Wprowadzenie do dopasowywania impedancji i jak używać transformatora dopasowującego impedancję w swoim projekcie

Jeśli jesteś inżynierem projektującym fale radiowe lub kimkolwiek, kto pracował z radiotelefonami bezprzewodowymi, termin „ dopasowanie impedancji ” powinien uderzyć Cię więcej niż raz. Pojęcie to ma kluczowe znaczenie, ponieważ wpływa bezpośrednio na moc transmisji, a tym samym zasięg naszych modułów radiowych. Ten artykuł ma na celu pomóc ci zrozumieć, czym jest dopasowywanie impedancji od podstaw, a także pomoże ci zaprojektować własne obwody dopasowujące impedancję za pomocą transformatora dopasowującego impedancję, który jest najczęstszą metodą. Więc zanurzmy się.

Co to jest dopasowanie impedancji?

Krótko mówiąc, dopasowanie impedancji zapewnia, że impedancja wyjściowa jednego stopnia, zwanego źródłem, jest równa impedancji wejściowej następnego stopnia, zwanego obciążeniem. To dopasowanie pozwala na maksymalny transfer mocy i minimalne straty. Możesz łatwo zrozumieć tę koncepcję, myśląc o niej jako o żarówkach połączonych szeregowo ze źródłem zasilania. Pierwsza żarówka to impedancja wyjściowa pierwszego stopnia (np. Nadajnik radiowy), a druga to obciążenie, czyli inaczej mówiąc impedancja wejściowa drugiej żarówki (na przykład anteny). Chcemy mieć pewność, że do obciążenia jest dostarczana jak najwięcej mocy, w naszym przypadku oznaczałoby to, że najwięcej mocy jest przenoszone w powietrze, aby stacja radiowa była słyszalna z większej odległości. To maksimum przeniesienie mocy występuje, gdy impedancja wyjściowa źródła jest równa impedancji wejściowej obciążenia, ponieważ jeśli impedancja wyjściowa jest większa niż obciążenie, w źródle tracona jest większa moc (pierwsza żarówka świeci jaśniej).

Współczynnik fali stojącej - miara dopasowania impedancji

Miara używana do określenia, jak dobrze dopasowane są dwa stopnie, nazywa się SWR (współczynnik fali stojącej). Jest to stosunek większej impedancji w porównaniu do mniejszego, nadajnik 50 Ω na antenę 200 Ω daje 4 SWR, a antena 75 Ω zasilająca mikser NE612 (impedancja wejściowa 1500 Ω) bezpośrednio daje SWR 20 A. idealne dopasowanie, powiedzmy, że antena 50 Ω i odbiornik 50 Ω dają WFS 1.

W nadajnikach radiowych SWR poniżej 1,5 są uważane za przyzwoite, a działanie, gdy SWR jest powyżej 3, może spowodować uszkodzenie z powodu przegrzania urządzeń stopnia wyjściowego (lampy próżniowe lub tranzystory). W aplikacjach odbiorczych wysoki SWR nie spowoduje uszkodzenia, ale spowoduje, że odbiornik będzie mniej czuły, ponieważ odbierany sygnał zostanie osłabiony z powodu niedopasowania i wynikającej z tego utraty mocy.

Ponieważ większość odbiorników wykorzystuje jakąś formę wejściowego filtru pasmowoprzepustowego, filtr wejściowy można zaprojektować tak, aby dopasował antenę do stopnia wejściowego odbiornika. Wszystkie nadajniki radiowe mają filtry wyjściowe, które służą do dopasowania stopnia wyjściowego mocy do określonej impedancji (zwykle 50 Ω). Niektóre nadajniki mają wbudowane tunery antenowe, których można użyć do dopasowania nadajnika do anteny, jeśli impedancja anteny różni się od impedancji wyjściowej określonego nadajnika. Jeśli nie ma tunera antenowego, należy zastosować zewnętrzny obwód dopasowujący. Straty mocy spowodowane niedopasowaniem są trudne do obliczenia, dlatego stosuje się specjalne kalkulatory lub tabele strat SWR. Poniżej przedstawiono typową tabelę strat SWR

Korzystając z powyższej tabeli SWR, możemy obliczyć utratę mocy, a także utratę napięcia. Utrata napięcia jest spowodowana niedopasowaniem, gdy impedancja obciążenia jest niższa niż impedancja źródła, a prąd jest tracony, gdy impedancja obciążenia jest wyższa niż źródło.

Nasz nadajnik 50 Ω z anteną 200 Ω i 4 SWR straci około 36% swojej mocy, co oznacza, że ​​do anteny zostanie dostarczone 36% mniej mocy w porównaniu z anteną o impedancji 50 Ω. Utracona moc zostanie w większości rozproszona w źródle, co oznacza, że ​​jeśli nasz nadajnik dawał 100W, to 36W zostanie w nim dodatkowo rozproszone w postaci ciepła. Gdyby nasz nadajnik 50 Ω był 60% sprawny, rozpraszałby 66 W przy transmisji 100 W do anteny 50 Ω. Po podłączeniu do anteny 200 Ω rozproszy dodatkowe 36 W, dzięki czemu całkowita moc tracona w postaci ciepła w nadajniku wynosi 102 W. Wzrost mocy rozpraszanej w nadajniku oznacza nie tylko, że antena nie emituje pełnej mocy. ale także ryzykujesz uszkodzenie naszego nadajnika, ponieważ rozprasza 102 W zamiast 66 W, z którym został zaprojektowany.

W przypadku anteny 75Ω, zasilającej wejście 1500Ω układu scalonego NE612, nie chodzi nam o utratę mocy w postaci ciepła, ale o podwyższony poziom sygnału, który można osiągnąć dzięki dopasowaniu impedancji. Powiedzmy, że w antenie indukowane jest 13nW RF. Przy impedancji 75 Ω, 13nW daje 1 mV - chcemy to dopasować do naszego obciążenia 1500 Ω. Aby obliczyć napięcie wyjściowe po dopasowanym obwodzie, musimy znać stosunek impedancji, w naszym przypadku 1500 Ω / 75 Ω = 20. Współczynnik napięcia (podobnie jak przekładnia zwojów w transformatorach) jest równy pierwiastkowi kwadratowemu stosunku impedancji, więc √20≈8,7. Oznacza to, że napięcie wyjściowe będzie 8,7 razy większe, a więc będzie równe 8,7 mV. Dopasowane obwody działają jak transformatory.

Ponieważ moc wchodząca do obwodu dopasowującego i moc wychodząca są takie same (minus strata), prąd wyjściowy będzie niższy niż wejściowy o współczynnik 8,7, ale napięcie wyjściowe będzie większe. Gdybyśmy dopasowali wysoką impedancję do niskiej, otrzymalibyśmy niższe napięcie, ale wyższy prąd.

Transformatory dopasowujące impedancję

Do dopasowania impedancji można użyć specjalnych transformatorów zwanych transformatorami dopasowującymi impedancję. Główną zaletą transformatorów jako urządzeń dopasowujących impedancję jest to, że mają one łącze szerokopasmowe, co oznacza, że ​​mogą pracować z szerokim zakresem częstotliwości. Transformatory audio wykorzystujące rdzenie z blachy stalowej, takie jak te stosowane w obwodach wzmacniaczy lampowych w celu dopasowania wysokiej impedancji lampy do niskiej impedancji głośnika, mają szerokość pasma od 20 Hz do 20 kHz, transformatory RF wykonane z rdzeniem ferrytowym lub nawet powietrznym mogą mają szerokości pasma od 1 MHz do 30 MHz.

Transformatory mogą być używane jako urządzenia dopasowujące impedancję ze względu na ich współczynnik zwojów, który zmienia impedancję, którą „widzi” źródło. Możesz również sprawdzić ten podstawowy artykuł dotyczący transformatorów, jeśli jesteś zupełnie nowy w transformatorach. Jeśli mamy transformator o przełożeniu 1: 4 zwojów, oznacza to, że gdybyśmy przyłożyli 1 V prądu przemiennego do pierwotnego, mielibyśmy 4 V prądu przemiennego na wyjściu. Jeśli do wyjścia dodamy rezystor 4Ω, w obwodzie wtórnym popłynie prąd o wartości 1A, prąd w obwodzie pierwotnym jest równy prądowi wtórnemu pomnożonemu przez przekładnię zwojów (podzielony, jeśli transformator był typu obniżającego napięcie, np. transformatory), więc 1A * 4 = 4A. Jeśli wykorzystamy prawo Ω do określenia impedancji, jaką transformator przedstawia w obwodzie, to mamy 1V / 4A = 0,25Ω, podczas gdy za transformatorem dopasowującym podłączyliśmy obciążenie 4Ω. Stosunek impedancji wynosi od 0,25 Ω do 4 Ω lub 1:16. Można to również obliczyć za pomocą tegoWzór na współczynnik impedancji:

(n _A / n _B) ² = r _i

gdzie n _A jest liczbą pierwotnych zwojów uzwojenia z większą liczbą zwojów, n _B jest liczbą zwojów uzwojenia z mniejszą liczbą zwojów, a r _i jest stosunkiem impedancji. Tak zachodzi dopasowanie impedancji.

Gdybyśmy ponownie zastosowali prawo Ohma, ale teraz, aby obliczyć moc przepływającą do pierwotnego, mielibyśmy 1 V * 4 A = 4 W, w wtórnym mielibyśmy 4 V * 1 A = 4 W. Oznacza to, że nasze obliczenia są prawidłowe, że transformatory i inne obwody dopasowujące impedancję nie dają więcej mocy niż są zasilane. Brak darmowej energii.

Jak wybrać transformator dopasowujący impedancję

Obwód dopasowujący transformator może być użyty, gdy potrzebne jest filtrowanie pasmowoprzepustowe, powinien być rezonansowy z indukcyjnością wtórną przy częstotliwości użytkowania. Główne parametry transformatorów jako urządzeń dopasowujących impedancję to:

• Współczynnik impedancji lub częściej określany współczynnik zwojów (n)
• Pierwotna indukcyjność
• Indukcyjność wtórna
• Pierwotna impedancja
• Impedancja wtórna
• Częstotliwość rezonansu własnego
• Minimalna częstotliwość pracy
• Maksymalna częstotliwość pracy
• Konfiguracja uzwojenia
• Obecność szczeliny powietrznej i max. Prąd stały
• Maks. moc

Liczba zwojów pierwotnych powinna być wystarczająca, aby uzwojenie pierwotne transformatora miało reaktancję (jest to cewka) czterokrotnie większą od impedancji wyjściowej źródła przy najniższej częstotliwości pracy.

Liczba zwojów wtórnych jest równa liczbie zwojów pierwotnej podzielonej przez pierwiastek kwadratowy stosunku impedancji.

Musimy również wiedzieć, jakiego typu i rozmiaru rdzenia użyć, różne rdzenie działają dobrze w różnych częstotliwościach, poza którymi wykazują straty.

Rozmiar rdzenia zależy od mocy przepływającej przez rdzeń, ponieważ każdy rdzeń wykazuje straty, a większe rdzenie mogą lepiej rozpraszać te straty i nie wykazywać tak łatwo nasycenia magnetycznego i innych niepożądanych rzeczy.

Szczelina powietrzna jest wymagana, gdy prąd stały będzie przepływał przez jakiekolwiek uzwojenie transformatora, jeśli zastosowany rdzeń jest wykonany z laminatów stalowych, jak w transformatorze sieciowym.

Obwody dopasowujące transformator - przykład

Na przykład potrzebujemy transformatora, aby dopasować źródło 50 Ω do obciążenia 1500 Ω w zakresie częstotliwości od 3 MHz do 30 MHz w odbiorniku. Najpierw musimy wiedzieć, jakiego rdzenia będziemy potrzebować, ponieważ jest to odbiornik, bardzo mała moc przepłynie przez transformator, więc rozmiar rdzenia może być mały. Dobrym rdzeniem w tej aplikacji byłby FT50-75. Według producenta, jego zakres częstotliwości jako transformatora szerokopasmowego wynosi od 1 MHz do 50 MHz, co jest wystarczające do tego zastosowania.

Teraz musimy obliczyć zwoje pierwotne, potrzebujemy, aby reaktancja pierwotna była 4 razy wyższa niż impedancja wyjściowa źródła, czyli 200 Ω. Przy minimalnej częstotliwości roboczej 3 MHz cewka indukcyjna 10,6uH ma reaktancję 200 Ω. Korzystając z kalkulatora online obliczamy, że potrzebujemy 2 zwojów drutu na rdzeniu, aby uzyskać 16uH, nieco powyżej 10,6uH, ale w tym przypadku lepiej, aby był większy niż mniejszy. 50 Ω do 1500 Ω daje współczynnik impedancji 30. Ponieważ stosunek zwojów jest pierwiastkiem kwadratowym stosunku impedancji, otrzymujemy około 5,5, więc dla każdego zwoju pierwotnego potrzebujemy 5,5 zwojów wtórnych, aby 1500 Ω na wtórnym wyglądało jak 50 Ω do źródło. Ponieważ mamy 2 zwoje na podstawowym, potrzebujemy 2 * 5,5 zwojów na wtórnym, czyli 11 zwojach. Średnica drutu powinna być zgodna z 3A / 1mm ² reguła (maksymalnie 3 A przepływające na każdy milimetr kwadratowy przekroju przewodu).

Dopasowanie transformatora jest często stosowane w filtrach pasmowych, aby dopasować obwody rezonansowe do niskich impedancji anten i mikserów. Im wyższa impedancja obciążająca obwód, tym mniejsza przepustowość i wyższe Q. Gdybyśmy podłączyli obwód rezonansowy bezpośrednio do niskiej impedancji, szerokość pasma byłaby bardzo często zbyt duża, aby była użyteczna. Obwód rezonansowy składa się z wtórnego kondensatora L1 i pierwszego kondensatora 220 pF oraz pierwotnego kondensatora L2 i drugiego kondensatora 220 pF.

Powyższe zdjęcie pokazuje dopasowanie transformatora używane we wzmacniaczu mocy audio z lampą próżniową w celu dopasowania impedancji wyjściowej lampy PL841 3000 Ω do głośnika 4 Ω. 1000 pF C67 zapobiega dzwonieniu przy wyższych częstotliwościach audio.

Dopasowanie autotransformatora do balansu impedancji

Obwód dopasowujący autotransformatora jest wariantem obwodu dopasowującego transformatora, w którym dwa uzwojenia są połączone jeden na drugim. Jest powszechnie stosowany w cewkach filtrujących IF, wraz z dopasowaniem transformatora do podstawy, gdzie służy do dopasowania niższej impedancji tranzystora do wysokiej impedancji, która mniej obciąża obwód strojenia i pozwala na mniejszą szerokość pasma, a tym samym większą selektywność. Proces ich projektowania jest praktycznie taki sam, przy czym liczba zwojów uzwojenia pierwotnego jest równa liczbie zwojów od zaczepu cewki do końca „zimnego” lub uziemionego, a liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest równa liczba zwojów między kranem a „gorącym” końcem lub końcem podłączonym do obciążenia.

Powyższe zdjęcie przedstawia obwód dopasowujący autotransformator. C jest opcjonalne, jeśli jest używane, powinno być rezonansowe z indukcyjnością L przy częstotliwości użytkowania. W ten sposób obwód zapewnia również filtrowanie.

Ten obraz ilustruje autotransformator i dopasowanie transformatora używane w transformatorze IF. Wysoka impedancja autotransformatora łączy się z C17, kondensator ten tworzy obwód rezonansowy z całym uzwojeniem. Ponieważ ten kondensator łączy się z końcem autotransformatora o wysokiej impedancji, rezystancja obciążająca dostrojony obwód jest wyższa, dlatego obwód Q jest większy, a szerokość pasma IF jest zmniejszona, poprawiając selektywność i czułość. Dopasowanie transformatora sprzęga wzmocniony sygnał z diodą.

Wcześniejsze

Dopasowanie autotransformatora zastosowane w tranzystorowym wzmacniaczu mocy dopasowuje impedancję wyjściową tranzystora 12 Ω do anteny 75 Ω. C55 jest połączony równolegle z końcem o wysokiej impedancji autotransformatora, tworząc obwód rezonansowy, który filtruje harmoniczne.