใช่ฉันโตขึ้นพร้อมกับไวเบรเตอร์จากนั้นก็เปลี่ยนทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียม

— gbarry

0

ก่อนอื่นการคำนวณแรงดันไฟฟ้าของคุณผิด ด้วยการจ่ายไฟ 12V ผ่านหม้อแปลงหรือตัวเหนี่ยวนำแรงดันกลางคือ 12VDC และแรงดันไฟฟ้าสูงสุดแกว่งเป็น 24Vpp ดังนั้นมันสามารถผลิตพลังงานมากกว่าที่คุณคำนวณได้ถึง 4 เท่า

คุณถูกต้องที่จะใส่คลื่นไซน์ 5W rms ลงใน50Ωคุณต้องมีขนาดเกือบ 45vpp หากเอาต์พุตแอมป์สุดท้ายเป็นเพียง 24Vpp คุณจำเป็นต้องมีหม้อแปลงเพิ่มหรือวงจรจับคู่อิมพิแดนซ์ที่สูญเสียน้อยกว่าอื่น ๆ ในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอิมพีแดนซ์เอาต์พุตจะต้องสูงกว่าอิมพีแดนซ์อินพุต

— Bruce Abbott
แหล่งที่มา