Įvadas į impedanso suderinimą ir kaip naudoti impedanso atitikimo transformatorių savo dizainui

Jei esate radijo dažnių projektavimo inžinierius ar kas nors, dirbęs su belaidžiais radijo imtuvais, terminas „ Impedanso suderinimas “ turėjo jus užklupti ne vieną kartą. Šis terminas yra labai svarbus, nes jis tiesiogiai veikia perdavimo galią, taigi ir mūsų radijo modulių diapazoną. Šio straipsnio tikslas yra padėti jums suprasti, kas yra impedanso suderinimas iš pagrindų, taip pat padės jums sukurti savo impedanso atitikimo grandines, naudojant impedanso atitikimo transformatorių, kuris yra labiausiai paplitęs metodas. Taigi, pasinerkime.

Koks yra impedanso atitikimas?

Trumpai tariant, varžos suderinimas užtikrina, kad vieno etapo, vadinamo šaltiniu, išėjimo varža yra lygi kito etapo, vadinamo apkrova, įėjimo varža. Šis mačas leidžia maksimaliai perduoti energiją ir minimaliai prarasti. Galite lengvai suprasti šią koncepciją galvodami apie tai kaip apie elektros lemputes nuosekliai su maitinimo šaltiniu. Pirmoji lemputė yra pirmojo etapo išėjimo varža (pavyzdžiui, radijo siųstuvas), o antroji lemputė yra apkrova arba, kitaip tariant, įvesties antrosios lemputės (pvz., Antenos) varža. Mes norime įsitikinti, kad į apkrovą patenka daugiausia energijos, mūsų atveju tai reikštų, kad į orą perduodama daugiausia energijos, kad radijo stotis būtų girdima iš toliau. Šis maksimumas galios perdavimas įvyksta, kai šaltinio išėjimo varža yra lygi apkrovos įėjimo impedancijai, nes jei išėjimo varža didesnė už apkrovą, šaltinyje prarandama daugiau energijos (pirmoji lemputė šviečia ryškiau).

Nuolatinis bangų santykis - impedanso atitikimo matas

Matavimas, naudojamas apibrėžiant, kaip gerai suderinami du etapai, vadinamas SWR (Standing Wave Ratio). Didesnės varžos santykis, lyginant su mažesne, 50 Ω siųstuvas į 200 Ω anteną suteikia 4 SWR, 75 Ω antena, tiekianti NE612 maišytuvą (įėjimo varža yra 1500 Ω), tiesiogiai 20 SWR. puikiai tinka, tarkime, 50 Ω antenos ir 50 Ω imtuvo SWR yra 1.

Radijo siųstuvuose SWR žemiau 1,5 laikomi tinkamais, o veikimas, kai SWR yra didesnis nei 3, gali sugadinti dėl galios išvesties pakopos įtaisų (vakuuminių vamzdžių ar tranzistorių) perkaitimo. Gaunant programas, didelis SWR nepadarys žalos, tačiau imtuvas bus mažiau jautrus, nes gautas signalas bus susilpnėjęs dėl neatitikimo ir dėl to galios praradimo.

Kadangi dauguma imtuvų naudoja tam tikros formos įėjimo juostos filtrą, įvesties filtrą galima sukonstruoti taip, kad antena atitiktų imtuvo įvesties stadiją. Visuose radijo siųstuvuose yra išvesties filtrai, kurie naudojami tam, kad galios išvesties pakopa atitiktų specifinę varžą (paprastai 50 Ω). Kai kuriuose siųstuvuose yra įmontuoti antenos derintuvai, kuriuos galima naudoti norint suderinti siųstuvą su antena, jei antenos varža skiriasi nuo nurodyto siųstuvo išėjimo varža. Jei nėra antenos derintuvo, reikia naudoti išorinę suderinimo grandinę. Dėl neatitikimo galios nuostolius sunku apskaičiuoti, todėl naudojami specialūs skaičiuotuvai arba SWR nuostolių lentelės. Tipinė SWR nuostolių lentelė parodyta žemiau

Naudodami aukščiau pateiktą SWR lentelę, galime apskaičiuoti galios nuostolius ir įtampos nuostolius. Įtampa prarandama dėl neatitikimo, kai apkrovos varža yra mažesnė nei šaltinio varža, o srovė prarandama, kai apkrovos varža yra didesnė už šaltinį.

Mūsų 50 Ω siųstuvas su 200 Ω antena su 4 SWR praras apie 36% savo galios, o tai reiškia, kad antenai bus tiekiama 36% mažiau energijos, lyginant su tuo, jei antena turėtų 50 Ω impedansą. Prarasta energija daugiausia bus išsklaidyta šaltinyje, o tai reiškia, kad jei mūsų siųstuvas skleis 100 W, tai 36 W bus papildomai išsklaidyta kaip šiluma. Jei mūsų 50 Ω siųstuvas būtų 60% efektyvus, perduodant 100 W į 50 Ω anteną jis išsisklaidytų 66 W. Prijungus prie 200 Ω antenos, jis išsklaidys papildomus 36 W, taigi bendra šilumos praradimo energija siųstuve yra 102 W. Padidėjęs siųstuvo galios padidėjimas reiškia ne tik tai, kad antena neskleidžia visos galios bet taip pat rizikuoja sugadinti mūsų siųstuvą, nes jis išskiria 102 W, o ne 66 W, todėl jis buvo skirtas dirbti.

75Ω antenos atveju, maitinant NE612 IC 1500Ω įėjimą, mums rūpi ne tai, kad energija prarandama kaip šiluma, bet dėl ​​padidėjusio signalo lygio, kurį galima pasiekti naudojant impedanso suderinimą. Tarkime, antenoje indukuojama 13nW RF. Su 75 Ω varža, 13 nW suteikia 1 mV - mes norime tai suderinti su mūsų 1500 Ω apkrova. Norėdami apskaičiuoti išėjimo įtampą po suderinimo grandinės, turime žinoti impedanso santykį, mūsų atveju, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Įtampos santykis (kaip posūkių santykis transformatoriuose) yra lygus impedanso santykio kvadratinei šakniai, taigi √20≈8,7. Tai reiškia, kad išėjimo įtampa bus 8,7 karto didesnė, taigi ji bus lygi 8,7 mV. Derančios grandinės veikia kaip transformatoriai.

Kadangi galia, patenkanti į suderinimo grandinę, ir išeinanti energija yra ta pati (atėmus nuostolius), išėjimo srovė bus mažesnė už įvestį 8,7 karto, tačiau išėjimo įtampa bus didesnė. Jei suderintume didelę varža su žema, gautume mažesnę įtampą, bet didesnę srovę.

Varžos, atitinkančios transformatorius

Impedicijai suderinti gali būti naudojami specialūs transformatoriai, vadinami „Impedance Matching Transformers“. Pagrindinis transformatorių, kaip impedanso suderinimo įtaisų, pranašumas yra tas, kad jie turi plačiajuostį ryšį, o tai reiškia, kad jie gali dirbti su plačiu dažnių diapazonu. Garso transformatoriai, naudojantys lakštinio plieno šerdis, pvz., Naudojami vakuuminių vamzdžių stiprintuvų grandinėse, siekiant suderinti didelę vamzdžio varža su maža garsiakalbio varža, turi pralaidumą nuo 20 Hz iki 20 kHz, RF transformatoriai, pagaminti naudojant ferito ar net oro šerdis, gali turi pralaidumą nuo 1 MHz iki 30 MHz.

Transformatoriai gali būti naudojami kaip impedanso atitikimo įtaisai, nes jų posūkių santykis keičia impedanciją, kurią „mato“ šaltinis. Taip pat galite patikrinti šį pagrindinį transformatoriaus straipsnį, jei esate visiškai naujas transformatorių vartotojas. Jei turime transformatorių su 1: 4 apsisukimų santykiu, tai reiškia, kad jei pirminiam būtų pritaikyta 1 V kintamosios srovės, išėjime mes turėtume 4 V kintamą srovę. Jei prie išvesties pridėsime 4Ω rezistorių, 1A srovė tekės antrinėje, pirminio srovė yra lygi antrinei srovei, padaugintai iš posūkio santykio (padalyta, jei transformatorius buvo mažesnio tipo, kaip tinklo transformatoriai), taigi 1A * 4 = 4A. Jei mes naudosime Ω dėsnį impedanso nustatymui, kurį transformatorius pateikia grandinei, mes turime 1V / 4A = 0,25Ω, o po atitikimo transformatoriaus mes prijungėme 4Ω apkrovą. Varžos santykis yra nuo 0,25Ω iki 4Ω arba 1:16. Tai taip pat galima apskaičiuotiVaržos koeficiento formulė:

(n _A / n _B) ² = r _i

kur n _A yra apvijų su didesniais apsisukimais pirminių posūkių skaičius, n _B - apvijų su mažiau posūkiais apsisukimų skaičius, o r _i - varža. Taip vyksta impedanso atitikimas.

Jei vėl naudotume Ohmo dėsnį, bet dabar, norėdami apskaičiuoti į pirminę srovę, turėtume 1V * 4A = 4W, antrinėje - 4V * 1A = 4W. Tai reiškia, kad mūsų skaičiavimai yra teisingi, kad transformatoriai ir kitos impedanso atitikimo grandinės nesuteikia daugiau galios, nei jos tiekiamos. Čia nėra laisvos energijos.

Kaip pasirinkti impedansą atitinkantį transformatorių

Transformatoriaus derinimo grandinė gali būti naudojama, kai reikalingas dažnių juostos filtras, jis turėtų būti rezonansinis su antrinio induktyvumu naudojimo dažniu. Pagrindiniai transformatorių, kaip impedanso atitikimo įtaisų, parametrai yra šie:

• Varžos santykis arba dažniausiai nurodomas posūkių santykis (n)
• Pirminis induktyvumas
• Antrinis induktyvumas
• Pirminė varža
• Antrinė varža
• Savęs rezonansinis dažnis
• Mažiausias veikimo dažnis
• Didžiausias veikimo dažnis
• Apvijų konfigūracija
• Oro tarpo buvimas ir maks. Nuolatinė srovė
• Maks. galia

Pirminių posūkių skaičiaus turėtų pakakti, todėl pirminė transformatoriaus apvija turi reaktyvumą (tai yra ritė), keturis kartus didesnę už šaltinio išėjimo varžą, esant žemiausiam veikimo dažniui.

Antrinių posūkių skaičius yra lygus pirminio posūkių skaičiui, padalytam iš impedanso santykio kvadratinės šaknies.

Mes taip pat turime žinoti, kokį šerdies tipą ir dydį naudoti, skirtingi branduoliai gerai veikia skirtingais dažniais, už kurių ribų jie praranda.

Šerdies dydis priklauso nuo galios, tekančios per šerdį, nes kiekviena šerdis turi nuostolių, o didesnės šerdys gali geriau išsklaidyti šiuos nuostolius ir ne taip lengvai parodyti magnetinį sodrumą ir kitus nepageidaujamus dalykus.

Oro tarpas reikalingas, kai nuolatinė srovė tekės per bet kurią transformatoriaus apviją, jei naudojama šerdis pagaminta iš plieninių laminatų, pavyzdžiui, tinklo transformatoriuje.

Transformatorių atitikimo grandinės. Pavyzdys

Pvz., Mums reikia transformatoriaus, kad imtuve 50 Ω šaltinis atitiktų 1500 Ω apkrovą dažnių diapazone nuo 3 MHz iki 30 MHz. Pirmiausia turime žinoti, kokio šerdies mums prireiks, nes tai imtuvas, per transformatorių tekės labai mažai energijos, todėl šerdies dydis gali būti mažas. Geras šios programos šerdis būtų FT50-75. Gamintojo teigimu, jo dažnių diapazonas yra plačiajuosčio transformatoriaus diapazonas nuo 1 MHz iki 50 MHz, pakankamai geras šiai programai.

Dabar turime apskaičiuoti pirminius posūkius, mums reikia, kad pirminis reaktyvumas būtų 4 kartus didesnis nei šaltinio išėjimo varža, taigi 200 Ω. Esant minimaliam 3MHz darbiniam dažniui, 10,6uH induktyvumo reaktyvumas yra 200 Ω. Naudodamiesi internetine skaičiuokle, mes apskaičiuojame, kad mums reikia 2 laidų apsisukimų ant šerdies, kad gautume 16uH, šiek tiek didesnį nei 10.6uH, tačiau šiuo atveju geriau, kad jis būtų didesnis nei mažesnis. Nuo 50 Ω iki 1500 Ω impedanso santykis yra 30. Kadangi posūkių santykis yra kvadratinė impedanso santykio šaknis, mes gauname maždaug 5,5, todėl kiekvienam pagrindiniam posūkiui mums reikia 5,5 antrinio posūkio, kad 1500Ω antrinėje būtų lygus Šaltinis. Kadangi mes turime 2 įjungimus pagrindiniame, mums reikia 2 * 5,5 įjungimų, o tai yra 11 apsisukimų. Vielos skersmuo turėtų atitikti 3A / 1mm ² taisyklė (daugiausia 3A, tekanti kiekvienam vielos skerspjūvio ploto kvadratiniam milimetrui).

Transformatorių derinimas dažnai naudojamas pralaidumo filtruose, siekiant suderinti rezonansines grandines su mažomis antenų ir maišytuvų varžomis. Kuo didesnė impedancija įkelia grandinę, tuo mažesnis pralaidumas ir didesnis Q. Jei rezonansinę grandinę prijungtume tiesiai prie mažos varžos, pralaidumas dažnai būtų per didelis, kad būtų naudingas. Rezonansinė grandinė susideda iš antrinio L1 ir pirmojo 220 pF kondensatoriaus, pirminio L2 ir antrojo 220 pF kondensatoriaus.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytas transformatoriaus suderinimas, naudojamas vakuuminio vamzdžio garso galios stiprintuve, siekiant suderinti PL841 vamzdžio 3000 Ω išėjimo varžą su 4 Ω garsiakalbiu. 1000 pF C67 neleidžia skambėti didesniais garso dažniais.

Autotransformatoriaus atitiktis impedanso balansui

Autotransformatoriaus derinimo grandinė yra transformatoriaus derinimo grandinės variantas, kai abi apvijos sujungtos viena ant kitos. Jis paprastai naudojamas IF filtro induktyvumuose kartu su transformatoriumi, derinančiu prie pagrindo, kur jis naudojamas norint suderinti mažesnę tranzistoriaus impedansą su didele impedancija, kuri mažiau pakrauna derinimo grandinę ir leidžia mažesnį pralaidumą, taigi ir didesnį selektyvumą. Jų projektavimo procesas yra praktiškai toks pats, kai pirminio posūkių skaičius yra lygus apsisukimų skaičiui nuo ritės čiaupo iki „šalto“ ar įžeminto galo, o antrinio posūkių skaičius yra lygus posūkių skaičius tarp čiaupo ir „karšto“ galo arba galo, sujungto su apkrova.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta automatinio transformatoriaus atitikimo grandinė. C yra neprivalomas, jei naudojamas, jis turėtų rezonuoti su L induktyvumu naudojimo dažniu. Tokiu būdu grandinė taip pat užtikrina filtravimą.

Šis paveikslėlis iliustruoja automatinio transformatoriaus ir transformatoriaus atitikimą, naudojamą IF transformatoriuje. Didelė autotransformatoriaus varža jungiasi prie C17, šis kondensatorius su visa apvija sudaro rezonansinę grandinę. Kadangi šis kondensatorius jungiasi prie autotransformatoriaus didelės impedansinės galos, sureguliuotą grandinę varanti varža yra didesnė, todėl Q grandinė yra didesnė, o IF pralaidumas sumažėja, pagerinant selektyvumą ir jautrumą. Transformatorių derinimas susieja sustiprintą signalą su diodu.

A

Autotransformatoriaus atitikimas, naudojamas tranzistoriaus galios stiprintuve, jis suderina 12 Ω tranzistoriaus išėjimo varžą su 75 Ω antena. C55 yra lygiagrečiai sujungtas su autotransformatoriaus didelės varžos galu, formuoja rezonansinę grandinę, kuri filtruoja harmonikas.