Увод у подударање импедансе и како користити трансформатор за подударање импедансе за свој дизајн

Ако сте инжењер РФ дизајна или неко ко је радио са бежичним радио уређајима, појам „ подударање импедансе “ требало је да вас погоди више пута. Израз је кључан јер директно утиче на преносну снагу, а тиме и на опсег наших радио модула. Овај чланак има за циљ да вам помогне да разумете шта је подударање импеданце из основа, а такође ће вам помоћи да дизајнирате сопствене кругове за подударање импедансе коришћењем трансформатора за подударање импеданце, који је најчешћи метод. Па, заронимо.

Шта је подударање импедансе?

Укратко, подударање импедансе осигурава да је излазна импеданса једне фазе, која се назива извор, једнака улазној импеданси следеће фазе, која се назива оптерећење. Ова утакмица омогућава максималан пренос снаге и минималан губитак. Овај концепт можете лако разумети размишљајући о њему као о сијалицама у серији са извором напајања. Прва сијалица је излазна импеданса за прву фазу (на пример радио предајник), а друга сијалица је оптерећење, или другим речима, улазна импеданса друге сијалице (антена, на пример). Желимо да будемо сигурни да се оптерећењу испоручује највише снаге, у нашем случају би то значило да се највише снаге преноси у ваздух, тако да се радио станица може чути из даљине. Овај максимум до преноса снаге долази када је излазна импеданса извора једнака улазној импеданси терета, јер ако је излазна импеданса већа од оптерећења, више снаге се губи у извору (прва сијалица светли јаче).

Однос стојећег таласа - мерење импедансе

Мерење које се користи да би се дефинисало колико добро се подударају две фазе назива се СВР (однос стојећег таласа). То је однос веће импедансе у поређењу са мањом, предајник од 50 Ω у антену од 200 Ω даје 4 СВР, антена од 75 Ω која напаја мешач НЕ612 (улазна импеданса је 1500 Ω) директно ће имати СВР од 20. А савршено се подудара, рецимо да антена од 50 Ω и пријемник од 50 Ω дају СВР од 1.

У радио предајницима, СВР испод 1,5 сматрају се пристојним и рад када је СВР већи од 3 може довести до оштећења услед прегревања уређаја излазне снаге (вакуумске цеви или транзистори). У пријему апликација, високи СВР неће узроковати штету, али ће учинити пријемник мање осетљивим, јер ће примљени сигнал бити пригушен због неусклађености и последичног губитка снаге.

Будући да већина пријемника користи неки облик улазног опсежног филтра, улазни филтер може бити дизајниран тако да одговара антени улазном степену пријемника. Сви радио предајници имају излазне филтере који се користе за усклађивање нивоа излазне снаге са специфичном импедансом (обично 50 Ω). Неки предајници имају уграђене антенске тјунере који се могу користити за подударање предајника са антеном ако се импеданса антене разликује од наведене излазне импедансе предајника. Ако не постоји антенски тјунер, мора се користити спољни склоп за подударање. Губитак снаге услед неусклађености тешко је израчунати, па се користе посебни калкулатори или СВР табеле губитака. Типична табела губитака СВР је приказана доле

Користећи горњу СВР табелу, можемо израчунати губитак снаге и губитак напона. Напон се губи услед неусклађености када је импеданса оптерећења нижа од импедансе извора, а струја се губи када је импеданса оптерећења већа од извора.

Наш предајник од 50 Ω са антеном од 200 Ω са 4 СВР-а изгубиће око 36% своје снаге, што значи да ће антени бити испоручено 36% мање снаге у поређењу са тим да је антена имала импедансу од 50 Ω. Изгубљена снага ће се углавном расипати у извору, што значи да ако је наш предајник одавао 100В, 36В ће се у њему додатно расипати као топлота. Да је наш предајник од 50 Ω ефикасан 60%, он би расипао 66 В при преносу 100 В у антену од 50 Ω. Када се повеже на антену од 200 Ω, она ће расипати додатних 36 В, тако да укупна снага изгубљена као топлота у предајнику износи 102 В. Повећање снаге која се расипа у предајнику не само да значи да антена не емитује пуну снагу али такође ризикује да оштети наш предајник јер расипа 102 В уместо 66 В, дизајниран је за рад.

У случају антене од 75Ω, која напаја улаз од 1500Ω НЕ612 ИЦ, нас не брине губитак снаге као топлоте, већ повећани ниво сигнала који се може постићи употребом подударања импедансе. Рецимо да је у антени индуковано 13нВ РФ. Са импедансом од 75 Ω, 13нВ даје 1 мВ - желимо да то прилагодимо нашем оптерећењу од 1500 Ω. Да бисмо израчунали излазни напон након одговарајућег кола, морамо знати однос импедансе, у нашем случају, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Однос напона (попут односа завоја у трансформаторима) једнак је квадратном корену односа импедансе, па је √20≈8,7. То значи да ће излазни напон бити 8,7 пута већи, па ће бити једнак 8,7 мВ. Одговарајући кругови делују попут трансформатора.

Будући да је снага која улази у подударни круг и излазна снага иста (минус губитак), излазна струја ће бити мања од улазне за фактор 8,7, али ће излазни напон бити већи. Ако бисмо високу импедансу ускладили са ниском, добили бисмо нижи напон, али већу струју.

Трансформатори који одговарају импеданси

Специјални трансформатори под називом Импеданса који одговарају трансформаторима могу се користити за усклађивање импедансе. Главна предност трансформатора као уређаја за подударање импеданце је што имају широкопојасни приступ, што значи да могу да раде са широким спектром фреквенција. Аудио трансформатори који користе језгре од челичног лима, попут оних који се користе у круговима појачавача са вакуумском цевчицом како би се подударали висока импеданса цеви и мала импеданса звучника, имају пропусну ширину од 20Хз до 20кХз, РФ трансформатори направљени од феритних или чак ваздушних језгара могу имају пропусни опсег од 1МХз-30МХз.

Трансформатори се могу користити као уређаји за усклађивање импедансе, због њиховог односа окретаја који мења импедансу коју извор „види“. Такође можете проверити овај основни чланак о трансформатору ако сте потпуно нови у трансформаторима. Ако имамо трансформатор са односом окретаја 1: 4, то значи да би, ако је 1В наизменичне струје примењен на примарну, на излазу имали 4В наизменичне струје. Ако на излаз додамо отпор 4Ω, у секундару ће тећи 1А струје, струја у примару једнака је секундарној струји помноженој са односом завоја (подељено ако је трансформатор био опадајућег типа, попут мрежне мреже). трансформатори), па је 1А * 4 = 4А. Ако користимо Ω закон за одређивање импедансе коју трансформатор представља у круг, имамо 1В / 4А = 0,25Ω, док смо након одговарајућег трансформатора прикључили оптерећење од 4Ω. Однос импедансе је 0,25Ω до 4Ω или такође 1:16. Такође се може израчунати са овимФормула односа импедансе:

(н _А / н _Б) ² = р _и

где је н _А број примарних завоја намотаја са више завоја, н _Б је број завоја намотаја са мање завоја и р _и је однос импедансе. Тако се дешава подударање импеданце.

Да смо поново користили закон Ома, али сада за израчунавање снаге која тече у примарни имали бисмо 1В * 4А = 4В, у секундарном бисмо имали 4В * 1А = 4В. То значи да су наши прорачуни тачни, да трансформатори и други кругови за подударање импедансе не дају више снаге него што су напајани. Овде нема бесплатне енергије.

Како одабрати трансформатор који одговара импеданси

Коло за подударање трансформатора може се користити када је потребно пропусно филтрирање, а требало би да буде резонантно са индуктивношћу секундара на фреквенцији употребе. Главни параметри трансформатора као уређаја за подешавање импеданце су:

Однос импедансе или чешће наведени однос обртаја (н)
Примарна индуктивност
Секундарна индуктивност
Примарна импеданса
Секундарна импеданса
Само-резонантна фреквенција
Минимална учесталост рада
Максимална учесталост рада
Конфигурација намотаја
Присуство ваздушног зазора и макс. Једносмерна струја
Макс. снага

Број примарних завоја треба да буде довољан, тако да примарни намотај трансформатора има реактанцу (то је завојница) четири пута већу од излазне импедансе извора на најмањој фреквенцији рада.

Број секундарних завоја једнак је броју завоја на примарном, подељен квадратним кореном односа импедансе.

Такође морамо знати који тип и величину језгра треба користити, различита језгра раде добро на различитим фреквенцијама, изван којих показују губитак.

Величина језгра зависи од снаге која тече кроз језгро, јер свако језгро показује губитке, а већа језгра могу те губитке боље расипати и не показују магнетну засићеност и друге нежељене ствари тако лако.

Потребна је ваздушна празнина када ће једносмерна струја пролазити кроз било који намотај на трансформатору ако је језгро израђено од челичних ламинација, као у мрежном трансформатору.

Кола за подударање трансформатора - пример

На пример, потребан нам је трансформатор који одговара извору од 50 Ω са оптерећењем од 1500 Ω у фреквенцијском опсегу од 3 МХз до 30 МХз у пријемнику. Прво морамо знати које језгро би нам требало јер је пријемник кроз трансформатор протицати врло мало снаге, тако да величина језгра може бити мала. Добро језгро у овој апликацији био би ФТ50-75. Према произвођачу, то је фреквенцијски опсег јер је широкопојасни трансформатор од 1 МХз до 50 МХз, довољно добар за ову апликацију.

Сада морамо израчунати примарне завоје, треба нам примарна реактанса до 4 пута већа од излазне импедансе извора, дакле 200 Ω. На минималној радној фреквенцији од 3МХз, индуктор од 10,6уХ има реактивност од 200 Ω. Користећи мрежни калкулатор израчунавамо да су нам потребна 2 окрета жице на језгру да бисмо добили 16уХ, мало изнад 10,6уХ, али у овом случају је боље да је већи него да буде мањи. 50 Ω до 1500 Ω даје однос импедансе 30. Будући да је однос завоја квадратни корен односа импедансе, добијамо око 5,5, тако да нам је за сваки примарни завој потребно 5,5 секундарних завоја да би 1500Ω на секундару изгледало као 50Ω извор. Пошто имамо 2 окретаја на примарном, требају нам 2 * 5,5 окретања на секундарном, то је 11 окретаја. Пречник жице треба да буде 3А / 1мм ² правило (максимално 3А тече по сваком квадратном милиметру површине попречног пресека жице).

Подударање трансформатора се често користи у опсежним филтрима, како би се резонантни кругови ускладили са малом импедансом антена и мешача. Што је већа импеданса која оптерећује круг, мања је ширина опсега и веће је К. Ако бисмо повезали резонантни круг директно на малу импедансу, ширина појаса би била често превелика да би била корисна. Резонантно коло се састоји од секундара Л1 и првог кондензатора од 220 пФ и примарног од Л2 и другог кондензатора од 220 пФ.

Горња слика приказује подударање трансформатора које се користи у појачивачу звука снаге у вакуумској цеви како би се ускладила излазна импеданса ПЛ841 цеви од 3000 Ω са звучником од 4 Ω. 1000 пФ Ц67 спречава звоњење на вишим аудио фреквенцијама.

Подударање аутотрансформера за равнотежу импедансе

Коло за подударање аутотрансформатора је варијанта кола за подударање трансформатора, где су два намотаја међусобно повезана. Уобичајено се користи у индукторима ИФ филтера, заједно са трансформаторима који се подударају са базом, где се користи за подударање ниже импедансе транзистора са високом импедансом која мање оптерећује коло за подешавање и омогућава мању ширину опсега и тиме већу селективност. Процес њиховог дизајнирања је практично исти, с тим да је број завоја на примарном једнак броју завоја од славине завојнице до „хладног“ или уземљеног краја, а број завоја на секундарном број завоја између славине и „врућег“ краја или краја који је повезан са оптерећењем.

Горња слика приказује склоп за подударање Аутотрансформера. Ц није обавезан ако се користи, требало би да резонира са индуктивитетом Л на фреквенцији употребе. На овај начин коло такође обезбеђује филтрирање.

Ова слика илуструје подударање аутотрансформатора и трансформатора који се користе у ИФ трансформатору. Висока импеданса аутотрансформера се повезује са Ц17, овај кондензатор формира резонантни круг са целим намотајем. Будући да се овај кондензатор повезује са крајем импедансе аутотрансформатора, отпор учитавања подешеног кола је већи, стога је коло К веће и опсег опсега ИФ смањен, побољшавајући селективност и осетљивост. Подударање трансформатора повезује појачани сигнал са диодом.

Аутотрансформатор који се користи у транзисторском појачивачу снаге, поклапа излазну импедансу транзистора од 12 Ω са антеном од 75 Ω. Ц55 је паралелно повезан са крајем импедансе аутотрансформатора и формира резонантни круг који филтрира хармонике.