Úvod do impedančního přizpůsobování a jak používat transformátor přizpůsobení impedance pro váš návrh

Pokud jste konstruktér RF designu nebo kdokoli, kdo pracoval s bezdrátovými radiostanicemi, měl vás výraz „ Impedance Matching “ napadnout vícekrát. Termín je zásadní, protože přímo ovlivňuje vysílací výkon a tím i dosah našich rádiových modulů. Tento článek si klade za cíl pomoci vám pochopit, co je Impedance Matching, od základů, a také vám pomůže navrhnout vlastní obvody pro přizpůsobení impedance pomocí Impedance Matching Transformer, což je nejběžnější metoda. Pojďme se tedy ponořit.

Co je impedanční shoda?

Stručně řečeno, přizpůsobení impedance zajišťuje, že výstupní impedance jednoho stupně, nazývaného zdroj, se rovná vstupní impedanci následujícího stupně, nazývaného zátěž. Tato shoda umožňuje maximální přenos síly a minimální ztrátu. Tento koncept můžete snadno pochopit tím, že o něm budete uvažovat jako o žárovkách v sérii se zdrojem energie. První žárovka je výstupní impedance pro první stupeň (například rádiový vysílač) a druhá žárovka je zátěž, nebo jinými slovy, vstupní impedance druhé žárovky (například anténa). Chceme zajistit, aby se do zátěže dostalo nejvíce energie, v našem případě by to znamenalo, že se nejvíce energie přenese do vzduchu, aby bylo možné rozhlasovou stanici slyšet z dálky. Toto maximum přenos energie nastane, když je výstupní impedance zdroje stejná jako vstupní impedance zátěže, protože pokud je výstupní impedance větší než zátěž, dojde ke ztrátě více energie ve zdroji (první žárovka svítí jasněji).

Poměr stojatých vln - míra shody impedance

Měření používané k definování toho, jak dobře jsou dva stupně spárovány, se nazývá SWR (Standing Wave Ratio). Jedná se o poměr větší impedance ve srovnání s menší, 50 Ω vysílač do 200 Ω antény dává 4 SWR, 75 Ω anténa napájející směšovač NE612 (vstupní impedance je 1500 Ω) bude přímo SWR 20. A perfektní shoda, řekněme 50 Ω anténa a 50 Ω přijímač dává SWR 1.

U rádiových vysílačů jsou SWR pod 1,5 považovány za slušné a provoz při SWR nad 3 může mít za následek poškození v důsledku přehřátí výkonových koncových zařízení (elektronek nebo tranzistorů). V přijímacích aplikacích nezpůsobí vysoké SWR poškození, ale sníží citlivost přijímače, protože přijímaný signál bude oslaben kvůli nesouladu a následné ztrátě výkonu.

Protože většina přijímačů používá nějakou formu vstupního pásmového filtru, může být vstupní filtr navržen tak, aby odpovídal anténě se vstupním stupněm přijímače. Všechny rádiové vysílače mají výstupní filtry, které se používají pro přizpůsobení výkonového stupně konkrétní impedanci (obvykle 50 Ω). Některé vysílače mají vestavěné anténní tunery, které lze použít k přizpůsobení vysílače anténě, pokud se impedance antény liší od výstupní impedance zadaného vysílače. Pokud není k dispozici anténní tuner, je třeba použít externí odpovídající obvod. Ztráta výkonu v důsledku nesouladu je těžké vypočítat, proto se používají speciální kalkulačky nebo tabulky ztrát SWR. Níže je uvedena typická tabulka ztrát SWR

Pomocí výše uvedené tabulky SWR můžeme vypočítat ztrátu výkonu a také ztrátu napětí. Pokud je impedance zátěže nižší než impedance zdroje, dojde ke ztrátě napětí v důsledku nesouladu a proud je ztracen, když je impedance zátěže vyšší než zdroj.

Náš 50 Ω vysílač s 200 Ω anténou se 4 SWR ztratí asi 36% svého výkonu, což znamená, že do antény bude dodáno o 36% méně energie ve srovnání s tím, kdyby měla anténa 50 Ω impedanci. Ztráta energie bude většinou rozptýlena ve zdroji, což znamená, že pokud náš vysílač rozdává 100 W, bude 36 W v něm navíc rozptýleno jako teplo. Pokud by náš 50 Ω vysílač měl 60% účinnost, rozptýlil by 66 W při přenosu 100 W na 50 Ω anténu. Při připojení k 200 Ω anténě rozptýlí dalších 36 W, takže celkový výkon ztracený jako teplo ve vysílači je 102 W. Zvýšení výkonu rozptýleného ve vysílači znamená nejen to, že anténa nevydává plný výkon. ale také riziko poškození našeho vysílače, protože rozptyluje 102 W místo 66 W, byl navržen pro práci.

V případě 75 Ω antény napájející vstup 1 500 Ω na NE612 IC nás nezajímá ztráta energie jako tepla, ale o zvýšená úroveň signálu, které lze dosáhnout použitím impedančního přizpůsobení. Řekněme, že v anténě je indukováno 13nW RF. S impedancí 75 Ω dává 13 nW 1 mV - chceme to přizpůsobit naší 1500 Ω zátěži. Pro výpočet výstupního napětí po přizpůsobovacím obvodu potřebujeme znát poměr impedance, v našem případě 1500 Ω / 75 Ω = 20. Poměr napětí (jako poměr otáček v transformátorech) se rovná druhé odmocnině poměru impedance, takže √20≈8,7. To znamená, že výstupní napětí bude 8,7krát větší, takže se bude rovnat 8,7 mV. Odpovídající obvody fungují jako transformátory.

Vzhledem k tomu, že výkon vstupující do přizpůsobovacího obvodu a opouštějící výkon je stejný (minus ztráta), bude výstupní proud nižší než vstupní o faktor 8,7, ale výstupní napětí bude větší. Pokud bychom spojili vysokou impedanci s nízkou, dostali bychom nižší napětí, ale vyšší proud.

Transformátory odpovídající impedanci

K přizpůsobení impedance lze použít speciální transformátory zvané Impedance Matching Transformers. Hlavní výhodou transformátorů jako zařízení pro přizpůsobení impedance je to, že mají širokopásmové připojení, což znamená, že mohou pracovat se širokým rozsahem frekvencí. Zvukové transformátory využívající jádra z ocelového plechu, jako jsou ty, které se používají v obvodech zesilovače elektronky k přizpůsobení vysoké impedance elektronky nízké impedanci reproduktoru, mají šířku pásma 20 Hz až 20 kHz, RF transformátory vyrobené z feritových nebo dokonce vzduchových jader mohou mají šířku pásma 1 MHz - 30 MHz.

Transformátory lze použít jako zařízení pro přizpůsobení impedance, protože jejich poměr otáček mění impedanci, kterou zdroj „vidí“. Tuto základní část článku o transformátorech můžete také zkontrolovat, pokud jste s transformátory zcela nová. Pokud máme transformátor s poměrem otáček 1: 4, znamená to, že pokud by byl na primární napětí použit 1V střídavého proudu, měli bychom na výstupu 4V střídavého proudu. Pokud k výstupu přidáme odpor 4 Ω, bude v sekundárním proudu proudit 1 A, proud v primárním se bude rovnat sekundárnímu proudu vynásobenému poměrem otáček (děleno, pokud byl transformátor typu sestupného typu, jako je síť transformátory), takže 1A * 4 = 4A. Pokud použijeme Ω zákon k určení impedance, kterou transformátor představuje obvodu, máme 1V / 4A = 0,25Ω, zatímco po odpovídajícím transformátoru jsme připojili zátěž 4Ω. Poměr impedance je 0,25 Ω až 4 Ω nebo také 1:16. Lze jej také vypočítatVzorec poměru impedance:

(n _A / n _B) ² = r _i

kde n _A je počet primárních závitů na vinutí s více otáčkami, n _B je počet závitů na vinutí s menšími otáčkami a r _i je poměr impedance. Tak dochází k přizpůsobení impedance.

Pokud bychom znovu použili Ohmův zákon, ale nyní k výpočtu energie, která proudí do primárního, měli bychom 1V * 4A = 4W, v sekundárním bychom měli 4V * 1A = 4W. To znamená, že naše výpočty jsou správné, že transformátory a další obvody přizpůsobující impedanci neposkytují více energie, než jsou napájeny. Žádná volná energie zde.

Jak vybrat transformátor odpovídající impedanci

Obvod přizpůsobení transformátoru lze použít, když je potřeba pásmová filtrace, měl by rezonovat s indukčností sekundárního kmitočtu. Hlavní parametry transformátorů jako zařízení přizpůsobujících impedanci jsou:

• Poměr impedance nebo běžněji uváděný poměr otáček (n)
• Primární indukčnost
• Sekundární indukčnost
• Primární impedance
• Sekundární impedance
• Vlastní rezonanční frekvence
• Minimální frekvence provozu
• Maximální frekvence provozu
• Konfigurace vinutí
• Přítomnost vzduchové mezery a max. Stejnosměrný proud
• Max. Napájení

Počet primárních závitů by měl být dostatečný, takže primární vinutí transformátoru má reaktanci (je to cívka) čtyřikrát vyšší než výstupní impedance zdroje při nejnižší frekvenci provozu.

Počet sekundárních závitů se rovná počtu závitů na primární, děleno druhou odmocninou poměru impedance.

Také potřebujeme vědět, jaký typ a velikost jádra použít, různá jádra fungují dobře na různých frekvencích, mimo které vykazují ztrátu.

Velikost jádra závisí na energii protékající jádrem, protože každé jádro vykazuje ztráty a větší jádra mohou tyto ztráty lépe rozptýlit a nevykazují tak snadno magnetickou saturaci a jiné nežádoucí věci.

Vzduchová mezera je nutná, když stejnosměrný proud protéká jakýmkoli vinutím transformátoru, pokud je použité jádro vyrobeno z ocelových lamel, jako v síťovém transformátoru.

Obvody odpovídající transformátorům - příklad

Například potřebujeme transformátor, který bude odpovídat zdroji 50 Ω se zátěží 1 500 Ω ve frekvenčním rozsahu 3MHz až 30MHz v přijímači. Nejprve musíme vědět, jaké jádro bychom potřebovali, protože je to přijímač, transformátorem bude protékat velmi málo energie, takže velikost jádra může být malá. Dobrým jádrem v této aplikaci by byl FT50-75. Podle výrobce je to frekvenční rozsah, protože širokopásmový transformátor je 1MHz až 50MHz, což je pro tuto aplikaci dost dobré.

Nyní musíme vypočítat primární otáčky, potřebujeme, aby primární reaktance byla čtyřikrát vyšší než výstupní impedance zdroje, tedy 200 Ω. Při minimální pracovní frekvenci 3MHz má induktor 10,6uH 200 Ω reaktance. Pomocí online kalkulačky vypočítáme, že potřebujeme 2 otáčky drátu na jádře, abychom získali 16uH, něco nad 10,6uH, ale v tomto případě je lepší, aby to bylo větší než menší. 50 Ω až 1 500 Ω dává impedanční poměr 30. Jelikož poměr otáček je druhá odmocnina poměru impedance, dostaneme kolem 5,5, takže pro každý primární závit potřebujeme 5,5 sekundárních závitů, aby 1500 Ω při sekundárním vzhledu vypadalo jako 50 Ω až zdroj. Jelikož máme 2 otáčky na primární, potřebujeme 2 * 5,5 otáčky na sekundární, to je 11 otáček. Průměr drátu by měl být 3A / 1mm ² pravidlo (maximálně 3A tekoucí na každý čtvereční milimetr plochy průřezu drátu).

Přizpůsobení transformátoru se často používá ve filtrech pásmové propusti k přizpůsobení rezonančních obvodů nízké impedanci antén a směšovačů. Čím vyšší je impedance zatěžující obvod, tím nižší je šířka pásma a vyšší Q. Pokud bychom rezonanční obvod připojili přímo k nízké impedanci, šířka pásma by byla velmi často příliš velká na to, aby byla užitečná. Rezonanční obvod se skládá ze sekundárního obvodu L1 a prvního kondenzátoru 220 pF a primárního obvodu L2 a druhého kondenzátoru 220 pF.

Výše uvedený obrázek ukazuje přizpůsobení transformátoru použitého ve výkonovém zesilovači vakuové trubice k přizpůsobení výstupní impedance 3000 Ω trubice PL841 reproduktoru 4 Ω. 1 000 pF C67 zabraňuje vyzvánění na vyšších zvukových frekvencích.

Přizpůsobení autotransformátoru pro vyvážení impedance

Obvod přizpůsobení autotransformátoru je variantou obvodu přizpůsobení transformátoru, kde jsou dvě vinutí vzájemně spojena nad sebou. Běžně se používá v induktorech IF filtru společně s přizpůsobením transformátoru základně, kde se používá k přizpůsobení nižší impedance tranzistoru vysoké impedanci, která méně zatěžuje ladicí obvod a umožňuje menší šířku pásma a tedy větší selektivitu. Proces jejich navrhování je prakticky stejný, přičemž počet závitů na primární se rovná počtu závitů od odbočky cívky po „studený“ nebo uzemněný konec a počet závitů na sekundární se rovná počet otáček mezi kohoutkem a „horkým“ koncem nebo koncem, který je připojen k zátěži.

Výše uvedený obrázek ukazuje obvod odpovídající autotransformátoru. C je volitelné, pokud je použito, mělo by rezonovat s indukčností L při frekvenci použití. Tímto způsobem obvod také zajišťuje filtrování.

Tento obrázek ilustruje autotransformátor a shodu transformátoru použitou v transformátoru IF. Vysoká impedance autotransformátoru se připojuje k C17, tento kondenzátor tvoří rezonanční obvod s celým vinutím. Jelikož se tento kondenzátor připojuje k vysokému impedančnímu konci autotransformátoru, je odpor naladěného obvodu vyšší, proto je obvod Q větší a šířka pásma IF je snížena, což zlepšuje selektivitu a citlivost. Přizpůsobení transformátoru spojuje zesílený signál s diodou.

Zloženie: 100% bavlna.

Přizpůsobení autotransformátoru použité v výkonovém zesilovači tranzistoru odpovídá výstupní impedanci 12 Ω tranzistoru s anténou 75 Ω. C55 je zapojen paralelně s koncem autotransformátoru s vysokou impedancí tvoří rezonanční obvod, který filtruje harmonické.