Over zendvermogens en anode dissipatie
Over zendvermogens en anode dissipatie bestaan veel misverstanden. Ook officiële instanties maken hier fouten mee.
Wil jij aan de slag als zendamateur of bij jouw in huis of in de buurt wat muziek laten horen? Dan is dit een pagina waar je verder mee komt. Laten we in de materie duiken.
Bijvoorbeeld opleidingsinstituten voor radio zendamateur zoals het IWAB en ook de Rijksinspectie Digitale Infrastructuur (voorheen Radio Controle Dienst).
Een voorbeeld van zo’n fout is deze examenvraag die jarenlang is gebruikt.
Antwoord B werd goed gerekend terwijl natuurlijk antwoord A het juiste antwoord is. Waarom dat zo is zien we iets verderop.
Anode dissipatie is een ander misverstand
Vaak wordt gedacht dat met anode dissipatie de maximale output van de buis wordt bedoeld. Ook dat is onjuist en ook hierover verderop meer.
Radio vermogens zijn anders
In de gewone elektro- en elektronica techniek gebruiken we altijd de effectieve waarde van een spanning (Ueff).
Die effectieve waarde van de gemoduleerde uitgezonden AM draaggolf valt moeilijk vast te stellen. Dit komt door het grillige karakter van de audio waarmee de draaggolf wordt gemoduleerd.
Onderstaand schema geeft dat weer.
Bij radio zenders wordt daarom meestal de term PEP, Peak Envelope Power gebruikt. PEP is dan de topwaarde van het gemoduleerde signaal -ook vaak genoemd de omhullende, de envelope, van de draaggolf spanning.
Het effectieve vermogen van een zender met 100 Watt PEP output zoals de populaire Icom IC-7300 is daarom voor AM slechts 25 Watt draaggolf vermogen (voor FM 100 Watt).
Zendvermogen
Twee elementen zijn bij zendvermogens van belang. Het draaggolf vermogen en de peak envelope power (PEP)
Draaggolf vermogen
Draaggolf vermogen is het product van spanning maal stroom. I *U van een draaggolf. Bij CW en FM zenders is het zendvermogen gelijk aan het draaggolf vermogen.
Hierbij kan zowel het piekvermogen worden vermeld als het effectief vermogen.
Effectief vermogen
Effectief vermogen van een wisselstroom is gelijk aan het vermogen dat een gelijkstroom met dezelfde waarde zou ontwikkelen.
Effectief vermogen van een gelijkmatige wisselstroom is 0,707 maal de piekstroom. Met die lagere stroomwaarde reduceert de spanning over de belasting evenveel dus ook met een factor 0,707. Het effectieve vermogen is dan gehalveerd ofwel 50%.
- zendvermogens en anode dissipatie -
Een praktisch voorbeeld:
Bijvoorbeeld je stofzuiger is 100 watt en die waarde wordt opgegeven bij 230V. Hij zal daarbij 100/230 = 0,43 Ampère stroom gebruiken. 100 watt is het effectieve vermogen.
De piekspanning die deze stofzuiger op het lichtnet te verwerken krijgt is 230V/0,707 = 325V. De piekstroom is dan 0,43/0,707 = 0.61A
Piekvermogen dat deze stofzuiger verwerkt is dus 0,61 * 325 = 200 watt.
Met andere woorden:
Een FM zender die effectief 100 Watt uitzendt geeft een PEP vermogen van 141 Watt en een zender die PEP 100 watt geeft zoals de voornoemde ICOM levert effectief 70 watt (FM) of 50Watt (AM) zendvermogen.
- zendvermogens en anode dissipatie -
AM Zend vermogen
In geval van AM modulatie wordt een audio signaal toegevoegd dat in principe net zo groot is als de draaggolf waarmee die audio wordt gemoduleerd.
Dus een draaggolf van 20V komt voor 100% modulatie 20V bij.
De spanning verdubbelt hier dus. Omdat de spanning verdubbelt en de antenne impedantie gelijk blijft verdubbelt hier ook de stroom. Het Piek vermogen, de PEP wordt dan 2*2 = 4 maal zo groot als het draaggolf vermogen.
Zo komt die Icom 7300 van 25 watt draaggolf vermogen op 100 watt zendvermogen (PEP vermogen).
Op onderstaande afbeelding voor amplitude modulatie is duidelijk te zien dat bij 100% modulatie de piekspanning van het gemoduleerd signaal 2* zo groot is als de draaggolf spanning.
- zendvermogens en anode dissipatie -
Een tweemaal zo hoog signaal levert een twee keer zo hoge stroom en dus (P=U*I = 2*2 =4) een vier maar zo hoog piekvermogen (PEP).
Overige vermogens die je bij Zenders tegen komt
Plate input of Anode vermogen
Een term die je bij zenders en met name bij PA /Eindtrappen tegenkomt is de term Plate Input (Pi). Pi is het vermogen dat de voeding van je zender aan de eindbuis moet leveren om het gewenste uitgangsvermogen te realiseren.
Omdat er altijd verlies in de buis op treedt moet het vermogen dat je toevoert altijd hoger liggen dan het vermogen dat je er uit haalt.
Hoeveel meer?
Hoeveel meer vermogen je aan moet leveren (gelijkspanning spanning maal stroom vanuit de hoogspanningsvoeding) is afhankelijk van het rendement in je eindtrap.
Voor dat rendement bestaan een paar vuistregels.
- Voor FM, CW en anode gemoduleerde AM in class C en anode modulatie is dat ongeveer 75%.
- Voor SSB in class B is dat ongeveer 50% (class A 33%)
- Voor AM met rooster modulatie is dat ongeveer 35%.
Dat betekent dat je voor een anode gemoduleerde PA die 50 watt output moet leveren je 50/0,75 = 67 watt hoogspanning (spanning * stroom) moet leveren.
Omgekeerd kun je uit 67 watt toegevoerd vermogen, bijvoorbeeld je meet dat naar de anode van de eindbuis 500V en 134 mA gaat, afleiden dat bij een correct afgesteld PI filter je 67*75/100 = 50 watt vermogen in je antenne moet krijgen (ik laat een klein verlies in het PI filter even buiten beschouwing).
- zendvermogens en anode dissipatie -
Output
We zagen hem hiervoor al. Output is het vermogen dat je uit de zender haalt en dat je antenne in gaat. Meestal uitgedrukt in PEP, peak evelope power.
Wat is Plate Dissipation, anode dissipatie dan precies?
Plate dissipation is het vermogen dat in de anode verloren gaat door warmte productie.
Plate dissipation is een gegeven dat je altijd in de gaten moet houden maar er is geen directie relatie met de geproduceerde output.
Output staat redelijk los van anode dissipatie
De formule voor het berekenen van de anode dissipatie is Pi – Po/1,1. (Toegevoerd vermogen min de output en dat delen door 1,1)
Bijvoorbeeld de veel gebruikte 6146B buis heeft plate dissipation (CCS waardes) van
- 27 watt in class AB
- 23 watt in AM anode modulatie class C
- 27 Watt in FM class C en AM schermmodulatie class C.
Maar het maximale output vermogen is
- Ongeveer 50 watt in SSB class AB
- Ruim 100 watt PEP in Am anode modulatie
- Ongeveer 50 watt in FM class C en 50 watt PEP in AM schermrooster modulatie.
- zendvermogens en anode dissipatie -
Rekenvoorbeeld. Anode dissipatie bij AM modulatie
-
Anode dissipatie bij Schermrooster modulatie
De input Pi = 600V en 62 mA = 37,5 Watt
De output is bij een efficiëntie van 33% = 12,5 watt draaggolf. In een 50 ohm antenne is dat (P=U2/R ) en uitgangsspanning van 25V.
Bij 100% modulatie gaat die uitgangsspanning swingen van 0 tot 50 volt. In een 50 Ohm antenne levert dat (P=U2/R ) 50 watt PEP op.
De anode dissipatie is hierbij PI-Po/1,1 = 37,5 – 12,5 = 25/1,1 = 22,7 watt.
- zendvermogens en anode dissipatie -
-
Anode dissipatie bij Anode modulatie
De input kan hierbij veel hoger zijn en direct op een hoge anodestroom zijn ingesteld. De input Pi wordt nu 600V en 125 mA = 75 watt
De draaggolf output wordt nu bij een efficiëntie van 75% = 50 watt. In een 50 ohm antenne is dat (P=U2/R ) en uitgangsspanning van 50V.
Bij 100% modulatie gaat die uitgangsspanning swingen van 0 tot 100 volt. In een 50 Ohm antenne levert dat (P=U2/R ) 200 watt PEP op.
De anode dissipatie is hierbij Pi-Po/1,1 = 75 – 50 = 25/1,1 = 22,7 watt.
Je ziet een viermaal groter output vermogen bij anode modulatie dan bij schermroostermodulatie. Toch is de anode dissipatie in beide voorbeelden gelijk.
- zendvermogens en anode dissipatie -
Let op!
Bij anode modulatie berekeningen voor de anode dissipatie gebruiken we de anode spanning en anodestroom. De audio versterker levert het tweede deel van de output aan. Dit is anders bij schermroostermodulatie waarbij alle output door de eindbuis geleverd moet worden.
- zendvermogens en anode dissipatie -
De laatste maar niet minst belangrijke eigenschap van een eindbuis:
De Output impedantie
Van elke eindtrap heb je de benodigde output impedantie nodig als input voor de berekening van het PI Filter. Dat filter moet zoals je weet zorgen voor aanpassing van de relatief hoogohmige eindtrap naar de coax kabel die naar de antenne gaat en die meestal voor een impedantie van 50 ohm staat.
Voor de berekening van dat filter hebben we op de-radio-amateur.nl een PI-filter rekentool beschikbaar. Maar ook dat tooltje vraagt om de gewenste buis-aanpassingsimpedantie.
Gelukkig kunnen we die impedantie eenvoudig berekenen.
Een eenvoudige vuistregel zegt: Eb / 1,8 *Ib : Buis uitgangsimpedantie is Voedingsspanning / 1,8*de anode stroom.
Toegepast in voorgaande twee voorbeelden:
Ad1. Voor schermrooster modulatie: 600/1,8*63 = 5,2 kohm.
Ad2. Voor anode modulatie: 600/1,8*125= 2,6 kohm
- zendvermogens en anode dissipatie -
Headroom in je zendbuis
Headroom is een term die je bij amateurzenders niet vaak tegenkomt. Bij kwalitatieve omroepzenders echter wel.
Dat zit zo.
Zendamateurs willen met hun zender een zo groot mogelijk bereik realiseren. Dus zoveel mogelijk power uit die zendbuis. Vaak gaan ze tot aan de limiet van die buis of er zelfs iets overheen.
Ik heb me daar ook schuldig aan gemaakt. Zo ontstond de Output van 400 watt PEP in een 30 watt middengolf zender die bedoeld was om binnen de 100 watt PEP licentiegrenzen te blijven.
De kwaliteit van het geluid dat ze overbrengen is bij zendamateurs van minder belang. Het moet goed verstaanbaar zijn (‘leesbaar zijn’ in het amateur jargon) en dat is het.
Bij omroepzenders kom je die term headroom wel tegen. Men bedoelt er mee te zeggen dat de eindbuis in de PA niet tot zijn maximum wordt belast. Hooguit tot 70 of 80 procent.
Het doel hierbij is vooral om de geluidskwaliteit optimaal te laten zijn. Ook maakt het mogelijk om de modulatie verder te laten gaan dan 100% van het ingestelde uitzendniveau.
Een interessante optie omdat ons stemgeluid, maar ook muziek, een gemiddeld niveau kent met soms pieken.
- zendvermogens en anode dissipatie -
Hoe dat kan, modulatie met 120%?
De draaggolf wordt dan gemoduleerd met een audiosignaal van bijvoorbeeld 120% ten opzichte van de draaggolf in rusttoestand.
120% modulatie geeft normaal ernstige vervorming zoals je op bijgaand plaatje ziet.
Maar er zijn technieken waarbij de draaggolf bij een audio signaal piek extra versterkt zodat die draaggolf ook 120% wordt ten opzichte van de draaggolf rusttoestand. En daarmee is weer 100% modulatie bereikt.
Dat laatste is mogelijk omdat de buisinstelling zodanig is gekozen dat er ruimte is om de draaggolf output wanneer nodig tijdelijk te verhogen. Daarvoor is wel headroom nodig. Ruimte om de versterking in de buis tijdelijk hoger te maken.
Voor LPAM zenders in de middengolf is het gebruik van headroom absoluut van belang.
Het belang van 120% modulatie
Onderstaand plaatje maakt het belang van 120% modulatie duidelijk.
Je ziet hier dat ons audio geluid pieken kent die echter relatief minder vaak voor komen. Regel je de zender af op 100% modulatie dan zie je dat in 90% van de tijd de modulatie daadwerkelijk niet boven 70 à 80 % uit komt.
Stem je de zender af op die 80% dan zul je een krachtiger geluid in de radio ontvanger waarnemen. Maar bij die pieken treedt dan ernstige vervorming van het geluid op.
Ben je nu in staat om bij die pieken de draaggolf even te verhogen zodat in spanningshoogte weer overeenkomt met de audio dan ben je spekkoper. Men noemt die techniek : Controlled Carrier with Screen Modulation
Tot zover over zendvermogens en anode dissipatie.
Onduidelijkheden, vragen hierover? Stel ze direct hieronder via het formulier.
-
Koos Overbeeke
Terug van zendvermogens en anode dissipatie naar de radio amateur Eureka
