Quanta potenza emettono gli oscillatori dei Theremin?

[Theremino]

Nell'articolo "Le antenne del Theremin", verso la fine c'è un capitolo con titolo "Accordare la antenna o non accordarla?"
http://www.electroyou.it/theremino/wiki ... l-theremin

In quel capitolo dapprima ho scritto che l'oscillatore del Moog Etherwave emette qualche decina di milliwatt e che invece l'oscillatore dei nostri CapSensor (non avendo la antenna accordata) emette decine di microwatt.

Poi IsidoroKZ mi ha convinto che probabilmente queste valutazioni erano sbagliate. Ho quindi eliminato ogni numero e scritto frasi generiche sulla potenza emessa dai due tipi di oscillatori.

Andrebbe bene così, in fondo l'importante è che il nostro CapSensor emette molta meno potenza e (accoppiandosi meno con la antenna) riceve anche meno disturbi da onde elettromagnetiche di altri Theremin o di emittenti radio.

Però mi è rimasta la curiosità di sapere, almeno in modo grossolano, quanta potenza viene emessa dai due oscillatori verso il cosiddetto "etere" tramite onde elettromagnetiche. Qualcuno riesce a fare una stima migliore della mia? Non si chiede precisione, solo una idea approssimativa anche solo dell'ordine di grandezza.

In questo messaggio comincio a presentare i due schemi in vari formati Fidocad e in LTSpice.

Questi primi due schemi utilizzano la libreria FidoCad originale (componenti un po' strani, interruzioni sui transistor e generatori grandi)

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

I prossimi due schemi servono per chi ha la libreria "LT_Lib.fcl" (tutti i componenti OK ma purtroppo non si vedono sul sito perché sul server di ElectroYOU non c'è la libreria)

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Per chi volesse vedere bene gli schemi (installando FidoCadJ sul proprio computer locale) la libreria "LT_Lib.fcl" si scarica da qui:
http://www.electroyou.it/theremino/wiki ... oconverter

E infine un file ZIP con i due schemi in versione LTSpice

ThereminOscillators.zip

(2 KiB) Scaricato 93 volte

Nei prossimi messaggi spiegherò come ho fatto le mie valutazioni per arrivare ai valori di potenza irradiata seguenti:
Moog Etherwave ---------- Potenza irradiata = 16 mW
Theremino CapSensor ---- Potenza irradiata = 68 uW

Attendete che tutti i messaggi siano completati in modo da avere tutte le informazioni utili. Alla fine scriverò "FINE DELLA PRESENTAZIONE"

[IsidoroKZ]

All'inizio avevi scritto 50mW, nella realta` e` svariati ordini di grandezza piu` bassa e la potenza emessa dai due circuiti e` essenzialmente la stessa.

[MarcoD]

Secondo me non è facile rispondere alla domanda; non lo so fare, attendo di leggere altri post.

Si potrebbe iniziare a distinguere fra vari tipi di potenza:
-la potenza in continua assorbita dagli oscillatori dall'alimentazione ( P = Valim * iassorb)
-la potenza erogata sul carico antenna dagli oscillatori, potenza attiva (per definizione), potenza apparente ?
(potenza a monte di Lser 40 mH e L1 330 uH), che perdite presentano gli induttori?

-la potenza irradiata dall'antenna (campo lontano ) a valle della rete di adattamento L, C1,C2
Cant è la capacità dell'antenna?

-Tutta la potenza elettrica applicata all'antenna viene irradiata ?
Quali sono le dimensioni dell'antenna, quale la resistenza del conduttore che la costituisce? Quale è la resistenza di radiazione?

Se ben ricordo, nel Theremin, l'antenna per il controllo della frequenza della nota è uno stilo verticale a cui si avvicina la mano. Mentre l'antenna per il controllo dell'intensità è una singola spira in cui si infila la mano.
La frequenza di lavoro deve essere tale da richiedere un movimento della mano di qualche centimetro?.

[Theremino]

Quello che si vuole stimare è la potenza emessa dalle antenne sotto forma di onde elettromagnetiche.

Nelle prime valutazioni scrissi che l'Etherwave emette 50 mW (circa) e IsidoroKZ con grande intuito ha subito individuato che c'era qualche errore. Al che ho rifatto i calcoli, le simulazioni e i test sui circuiti reali. E, considerato tutto, mi vengono 16 mW per l'Etherwave e 68 uW per il CapSensor (per sapere cosa sono Etherwave e CapSensor leggete l'articolo "Le antenne del Theremin").

Ecco come ho fatto i conti:
La potenza assorbita dagli oscillatori dall'alimentatore è facile da calcolare e da misurare. Non si possono fare errori qui:
Etherwave = 24 volt * 5 mA = 120 mW
CapSensor = 3.3 volt * 570 uA = 1.8 mW

Da questa potenza ho sottratto la potenza dissipata nei componenti (principalmente resistori e transistor). La potenza media dissipata dalla somma di tutti i componenti è calcolabile con LTSpice e non ci sono molte possibilità di sbagliare. Ho fatto questi calcoli con cura e anche considerato la dissipazione nelle resistenze in serie agli induttori e mi vengono i valori seguenti:
Etherwave (potenza dissipata nei componenti) = 103 mW (circa)
CapSensor (potenza dissipata nei componenti) = 1.7 mW (circa)

Per cui facendo le sottrazioni tra potenze assorbite e dissipate resterebbero:
Etherwave (potenza che va verso la antenna) = 17 mW (circa)
CapSensor (potenza che va verso la antenna) = 100 uW (circa)

Nei prossimi post:
- I parametri che caratterizzano le antenne dei Theremin.
- Potenza dissipata nelle antenne e potenza effettivamente irradiata.
- La prova del nove (misure sui circuiti reali).

[Theremino]

Parametri che caratterizzano le antenne dei Theremin

Le antenne dei Theremin classici sono solitamente dei tondini metallici di ottone o di acciaio. La loro lunghezza è intorno ai 40 centimetri e il diametro è di circa 4 millimetri. Nei Theremin classici le antenne sono fisse e devono avere una dimensione ben precisa e non modificabile. Questo è dovuto al fatto che vengono utilizzati induttori da 40 mH per adattare la loro impedenza all'oscillatore. Quindi, dato che la frequenza dei Theremin classici è circa 300 kHz, con un facile calcolo si ottiene che la capacità delle loro antenne deve essere di circa 8 pF.

Le antenne del Theremino Theremin possono invece essere di qualunque forma e dimensione perché la impedenza della sua antenna non viene adattata. I moduli CapSensor cui si collega la antenna misurano la capacità della antenna e non hanno bisogno di adattare la antenna per funzionare bene. La antenna (che è considerata un semplice condensatore variabile) si trova in parallelo all'induttore da 330 uH dell'oscillatore e quindi costituisce un circuito risonante. Solitamente le antenne dei Theremino Theremin hanno una capacità da qualche pF a qualche decina di pF. Per cui il circuito risonante oscilla con frequenze dai due ai tre mega hertz.

La mano del musicista aumenta la capacità della antenna (sia dei Theremin classici che dei CapSensor) di circa 1 pF quando è molto vicina (1 cm dalla antenna) oppure di una frazione di millesimo di pF quando si trova oltre i 50 cm dalla antenna.

La resistenza delle antenne (di ogni tipo) è valutabile nel range dei centesimi di ohm. Questo anche se si considera l'effetto pelle, che a queste frequenze è praticamente inesistente.

Considerando la debolissima corrente che percorre queste antenne (circa 2 mA di picco per gli Etherwave e 700 uA per i CapSensor) le perdite per riscaldamento su resistenze da un centesimo di ohm sono veramente minime e quindi trascurabili.

[EcoTan]

induttori da 40 mH per adattare la loro impedenza

Compensare quel disadattamento con un induttore serie non mi sembra molto realistico. Già con accorciamento dell'antenna al 15% l'induttanza risulta molto critica e bisogna tararla.

[Theremino]

induttori da 40 mH per adattare la loro impedenza

Compensare quel disadattamento con un induttore serie non mi sembra molto realistico. Già con accorciamento dell'antenna al 15% l'induttanza risulta molto critica e bisogna tararla.

Tutti i theremin "famosi" lo fanno così. Praticamente utilizzano tutti tre o quattro induttori in serie per un totale di 40 mH. E sono sempre induttori fissi, puoi vedere l'immagine nell'articolo.

Ho fatto simulazioni e anche test con un oscillatore da me costruito (ma identico a quello dell'Etherwave), per vedere se l'accordo di antenna è critico. Ho quindi verificato che il Q del sistema antenna induttore non è molto alto e che l'accordo non va troppo fuori dal punto centrale nemmeno aumentando o diminuendo la capacità della antenna del 10%, cioè di circa 1 pF, che è più o meno la variazione che si ottiene con mano vicina e lontana.

Il Q del sistema antenna-adattatore-oscillatore degli Etherwave è abbastanza basso a causa della resistenza serie dei bobinoni da 40 mH che è ben 120 ohm e forse anche della impedenza di uscita dell'oscillatore che ha una componente resistiva non trascurabile.

[Theremino]

Potenza dissipata nelle antenne e potenza effettivamente irradiata

Riassumendo, se nessuno trova errori nei calcoli precedenti possiamo essere abbastanza sicuri che le potenze inviate al metallo delle antenne (dopo ai componenti di adattamento) sono:
Etherwave = 17 mW (circa)
CapSensor = 100 uW (circa)

Quanta di questa potenza verrà realmente emessa sotto forma di onde elettromagnetiche?

Sapendo che:
1) L'energia non si crea dal nulla e non sparisce nel nulla (a parte effetti quantistici esoterici che qui non ci interessano).
2) L'energia dissipata in calore nel materiale della antenna è trascurabile dato che la corrente è bassa e la resistenza minima, come spiegato nei post precedenti (calcolando W = I * I * R vengono circa 4 microwatt per l'Etherwave e circa 5 nanowatt per i CapSensor).
3) L'energia dissipata verso l'aria umida e per effetto corona è trascurabile dato che le tensioni in gioco non arrivano ai molti chilovolt necessari per manifestare questi comportamenti.

E non riuscendo a immaginare altre possibilità desumerei, in prima analisi, che le potenze di 17 mW e 100 uW siano grossolanamente realistiche.

Nel prossimo post pubblicherò la controprova che ha confermato questi valori, utilizzando un metodo completamente diverso.

[gammaci]

Ho fatto questi calcoli con cura e anche considerato la dissipazione nelle resistenze in serie agli induttori e mi vengono i valori seguenti:
Etherwave (potenza dissipata nei componenti) = 103 mW (circa)
CapSensor (potenza dissipata nei componenti) = 1.7 mW (circa)

Eh ho capito ma ... non è che li hai fatti vedere, o meglio Pspice te li fa e siamo d'accordo ma non sono "calcoli" derivanti da misure sulla situazione reale, non so come dire MA lo schema di questo sensore c'è da qualche parte?

Una domanda, ma perché non la misuri questa potenza? Forse

Nel prossimo post pubblicherò la controprova che ha confermato questi valori, utilizzando un metodo completamente diverso.

[Theremino]

Lo schema (anzi i due schemi per Etherwave e per CapSensor) sono all'inizio di questo thread, sia in formato FidoCadJ che in formato LTSpice.

Misurare sarebbe bello ma purtroppo non so come fare, per due ragioni:
1) Sono potenze piccolissime e quindi difficili da misurare.
2) I metodi normali di misurare la potenza in antenna prevedono di sostituire la antenna con un carico fittizio puramente resistivo (solitamente da 51 o 75 ohm). Ma purtroppo qui l'impedenza della antenna è lontanissima dall'essere un carico resistivo.

Le antenne dei Theremin essendo cortissime rispetto alla lunghezza d'onda sono quasi dei condensatori puri (a parametri concentrati) e no so proprio quale valore abbia la componente resistiva della loro impedenza. Ovvero, una idea di quanto vale questa componente resistiva la avrei, dovrebbe essere dalle parti di un mega ohm, come spiegherò nel prossimo post.