- LC podudaranje filtra
- L filtri
- PI filtri
- Ostali LC krugovi koji se koriste za podudaranje impedancije
U prethodnom članku raspravljali smo o osnovama podudaranja impedancije i o tome kako koristiti transformator za podudaranje impedancije. Osim korištenja transformatora za podudaranje impedancije, dizajneri mogu koristiti i krugove impedancijskog filtra na izlazu RF pojačala koji se mogu udvostručiti kao krug za filtriranje i kao krug za podudaranje impedancije. Postoje mnoge vrste filtarskih krugova koji se mogu koristiti za podudaranje impedancije, a najčešći su razmotreni u ovom članku.
LC podudaranje filtra
Različiti LC filtri mogu se koristiti za usklađivanje impedancija i osiguravanje filtriranja. Filtriranje je posebno važno na izlazu pojačavača snage RF jer generiraju puno neželjenih harmonika koji se moraju filtrirati prije nego što ih antena prenese jer mogu prouzročiti smetnje i emitiranje na frekvencijama koje nisu one kojima je stanica odobrena za prijenos na može biti ilegalno. Pokrivat ćemo niskopropusne LC filtrejer radio pojačala pojačavaju samo harmonike, a harmonski signali su uvijek čitav mnoštvo osnovnih signala, pa uvijek imaju veće frekvencije od osnovnog signala - to je razlog zašto koristimo niskopropusne filtere, oni propuštaju željeni signal dok dobivaju osloboditi od harmonika. Prilikom dizajniranja LC filtara, govorit ćemo o otporu izvora i otporu opterećenja umjesto impedancije, jer ako opterećenje ili izvor ima neku serijsku ili paralelnu induktivnost ili kapacitet, pa prema tome i neotporna impedancija, proračuni postaju mnogo složeniji. U tom je slučaju najbolje koristiti PI filter ili kalkulator L filtera. U većini slučajeva, poput integriranih sklopova, pravilno izrađenih i podešenih antena, TV i radio prijemnika, odašiljača itd. Izlazna / ulazna impedancija = otpor.
"Q" faktor
Svaki LC filtar ima parametar poznat kao Q (faktor kvaliteta), u niskopropusnim i visokopropusnim filtrima određuje strminu frekvencijskog odziva. Filtar niskog Q bit će vrlo širokopojasni i neće filtrirati neželjene frekvencije tako dobro kao filtar visokog Q. Visoki Q filtar filtrirat će neželjene frekvencije, ali imat će rezonantni vrh, pa će također djelovati kao opsežni filtar. Visoki Q faktor ponekad smanjuje učinkovitost.
L filtri
L filtri su najjednostavniji oblik LC filtara. Sastoje se od kondenzatora i prigušnice, povezani na način sličan onome koji se nalazi u RC filtrima, s prigušnicom koja zamjenjuje otpor. Mogu se koristiti za usklađivanje impedancije koja je veća ili manja od impedancije izvora. U svakom L filtru postoji samo jedna kombinacija L i C koja se može podudarati s danom ulaznom impedansom i zadanom izlaznom impedansom.
Primjerice, da bismo uskladili opterećenje od 50 Ω sa opterećenjem od 100 Ω na 14 MHz, trebamo induktor od 560 nH s kondenzatorom od 114 pF - to je jedina kombinacija koja na ovoj frekvenciji može uskladiti s tim otporima. Njihov Q faktor, te prema tome koliko je dobar filtar jednak
√ ((R / R B) -1) = Q
Gdje je R A veća impedancija, RL je manja impedancija, a Q je Q faktor s povezanim odgovarajućim opterećenjem.
U našem slučaju, učitani Q bit će jednak √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Da želimo više ili manje filtriranje (različito Q), trebat će nam PI filtar, gdje je Q u potpunosti prilagodljiv i možete imati različite L i C kombinacije koje vam mogu dati traženo podudaranje na određenoj frekvenciji, svaka s različitim Q.
Da bismo izračunali vrijednosti komponenata L filtra, trebaju nam tri stvari: izlazni otpor izvora, otpor opterećenja i učestalost rada.
Na primjer, izlazni otpor izvora bit će 3000 Ω, otpor opterećenja 50 Ω, a frekvencija 14 MHz. Budući da je naš otpor izvora veći od otpora opterećenja, koristit ćemo filtar "b"
Prvo moramo izračunati reaktanciju dviju komponenata L filtra, a zatim možemo izračunati induktivitet i kapacitivnost na temelju reaktancije i učestalosti upotrebe:
X L = √ (R S * (R L -R S)) X L = √ (50 Ω * (3000 Ω-50 Ω) X L = √ (50 Ω * (3000 Ω-50 Ω) X L = √ (50 Ω * 2950 Ω) X L = √ (50 Ω * 2950 Ω) X L = √147500 Ω 2 X L = 384,1 Ω
Koristimo kalkulator reaktancije da odredimo induktivitet koji ima reaktanciju 384,1 Ω na 14MHz
L = 4,37 μH X C = (R S * R L) / X L X C = (50 Ω * 3000 Ω) /384,1 Ω X C = 150000 Ω 2 / 384,1 Ω X C = 390,6 Ω
Koristimo kalkulator reaktancije za određivanje induktiviteta koji ima reaktonsu 390,6 Ω na 14MHz
C = 29,1 pF
Kao što vidite, frekvencijski odziv filtra je niskopropusni s rezonantnim vrhom na 14MHz, rezonantni vrh uzrokuje filtar koji ima visoki Q ako je Q niži, filtar bi bio niskopropusni bez vrha. Ako bismo željeli drugačiji Q, pa bi filtar bio širokopojasni, trebali bismo koristiti PI filtar jer Q L filtra ovisi o otporu izvora i otporu opterećenja. Ako ovaj krug koristimo za podudaranje izlazne impedancije cijevi ili tranzistora, iz kondenzatora filtra trebamo oduzeti izlazni kapacitet na masu, jer su paralelni. Ako koristimo tranzistor s kapacitetom kolektor-emiter (poznat i kao izlazni kapacitet) od 10pF, kapacitet C trebao bi biti 19,1 pF umjesto 29,1 pF.
PI filtri
PI filtar vrlo je svestrani podudarni krug, sastoji se od 3 reaktivna elementa, obično dva kondenzatora i jednog induktora. Za razliku od L filtra, gdje je samo jedna kombinacija L i C dala traženo podudaranje impedancije na određenoj frekvenciji, PI filtar omogućuje više kombinacija C1, C2 i L kako bi se postiglo željeno podudaranje impedancije, a svaka kombinacija ima različito Q.
PI filtri se češće koriste u aplikacijama, gdje postoji potreba za podešavanjem na različite otpore opterećenja ili čak složene impedancije, poput RF pojačala snage, jer je njihov omjer ulazne i izlazne impedancije (r i) određen omjerom kvadrata kondenzatora, tako da pri podešavanju na druga impedancija zavojnica može ostati ista, dok su podešeni samo kondenzatori. C1 i C2 u RF pojačalima snage često su promjenjivi.
(C1 / C2) ² = r i
Kada želimo širokopojasni filtar, koristimo Q malo iznad Q kritica kada želimo oštriji filtar, kao što je na izlazu RF pojačala snage, koristimo Q koji je mnogo veći od Q krit, ali ispod 10, kao što je veći Q filtra, to je niža učinkovitost. Tipični Q PI filtara u izlaznim fazama RF je 7, ali ta vrijednost može varirati.
Q krit = √ (R A / R B -1)
Gdje je: R A veći od dva otpora (izvora ili opterećenja), a R B je manji otpor. Općenito, PI filtar na višem Q može se smatrati, zanemarujući podudaranje impedance kao paralelni rezonantni krug izrađen od zavojnice L i kondenzatora C s kapacitetom jednakim:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Ovaj rezonantni krug trebao bi rezonirati na frekvenciji koja će se koristiti filtar.
Za izračunavanje vrijednosti komponenata PI filtra potrebne su nam četiri stvari: izlazni otpor izvora, otpor opterećenja, učestalost rada i Q.
Na primjer, trebamo uskladiti izvor od 8Ω s opterećenjem od 75Ω s Q od 7.
R A je veći od dva otpora (izvora ili opterećenja), a R B je manji otpor.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Koristimo kalkulator reaktancije za određivanje kapacitivnosti koja ima reaktanciju 10,7 Ω na 7 MHz
C1 = 2,12 nF X L = (Q * R A + (R A * R B / X C2)) / (Q 2 +1) X L = (7 * 75 Ω + (75 Ω * 8 Ω / 3,59 Ω)) / 7 2 +1 X L = (575 Ω + (600 Ω 2 /3.59 Ω)) / 50 X L = (575 Ω + (167 Ω)) / 50 X L = 742 Ω / 50 X L = 14.84 Ω
Koristimo kalkulator reaktancije za određivanje induktiviteta koji ima reaktanciju 14,84 Ω na 7 MHz
L = 340 nH X C2 = R B * √ ((R A / R B) / (Q 2 + 1- (R A / R B))) X C2 = 8 Ω * √ ((75 Ω / 8 Ω) / (Q 2 + 1- (75 Ω / 8 Ω))) X C2 = 8 Ω * √ (9,38 / (49 + 1-3,38)) X C2 = 8 Ω * √ (9,38 / 46,62) X C2 = 8 Ω * √0,2 X C2 = 8 Ω * 0,45 X C2 = 3,59 Ω
Koristimo kalkulator reaktancije za određivanje kapacitivnosti koja ima reaktanciju od 3,59 Ω na 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Kao i kod L filtra, ako naš izlazni uređaj ima bilo kakav izlazni kapacitet (pločasta katoda za cijevi, kolektor do emitera za BJT, često samo izlazni kapacitet za MOSFET-ove, cijevi i BJT-ove), trebamo ga oduzeti od C1 jer je taj kapacitet povezani paralelno s njom. Ako bismo koristili IRF510 tranzistor, izlaznog kapaciteta 180 pF, kao izlazni uređaj C1 trebao bi biti 6,3 nF-0,18 nF, dakle 6,17 nF. Kad bismo paralelno koristili više tranzistora da bismo dobili veću izlaznu snagu, kapaciteti bi se zbrojili.
Za 3 IRF510 to bi bilo 6,3 nF-0,18 nF * 3 = 6,3 nF-0,54 nF, dakle 5,76 nF umjesto 6,3 nF.
Ostali LC krugovi koji se koriste za podudaranje impedancije
Brojni su različiti LC krugovi koji se koriste za podudaranje impedancija, poput T filtera, posebnih sklopki za tranzistorska pojačala ili PI-L filtri (PI filtar s dodatnim prigušnicom).
