Introducere în potrivirea impedanței și cum să utilizați un transformator de potrivire a impedanței pentru proiectarea dvs.

Dacă sunteți inginer de proiectare RF sau oricine a lucrat cu radiouri wireless, termenul „ Potrivire impedanță ” ar fi trebuit să vă lovească de mai multe ori. Termenul este crucial deoarece afectează în mod direct puterea de transmisie și, astfel, gama modulelor noastre radio. Acest articol își propune să vă ajute să înțelegeți ce este Impedance Matching din elementele de bază și vă va ajuta, de asemenea, să vă proiectați propriile circuite de potrivire a impedanței utilizând un transformator de potrivire a impedanței, care este cea mai comună metodă. Deci, hai să ne scufundăm.

Ce este potrivirea prin impedanță?

Pe scurt, potrivirea impedanței asigură că impedanța de ieșire a unui stadiu, numită sursă, este egală cu impedanța de intrare a etapei următoare, numită sarcină. Această potrivire permite transferul maxim de energie și pierderea minimă. Puteți înțelege acest concept cu ușurință gândindu-l ca becuri în serie cu sursă de alimentare. Primul bec este impedanța de ieșire pentru prima etapă (un emițător radio, de exemplu), iar al doilea bec este sarcina sau, cu alte cuvinte, impedanța de intrare a celui de-al doilea bec (o antenă, de exemplu). Vrem să ne asigurăm că cea mai mare putere este livrată sarcinii, în cazul nostru, acest lucru ar însemna că cea mai mare putere este transmisă în aer, astfel încât un post de radio să poată fi auzit de mai departe. Acest maxim transferul de putere are loc atunci când impedanța de ieșire a sursei este egală cu impedanța de intrare a sarcinii, deoarece dacă impedanța de ieșire este mai mare decât sarcina, se pierde mai multă putere în sursă (primul bec luminează mai puternic).

Raportul undei staționare - Măsura potrivirii impedanței

O măsurătoare utilizată pentru a defini cât de bine se potrivesc două etape se numește SWR (Standing Wave Ratio). Este raportul dintre impedanța mai mare comparativ cu cea mai mică, un transmițător de 50 Ω într-o antenă de 200 Ω oferă 4 SWR, o antenă de 75 Ω care alimentează un mixer NE612 (impedanța de intrare este de 1500 Ω) va avea un SWR de 20. A potrivire perfectă, să presupunem că o antenă de 50 Ω și un receptor de 50 Ω oferă un SWR de 1.

La emițătoarele radio, SWR-urile sub 1,5 sunt considerate decente și funcționarea atunci când SWR este mai mare de 3 poate duce la deteriorarea cauzată de supraîncălzirea dispozitivelor cu putere de ieșire (tuburi de vid sau tranzistori). La primirea aplicațiilor, SWR-ul ridicat nu va provoca daune, dar va face receptorul mai puțin sensibil, deoarece semnalul primit va fi atenuat din cauza nepotrivirii și a pierderii de energie.

Deoarece majoritatea receptoarelor utilizează o formă a unui filtru de trecere a benzii de intrare, filtrul de intrare poate fi proiectat astfel încât să se potrivească antena cu stadiul de intrare al receptorului. Toate emițătoarele radio au filtre de ieșire care sunt utilizate pentru a potrivi stadiul de ieșire de putere la impedanța specifică (de obicei 50 Ω). Unele emițătoare au tunere de antenă încorporate care pot fi utilizate pentru a potrivi emițătorul cu antena dacă impedanța antenei este diferită de impedanța de ieșire specificată a emițătorului. Dacă nu există tuner de antenă, trebuie utilizat un circuit extern de potrivire. Pierderea de putere datorată nepotrivirii este greu de calculat, așa că sunt utilizate calculatoare speciale sau tabele de pierdere SWR. Un tabel tipic de pierdere SWR este prezentat mai jos

Folosind tabelul SWR de mai sus, putem calcula pierderea de putere și, de asemenea, pierderea de tensiune. Tensiunea se pierde din cauza nepotrivirii atunci când impedanța de sarcină este mai mică decât impedanța sursei și curentul se pierde atunci când impedanța de încărcare este mai mare decât sursa.

Transmițătorul nostru de 50 Ω cu o antenă de 200 Ω cu 4 SWR va pierde aproximativ 36% din puterea sa, ceea ce înseamnă că cu 36% mai puțină energie va fi livrată antenei în comparație cu dacă antena avea o impedanță de 50 Ω. Puterea pierdută va fi în mare parte disipată în sursă, ceea ce înseamnă că dacă emițătorul nostru a dat 100W, 36W vor fi disipați suplimentar în ea sub formă de căldură. Dacă transmițătorul nostru de 50 Ω ar fi eficient cu 60%, acesta ar disipa 66 W atunci când transmite 100 W într-o antenă de 50 Ω. Când este conectat la antena de 200 Ω, acesta va disipa încă 36 W, astfel încât puterea totală pierdută ca căldură în transmițător este de 102 W. Creșterea puterii disipată în transmițător nu înseamnă doar că puterea maximă nu este emisă de antenă dar riscă și deteriorarea transmițătorului nostru, deoarece disipează 102 W în loc de 66W, a fost conceput pentru a funcționa.

În cazul unei antene de 75Ω, care alimentează intrarea de 1500Ω a IC-ului NE612, nu ne preocupă pierderea de energie ca căldură, ci nivelul de semnal crescut care poate fi atins prin utilizarea potrivirii impedanței. Să presupunem că 13nW de RF este indus în antenă. Cu o impedanță de 75 Ω, 13 nW oferă 1 mV - vrem să le potrivim cu sarcina noastră de 1500 Ω. Pentru a calcula tensiunea de ieșire după circuitul de potrivire, trebuie să cunoaștem raportul de impedanță, în cazul nostru, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Raportul de tensiune (cum ar fi raportul de rotații în transformatoare) este egal cu rădăcina pătrată a raportului de impedanță, deci √20≈8.7. Aceasta înseamnă că tensiunea de ieșire va fi de 8,7 ori mai mare, deci va fi egală cu 8,7 mV. Circuitele potrivite acționează ca niște transformatoare.

Deoarece puterea care intră în circuitul de potrivire și puterea de ieșire sunt aceleași (minus pierderi), curentul de ieșire va fi mai mic decât cel de intrare cu un factor de 8,7, dar tensiunea de ieșire va fi mai mare. Dacă potrivim o impedanță ridicată cu una mică, am obține o tensiune mai mică, dar un curent mai mare.

Transformatoare de potrivire a impedanței

Transformatoarele speciale numite Impedance Matching Transformers pot fi utilizate pentru a se potrivi impedanței. Principalul avantaj al transformatoarelor ca dispozitive de potrivire a impedanței este că au bandă largă, ceea ce înseamnă că pot funcționa cu o gamă largă de frecvențe. Transformatoarele audio care utilizează miezuri din tablă de oțel, cum ar fi cele utilizate în circuitele de amplificare a tuburilor de vid pentru a potrivi impedanța ridicată a tubului cu impedanța scăzută a difuzorului, au o lățime de bandă de 20Hz la 20kHz, au lățimi de bandă de 1MHz-30MHz.

Transformatoarele pot fi utilizate ca dispozitive de potrivire a impedanței, datorită raportului lor de rotații care schimbă impedanța pe care „o vede” sursa. De asemenea, puteți verifica acest element de bază al articolului despre transformatoare dacă sunteți complet nou la transformatoare. Dacă avem un transformator cu un raport de 1: 4 spire, aceasta înseamnă că, dacă 1V AC ar fi aplicat la primar, am avea 4V AC la ieșire. Dacă adăugăm un rezistor de 4Ω la ieșire, 1A de curent va curge în secundar, curentul în primar este egal cu curentul secundar înmulțit cu raportul de tur (împărțit dacă transformatorul a fost de tip treptat, ca rețeaua electrică transformatoare), deci 1A * 4 = 4A. Dacă folosim legea lui Ω pentru a determina impedanța pe care transformatorul o prezintă circuitului, avem 1V / 4A = 0,25Ω, în timp ce conectăm o sarcină de 4Ω după transformatorul de potrivire. Raportul de impedanță este de 0,25Ω la 4Ω sau, de asemenea, 1:16. Se poate calcula și cu aceastaFormula raportului de impedanță:

(n _A / n _B) ² = r _i

unde n _A este numărul de spire primare ale înfășurării cu mai multe spire, n _B este numărul de spire ale înfășurării cu mai puține spire și r _i este raportul de impedanță. Așa se întâmplă potrivirea impedanței.

Dacă am folosi din nou legea Ohms, dar acum pentru a calcula puterea care curge în primar am avea 1V * 4A = 4W, în secundar am avea 4V * 1A = 4W. Aceasta înseamnă că calculele noastre sunt corecte, că transformatoarele și alte circuite de potrivire a impedanței nu dau mai multă putere decât sunt alimentate. Fără energie gratuită aici.

Cum să selectați un transformator de potrivire a impedanței

Circuitul de potrivire a transformatorului poate fi utilizat atunci când este necesară filtrarea bandpass, ar trebui să fie rezonant cu inductanța secundarului la frecvența de utilizare. Parametrii principali ai transformatoarelor ca dispozitive de potrivire a impedanței sunt:

• Raportul de impedanță sau raportul de viraje mai frecvent declarat (n)
• Inductanță primară
• Inductanță secundară
• Impedanță primară
• Impedanță secundară
• Frecvența de auto-rezonanță
• Frecvența minimă de funcționare
• Frecvența maximă de funcționare
• Configurare de înfășurare
• Prezența golului de aer și max. Curent continuu
• Max. putere

Numărul de viraje primare ar trebui să fie suficient, astfel încât înfășurarea primară a transformatorului are reactanță (este o bobină) de patru ori impedanța de ieșire a sursei la cea mai mică frecvență de funcționare.

Numărul de viraje secundare este egal cu numărul de viraje pe primar, împărțit la rădăcina pătrată a raportului de impedanță.

De asemenea, trebuie să știm ce tip și dimensiune de bază să folosim, diferite nuclee funcționează bine în diferite frecvențe, în afara cărora prezintă pierderi.

Dimensiunea miezului depinde de puterea care curge prin miez, deoarece fiecare miez prezintă pierderi, iar miezurile mai mari pot disipa aceste pierderi mai bine și nu prezintă saturație magnetică și alte lucruri nedorite la fel de ușor.

Este necesar un spațiu de aer atunci când un curent continuu va curge prin orice înfășurare pe transformator dacă miezul utilizat este fabricat din laminări de oțel, ca într-un transformator de rețea.

Circuite de potrivire a transformatoarelor - Exemplu

De exemplu, avem nevoie de un transformator care să potrivească o sursă de 50 Ω la o sarcină de 1500 Ω în intervalul de frecvență de la 3MHz la 30MHz într-un receptor. Mai întâi trebuie să știm ce miez am avea nevoie, deoarece este un receptor foarte puțină energie va curge prin transformator, astfel încât dimensiunea miezului poate fi mică. Un nucleu bun în această aplicație ar fi FT50-75. Potrivit producătorului, gama de frecvențe este întrucât un transformator de bandă largă este de la 1 MHz la 50 MHz, suficient de bun pentru această aplicație.

Acum trebuie să calculăm turațiile primare, avem nevoie de reactanța primară de 4 ori mai mare decât impedanța sursei de ieșire, deci 200 Ω. La frecvența minimă de funcționare de 3 MHz, un inductor de 10,6 uH are 200 Ω de reactanță. Folosind un calculator online calculăm că avem nevoie de 2 rotații de sârmă pe miez pentru a obține 16uH, puțin peste 10.6uH, dar în acest caz, este mai bine să fie mai mare decât să fie mai mic. 50 Ω la 1500 Ω oferă un raport de impedanță de 30. Deoarece raportul de rotații este rădăcina pătrată a raportului de impedanță obținem în jur de 5,5, deci pentru fiecare rotație primară avem nevoie de 5,5 rotații secundare pentru a face ca 1500 Ω la secundar să arate ca 50 Ω la sursa. Deoarece avem 2 spire pe primar avem nevoie de 2 * 5,5 spire pe secundar, adică 11 spire. Diametrul firului trebuie să respecte 3A / 1mm ² regulă (maximum 3A care curge pe fiecare milimetru pătrat de suprafață a secțiunii transversale a firului).

Adaptarea transformatoarelor este adesea utilizată în filtrele de bandă, pentru a potrivi circuitele rezonante la impedanțele reduse ale antenelor și mixerelor. Cu cât este mai mare impedanța de încărcare a circuitului, cu atât este mai mică lățimea de bandă și cu atât este mai mare Q. Dacă am conecta un circuit rezonant direct la o impedanță scăzută, lățimea de bandă ar fi de multe ori prea mare pentru a fi utilă. Circuitul rezonant este format din secundarul L1 și primul condensator de 220 pF și primarul din L2 și al doilea condensator de 220 pF.

Imaginea de mai sus prezintă o potrivire a transformatorului utilizată într-un amplificator de putere audio pentru tuburi de vid pentru a potrivi impedanța de ieșire de 3000 Ω a tubului PL841 cu un difuzor de 4 Ω. 1000 pF C67 previne sunetul la frecvențe audio mai mari.

Potrivirea autotransformatorului pentru echilibrul de impedanță

Circuitul de potrivire a autotransformatorului este o variantă a circuitului de potrivire a transformatoarelor, unde cele două înfășurări sunt conectate una peste alta. Este utilizat în mod obișnuit în inductoarele de filtru IF, împreună cu transformatorul care se potrivește cu baza, unde este utilizat pentru a potrivi impedanța inferioară a tranzistorului cu o impedanță ridicată care încarcă mai puțin circuitul de reglare și permite o lățime de bandă mai mică și, prin urmare, o selectivitate mai mare. Procesul de proiectare a acestora este practic același, numărul de ture pe primar fiind egal cu numărul de ture de la robinetul bobinei până la capătul „rece” sau împământat, iar numărul de ture pe secundar fiind egal cu numărul de rotații dintre robinet și capătul „fierbinte” sau capătul conectat la sarcină.

Imaginea de mai sus arată un circuit de potrivire a autotransformatorului. C este opțional dacă este utilizat, ar trebui să fie rezonant cu inductanța lui L la frecvența de utilizare. În acest fel, circuitul oferă și filtrare.

Această imagine ilustrează o potrivire a autotransformatorului și a transformatorului utilizate într-un transformator IF. Impedanța ridicată a autotransformatorului se conectează la C17, acest condensator formează un circuit rezonant cu întreaga înfășurare. Deoarece acest condensator se conectează la capătul de impedanță ridicată al autotransformatorului, rezistența de încărcare a circuitului acordat este mai mare, prin urmare circuitul Q este mai mare și lățimea de bandă IF este redusă, îmbunătățind selectivitatea și sensibilitatea. Transformarea potrivită cuplează semnalul amplificat la diodă.

(…)

Potrivirea autotransformatorului utilizată într-un amplificator de putere al tranzistorului, se potrivește cu impedanța de ieșire de 12 Ω a tranzistorului cu antena de 75 Ω. C55 este conectat în paralel cu capătul cu impedanță ridicată al autotransformatorului formează un circuit rezonant care filtrează armonicele.