КПД согласующего устройства

[RM1F]

Приветствую всех коллег!

Собственно, тема родилась из дискуссии с Валентином RX1AG в этой теме. Я не согласился с утверждением, что Т-образное согласующее устройство имеет "низкий КПД" и "огромные потери".

Не убедительно, не верю...

Ну что ж, соглашусь, по вопросам веры нужно обращаться в более другие другие учреждения любой подходящей конфессии Спасибо, кстати, за дискуссию и (обоснованные?) сомнения, зароненные в мою душу! В результате я провел натурный эксперимент и исследовал передачу сигнала через СУ, дабы не быть голословным.

Итак: источник сигнала - трансивер, выходная мощность установлена на уровне примерно 40-50 Вт (для эксперимента точное значение не принципиально, да и показометр трансивера - это скорее "индикатор" мощности). Нагрузка - эквивалент 50 Ом (с точностью +/-1% на постоянном токе, на нашем питерском форуме фото есть в этой теме на последней странице). Ну и плюс исследуемое СУ (о котором я уже упоминал ранее) и ВЧ вольтметр. И еще пара коротких (1 м и 20 см) кабелей с разъемами СР-50 для подключения. Частота сигнала 14 МГц (14.028).
Результаты:
- при подключении напрямую трансивер -> эквивалент напряжение на эквиваленте 49 В, мощность, соответственно, получается 48 Вт. КСВ по встроенному индикатору трансивера, как и следует ожидать, строго 1.
- подключаем между трансивером и эквивалентом Т-образное СУ, выводим КСВ в 1 по встроенному индикатору СУ (описано в упомянутой теме) органами управления. Напряжение на эквиваленте 46 В, мощность, соответственно, 42 Вт. Показание КСВ по индикатору трансивера при настроенном СУ тоже строго 1. Положение катушки СУ - первый "щелчок", то есть работают два витка.
Итого, КПД согласующего устройства в данной реализации - 0.875. Потери в СУ есть, безусловно (а где их нет?), но называть их "огромными" и говорить про "низкий КПД" я бы не стал....

Кстати, дополнительно убедился: минимум КСВ по встроенному индикатору СУ соответствует максимуму показаний ВЧ вольтметра на нагрузке, т.е. максимальной мощности в нагрузке, и минимуму же показаний по индикатору КСВ трансивера (ну этого и следовало ожидать, не так ли?).

[RA6AGY]

Если есть возможность, подключите, пожалуйста, нагрузку такую, чтобы КСВ был, например, около 3-х. И снова посмотрите КПД СУ. Считается, что чем больше различается входное/выходное сопротивление между собой, тем ниже КПД СУ.

[RX3AKF]

Чем больше реактивная составляющая по отношению к активному сопротивлению, тем меньше КПД.

[RM1F]

RA6AGY, спасибо за идею! Не откладывая в долгий ящик, провел еще один эксперимент.

Правда, сильно высокоомного эквивалента нет - поэтому использовал второй эквивалент, еще более 20 лет назад собранную классическую "беличью клетку" из резисторов МЛТ-2 на 75 Ом примерно 40 Вт - замеренное сопротивление на постоянном токе 74,4 Ом. Увы, никаких других эквивалентов у меня нет и не планируется.

Результаты:
- при подключении к трансиверу КСВ-метр трансивера показал законную "полторашку",
- после отрабатывания тюнера трансивера КСВ по встроенному индикатору примерно 1...1,05, напряжение на эквиваленте 58 В, мощность 45 Вт,
- подключаем между трансивером и эквивалентом Т-образное СУ, выводим КСВ в 1 по встроенному индикатору СУ (описано в упомянутой теме) органами управления и дополнительно подстраиваем тюнер трансивера. Напряжение на эквиваленте осталось все те же 58 В (может, 1-2 десятых плюс-минус - вольтметр у меня аналоговый, поэтому единицы вольт отсчитываются без проблем, а вот доли вольта при таких значениях - это уже фикция), мощность, соответственно, те же 45 Вт. Показание КСВ по индикатору трансивера при настроенном СУ тоже строго 1. Положение катушки СУ - третий "щелчок", работают пять витков.
- отключаем тюнер трансивера, при этом КСВ по встроенному индикатору трансивера остается 1, по индикатору СУ - тоже 1, а вот напряжение на эквиваленте возросло до 60 В (мощность 48 Вт). Этот эффект я могу объяснить только тем, что очевидно тюнер трансивера тоже вносит какие-то потери в тракт.

Итого, КПД Т-образного согласующего устройства в данном эксперименте оказался близким к 100%. Да, мощность в эквивалент через СУ отдается хорошо - он ощутимо греется (22 резистора - 44 Вт макс.), поэтому длительного "нажатия" я не давал.

[UR4III]

По большому счёту энергия теряется только на омическом сопротивлении провода катушки. В Мане можно прикинуть его погонное сопротивление для любой частоты. Для этого поместите в "свободное пространство" "резонансный" симметричный вибратор и снимите его входное сопротивление при "без потерь" и "медь". Разницу поделите на длину вибратора.

[RC3FT]

Итого, КПД Т-образного согласующего устройства в данном эксперименте оказался близким к 100%. Да, мощность в эквивалент через СУ отдается хорошо - он ощутимо греется (22 резистора - 44 Вт макс.), поэтому длительного "нажатия" я не давал.

Дико извиняюсь, "лабораторная работа" выполнена на "пять"!!!
А теперь практикум проведите. Те же 50 ватт на резонансной антенне, скажем, диполь или дельта 80-метрового диапазона, антенна согласованная, ни как иначе. Трансивер без тюнера и СУ. Показометр регистрирует КСВ в пределах 1,2-1,5(+/-).
Измеряем напряжение, высчитываем мощность. Далее, эту же антенну, при помощи Т-образного (либо любой другой конструкции)СУ согласуем, ну пусть на 20-ке. Ситуация, как я думаю, знакомая для большинства рядовых радиолюбителей, у которых нет возможности установить комплекс антенн, чтобы перекрыть хотя бы 80-40-20-15-10 ( в т.ч. и я ). Измеряем напряжение на входе СУ, и на выходе, показометр "вгоняем" в те же 1,2-1,5. Учитывая некоторую кратность диапазона, потери в СУ будут в районе 35-40 %, а "псевдосогласование" на 10 или 21 мгц, украдет у Вас больше половины. Не верите? Попробуйте.
Лабораторные эксперименты с нагрузкой(у которой реактивная составляющая сведена к минимуму) это очень интересно, а вот с реальной антенной куда забавнее.

Чем больше реактивная составляющая по отношению к активному сопротивлению, тем меньше КПД.

Точнее сказать нельзя

[Захар]

Лабораторные эксперименты с нагрузкой(у которой реактивная составляющая сведена к минимуму) это очень интересно, а вот с реальной антенной куда забавнее.

Купил мужик новую машину и рассказывает соседу какая она хорошая, удобная, быстрая, мощная - целых 200лс.
А сосед в ответ: ну чо она могет со своими 200 лошадями? Я вона ДТшку заведу и 54 лошадями всё поле мигом вспашу! От такто!!

Каждому инструменту свои задачи. Тем более для НЕ Антенн.

[RM1F]

По большому счёту энергия теряется только на омическом сопротивлении провода катушки.

Это не так. Энергия теряется не только на омическом сопротивлении катушки, но и на омическом сопротивлении проводников, переходных сопротивлениях контактов (токосъемники КПЕ, контакты переключателей...) и т.д. Добротность собственно катушки достаточно большая - порядка 200 и выше (программ для расчетов множество). Причем чем меньше индуктивность катушки, тем больше влияние этих привнесенных сопротивлений.

Что же касается замечания Олега RC3FT, то к результату "близким к 100%" я отношусь с сильной долей скептицизма. Так как здесь имеем сильное влияние тюнера трансивера. А без тюнера - неизвестно, какую мощность отдает выходной каскад на несогласованную нагрузку, и очевидно, что она будет отличаться от таковой же, отдаваемой на точно согласованную нагрузку (R=50 Ом). Просто любопытно было провести еще один эксперимент.

Измеряем напряжение на входе СУ, и на выходе, показометр "вгоняем" в те же 1,2-1,5. Учитывая некоторую кратность диапазона, потери в СУ будут в районе 35-40 %, а "псевдосогласование" на 10 или 21 мгц, украдет у Вас больше половины. Не верите? Попробуйте.

Дико извиняюсь, но это методологически неверно. Комплексное входное сопротивление реальной антенны, да и еще с неизвестной (?) реактивной составляющей не позволяет по одному лишь значению напряжения на входе антенны (=выходе СУ) делать сколько-нибудь объективные заключения о мощности, отдаваемой в антенну. Впрочем, если сможете провести натурный эксперимент, описать его (дабы коллеги могли убедиться в его методологической корректности) и привести реальные цифры потерь - велкам!

[RC3FT]

Комплексное входное сопротивление реальной антенны, да и еще с неизвестной (?) реактивной составляющей не позволяет по одному лишь значению напряжения на входе антенны (=выходе СУ) делать сколько-нибудь объективные заключения о мощности, отдаваемой в антенну.

Речь вроде о потерях в СУ. Пытаюсь рассуждать логически. На безупречную точность суждения не претендую. Опять же, согласуя суррогат, нельзя же скидывать неизбежные потери в СУ. Само предназначение СУ в чем? В согласовании, наивно полагать, что не будет расплаты в виде потерь в СУ.

[UR4III]

Это не так. Энергия теряется не только на омическом сопротивлении катушки, но и на омическом сопротивлении проводников, переходных сопротивлениях контактов (токосъемники КПЕ, контакты переключателей...) и т.д.

Вы правы. Только как это учесть? Если способов учёта нет, умножаем потери в катушке в 2 раза.

Далее, эту же антенну, при помощи Т-образного (либо любой другой конструкции)СУ согласуем, ну пусть на 20-ке. Ситуация, как я думаю, знакомая для большинства рядовых радиолюбителей, у которых нет возможности установить комплекс антенн, чтобы перекрыть хотя бы 80-40-20-15-10 ( в т.ч. и я ). Измеряем напряжение на входе СУ, и на выходе, показометр "вгоняем" в те же 1,2-1,5. Учитывая некоторую кратность диапазона, потери в СУ будут в районе 35-40 %, а "псевдосогласование" на 10 или 21 мгц, украдет у Вас больше половины.

Не верю! Согласен с предыдущим замечанием о некорректности измерения. Т-образное СУ - это "комбинация" Г-согласования. В Мане она считается на раз. А исполнение СУ зависит от головы и рук радиолюбителя.
Кстати, не стоит насиловать Т- СУ в тяжёлых случаях, а лучше разрядить ситуацию постановкой Г - цепочки на входе антенны.

[RV2A]

СУ вместе с антенной = нагрузка для тюнера трансивера, или его фильтра.
Потери происходят и в СУ и в кабеле и антенне.
Неправильно выделять потери в СУ, т.к. они зависят от всего, что за ним.
И, правильнее говорить о потерях в СУ, а не о его КПД.
СУ не генерирует энергию, а только её передаёт.
Естесс-но... влияет добротность катушки, но не только.
Будьте осторожны оценивать мощность по напряжению. При наличии реактивной составляющей, можно намерить такое...
И ещё: идол, которому мы молимся - КСВ.
Показометр трансивера (SWR) показывает совсем не КСВ в фидере. И, тем более, не стоит судить по его показаниям, о мощности в антенне.

[R3MM]

Если речь ведётся о потерях на элементах самого СУ, то всё зависит от конкретной конструкции СУ и проводимой мощности. Они же все у нас по исполнению разные, для корректности приводите модель или фото своего. Проверка потерь при R вых. близкому к 50 Ом малоинтересна, в таких случаях СУ никогда не применяют, а вот при значительном отличии R вых. другое дело. Что помешало при эксперименте сделать другие нагрузки (вместе с эквивалентом 50 Ом включить С или L), а в трансивере отключить тьюнер.

[RN6L]

Т-образное СУ - это "комбинация" Г-согласования. В Мане она считается на раз.

Даже к Мане прибегать не надо: T-tuner Это чтобы прикинуть теоретически.
В начале века, когда Мана только появилась в обиходе, еще с кривыми надписями и без хелпа, я не знал где в ней живет клямка для расчета согласования. Помнится делал вертикал на 160/80. Нарисовал его в программе. Она показала полные сопротивления на нужных частотах. Ввел эти значения в симулятор Т-тюнера и получил значения его элементов. Расположил его у основания штыря. Конденсаторы сразу поставил постоянные по расчету. Катушку измерить не чем было, дело происходило на строящейся загородной позиции. Рассчитал ее примерно. Примерно потому что каркас был крестообразный из двух пластин текстолита и витки были квадратными. Настроился этот Т-тюнер всего за парой-тройкой перепайкой перемычки с холодного края катушки на землю.

И измерить практически тоже не сильно сложно. Для этого надо знать комплексное сопротивление антенны. Например оно равно 25-j25. Делаете эквивалент из резистора и конденсатора. Согласуете этот эквивалент тюнером и на резисторе этого эквивалента измеряете мощность при помощи вольтметра.

[R9LV]

Если речь ведётся о потерях на элементах самого СУ, то всё зависит от конкретной конструкции СУ

Моё видение проблемы: Омическое сопротивление проводников СУ малое, следовательно потерь на нагрев тоже небольшой ( ток в квадрате умноженное на сопротивление) ; потери на излучение самим СУ тоже небольшие (небольшие размеры самого СУ и деталей, энергия сосредоточена в конденсаторе и катушке, напишу - не задерживается в них что бы было короче объяснять) так что вошло в СУ то почти и вышло - вывод - КПД наших согласующих устройств очень высок! не хотим терять энергию не делаем из СУ антенну и кипятильник.

[RN6L]

мическое сопротивление проводников СУ малое, следовательно потерь на нагрев тоже небольшой ( ток в квадрате умноженное на сопротивление) ; потери на излучение самим СУ тоже небольшие (небольшие размеры самого СУ и деталей, энергия сосредоточена в конденсаторе и катушке, напишу - не задерживается в них что бы было короче объяснять) так что вошло в СУ то почти и вышло - вывод - КПД наших согласующих устройств очень высок!

Не так все просто. Выше уже писали, что потери зависят от соотношения согласуемых импедансов. Когда это соотношение велико, то велики и реактивные токи в элементах СУ, следовательно и потери в них.