Въведение в импедансното съвпадение и как да използвате трансформатор за импедансно съвпадение за вашия дизайн

Ако сте инженер по RF дизайн или някой, който е работил с безжични радиостанции, терминът „ Съвпадение на импеданса “ трябва да ви е ударил повече от веднъж. Терминът е от решаващо значение, тъй като засяга пряко мощността на предаване и по този начин обхвата на нашите радио модули. Тази статия има за цел да ви помогне да разберете какво е импедансното съвпадение от основите и също така ще ви помогне да проектирате свои собствени импедансни схеми за съвпадение, като използвате трансформатор за импедансно съвпадение, който е най-често срещаният метод. И така, нека се потопим.

Какво е съвпадение на импеданса?

Накратко, съвпадението на импеданса гарантира, че изходният импеданс на един етап, наречен източник, е равен на входния импеданс на следващия етап, наречен товар. Това съвпадение позволява максимален трансфер на мощност и минимални загуби. Можете лесно да разберете тази концепция, като мислите за нея като за електрически крушки последователно с източник на захранване. Първата крушка е изходният импеданс за етап първи (радиопредавател, например), а втората крушка е натоварването, или с други думи, входният импеданс на втората крушка (антена например). Искаме да сме сигурни, че на товара се доставя най-много енергия, в нашия случай това би означавало, че най-много енергия се предава във въздуха, така че да може да се чува радиостанция от по-далеч. Този максимум прехвърлянето на мощност се случва, когато изходният импеданс на източника е равен на входния импеданс на товара, защото ако изходният импеданс е по-голям от товара, повече енергия се губи в източника (първата крушка свети по-ярко).

Съотношение на постоянна вълна - измерване на съпротивлението на импеданса

Измерване, използвано за определяне на степента на съвпадение на два етапа, се нарича SWR (Standing Wave Ratio). Това е съотношението на по-големия импеданс в сравнение с по-малкия, 50 Ω предавател в 200 Ω антена дава 4 SWR, 75 Ω антена захранваща NE612 миксер (входният импеданс е 1500 Ω) директно SWR от 20. A перфектно съвпадение, да кажем, че 50 Ω антена и 50 Ω приемник дават SWR 1.

В радиопредавателите SWR под 1,5 се считат за прилични и експлоатацията, когато SWR е над 3, може да доведе до повреда поради прегряване на устройствата за изходна мощност (вакуумни лампи или транзистори). При получаване на приложения, високият SWR няма да причини щети, но ще направи приемника по-малко чувствителен, тъй като полученият сигнал ще бъде отслабен поради несъответствие и последваща загуба на мощност.

Тъй като повечето приемници използват някаква форма на входен лентов филтър, входният филтър може да бъде проектиран така, че да съответства на антената към входния етап на приемника. Всички радиопредаватели имат изходни филтри, които се използват за съчетаване на степента на изходна мощност със специфичния импеданс (обикновено 50 Ω). Някои предаватели имат вградени антенни тунери, които могат да се използват, за да съчетаят предавателя с антената, ако импедансът на антената е различен от посочения изходен импеданс на предавателя. Ако няма антенен тунер, трябва да се използва външна съвпадаща верига. Загубата на мощност поради несъответствие е трудно да се изчисли, така че се използват специални калкулатори или таблици със загуби на SWR. Типична таблица на загубите на SWR е показана по-долу

Използвайки таблицата SWR по-горе, можем да изчислим загубата на мощност, а също и загубата на напрежение. Напрежението се губи поради несъответствие, когато импедансът на товара е по-нисък от импеданса на източника, а токът се губи, когато импедансът на товара е по-висок от източника.

Нашият 50 Ω предавател с 200 Ω антена с 4 SWR ще загуби около 36% от мощността си, което означава, че 36% по-малко мощност ще бъде доставена на антената в сравнение, ако антената има 50 Ω импеданс. Изгубената мощност ще се разсейва най-вече в източника, което означава, че ако нашият предавател издаваше 100W, 36W допълнително ще се разсейва в него като топлина. Ако нашият 50 Ω предавател е 60% ефективен, той ще разсейва 66 W, когато предава 100 W в 50 Ω антена. Когато е свързан към антената от 200 Ω, тя ще разсее допълнителни 36 W, така че общата загубена мощност като топлина в предавателя е 102 W. Увеличаването на мощността, разсейвана в предавателя, не само означава, че антената не излъчва пълна мощност но също така рискуват да повредят нашия предавател, тъй като той разсейва 102 W вместо 66 W, той е проектиран да работи с него.

В случай на антена от 75Ω, захранваща 1500Ω вход на NE612 IC, ние не сме загрижени от загубата на мощност като топлина, а от повишеното ниво на сигнала, което може да бъде постигнато чрез използването на импедансно съвпадение. Да кажем, че в антената се индуцират 13nW RF. С импеданс от 75 Ω, 13nW дава 1 mV - ние искаме да го съпоставим с натоварването от 1500 Ω. За да изчислим изходното напрежение след съвпадащата верига, трябва да знаем съотношението на импеданса, в нашия случай 1500 Ω / 75 Ω = 20. Съотношението на напрежението (като съотношението на завоите в трансформаторите) е равно на квадратния корен от съотношението на импеданса, така че √20≈8.7. Това означава, че изходното напрежение ще бъде 8,7 пъти по-голямо, така че ще бъде равно на 8,7 mV. Съвпадащите вериги действат като трансформатори.

Тъй като мощността, постъпваща в съвпадащата верига и изходящата мощност, е една и съща (минус загуба), изходният ток ще бъде по-нисък от входния с коефициент 8,7, но изходното напрежение ще бъде по-голямо. Ако съпоставим висок импеданс с нисък, ще получим по-ниско напрежение, но по-висок ток.

Трансформатори, съвпадащи с импеданс

Специални трансформатори, наречени Импедансно съвпадащи трансформатори, могат да се използват за съвпадение на импеданса. Основното предимство на трансформаторите като устройства за съвпадение на импеданса е, че те имат широколентова връзка, което означава, че те могат да работят с широк диапазон от честоти. Аудио трансформаторите, използващи ядра от ламарина, като тези, използвани в усилвателни вериги с вакуумни лампи, за да съответстват на високия импеданс на лампата с ниския импеданс на високоговорителя, имат честотна лента от 20Hz до 20kHz, RF трансформаторите, направени с феритни или дори въздушни ядра, могат имат честотна лента от 1MHz-30MHz.

Трансформаторите могат да се използват като устройства за съвпадение на импеданса поради съотношението им на завъртания, което променя импеданса, който „вижда“ източникът. Можете също да проверите тази основна част от статията за трансформатора, ако сте напълно нови за трансформаторите. Ако имаме трансформатор със съотношение 1: 4 завъртания, това означава, че ако 1V променлив ток е приложен към основния, ще имаме 4V променлив ток на изхода. Ако добавим 4Ω резистор към изхода, 1A ток ще изтече във вторичния, токът в първичния е равен на вторичния ток, умножен по отношението на завоя (разделен, ако трансформаторът е от понижаващ тип, като мрежата трансформатори), така че 1А * 4 = 4А. Ако използваме закона на Ω, за да определим импеданса, който трансформаторът представя към веригата, имаме 1V / 4A = 0,25Ω, докато свързваме 4Ω товар след съответстващия трансформатор. Съотношението на импеданса е 0,25Ω до 4Ω или също 1:16. Може да се изчисли и с товаФормула за съотношение на импеданса:

(n _A / n _B) ² = r _i

където n _A е броят на първичните обороти на намотката с повече обороти, n _B е броят на завъртанията на намотката с по-малко обороти и r _i е съотношението на импеданса. Ето как се случва съвпадение на импеданса.

Ако отново използвахме закона на Ома, но сега, за да изчислим мощността, която се влива в първичната, щяхме да имаме 1V * 4A = 4W, във вторичната - 4V * 1A = 4W. Това означава, че нашите изчисления са правилни, че трансформаторите и другите вериги за съвпадение на импеданса не дават повече мощност, отколкото се захранват. Тук няма безплатна енергия.

Как да изберем трансформатор, съответстващ на импеданс

Веригата за съвпадение на трансформатора може да се използва, когато е необходимо лентово филтриране, трябва да бъде резонансна с индуктивността на вторичната честота на използване. Основните параметри на трансформаторите като устройства за съвпадение на импеданса са:

Съотношение на импеданса или по-често посочено съотношение на завоите (n)
Първична индуктивност
Вторична индуктивност
Първичен импеданс
Вторичен импеданс
Саморезонансна честота
Минимална честота на работа
Максимална честота на работа
Конфигурация на навиване
Наличие на въздушна междина и макс. Постоянен ток
Макс. мощност

Номерът на първичните обороти трябва да е достатъчен, така че първичната намотка на трансформатора има реактивно съпротивление (това е бобина) четири пъти по-голяма от изходния импеданс на източника при най-ниската честота на работа.

Броят на вторичните обороти е равен на броя на завъртанията на първичния, разделен на квадратния корен от съотношението на импеданса.

Също така трябва да знаем какъв тип и размер на ядрото да използваме, различните ядра работят добре на различни честоти, извън които те показват загуба.

Размерът на сърцевината зависи от мощността, протичаща през сърцевината, тъй като всяка сърцевина показва загуби и по-големите ядра могат да разсеят тези загуби по-добре и да не показват магнитно насищане и други нежелани неща толкова лесно.

Необходима е въздушна междина, когато постоянен ток ще тече през всяка намотка на трансформатора, ако използваната сърцевина е направена от стоманени ламинации, като в мрежов трансформатор.

Вериги за съвпадение на трансформатора - Пример

Например, ние се нуждаем от трансформатор, който да съответства на 50 Ω източник с натоварване от 1500 Ω в честотния диапазон от 3MHz до 30MHz в приемника. Първо трябва да знаем какво ядро би ни трябвало, тъй като то е приемник, през трансформатора ще тече много малко мощност, така че размерът на ядрото може да бъде малък. Добро ядро в това приложение ще бъде FT50-75. Според производителя това е честотен диапазон, тъй като широколентовият трансформатор е от 1MHz до 50MHz, достатъчно добър за това приложение.

Сега трябва да изчислим първичните обороти, имаме нужда от първично съпротивление до 4 пъти по-високо от изходния импеданс на източника, така че 200 Ω. При минимална работна честота от 3MHz, индуктор от 10,6uH има 200 Ω реактивно съпротивление. Използвайки онлайн калкулатор, ние изчисляваме, че се нуждаем от 2 завъртания на жицата на сърцевината, за да получим 16uH, малко над 10.6uH, но в този случай е по-добре тя да бъде по-голяма, отколкото да бъде по-малка. 50 Ω до 1500 Ω дава съотношение на импеданс 30. Тъй като съотношението на завоите е квадратният корен от съотношението на импеданса, получаваме около 5,5, така че за всеки първичен завой имаме нужда от 5,5 вторични оборота, за да направим 1500 Ω на вторичния да изглежда като 50 Ω до източникът. Тъй като имаме 2 завъртания на първичния, имаме нужда от 2 * 5,5 завъртания на вторичния, това са 11 завъртания. Диаметърът на проводника трябва да следва 3A / 1mm ² правило (максимум 3А, течащи на всеки квадратен милиметър площ на напречното сечение на телта).

Съответствието на трансформатора често се използва в лентовите филтри, за да се съпоставят резонансните вериги с ниския импеданс на антените и миксерите. Колкото по-висок е импедансът, натоварващ веригата, толкова по-ниска е честотната лента и по-високият Q. Ако свържем резонансна верига директно към нисък импеданс, честотната лента ще бъде много голяма, за да бъде полезна. Резонансната верига се състои от вторичната на L1 и първия 220 pF кондензатор и първичната на L2 и втория 220 pF кондензатор.

Горното изображение показва съвпадение на трансформатор, използвано в аудио усилвател на вакуумна тръба, за да съответства на изходния импеданс от 3000 Ω на PL841 тръба към 4 Ω високоговорител. 1000 pF C67 предотвратява звънене при по-високи аудио честоти.

Съвпадение на автотрансформатор за баланс на импеданса

Схемата за съвпадение на автотрансформатора е вариант на веригата за съвпадение на трансформатора, където двете намотки са свързани помежду си една върху друга. Той често се използва в индукторни филтри IF, заедно с трансформатор, съвпадащ с основата, където се използва за съчетаване на по-ниския импеданс на транзистора с висок импеданс, който натоварва веригата за настройка по-малко и позволява по-малка честотна лента и следователно по-голяма избирателност. Процесът на проектирането им е практически един и същ, като броят на завъртанията на първичната е равен на броя на завъртанията от крана на бобината към „студения“ или заземен край и броят на завъртанията на вторичния е равен на броят на завъртанията между крана и „горещия“ край или края, който е свързан към товара.

Горното изображение показва схема за съвпадение на автотрансформатор. C не е задължително, ако се използва, той трябва да е резонансен с индуктивността на L при честотата на използване. По този начин веригата осигурява и филтриране.

Това изображение илюстрира съвпадение на автотрансформатор и трансформатор, използвано в IF трансформатор. Високият импеданс на автотрансформатора се свързва с C17, този кондензатор образува резонансна верига с цялата намотка. Тъй като този кондензатор се свързва с края на високия импеданс на автотрансформатора, съпротивлението, натоварващо настроената верига, е по-високо, следователно веригата Q е по-голяма и IF честотната лента е намалена, подобрявайки селективността и чувствителността. Съответствието на трансформатора свързва усиления сигнал към диода.

Съвпадение на автотрансформатор, използвано в усилвател на мощност на транзистор, той съответства на 12 Ω изходен импеданс на транзистора към антената от 75 Ω. C55 е свързан паралелно с края на високия импеданс на автотрансформатора и образува резонансна верига, която филтрира хармониците.