Выходное напряжение, ток, мощность и их зависимость от импеданса усилителя мощности

Рассмотрены вопросы, связанные с влиянием КСВ нагрузки на основные характеристики широкополосных усилителей мощности - мощность, ток и напряжение. Представлены основные уравнения, определяющие параметры усилителя, падающей и отраженной мощности в зависимости от КСВ нагрузки. Рассмотрены виды мониторинга и защиты усилителей от воздействия КСВ, их достоинства и недостатки. Приведены реальные примеры.

 

Введение

Здесь мы рассмотрим перевод статьи Jason Smith и Pat Malloy - инженеров по радиочастотным и микроволновым приборам  компании AR RF/Microwave Instrumentation "Примечание по применению № 49"⁽¹⁾, где приводится анализ выходного напряжения, тока, мощности и зависимость этих параметров усилителей мощности от импеданса его нагрузки.

Какую величину выходного напряжения, тока и мощности могут обеспечить усилители РЧ? Этот вопрос часто задают начинающие инженеры-испытатели, а также опытные профессионалы РЧ. В зависимости от области применения часто возникает основное желание максимизировать один из трех параметров: мощность, напряжение или ток. Хотя можно предположить, что требуется простое применение закона Ома, однако это будет применяться только в идеальных условиях, например, когда РЧ усилитель с типичным выходным сопротивлением 50 Ω работает на нагрузку 50 Ω. В этом редком случае, когда импеданс нагрузки идеально соответствует выходному импедансу усилителя, мощность, подаваемая в нагрузку мощность, просто соответствует номинальной мощности усилителя. Нет абсолютно никакой отраженной мощности и, следовательно, нет необходимости ограничивать или контролировать усиление усилителя, чтобы защитить его от чрезмерной отраженной мощности.

К сожалению, такие идеальные условия редко применяются в практических "реальных" приложениях. Реальные усилители необходимы для работы с изменяющимся импедансом нагрузки. Несоответствие между этими "реальными" нагрузками и выходным импедансом усилителя приводит к тому, что процентная доля прямой (падающей) мощности отражается обратно на усилитель. В некоторых случаях избыточная отраженная мощность может привести к повреждению усилителя и необходимо принять меры предосторожности, которые могут повлиять на прямую мощность. Учитывая эти реалии, как определить выходное напряжение, ток и мощность? Снова закон Ома приходит на помощь, но с оговоркой, что фактическая мощность, подводимая к нагрузке (чистая падающая мощность после действия любой защиты от КСВН за вычетом отраженной мощности) должна быть определена до применения закона Ома. В данной статье о применении будут освещены некоторые из основных характеристик РЧ усилителя, которые влияют на падающую мощность, а также на чистую мощность, что позволяет использовать закон Ома, даже когда условия далеки от идеальных.

Назад к основам: закон Ома

Закон Ома гласит, что величина тока, протекающего между двумя точками электрической цепи, прямо пропорциональна разности электрических потенциалов между этими двумя точками и обратно пропорциональна сопротивлению цепи между точками. Таким образом, уравнение I=E/R является основной формой закона Ома, где ток I  в амперах (A), электродвижущая сила (ЭДС) или разность электрических потенциалов E в вольтах (V), а R - сопротивление цепи в Омах (Ω). Применение стандартного уравнения, связывающего электрическую мощность с напряжением и током (P=V*A), перекрестное умножение и переупорядочивание каждой из переменных приводит к получению уравнений, показанных на круговой диаграмме закона Ома (см. рис. 1), показывающей различные комбинации четырех переменных: I, V, Ω и W. Используем круговую диаграмму Ома, чтобы определить выходное напряжение, ток и мощность усилителя с выходным импедансом 50 Ω, работающего в идеальных условиях.

   

Рисунок 1: Круговая диаграмма закона Ома

   

Пример. Предположим, что у нас есть 100-ваттный усилитель с выходным импедансом 50 Ω, работающий на нагрузку 50 Ω. Это идеальная ситуация в том, что 100 % падающей мощности будет поглощаться нагрузкой и поэтому в данном примере нет отраженной мощности.

•   Полные 100 Вт, генерируемые усилителем, будут доставлены в нагрузку 50 Ω.
•   Выбрав подходящие формулы из круговой диаграммы Ома, можно легко описать этот идеальный усилитель.

Volts=√(Watts ∙ Ω)

Подстановка известных значений: Volts=√(100W∙50Ω) = 70,7 Vrms.

При этом выходное напряжение на нагрузке 50 Ω составляет 70,7 Vrms.

Amps=√(Watts/Ω)

Подстановка известных значений: Amps=√(100W/50Ω)=1,41 Аrms.

Выходной ток нагрузки составляет 1,41 Аrms.

Как видно из приведенного выше примера, когда импедансы совпадают, мощность, напряжение и ток легко определяются применением закона Ома. Теперь давайте рассмотрим усилители " в реальной жизни " и их эффекты. Теперь рассмотрим "реальные" усилители и их эффекты на определение выходного напряжения, тока и мощности.

Рассогласование импеданса. Опасность импедансного рассогласования и методы, используемые для защиты усилителей.

Максимальная мощность передается в нагрузку только тогда, когда импеданс нагрузки соответствует выходному импедансу усилителя. К сожалению, так бывает редко. В "типичных" ситуациях возникают отражения от нагрузки и часть мощности, равная разности между мощностью вперед (падающей мощностью) и мощностью, поступающей в нагрузку, отражается обратно в виде отраженной мощности на усилитель. Стоячая волна напряжения создается путем фазового сложения/вычитания падающей и отраженной волн напряжения. Усилители мощности должны либо поглощать эту отраженную мощность, либо использовать какую-либо форму защиты, чтобы предотвратить повреждение усилителя от его перегрузки.

Например, обрыв или короткое замыкание, установленное на 100-ваттном усилителе мощности, о котором говорилось выше, приведет к бесконечному значению коэффициента стоячих волн (КСВ). Так как

КСВ=ZO/ZL для ZO>ZL и ZL/ZO для ZL>ZO видно, что всегда КСВ ≥ 1.

При отсутствии активной защиты от КСВ обрыв в нагрузке приведет к удвоению выходного напряжения до 141,4 Вrms, а короткое замыкание увеличит выходной ток до 2,82 Аrms. В любом из этих худших сценариев усилитель мощности 100 Вт должен выдерживать максимальную мощность 200 Вт (100 Вт вперед + 100 Вт назад).

Виды мониторинга КСВ.

Очевидно, что это является причиной для беспокойства, и разработчики усилителя должны иметь дело с очень реальной возможностью того, что выход усилителя может быть либо случайно закорочен, либо нагрузка может быть неподключена. Следовательно, все усилители должны использовать ту или иную форму защиты, когда КСВ приближается к опасным уровням. Ниже приводится частичный список (наиболее предпочтительных и наименее предпочтительных) используемых методов:

• Избыточное проектирование.
• Все полупроводниковые приборы и силовые устройства с консервативной конструкцией обеспечивают достаточную прочность и рассеивание тепла для обеспечения возможности использования бесконечного КСВ нагрузки.
• При таком подходе дополнительная активная схема защиты от КСВ не требуется.
• Такой консервативный подход встречается на усилителях низкой и средней мощности AR.
• Активный мониторинг КСВ, приводящий к снижению коэффициента усиления усилителя при приближении КСВ к опасным уровням.
• Когда КСВ превышает безопасный уровень, мощность в прямом направлении снижается. Эту технологию иногда называют "get fold-back" или просто "fold-back".
• Высокомощные полупроводниковые усилители AR уменьшают свою мощность, когда отраженная мощность достигнет 50% от номинальной мощности, соответствующей КСВ равному 6:1, и выдерживают любое рассогласование.
• Активный мониторинг КСВ, приводящий к отключению усилителя при КСВ, превышающем безопасный уровень.
• Это считается техникой грубой силы, которая может привести к нежелательным сбоям в тестировании.
• AR не использует эту технику ни в одном из своих усилителей.
• Активный тепловой мониторинг.
• Высокий КСВ вызовет рост температуры активных элементов. При превышении заданного температурного порога усилитель отключается.
• В связи с природой термо временных констант, этот подход является относительно медленным. Резкие колебания КСВ могут не привести к немедленному отключению усилителя.
• В усилителях AR для защиты усилителя используется в некоторой степени тепловой контроль, но при этом не используется этот относительно медленный метод для защиты от экстремальных значений КСВ.
• Активный контроль за выходным напряжением и/или током.
• Ограничения устанавливаются как для напряжения, так и для тока, аналогично ограничениям, накладываемым на источники питания постоянного тока.
• Если один из двух параметров превышен, усилитель отключается.

Многие усилители сконструированы с минимальным допустимым или нулевым значением рассогласования нагрузки. Предполагается, что данное применение включает в себя нагрузку, соответствующую нагрузке усилителя. В таких приложениях, как испытание на электромагнитную совместимость (ЭМС), где нормой является рассогласование импеданса, необходимо с осторожностью подходить к выбору усилителя, который должен выдерживать любое рассогласование при генерировании требуемой мощности.

Полупроводниковые усилители AR предназначены для работы в условиях экстремальных нагрузок. Они исключительно прочны и обеспечивают превосходную защиту при максимальной выходной мощности для любой нагрузки. Несоответствие импеданса более подробно обсуждается в Примечании к применению № 27А "Значение допуска на рассогласование для усилителей, используемых при тестировании на устойчивость к восприимчивости".

Виды защиты усилителей от воздествия КСВ нагрузки

Какое влияние окажет защита от КСВ на прямую мощность или мощность, доступную в нагрузке?

Рассмотрим сначала различные методы, используемые для защиты усилителей AR от вредного воздействия экстремального КСВ.

• Применение усилителей класса А, предназначенных для работы с бесконечным КСВ.

Этот тип усилителей не будет снижать мощность или отключаться при работе с высоким КСВ. Большинство усилителей малой и средней мощности AR подходят для этой категории. С такимиусилителями прямая мощность всегда является номинальной мощностью и не зависит от нагрузки.

Пример: Усилитель мощностью 100 ватт обеспечивает 100 ватт падающей мощности независимо от изменения нагрузки.

• Снижение падающей мощности на основе отраженной мощности.

Такая техника используется для усилителей AR большой мощности, где отраженная мощность не должна превышать 50% от номинальной мощности.Эти усилители обеспечивают полную номинальную мощность, подводимую к нагрузке для любого КСВ до 6:1. При увеличении КСВ за пределы этого уровня, выполняется снижение мощности, чтобы ограничить отраженную мощность на уровне, не превышающем 50% от номинальной мощности независимо от колебаний нагрузки.

В этом случае доступная падающая мощность равна номинальной мощности до тех пор, пока не будет достигнут уровень КСВ 6:1. В этот момент отражается 50% прямой мощности. Для любого КСВ больше 6:1 мощность в прямом направлении уменьшается настолько, что обратная мощность никогда не превышает 50% от номинальной мощности.

Пример. Усилитель мощностью 1000 Вт ограничит падающую мощность до 50 % от номинальной мощности для любого рассогласования нагрузки, превышающего 6:1. Так как 500 Вт - это максимальная отраженная мощность, то прямая мощность составляет 1000 Вт для КСВ ≤ 6:1 и где-то между 1000 и 500 Вт для КСВ ≥ 6:1.

• Ограничение по напряжению и току.

Для усилителя с ограничением по напряжению/току расчеты намного проще. Закон Ома может быть непосредственно применен для поиска полезной мощности, напряжения и тока в нагрузке. Выходной импеданс усилителя:

Zo=Voltsmin/Ampsmin

Для импеданса нагрузки, превышающего выходной импеданс усилителя, усилитель защищен ограничением по напряжению. Независимо от импеданса нагрузки выходное напряжение фиксируется вблизи указанного минимального допустимого напряжения. Применение закона Ома:

            Wattsnet=(Voltsmin)²/Ωload и Аmps=Voltsmin/Ωload

Здесь Wattsnet - мощность в нагрузке (полезная или чистая мощность).

Для импедансов нагрузки ниже выходного импеданса усилителя усилитель защищен ограничением по току. Независимо от того, насколько мала нагрузка, выходной ток не будет превышать значения, близкого к указанному минимальному допустимому току. Применение закона Ома в этом случае:

            Wattsnet= (Ampsmin rating)² ∙ Ωload и Volts= Ampsmin rating ∙ Ωload

Следующие комментарии относятся к усилителям, которые не используют один из вышеперечисленных методов защиты от КСВ в стиле AR.

• Усилители, которые защищают, выключаются или блокируют мощность ВЧ сигнала.

При превышении КСВ заданного уровня падающая мощность будет равна 0. Это может происходить даже при работе с КСВ в диапазоне 2:1, но чаще всего это происходит при работе с КСВ в диапазоне от 2:1 до 3:1.

Очевидно, что усилители, которые либо не используют защиту от КСВ, либо используют схему защиты от КСВ с грубой силой, не могут быть использованы в приложениях, где ожидается несоответствие нагрузки. Усилители, использующие схемы снижения мощности на еще более низких уровнях КСВ, чем указано выше, также относятся к этой категории и не подходят для приложений, характеризующихся высоконагруженным по КСВ, таких как испытание на электромагнитную совместимость и исследовательские приложения, где импеданс нагрузки неизвестен.

Уменьшение выходной мощности из-за несоответствия нагрузки

До сих пор мы концентрировали внимание на падающей мощности. Это та мощность, которая действительно доступна в нагрузке. Закон Якоби, также известный как "теорема максимальной мощности", гласит: "Максимальная мощность передается, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки, когда внешнее сопротивление может изменяться, а внутреннее сопротивление является постоянным". Этот эффект отчетливо проявляется, когда импеданс нагрузки отличается (больше или меньше) от выходного импеданса усилителя. По мере увеличения КСВ, все большая часть прямой мощности отражается обратно на усилитель. Поскольку чистая мощность рассчитывается путем вычитания отраженной мощности из падающей мощности, очевидно, что любое КСВ, кроме 1:1, уменьшит фактическую мощность, поглощаемую нагрузкой.

Уровень мощности, подаваемой в нагрузку, можно рассчитать по следующим стандартным формулам:

Коэффициент отражения:

            Г=│(Z2-Z1)/(Z2+Z1)│,

где двумя импедансами являются импеданс нагрузки и выходной импеданс усилителя.            

После определения прямой мощности и вычисления коэффициента отражения чистая мощность, подаваемая в нагрузку, определяется путем простой подстановки значений в следующее уравнение:

            WattsNet=10^{(10∙Log(1-Г2)+10∙Log(WattsFWD))/10)}

Кроме того, учитывая чистую мощность (мощность в нагрузке, или полезная мощность) и импеданс нагрузки, можно вычислить выходной ток и напряжение по закону Ома.

 Реальные примеры

Теперь, когда мы исследовали нюансы, связанные с определением выходной мощности, напряжения и тока усилителей мощности в целом, рассмотрим четыре существующих типа усилителя AR и то, как они справляются с рассогласованием нагрузки.

Пример 1 на основе усилителя типа 75A400 с мощностью 75 Вт

Большинство усилителей низкой и средней мощности относятся к классу А и имеют номинальное выходное сопротивление 50 Ω. Типичным усилителем такого типа является усилитель мощности 75A400.

• Полоса пропускания 10 кГц - 400 МГц.
• Минимальный радиочастотный выход 75 Вт.
• Активная защита не требуется, учитывая его очень прочную, консервативную конструкцию.
• Полная падающая мощность обеспечивается в любом сопротивлении нагрузки.

Рисунок 2: Мощность 75A400 в зависимости от импеданса нагрузки

На рисунке 2 наглядно показан наилучший возможный сценарий, обеспечиваемый моделью усилителя 75A400. Прямая мощность постоянна при 75 Вт независимо от импеданса нагрузки. В центральной точке графика показана передача максимальной мощности по закону Якоби, где усилитель 50 Ω работает на нагрузку 50 Ω, а синяя кривая выходной мощности наглядно демонстрирует снижение чистой мощности в нагрузке по теореме максимальной мощности, так как она отличается от идеального значения 50 Ω.

Обратите внимание, что несмотря на то, что 75 Вт доступно независимо от импеданса нагрузки (оранжевая кривая), существует только одна точка, в которой мощность, подаваемая в нагрузку, равна мощности в прямом направлении; точка, в которой импеданс нагрузки соответствует выходному импедансу усилителей. Падение мощности, передаваемой в нагрузку с обеих сторон от импеданса нагрузки 50 Ω, является результатом того, что в результате КСВ от нагрузки отражается все возрастающая часть прямой мощности обратно в усилитель. Напомним, что

Pnet=Pfwd-Pref.

       

Рисунок 3: Ток в зависимости от напряжения 75A400

На рисунке 3 показаны напряжение и ток во всем диапазоне импеданса нагрузки. Центральная точка представляет собой напряжение и ток при совпадении импеданса нагрузки с выходным импедансом усилителей 50 Ω. Нагрузки больше 50 Ω нанесены на график справа от центральной точки, а нагрузки меньше 50 Ω - слева. Конечные точки демонстрируют две возможности наихудшего несоответствия: разомкнутое состояние нагрузки, когда выходное напряжение находится на максимуме при нулевом токе, и короткое замыкание нагрузки, когда ток максимален при нулевом напряжении.

Приведенные выше графики построены на основе минимального номинального выходного сигнала усилителя во всем его рабочем частотном диапазоне. Скорее всего, в частотном диапазоне будут места, где выходная мощность превысит указанную минимальную номинальную выходную мощность. Чтобы избежать неожиданных результатов, всегда запрашивайте копию конкретных данных производственных испытаний перед вводом усилителя в эксплуатацию.

Пример 2 на основе усилителя 1000W1000C с мощностью 1000Вт

В полупроводниковых усилителях большой мощности при необходимости используется активная защита от КСВ. Возьмем, к примеру, усилитель 1000W1000C.

• Полоса пропускания 80 МГц - 1000 МГц.
• Минимум 1000 Вт выходного радиочастотного сигнала с выходным импедансом 50 Ω.
• Активная защита срабатывает для снижения коэффициента усиления, когда обратная (отраженная) мощность измеряется на уровне 500 Вт. Такой режим достигается при КСВ 6:1 и использовании усилителя на номинальной мощности.
• Защита ограничивает отраженную мощность до 500 Вт максимум.

Рисунок 4: Мощность 1000W1000C в зависимости от импеданса нагрузки

Модель 1000W1000C является примером одного из усилителей высокой мощности AR, который снижает мощность, когда отраженная мощность достигает 50% от номинальной мощности. Несмотря на то, что усилитель действительно снижает мощность, в нагрузку все равно подается значительное количество мощности. Во многих случаях другие производители мощных усилителей не смогли бы справиться с такими условиями, а прямая мощность либо полностью отключалась, либо резко снижалась.

В критически важных приложениях для согласования усилителя с нагрузкой можно использовать согласующий трансформатор импеданса, аналогичный тому, который используется в AR 800A3A. Однако, поскольку согласующие трансформаторы обычно относительно узкополосны, такой подход может оказаться непрактичным, если 1000W1000C должен работать во всей своей частотной полосе. В этом случае, серия узкополосных трансформаторов может быть подключена к приложению в соответствии с заданной частотой или проще, пользователь может выбрать более мощный усилитель мощности.

Рисунок 5: Ток в зависимости от напряжения для усилителя 1000W1000C

               

Приведенный выше график показывает, что, несмотря на то, что снижение мощности происходит при КСВ приблизительно 6:1, значительное выходное напряжение и ток все еще подаются в нагрузку.

Пример 3 на основе усилителя 800А3А с мощностью 800 Вт

 До сих пор много говорилось о важности согласования импеданса. Усилитель 800A3A является примером уникального усилителя, который предоставляет пользователю возможность выбора выходного импеданса в соответствии с широким спектром применений.

• Полоса пропускания 10 кГц – 3 МГц.
• Минимальная выходная мощность 800 Вт.
• Внутренний выбираемый пользователем трансформатор импеданса обеспечивает 12,5, 25, 50, 100, 150, 200 или 400 Ω для обеспечения более близкого соответствия импедансу нагрузки.
•  Активная защита срабатывает путем снижения коэффициента усиления когда КСВ нагрузки превышает 6:1.
•   Защита ограничивает отраженную мощность на уровне 400 Вт максимум.

Рисунок 6: Мощность 800A3A в зависимости от импеданса нагрузки

Трансформаторы внутреннего импеданса усилителя 800A3A позволяют этому усилителю иметь выходной импеданс, соответствующий характеристикам, используемым в различных областях применения. Трансформаторы для внешнего применения доступны с целью расширения сферы использования 800A3A и включения в нее еще большего количества приложений.

Рисунок 7: Ток в зависимости от напряжения 800A3A

На рисунке 7 наглядно показаны преимущества усилителя с трансформатором согласования внутреннего импеданса, который обеспечивает лучшее согласование с различными нагрузками. Диапазон выходного напряжения и тока значительно больше, чем у стандартного усилителя 50 Ω.

Пример 4 на на основе усилителя 350АН1 с мощностью 350 Вт

Основные характеристики высокомощного, широкополосного усилителя с очень низким выходным импедансом (обычно <1 Ω) 350AH1 уникально привлекательны для низкочастотных приложений. 350AH1 отличается от других усилителей этого класса тем, что представляет собой полноразмерный настольный прибор с цветной графической индикацией выходного напряжения и тока "в реальном времени". Чрезвычайно прочная конструкция гарантирует, что он сможет выдержать самые жесткие условия эксплуатации.

• Полоса пропускания 10 Гц – 1 МГц.
• Минимальная номинальная выходная мощность составляет 350 Вт при нагрузке 1,8 ом. Это равно как минимум 25 вольт и 14 ампер в 1,8 Ω. Снижение мощности выше 300 кГц.
• Импеданс источника номинирован на уровне <1 Ω. Так как указаны выходные напряжение и ток, выходное сопротивление не используется при расчете мощности в прямом направлении.
• Эффективный импеданс источника 1,8 Ω (Zo=Vo/Io=25V/14A).
• Защита выхода ограничивает напряжение и ток на номинальных уровнях при любой нагрузке. Для нагрузок менее 1,8 Ω ограничен выходной ток. Для нагрузок, превышающих 1,8 Ω ограничено выходное напряжение.

Рисунок 8: Мощность 350AH1 в зависимости от импеданса нагрузки

Это пример усилителя с эффективным выходным импедансом 1,8 Ω. Из-за защиты усилителя, ограничивающей напряжение и ток, КСВ не играет роли в потере мощности, подаваемой на нагрузку.

Рисунок 9: Ток в зависимости от напряжения 350AH1

На рисунке 9 показаны доступные выходное напряжение и ток для усилителя 350AH1. Серая область предназначена для обозначения более "типичного" выходного профиля. Характеристики отдельных усилителей могут варьироваться и в некоторой степени зависят от рабочих частот и потерь в системе.

Резюме

На старый вопрос "Сколько выходного напряжения, тока и мощности я могу ожидать от своего усилителя?" в редких случаях можно ответить, просто применив закон Ома, предполагая, что чистая мощность или мощность, подаваемая в нагрузку - это просто номинальная выходная мощность усилителя. В большинстве случаев практические вопросы, такие как КСВ и проблемы падающей мощности, должны быть рассмотрены до применения закона Ома. Несмотря на то, что в данной записке содержатся указания по данному вопросу, AR твердо убеждена, что лучшим подходом является применение фактических данных испытаний при определении выходных параметров.

Источники информации:

1. Application Note #49 RF Amplifier Output Voltage, Current, Power, Engineer and Pat Malloy; Sr. Applications Engineer. [Электронный ресурс]. URL: https://www.microwavejournal.com/ext/resources/BGDownload/c/d/ARRF_AppNote49.pdf?1520931985 (Дата обращения: 09.11.2020).