Úvod do impedančného párovania a ako používať transformátor impedančného párovania pre svoj návrh

Ak ste dizajnér RF alebo ktokoľvek, kto pracoval s bezdrôtovými vysielačmi, pojem „ zosúladenie impedancie “ vás mal napadnúť viackrát. Tento výraz je zásadný, pretože priamo ovplyvňuje vysielací výkon a tým aj dosah našich rádiových modulov. Cieľom tohto článku je pomôcť vám pochopiť, čo je impedančné párovanie, od základov a tiež vám pomôže navrhnúť vlastné obvody na prispôsobenie impedancie pomocou transformátora na prispôsobenie impedancie, ktorý je najbežnejšou metódou. Poďme sa teda ponoriť.

Čo je zhoda impedancie?

Stručne povedané, prispôsobenie impedancie zaisťuje, že výstupná impedancia jedného stupňa, ktorý sa nazýva zdroj, sa rovná vstupnej impedancii nasledujúceho stupňa, ktorý sa nazýva záťaž. Tento zápas umožňuje maximálny prenos sily a minimálnu stratu. Tento koncept môžete ľahko pochopiť tým, že o ňom budete uvažovať ako o žiarovkách v sérii so zdrojom energie. Prvá žiarovka je výstupná impedancia pre prvý stupeň (napríklad rádiový vysielač) a druhá žiarovka je záťaž alebo inými slovami vstupná impedancia druhej žiarovky (napríklad anténa). Chceme sa ubezpečiť, že do záťaže sa dodáva najviac energie, v našom prípade by to znamenalo, že najviac energie sa prenáša do vzduchu, aby bolo možné rozhlasovú stanicu počuť z diaľky. Toto maximum prenos energie nastáva, keď sa výstupná impedancia zdroja rovná vstupnej impedancii záťaže, pretože ak je výstupná impedancia väčšia ako záťaž, v zdroji sa stratí viac energie (prvá žiarovka svieti jasnejšie).

Pomer stojatých vĺn - miera zhody impedancie

Meranie používané na definovanie toho, ako dobre sú dva stupne spárované, sa nazýva SWR (Standing Wave Ratio). Je to pomer väčšej impedancie v porovnaní s menšou, 50 Ω vysielač do 200 Ω antény dáva 4 SWR, 75 Ω anténa napájajúca mixér NE612 (vstupná impedancia je 1500 Ω) bude priamo SWR 20. A perfektná zhoda, povedzme 50 Ω anténa a 50 Ω prijímač poskytujú SWR 1.

V rádiových vysielačoch sa SWR pod 1,5 považujú za slušné a prevádzka, keď sú SWR nad 3, môže spôsobiť poškodenie v dôsledku prehriatia výkonových koncových zariadení (vákuové trubice alebo tranzistory). Pri prijímaní aplikácií vysoká SWR nespôsobí poškodenie, ale zníži sa citlivosť prijímača, pretože prijímaný signál sa zoslabí v dôsledku nesúladu a následnej straty napájania.

Pretože väčšina prijímačov používa určitú formu vstupného pásmového filtra, môže byť vstupný filter navrhnutý tak, aby zodpovedal anténe so vstupným stupňom prijímača. Všetky rádiové vysielače majú výstupné filtre, ktoré sa používajú na prispôsobenie výkonového stupňa konkrétnej impedancii (zvyčajne 50 Ω). Niektoré vysielače majú zabudované anténne tunery, ktoré je možné použiť na prispôsobenie vysielača k anténe, ak sa impedancia antény líši od výstupnej impedancie zadaného vysielača. Ak nie je k dispozícii žiadny anténny tuner, musí sa použiť externý zodpovedajúci obvod. Stratu výkonu v dôsledku nesúladu je ťažké vypočítať, preto sa používajú špeciálne kalkulačky alebo tabuľky strát SWR. Typická tabuľka strát SWR je uvedená nižšie

Pomocou tabuľky SWR vyššie môžeme vypočítať stratu výkonu a tiež stratu napätia. Napätie sa stratí kvôli nesúladu, keď je impedancia záťaže nižšia ako impedancia zdroja, a prúd sa stratí, keď je impedancia záťaže vyššia ako zdroj.

Náš 50 Ω vysielač s 200 Ω anténou so 4 SWR stratí asi 36% svojho výkonu, čo znamená, že do antény bude dodaný o 36% menej energie v porovnaní s tým, keby mala anténa 50 Ω impedanciu. Stratený výkon sa väčšinou rozptýli v zdroji, čo znamená, že ak náš vysielač rozdával 100 W, 36 W sa v ňom dodatočne rozptýli ako teplo. Keby bol náš 50 Ω vysielač 60% efektívny, rozptýlil by sa 66 W pri prenose 100 W do 50 Ω antény. Po pripojení k 200 Ω anténe rozptýli ďalších 36 W, takže celkový stratený výkon ako teplo vo vysielači je 102 W. Zvýšenie rozptýleného výkonu vo vysielači znamená nielen to, že anténa nevydáva plný výkon. ale tiež riskujú poškodenie nášho vysielača, pretože rozptýli 102 W namiesto 66 W, bol navrhnutý na prácu.

V prípade 75 Ω antény napájajúcej 1500 Ω vstup NE612 IC sa netýkame straty energie ako tepla, ale zvýšenej úrovne signálu, ktorú je možné dosiahnuť použitím impedančného prispôsobenia. Povedzme, že v anténe je indukovaných 13 nW RF. Pri impedancii 75 Ω dáva 13 nW 1 mV - chceme to prispôsobiť našej 1500 Ω záťaži. Aby sme mohli vypočítať výstupné napätie po zodpovedajúcom obvode, musíme poznať pomer impedancie, v našom prípade 1500 Ω / 75 Ω = 20. Pomer napätia (ako pomer závitov v transformátoroch) sa rovná druhej odmocnine pomeru impedancie, teda √ 20 ≈ 8,7. To znamená, že výstupné napätie bude 8,7-krát väčšie, bude teda rovné 8,7 mV. Zhodné obvody fungujú ako transformátory.

Pretože výkon vstupujúci do zodpovedajúceho obvodu a výstupný výkon sú rovnaké (mínus strata), výstupný prúd bude nižší ako vstupný faktor o 8,7, ale výstupné napätie bude väčšie. Keby sme priradili vysokú impedanciu k nízkej, dostali by sme nižšie napätie, ale vyšší prúd.

Transformátory zodpovedajúce impedancii

Na zosúladenie impedancie je možné použiť špeciálne transformátory nazývané transformátory prispôsobujúce impedanciu. Hlavnou výhodou transformátorov ako zariadení na prispôsobenie impedancie je, že majú širokopásmové pripojenie, čo znamená, že môžu pracovať so širokým rozsahom frekvencií. Audio transformátory využívajúce jadrá z oceľového plechu, napríklad tie, ktoré sa používajú v obvodoch zosilňovačov vákuových elektrónok na zosúladenie vysokej impedancie elektrónky s nízkou impedanciou reproduktora, majú šírku pásma 20 Hz až 20 kHz, RF transformátory vyrobené z feritových alebo dokonca vzduchových jadier môžu. majú šírku pásma 1 MHz - 30 MHz.

Transformátory môžu byť použité ako zariadenia na prispôsobenie impedancie kvôli ich pomeru otáčok, ktorý mení impedanciu, ktorú zdroj „vidí“. Môžete tiež skontrolovať tento základ článku o transformátoroch, ak ste s transformátormi úplne nová. Ak máme transformátor s pomerom otáčok 1: 4, znamená to, že ak by bol na primár primárny 1V striedavý prúd, mali by sme na výstupe 4V striedavý prúd. Ak k výstupu pridáme odpor 4Ω, bude prúdiť sekundárny prúd 1A, prúd v primárnom sa bude rovnať sekundárnemu prúdu vynásobenému pomerom odbočky (vydelený, ak bol transformátor typu s postupným znižovaním, ako je sieťový transformátory), teda 1A * 4 = 4A. Ak použijeme Ω zákon na určenie impedancie, ktorú transformátor predstavuje pre obvod, máme 1V / 4A = 0,25Ω, zatiaľ čo za zodpovedajúcim transformátorom sme pripojili záťaž 4Ω. Pomer impedancie je 0,25 Ω až 4 Ω alebo tiež 1:16. Dá sa to vypočítať aj pomocou tohoVzorec impedančného pomeru:

(n _A / n _B) ² = r _i

kde n _A je počet primárnych závitov na vinutí s viacerými závitmi, n _B je počet závitov na vinutí s menšími závitmi, a r _i je impedančný pomer. Takto sa deje impedančné prispôsobenie.

Keby sme opäť použili Ohmov zákon, ale teraz na výpočet výkonu, ktorý prúdi do primárneho, by sme mali 1V * 4A = 4W, v sekundárnom by sme mali 4V * 1A = 4W. To znamená, že naše výpočty sú správne, že transformátory a iné obvody na prispôsobenie impedancie nedávajú viac energie, ako sú napájané. Žiadna voľná energia tu.

Ako zvoliť transformátor zodpovedajúci impedancii

Ak je potrebné pásmové filtrovanie, je možné použiť zodpovedajúci obvod transformátora, ktorý by mal byť rezonančný s sekundárnou indukčnosťou pri frekvencii použitia. Hlavné parametre transformátorov ako zariadení na prispôsobenie impedancie sú:

• Pomer impedancie alebo častejšie udávaný pomer závitov (n)
• Primárna indukčnosť
• Sekundárna indukčnosť
• Primárna impedancia
• Sekundárna impedancia
• Vlastná rezonančná frekvencia
• Minimálna frekvencia prevádzky
• Maximálna frekvencia prevádzky
• Konfigurácia vinutia
• Prítomnosť vzduchovej medzery a max. Jednosmerný prúd
• Max. moc

Počet primárnych závitov by mal byť dostatočný, takže primárne vinutie transformátora má reaktancia (je to cievka) štvornásobne vyššia ako výstupná impedancia zdroja pri najnižšej prevádzkovej frekvencii.

Počet sekundárnych závitov sa rovná počtu závitov na primárnom prístroji vydelený druhou odmocninou impedančného pomeru.

Musíme tiež vedieť, aký typ a veľkosť jadra použiť, rôzne jadrá fungujú dobre na rôznych frekvenciách, mimo ktorých vykazujú stratu.

Veľkosť jadra závisí od výkonu prechádzajúceho jadrom, pretože každé jadro vykazuje straty a väčšie jadrá môžu tieto straty lepšie rozptýliť a nevykazujú tak ľahko magnetické nasýtenie a iné nežiaduce veci.

Vzduchová medzera je potrebná, keď bude jednosmerný prúd tiecť akýmkoľvek vinutím na transformátore, ak je použité jadro vyrobené z oceľových lamiel, napríklad v sieťovom transformátore.

Zhodné obvody transformátorov - príklad

Potrebujeme napríklad transformátor, ktorý priradí zdroj 50 Ω k záťaži 1 500 Ω vo frekvenčnom rozsahu od 3 MHz do 30 MHz v prijímači. Najprv musíme vedieť, aké jadro by sme potrebovali, pretože je to prijímač, transformátorom bude pretekať veľmi málo energie, takže veľkosť jadra môže byť malá. Dobrým jadrom v tejto aplikácii by bol FT50-75. Podľa výrobcu je to frekvenčný rozsah, pretože širokopásmový transformátor je 1 MHz až 50 MHz, čo je pre túto aplikáciu dosť dobré.

Teraz musíme vypočítať primárne otáčky, potrebujeme, aby bola primárna reaktancia 4-krát vyššia ako výstupná impedancia zdroja, teda 200 Ω. Pri minimálnej pracovnej frekvencii 3MHz má tlmivka 10,6uH 200 Ω reaktancie. Pomocou online kalkulačky vypočítame, že potrebujeme 2 otáčky drôtu na jadre, aby sme dostali 16uH, niečo nad 10,6uH, ale v takom prípade je lepšie, aby bol väčší ako menší. 50 Ω až 1 500 Ω dáva impedančný pomer 30. Pretože pomer otáčok je druhá odmocnina pomeru impedancie, dostaneme sa okolo 5,5, takže pre každé primárne otočenie potrebujeme 5,5 sekundárnych závitov, aby 1500Ω pri sekundárnom vzhľade vyzeralo ako 50Ω až Zdroj. Pretože máme 2 otočky na primárnom, potrebujeme 2 * 5,5 otočenia na sekundárnom, to je 11 otočení. Priemer drôtu by mal zodpovedať 3A / 1mm ² pravidlo (maximálne 3A prúdiace na každý štvorcový milimeter plochy prierezu drôtu).

Zhoda transformátorov sa často používa v pásmových filtroch na prispôsobenie rezonančných obvodov nízkym impedanciám antén a zmiešavačov. Čím vyššia je impedancia zaťažujúca obvod, tým menšia je šírka pásma a vyššie Q. Keby sme rezonančný obvod pripojili priamo k nízkej impedancii, bola by šírka pásma veľmi často príliš veľká na to, aby to bolo užitočné. Rezonančný obvod pozostáva zo sekundárneho obvodu L1 a prvého kondenzátora 220 pF a primárneho obvodu L2 a druhého kondenzátora 220 pF.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje zhody transformátora použitého vo výkonovom zosilňovači vákuovej elektrónky na prispôsobenie výstupnej impedancie 3 000 Ω elektrónky PL841 k 4 Ω reproduktoru. 1 000 pF C67 zabraňuje zvoneniu pri vyšších zvukových frekvenciách.

Zodpovedanie autotransformátora pre zostatok impedancie

Zodpovedajúci obvod autotransformátora je variantom zlučovacieho obvodu transformátora, kde sú dve vinutia spojené navzájom nad sebou. Bežne sa používa v induktoroch IF filtra spolu s prispôsobením transformátora k základni, kde sa používa na prispôsobenie nižšej impedancie tranzistora vysokej impedancii, ktorá menej zaťažuje ladiaci obvod a umožňuje menšiu šírku pásma a teda väčšiu selektivitu. Proces ich navrhovania je prakticky rovnaký, pričom počet závitov na primárnej časti sa rovná počtu závitov od kohútika cievky po „studený“ alebo uzemnený koniec a počet závitov na sekundárnej časti sa rovná počet závitov medzi kohútikom a „horúcim“ koncom alebo koncom, ktorý je pripojený k záťaži.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje obvod zodpovedajúci autotransformátoru. C je voliteľné, ak sa používa, malo by rezonovať s indukčnosťou L pri frekvencii používania. Týmto spôsobom obvod poskytuje aj filtrovanie.

Tento obrázok ilustruje autotransformátor a prispôsobenie transformátora použité v IF transformátore. Vysoká impedancia autotransformátora sa pripája k C17, tento kondenzátor vytvára rezonančný obvod s celým vinutím. Pretože sa tento kondenzátor pripája na koniec autotransformátora s vysokou impedanciou, je odpor zaťaženia ladeného obvodu vyšší, preto je obvod Q väčší a šírka pásma IF sa zmenšuje, čím sa zvyšuje selektivita a citlivosť. Zhoda transformátora spája zosilnený signál s diódou.

Zloženie: 100% bavlna.

Zosúladenie autotransformátora používané v výkonovom zosilňovači tranzistora prispôsobuje výstupnú impedanciu tranzistora 12 Ω na anténu 75 Ω. C55 je pripojený paralelne k vysokoimpedančnému koncu autotransformátora a vytvára rezonančný obvod, ktorý filtruje harmonické.