In questo spazio dell'Angolo tecnico abbiamo il piacere di ospitare alcuni articoli dell'Ing. Carmine Abbate docente di Elettronica per Telecomunicazioni all'Università di Cassino. Le sue note scritte per il Conna troveranno sicuramente l'interesse di editori radiotelevisivi, tecnici del settore, addetti ai lavori.
Ricordiamo tra l'altro che l'ing. Abbate ha studiato e progettato moduli amplificatori FM di ultima generazione (pallets) con rendimento prossimo al 90%.
 

Efficienza negli amplificatori di potenza a radiofrequenza

In queste poche righe vi parlo delle principali tecniche per aumentare l’efficienza negli amplificatori di potenza a RF, cercando di fare cosa gradita a tutti gli operatori dell’FM, sempre alle prese con sostanziose bollette energetiche. Farò esplicitamente riferimento a finali di potenza a banda stretta (es 88-108MHz). Considerazioni abbastanza diverse devono essere fatte relativamente ai sistemi di trasmissione a banda larga che impiegano modulazioni numeriche (es DAB+ e DMB).

modulo da 300 Watt

L’argomento dell’efficienza non può prescindere dalla conoscenza delle classi di funzionamento del dispositivo attivo (es. transistore Bipolare, MOSFET). Per classe di funzionamento si intende il modo di polarizzare e quindi funzionare dell’elemento attivo. Ricordiamo la classe A (ultralineare), ma con bassa efficienza <50%, la classe B e AB con efficienza <78% e la classe C con efficienza <85%. La maggior parte degli amplificatori di potenza che utilizziamo nei trasmettitori FM operano in classe AB o C. Per queste configurazioni possiamo ottenere la massima efficienza se, fissata la potenza di uscita, abbassiamo la tensione di alimentazione al valore di compressione dell’uscita. Mi spiego meglio, supponiamo di avere un amplificatore che potenzialmente fornisce 1000W alla tensione Vcc=48V, ma di volerlo utilizzare a 500W. Se lasciamo inalterato il valore dell’alimentazione, avremmo un’inutile dissipazione di potenza (calore). Quindi nella sostanza cosa possiamo fare? Semplice, abbassiamo la tensione di alimentazione fino a che la potenza di uscita non inizia a ridursi. Questo è per l’amplificatore la condizione migliore dal punto di vista dell’efficienza. Qualche esperto potrebbe sottolineare che anche il contributo armonico in uscita sale. Si, questo è vero, ma ci sono sempre i circuiti risonanti e il filtro di uscita che aggiustano le cose. Questa variazione della tensione di alimentazione nelle macchine di ultima generazione viene fatta in automatico dal microcontrollore in modo da inseguire l’efficienza ottima per una qualsiasi potenza in uscita.

modulo da 600 Watt

Nel prossimo futuro si prevede di utilizzare classi di funzionamento superiori, quali la classe F, che consentono di ottenere rendimenti teorici del 100%. L’idea di base è quella di utilizzare in maniera costruttiva le armoniche generate dal dispositivo che normalmente vengono filtrate. C’è da precisare che le armoniche vengono viste sull’uscita dell’elemento attivo e molto attenuate all’uscita dell’amplificatore. In questo modo, da un lato si riesce a rendere squadrata e sfasata di 90° rispetto alla corrente la forma d’onda di tensione sul MOSFET e dall’altro a ridurre a zero la potenza associata alle armoniche di ordine superiore. Bello il 100%, vero! E’ chiaro che il 100% non è possibile a causa della non idealità del dispositivo e degli elementi passivi (condensatori, induttori, cavi, linee), ma un 90-95% è realistico. La vera limitazione del classe F è nella banda e nella distorsione. Per questo un classe F non potrà mai essere utilizzato su segnali con modulazioni digitali.
Come ultima cosa, ma non a livello di importanza, occorre sottolineare che, pur riuscendo ad avere un’elevata efficienza sullo stadio finale a RF (es 90%), l’efficienza dell’intero trasmettitore è destinata a ridursi a causa della non idealità dell’alimentatore switching che realizza la 48V (efficienza 85%).

A cura di Carmine Abbate

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