Вступ до відповідності імпедансу та як використовувати трансформатор, що відповідає імпедансу, для вашої конструкції

Якщо ви інженер-розробник радіочастот або хтось, хто працював із бездротовими радіостанціями, термін “ Відповідність імпедансу ” повинен був вражати вас не раз. Цей термін є вирішальним, оскільки він безпосередньо впливає на потужність передачі, а отже і на діапазон наших радіомодулів. Ця стаття має на меті допомогти вам зрозуміти, що таке імпедансне узгодження з основ, а також допоможе вам розробити власні схеми узгодження імпедансу за допомогою трансформатора, що відповідає імпедансу, який є найпоширенішим методом. Отже, давайте зануримось.

Що таке збіг імпедансу?

Коротше кажучи, узгодження імпедансу гарантує, що вихідний опір одного каскаду, який називається джерелом, дорівнює вхідному імпедансу наступного каскаду, який називається навантаженням. Цей матч забезпечує максимальну передачу потужності та мінімальні втрати. Ви можете легко зрозуміти це поняття, думаючи про нього як про лампочки послідовно з джерелом живлення. Перша лампочка - вихідний опір першого ступеня (наприклад, радіопередавач), а друга лампочка - це навантаження, або іншими словами, вхідний опір другої лампочки (наприклад, антена). Ми хочемо переконатись, що найбільша потужність подається на вантаж, у нашому випадку це означатиме, що найбільша потужність передається в ефір, щоб радіостанція могла чутись далі. Це максимум передача потужності відбувається, коли вихідний опір джерела дорівнює вхідному імпедансу навантаження, тому що якщо вихідний опір більше навантаження, більше енергії втрачається у джерелі (перша лампочка світить яскравіше).

Співвідношення стоячих хвиль - міра відповідності імпедансу

Вимірювання, яке використовується для визначення того, наскільки добре узгоджуються два етапи, називається SWR (коефіцієнт стоячої хвилі). Це відношення більшого імпедансу порівняно з меншим, передавач 50 Ом в антену 200 Ом дає 4 КСВ, антена 75 Ом, що живить змішувач NE612 (вхідний опір 1500 Ом), безпосередньо буде КСВ 20 А. ідеально збігаємося, припустимо, антена 50 Ом і приймач 50 Ом дають коефіцієнт корисної дії 1.

У радіопередавачах КСВ нижче 1,5 вважаються гідними, і робота, коли КСВ вище 3, може призвести до пошкодження через перегрів приладів вихідної потужності (вакуумні трубки або транзистори). При отриманні додатків високий коефіцієнт корисної дії не спричиняє шкоди, але робить приймач менш чутливим, оскільки отриманий сигнал буде ослаблений через невідповідність та наслідкові втрати потужності.

Оскільки більшість приймачів використовують якусь форму вхідного смугового фільтра, вхідний фільтр може бути розроблений так, щоб відповідати антені вхідному каскаду приймача. Усі радіопередавачі мають вихідні фільтри, які використовуються для узгодження рівня вихідної потужності з питомим опором (зазвичай 50 Ом). Деякі передавачі мають вбудовані антенні тюнери, які можна використовувати для узгодження передавача з антеною, якщо імпеданс антени відрізняється від вихідного імпедансу передавача. Якщо антенного тюнера немає, слід використовувати зовнішню відповідну схему. Втрати потужності через невідповідність важко підрахувати, тому використовуються спеціальні калькулятори або таблиці втрат КСВ. Типова таблиця втрат КСВ наведена нижче

Використовуючи таблицю SWR вище, ми можемо розрахувати втрати потужності, а також втрати напруги. Напруга втрачається через невідповідність, коли імпеданс навантаження нижче опору джерела, а струм втрачається, коли імпеданс навантаження вище джерела.

Наш передавач на 50 Ом з антеною на 200 Ом з 4 КСВ втратить близько 36% своєї потужності, а це означає, що на 36% менше енергії буде подано до антени порівняно з тим, якби антена мала опір 50 Ом. Втрачена потужність в основному буде розсіюватися у джерелі, тобто, якщо наш передавач видавав 100 Вт, 36 Вт буде додатково розсіюватися в ньому як тепло. Якби наш 50-омний передавач був ефективним на 60%, він би розсіював 66 Вт при передачі 100 Вт в антену на 50 Ом. При підключенні до антени 200 Ом вона розсіює додаткові 36 Вт, тому загальна потужність, втрачена внаслідок нагрівання передавача, дорівнює 102 Вт. Збільшення потужності, що розсіюється в передавачі, не лише означає, що антена не видає повну потужність але також ризикує пошкодити наш передавач, оскільки він розсіює 102 Вт замість 66 Вт, він був розроблений для роботи.

У випадку антени 75 Ом, що подає 1500 Ом вхідної мікросхеми NE612, нас турбує не втрата потужності внаслідок нагрівання, а підвищений рівень сигналу, який може бути досягнутий за допомогою узгодження імпедансу. Скажімо, в антені індукується 13 нВт радіочастот. При імпедансі 75 Ом 13 нВт дає 1 мВ - ми хочемо відповідати цьому навантаженню на 1500 Ом. Щоб розрахувати вихідну напругу після узгодженої схеми, нам потрібно знати відношення імпедансу, в нашому випадку, 1500 Ом / 75 Ом = 20. Коефіцієнт напруги (як коефіцієнт витків у трансформаторах) дорівнює квадратному кореню відношення імпедансу, тому so20≈8,7. Це означає, що вихідна напруга буде в 8,7 рази більшою, отже, вона буде дорівнювати 8,7 мВ. Відповідні схеми діють як трансформатори.

Оскільки потужність, що надходить у відповідну ланцюг, і вихідна потужність однакові (мінус втрати), вихідний струм буде меншим вхідного в 8,7 разів, але вихідна напруга буде більшою. Якби ми підібрали високий імпеданс до низького, ми отримали б меншу напругу, але більший струм.

Трансформатори, що відповідають імпедансу

Спеціальні трансформатори, що називаються трансформаторами, що відповідають імпедансу, можуть бути використані для узгодження імпедансу. Основною перевагою трансформаторів як пристроїв, що відповідають імпедансу, є те, що вони мають широкосмуговий доступ, тобто вони можуть працювати з широким діапазоном частот. Аудіотрансформатори, що використовують сердечники з листової сталі, такі як ті, що використовуються в ланцюгах підсилювача вакуумної трубки, щоб відповідати високому імпедансу трубки низькому імпедансу динаміка, мають пропускну здатність від 20 Гц до 20 кГц, ВЧ-трансформатори, виготовлені з використанням ферритових або навіть повітряних сердечників, можуть мають пропускну здатність від 1 МГц до 30 МГц.

Трансформатори можуть бути використані як пристрої, що відповідають імпедансу, через їх співвідношення оборотів, яке змінює імпеданс, який "бачить" джерело. Ви також можете перевірити цю основну частину статті про трансформатори, якщо ви абсолютно не знайомі з трансформаторами. Якщо у нас є трансформатор із співвідношенням витків 1: 4, це означає, що якби 1 В змінного струму було подано до первинного, ми б мали 4 В змінного струму на виході. Якщо до вихідного сигналу додати резистор 4 Ом, ток 1А струму буде протікати у вторинній, струм у первинному дорівнює вторинному струму, помноженому на коефіцієнт повороту (ділиться, якщо трансформатор був знижувального типу, як мережа трансформатори), отже 1А * 4 = 4А. Якщо ми використовуємо закон Ом для визначення імпедансу, який трансформатор подає на ланцюг, ми маємо 1 В / 4 А = 0,25 Ом, тоді як ми підключили навантаження 4 Ом після відповідного трансформатора. Відношення імпедансу становить 0,25 Ом до 4 Ом або також 1:16. Це також можна обчислити за цимФормула коефіцієнта імпедансу:

(n _A / n _B) ² = r _i

де n _A - кількість первинних витків на обмотці з більшою кількістю витків, n _B - кількість витків на обмотці з меншими обертами, r _i - коефіцієнт імпедансу. Так відбувається узгодження імпедансу.

Якби ми знову застосували закон Ома, але тепер для обчислення потужності, яка впадає в первинну, ми мали б 1В * 4А = 4Вт, у вторинній - 4В * 1А = 4Вт. Це означає, що наші розрахунки правильні, що трансформатори та інші схеми узгодження імпедансу не дають більше потужності, ніж подаються. Тут немає вільної енергії.

Як вибрати трансформатор, що відповідає імпедансу

Схему узгодження трансформатора можна використовувати, коли потрібна смугова фільтрація, вона повинна бути резонансною з індуктивністю вторинного на частоті використання. Основними параметрами трансформаторів як пристроїв узгодження імпедансу є:

• Коефіцієнт імпедансу або частіше заявляється коефіцієнт оборотів (n)
• Первинна індуктивність
• Вторинна індуктивність
• Первинний імпеданс
• Вторинний імпеданс
• Саморезонансна частота
• Мінімальна частота роботи
• Максимальна частота роботи
• Конфігурація намотування
• Наявність повітряного зазору та макс. Струм постійного струму
• Макс. потужність

Первинного числа обертів повинно бути достатньо, тому первинна обмотка трансформатора має опір (це котушка), що в чотири рази перевищує вихідний опір джерела при найнижчій частоті спрацьовування.

Кількість вторинних витків дорівнює кількості витків на первинному, поділеному на квадратний корінь відношення імпедансу.

Ми також повинні знати, який тип ядра і розмір використовувати, різні ядра добре працюють на різних частотах, поза якими вони демонструють втрати.

Розмір сердечника залежить від потужності, що протікає через сердечник, оскільки кожне ядро ​​демонструє втрати, а більші ядра можуть краще розсіювати ці втрати і не виявляти магнітного насичення та інших небажаних речей так само легко.

Повітряний зазор необхідний, коли струм постійного струму буде протікати через будь-яку обмотку на трансформаторі, якщо сердечник, який використовується, виготовлений із сталевого ламінування, як у мережевому трансформаторі.

Схеми відповідності трансформаторів - Приклад

Наприклад, нам потрібен трансформатор, який відповідає джерелу 50 Ом навантаженню 1500 Ом в діапазоні частот від 3 МГц до 30 МГц у приймачі. Спочатку нам потрібно знати, яке ядро ​​нам потрібно, оскільки це приймач, через трансформатор буде протікати дуже мало енергії, тому розмір сердечника може бути невеликим. Хорошим ядром у цій програмі буде FT50-75. За словами виробника, це діапазон частот, оскільки широкосмуговий трансформатор становить від 1 МГц до 50 МГц, що досить добре для цього застосування.

Тепер нам потрібно розрахувати первинні оберти, нам потрібно первинний опір, який у 4 рази перевищує вихідний опір джерела, тобто 200 Ом. При мінімальній робочій частоті 3 МГц індуктивність 10,6 мкГн має 200 Ом реактивного опору. За допомогою онлайн-калькулятора ми підраховуємо, що нам потрібно 2 витки дроту на сердечнику, щоб отримати 16uH, трохи вище 10,6uH, але в цьому випадку краще, щоб він був більшим, ніж був меншим. 50 Ом до 1500 Ом дає коефіцієнт імпедансу 30. Оскільки коефіцієнт витків - це квадратний корінь з відношення імпедансу, ми отримуємо близько 5,5, тому для кожного первинного повороту нам потрібно 5,5 вторинних витків, щоб 1500 Ом на вторинному виглядали як 50 Ом до джерело. Оскільки у нас є 2 оберти на первинному, нам потрібно 2 * 5,5 вмикання на вторинному, тобто 11 витків. Діаметр дроту повинен відповідати 3А / 1мм ² правило (максимум 3А, що протікає на кожен квадратний міліметр площі перерізу дроту).

Відповідність трансформаторів часто використовується в смугових фільтрах для узгодження резонансних ланцюгів з низьким імпедансом антен та змішувачів. Чим вище імпеданс, що навантажує схему, тим менша пропускна здатність і вище Q. Якби ми підключили резонансну схему безпосередньо до низького імпедансу, смуга частоти була б дуже великою, щоб бути корисною. Резонансна ланцюг складається з вторинного конденсатора L1 і першого конденсатора 220 пФ, а також первинного конденсатора L2 і другого конденсатора 220 пФ.

На наведеному вище зображенні показано трансформатор, який використовується в підсилювачі потужності вакуумної трубки для відповідності вихідного імпедансу трубки PL841 3000 Ом до динаміка 4 Ом. 1000 pF C67 запобігає дзвінку на більш високих звукових частотах.

Збіг автотрансформатора для балансу імпедансу

Схема узгодження автотрансформатора є варіантом схеми узгодження трансформатора, де дві обмотки з'єднані між собою одна на одній. Він зазвичай використовується в індукторах фільтра ПЧ, разом з трансформатором, що відповідає основі, де він використовується для узгодження нижчого імпедансу транзистора з високим імпедансом, який менше навантажує схему налаштування і забезпечує меншу пропускну здатність і, отже, більшу вибірковість. Процес їх проектування практично однаковий, при цьому кількість витків на первинній дорівнює кількості витків від крана котушки до «холодного» або заземленого кінця, а кількість витків на вторинній дорівнює кількість обертів між краном і «гарячим» кінцем або кінцем, який підключений до вантажу.

На зображенні вище показано схему узгодження автотрансформатора. C не є обов'язковим, якщо використовується, він повинен бути резонансним з індуктивністю L на частоті використання. Таким чином, схема також забезпечує фільтрацію.

Це зображення ілюструє автотрансформатор та відповідність трансформаторів, що використовуються в ПЧ трансформаторі. Високий опір автотрансформатора підключається до C17, цей конденсатор утворює резонансний контур з усією обмоткою. Оскільки цей конденсатор підключається до кінця автотрансформатора з високим імпедансом, опір, що навантажує налаштовану схему, вищий, отже схема Q більша, а смуга пропускання ПЧ зменшена, покращуючи селективність і чутливість. Трансформатор, що відповідає, підключає посилений сигнал до діода.

U

Автотрансформатор, що використовується в транзисторному підсилювачі потужності, відповідає вихідному опіру транзистора 12 Ом до антени 75 Ом. C55 підключений паралельно до кінця з високим імпедансом автотрансформатора і утворює резонансний контур, який відфільтровує гармоніки.