- Što je podudaranje impedance?
- Omjer stojnog vala - usklađivanje mjere impedancije
- Transformatori koji odgovaraju impedanciji
- Kako odabrati transformator koji odgovara impedanciji
- Strujni krugovi transformatora - Primjer
- Podudaranje automatskog transformatora za ravnotežu impedancije
Ako ste inženjer RF dizajna ili netko tko je surađivao s bežičnim radiom, pojam " Usklađivanje impedancije " trebao bi vas pogađati više puta. Izraz je ključan jer izravno utječe na snagu prijenosa, a time i na raspon naših radijskih modula. Ovaj članak želi vam pomoći da shvatite što je osnovno podudaranje impedanse, a također će vam pomoći da osmislite vlastite krugove za podudaranje impedancije pomoću transformatora za podudaranje impedance, što je najčešća metoda. Dakle, zaronimo.
Što je podudaranje impedance?
Ukratko, podudaranje impedance osigurava da je izlazna impedancija jednog stupnja, koji se naziva izvor, jednaka ulaznoj impedanciji sljedećeg stupnja, koji se naziva opterećenje. Ova utakmica omogućuje maksimalan prijenos snage i minimalan gubitak. Ovaj koncept možete lako razumjeti razmišljajući o njemu kao o sijalicama u seriji s izvorom napajanja. Prva žarulja je izlazna impedancija za prvi stupanj (na primjer radio odašiljač), a druga žarulja je opterećenje, ili drugim riječima, ulazna impedancija druge žarulje (antena, na primjer). Želimo biti sigurni da se opterećenju isporučuje najviše snage, u našem slučaju to bi značilo da se najviše snage prenosi u zrak kako bi se radio stanica mogla čuti iz daljine. Ovaj maksimum do prijenosa snage dolazi kada je izlazna impedancija izvora jednaka ulaznoj impedanciji tereta, jer ako je izlazna impedancija veća od opterećenja, u izvoru se gubi više snage (prva žarulja svijetli jače).
Omjer stojnog vala - usklađivanje mjere impedancije
Mjerenje kojim se definira koliko se dobro podudaraju dvije faze naziva se SWR (omjer stojnog vala). To je omjer veće impedancije u usporedbi s manjom, odašiljač od 50 Ω u antenu od 200 Ω daje 4 SWR, antena od 75 Ω koja napaja miješalicu NE612 (ulazna impedancija je 1500 Ω) izravno će imati SWR od 20. A savršeno se podudara, recimo da antena od 50 Ω i prijemnik od 50 Ω daju SWR od 1.
U radio odašiljačima SWR-ovi ispod 1,5 smatraju se pristojnim, a rad kad je SWR veći od 3 može rezultirati oštećenjem zbog pregrijavanja uređaja izlazne snage (vakuumske cijevi ili tranzistori). U primanju aplikacija, visoki SWR neće uzrokovati štetu, ali će učiniti prijemnik manje osjetljivim, jer će primljeni signal biti prigušen zbog neusklađenosti i posljedičnog gubitka snage.
Budući da većina prijamnika koristi neki oblik ulaznog propusnog filtra, ulazni filtar može biti dizajniran tako da odgovara anteni ulaznom stupnju prijemnika. Svi radio odašiljači imaju izlazne filtre koji se koriste za usklađivanje stupnja izlazne snage s određenom impedancijom (obično 50 Ω). Neki odašiljači imaju ugrađene antenske tunere koji se mogu koristiti za usklađivanje odašiljača s antenom ako se impedancija antene razlikuje od navedene izlazne impedanse odašiljača. Ako nema antenskog tunera, mora se koristiti vanjski odgovarajući krug. Gubitak snage uslijed neusklađenosti teško je izračunati, pa se koriste posebni kalkulatori ili tablice gubitaka SWR. Tipična tablica gubitaka SWR prikazana je u nastavku
Pomoću gornje SWR tablice možemo izračunati gubitak snage i gubitak napona. Napon se gubi zbog neusklađenosti kada je impedancija opterećenja niža od impedancije izvora, a struja se gubi kada je impedancija opterećenja veća od izvora.
Naš odašiljač od 50 Ω s antenom od 200 Ω s 4 SWR-a izgubit će oko 36% svoje snage, što znači da će se anteni isporučiti 36% manje energije u odnosu na antenu koja je imala impedansu od 50 Ω. Izgubljena snaga uglavnom će se raspršiti u izvoru, što znači da ako je naš odašiljač odavao 100W, 36W će se u njemu dodatno rasipati kao toplina. Kad bi naš 50 Ω odašiljač bio 60% učinkovit, on bi rasipao 66 W prilikom odašiljanja 100 W u antenu od 50 Ω. Kad je spojena na antenu od 200 Ω, odnijet će dodatnih 36 W, tako da ukupna snaga koja se gubi kao toplina u odašiljaču iznosi 102 W. Povećanje snage koja se rasipa u odašiljaču ne znači samo da antena ne emitira punu snagu ali i riskirati oštećenje našeg odašiljača jer odašilje 102 W umjesto 66 W, dizajniran je za rad.
U slučaju antene od 75Ω, koja napaja ulaz od 1500Ω NE612 IC, ne brine nas gubitak snage kao topline, već povećana razina signala koja se može postići korištenjem podudaranja impedancije. Recimo da je u anteni inducirano 13nW RF. S impedancijom od 75 Ω, 13nW daje 1 mV - to želimo prilagoditi našem opterećenju od 1500 Ω. Da bismo izračunali izlazni napon nakon podudarnog kruga, moramo znati omjer impedancije, u našem slučaju, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Omjer napona (poput omjera zavoja u transformatorima) jednak je kvadratnom korijenu omjera impedancije, pa je √20≈8,7. To znači da će izlazni napon biti 8,7 puta veći, pa će biti jednak 8,7 mV. Podudarni krugovi djeluju poput transformatora.
Budući da je snaga koja ulazi u odgovarajući krug i snaga koja izlazi ista (minus gubitak), izlazna struja bit će manja od ulazne za faktor 8,7, ali će izlazni napon biti veći. Kad bismo visoku impedansu uskladili s niskom, dobili bismo niži napon, ali veću struju.
Transformatori koji odgovaraju impedanciji
Za usklađivanje impedancije mogu se koristiti posebni transformatori nazvani Impedancijski podudarni transformatori. Glavna prednost transformatora kao uređaja za podudaranje impedance je u tome što imaju širokopojasni pristup, što znači da mogu raditi sa širokim rasponom frekvencija. Audio transformatori koji koriste jezgre od čeličnog lima, poput onih koji se koriste u krugovima pojačala vakuumskih cijevi kako bi se podudarala visoka impedancija cijevi i mala impedancija zvučnika, imaju širinu pojasa od 20Hz do 20kHz, RF transformatori izrađeni od feritnih ili čak zračnih jezgri mogu imaju širinu pojasa od 1 MHz do 30 MHz.
Transformatori se mogu koristiti kao uređaji za podudaranje impedancije, jer njihov omjer okretaja mijenja impedansu koju izvor "vidi". Također možete provjeriti ovo osnovno o članku o transformatoru ako ste potpuno novi u transformatorima. Ako imamo transformator s omjerom zavoja 1: 4, to znači da bismo, da je 1V izmjeničnog napona primijenjen na primarni, na izlazu imali 4V izmjeničnog napona. Ako na izlaz dodamo otpor 4Ω, u sekundaru će teći 1A struje, struja u primaru jednaka je sekundarnoj struji pomnoženoj s omjerom okreta (podijeljeno ako je transformator bio silaznog tipa, poput mrežne mreže) transformatori), dakle 1A * 4 = 4A. Ako koristimo Ω-ov zakon za određivanje impedancije koju transformator prikazuje na krug, imamo 1V / 4A = 0,25Ω, dok smo nakon odgovarajućeg transformatora priključili opterećenje od 4Ω. Omjer impedancije je 0,25Ω do 4Ω ili također 1:16. To se također može izračunatiFormula omjera impedancije:
(n A / n B) ² = r i
gdje je n A broj primarnih zavoja namota s više zavoja, n B je broj zavoja namota s manje zavoja, a i je omjer impedancije. Tako se događa podudaranje impedancije.
Da smo ponovno koristili Ohmov zakon, ali sada za izračunavanje snage koja teče u primarni imali bismo 1V * 4A = 4W, u sekundarnom bismo imali 4V * 1A = 4W. To znači da su naši izračuni točni, da transformatori i drugi krugovi za podudaranje impedancije ne daju više snage nego što su napojni. Ovdje nema besplatne energije.
Kako odabrati transformator koji odgovara impedanciji
Sklop za podudaranje transformatora može se koristiti kada je potrebno propusno filtriranje, a trebao bi biti rezonantan s induktivnošću sekundara na frekvenciji upotrebe. Glavni parametri transformatora kao uređaja za usklađivanje impedance su:
- Omjer impedancije ili češće navedeni omjer okretaja (n)
- Primarna induktivnost
- Sekundarna induktivnost
- Primarna impedancija
- Sekundarna impedancija
- Samo-rezonantna frekvencija
- Minimalna učestalost rada
- Maksimalna učestalost rada
- Konfiguracija namotaja
- Prisutnost zračnog zazora i maks. Istosmjerna struja
- Maks. vlast
Broj primarnih zavoja trebao bi biti dovoljan, tako da primarni namot transformatora ima reaktanciju (to je zavojnica) četiri puta veću od izlazne impedancije izvora na najmanjoj frekvenciji rada.
Broj sekundarnih zavoja jednak je broju zavoja na primarnom, podijeljen s kvadratnim korijenom omjera impedancije.
Također moramo znati koji tip i veličinu jezgre koristiti, različite jezgre dobro rade na različitim frekvencijama, izvan kojih pokazuju gubitak.
Veličina jezgre ovisi o snazi koja teče kroz jezgru, jer svaka jezgra pokazuje gubitke, a veće jezgre mogu te gubitke bolje rasipati i ne pokazuju magnetnu zasićenost i druge neželjene stvari tako lako.
Zračni je razmak potreban kada će istosmjerna struja prolaziti kroz bilo koji namot transformatora ako je korištena jezgra izrađena od čeličnih slojeva, kao u mrežnom transformatoru.
Strujni krugovi transformatora - Primjer
Primjerice, potreban nam je transformator koji odgovara izvoru od 50 Ω s opterećenjem od 1500 Ω u frekvencijskom području od 3 MHz do 30 MHz u prijamniku. Prvo moramo znati koja bi nam jezgra trebala, jer je prijemnik kroz transformator prolaziti vrlo malo snage, tako da veličina jezgre može biti mala. Dobra jezgra u ovoj aplikaciji bio bi FT50-75. Prema proizvođaču, to je frekvencijski opseg jer je širokopojasni transformator od 1 MHz do 50 MHz, dovoljno dobar za ovu primjenu.
Sada moramo izračunati primarne zavoje, treba nam primarna reaktancija do 4 puta veća od izlazne impedancije izvora, dakle 200 Ω. Na minimalnoj radnoj frekvenciji od 3MHz, prigušnica od 10,6uH ima 200 Ω reaktancije. Korištenjem internetskog kalkulatora izračunavamo da su nam potrebna 2 zavoja žice na jezgri da bismo dobili 16uH, malo iznad 10,6uH, ali u ovom je slučaju bolje da je veći nego da bude manji. 50 Ω do 1500 Ω daje omjer impedancije 30. Budući da je omjer okreta kvadratni korijen omjera impedancije, dobivamo oko 5,5, tako da za svaki primarni zavoj treba 5,5 sekundarnih zavoja kako bi 1500Ω na sekundaru izgledalo kao 50Ω do izvor. Budući da imamo 2 okretaja na primarnom, trebaju nam 2 * 5,5 okretaja na sekundarnom, to je 11 okretaja. Promjer žice trebao bi biti 3A / 1mm 2 pravilo (maksimalno 3A teče po svakom kvadratnom milimetru površine presjeka žice).
Prilagođavanje transformatora često se koristi u opsežnim filtrima, kako bi se rezonantni krugovi podudarali s malom impedansom antena i mješalica. Što je veća impedancija koja opterećuje krug, to je manja širina pojasa i veće Q. Ako bismo rezonantni krug spojili izravno na malu impedansu, širina pojasa bila bi često prevelika da bi bila korisna. Rezonantni krug sastoji se od sekundara L1 i prvog kondenzatora od 220 pF i primarnog od L2 i drugog kondenzatora od 220 pF.
Gornja slika prikazuje podudaranje transformatora koje se koristi u pojačivaču zvuka snage u vakuumskoj cijevi kako bi se uskladila izlazna impedancija 3000 Ω cijevi PL841 sa zvučnikom od 4 Ω. 1000 pF C67 sprječava zvonjenje na višim audio frekvencijama.
Podudaranje automatskog transformatora za ravnotežu impedancije
Sklop za podudaranje autotransformatora varijanta je sklopa za podudaranje transformatora, gdje su dva namota međusobno povezana. Uobičajeno se koristi u prigušnicama IF filtera, zajedno s transformatorima koji se podudaraju s bazom, gdje se koristi za podudaranje niže impedancije tranzistora s visokom impedancijom koja manje opterećuje krug za podešavanje i omogućuje manju širinu pojasa i time veću selektivnost. Postupak njihovog projektiranja je praktički isti, s tim da je broj zavoja na primarnom jednak broju zavoja od slavine zavojnice do "hladnog" ili uzemljenog kraja, a broj zavoja na sekundarnom broj zavoja između slavine i "vrućeg" kraja ili kraja koji je povezan s opterećenjem.
Gornja slika prikazuje sklop za podudaranje Autotransformera. C nije obavezan ako se koristi, trebao bi biti rezonantan s induktivitetom L na frekvenciji upotrebe. Na ovaj način sklop također omogućuje filtriranje.
Ova slika ilustrira podudaranje automatskog transformatora i transformatora koji se koriste u IF transformatoru. Visoka impedancija autotransformatora spaja se na C17, ovaj kondenzator tvori rezonantni krug s cijelim namotom. Budući da se ovaj kondenzator spaja na kraj visoke impedancije autotransformatora, otpor opterećenja podešenog kruga je veći, stoga je krug Q veći i IF širina pojasa smanjena, poboljšavajući selektivnost i osjetljivost. Usklađivanje transformatora spaja pojačani signal s diodom.
Autotransformator koji se koristi u tranzistorskom pojačalu snage, podudara izlaznu impedansu tranzistora od 12 Ω s antenom od 75 Ω. C55 je paralelno spojen na kraj visoke impedancije autotransformatora i formira rezonantni krug koji filtrira harmonike.