Введение в согласование импеданса и использование трансформатора согласования импеданса в вашей конструкции

Если вы инженер-проектировщик радиочастот или кто-либо, кто работал с беспроводными радиостанциями, термин « согласование импеданса » должен был вас поразить не раз. Этот термин имеет решающее значение, поскольку он напрямую влияет на мощность передачи и, следовательно, на радиус действия наших радиомодулей. Эта статья призвана помочь вам понять, что такое согласование импеданса, исходя из основ, а также поможет вам разработать собственные схемы согласования импеданса с использованием трансформатора согласования импеданса, который является наиболее распространенным методом. Итак, приступим.

Что такое согласование импеданса?

Короче говоря, согласование импеданса гарантирует, что выходное сопротивление одного каскада, называемого источником, равно входному сопротивлению следующего каскада, называемого нагрузкой. Это совпадение обеспечивает максимальную передачу мощности и минимальные потери. Вы можете легко понять эту концепцию, представив ее как лампочки, соединенные последовательно с источником питания. Первая лампочка - это выходное сопротивление для первой ступени (например, радиопередатчика), а вторая лампочка - это нагрузка, или, другими словами, входное сопротивление второй лампочки (например, антенны). Мы хотим убедиться, что наибольшая мощность передается нагрузке, в нашем случае это будет означать, что наибольшая мощность передается в воздух, чтобы радиостанцию ​​можно было слышать издалека. Этот максимум Передача мощности происходит, когда выходное сопротивление источника равно входному сопротивлению нагрузки, потому что, если выходное сопротивление больше, чем нагрузка, больше мощности теряется в источнике (первая лампочка светит ярче).

Коэффициент стоячей волны - мера согласования импеданса

Измерение, используемое для определения того, насколько хорошо совпадают две ступени, называется КСВ (коэффициент стоячей волны). Это отношение большего импеданса по сравнению с меньшим, 50-омный передатчик и 200-омная антенна дает 4 КСВ, 75-омная антенна, питающая смеситель NE612 (входной импеданс 1500 Ом), дает КСВ 20. Идеальное совпадение, скажем, антенна 50 Ом и приемник 50 Ом дают КСВ 1.

В радиопередатчиках КСВ ниже 1,5 считается приемлемым, и работа, когда КСВ выше 3, может привести к повреждению из-за перегрева устройств силового выходного каскада (электронных ламп или транзисторов). В приемных приложениях высокий КСВ не вызовет повреждений, но сделает приемник менее чувствительным, поскольку принимаемый сигнал будет ослаблен из-за рассогласования и, как следствие, потери мощности.

Поскольку в большинстве приемников используется какая-либо форма входного полосового фильтра, входной фильтр может быть разработан таким образом, чтобы антенна соответствовала входному каскаду приемника. Все радиопередатчики имеют выходные фильтры, которые используются для согласования выходного каскада мощности с удельным сопротивлением (обычно 50 Ом). Некоторые передатчики имеют встроенные антенные тюнеры, которые можно использовать для согласования передатчика с антенной, если импеданс антенны отличается от указанного выходного сопротивления передатчика. Если антенный тюнер отсутствует, необходимо использовать внешнюю согласующую схему. Потери мощности из-за рассогласования трудно рассчитать, поэтому используются специальные калькуляторы или таблицы потерь КСВ. Типичная таблица потерь КСВ приведена ниже.

Используя приведенную выше таблицу КСВ, мы можем рассчитать потери мощности, а также потери напряжения. Напряжение теряется из-за рассогласования, когда импеданс нагрузки ниже, чем импеданс источника, а ток теряется, когда импеданс нагрузки выше, чем у источника.

Наш 50-омный передатчик с 200-омной антенной с 4 КСВ потеряет около 36% своей мощности, а это означает, что на антенну будет подаваться на 36% меньше мощности по сравнению с тем, если бы антенна имела импеданс 50 Ом. Потерянная мощность будет в основном рассеиваться в источнике, а это означает, что если наш передатчик выдавал 100 Вт, 36 Вт будут дополнительно рассеиваться в нем в виде тепла. Если бы наш передатчик с сопротивлением 50 Ом имел эффективность 60%, он рассеивал бы 66 Вт при передаче 100 Вт на антенну с сопротивлением 50 Ом. При подключении к 200-омной антенне она будет рассеивать дополнительные 36 Вт, поэтому общая мощность, теряемая из-за тепла в передатчике, составляет 102 Вт. Увеличение мощности, рассеиваемой в передатчике, не только означает, что полная мощность не излучается антенной. но также рискует повредить наш передатчик, потому что он рассеивает 102 Вт вместо 66 Вт, для которых он был разработан.

В случае антенны 75 Ом, питающей вход 1500 Ом микросхемы NE612, нас беспокоит не потеря мощности в виде тепла, а повышенный уровень сигнала, которого можно достичь с помощью согласования импеданса. Допустим, в антенне индуцируется 13 нВт ВЧ. При импедансе 75 Ом 13 нВт дает 1 мВ - мы хотим сопоставить это с нашей нагрузкой 1500 Ом. Чтобы рассчитать выходное напряжение после согласующей цепи, нам нужно знать соотношение импедансов, в нашем случае 1500 Ом / 75 Ом = 20. Соотношение напряжений (как и отношение витков в трансформаторах) равно квадратному корню из отношения импеданса, поэтому √20≈8,7. Это означает, что выходное напряжение будет в 8,7 раза больше, поэтому оно будет равно 8,7 мВ. Согласующие цепи действуют как трансформаторы.

Поскольку мощность, входящая в согласующую цепь, и выходная мощность одинаковы (минус потери), выходной ток будет ниже входного в 8,7 раза, но выходное напряжение будет больше. Если мы сопоставим высокий импеданс с низким, мы получим более низкое напряжение, но более высокий ток.

Трансформаторы согласования импеданса

Специальные трансформаторы, называемые согласующими трансформаторами импеданса, могут использоваться для согласования импеданса. Основное преимущество трансформаторов как устройств согласования импеданса заключается в том, что они имеют широкополосный доступ, то есть могут работать с широким диапазоном частот. Аудиотрансформаторы с сердечниками из листовой стали, такие как те, которые используются в схемах ламповых усилителей для согласования высокого импеданса лампы с низким импедансом динамика, имеют полосу пропускания от 20 Гц до 20 кГц, радиочастотные трансформаторы, изготовленные с использованием ферритовых или даже воздушных сердечников, могут имеют полосу пропускания от 1 до 30 МГц.

Трансформаторы можно использовать в качестве устройств согласования импеданса, поскольку их коэффициент трансформации изменяет импеданс, который «видит» источник. Вы также можете проверить эту основную статью о трансформаторах, если вы совершенно не знакомы с трансформаторами. Если у нас есть трансформатор с соотношением витков 1: 4, это означает, что если бы 1 В переменного тока подавалось на первичную обмотку, у нас было бы 4 В переменного тока на выходе. Если мы добавим к выходу резистор 4 Ом, во вторичной обмотке будет протекать ток 1 А, ток в первичной обмотке будет равен вторичному току, умноженному на коэффициент витков (деленный, если трансформатор был понижающего типа, например, сеть трансформаторы), поэтому 1А * 4 = 4А. Если мы используем закон Ω для определения импеданса, который трансформатор представляет цепи, мы имеем 1 В / 4 А = 0,25 Ом, в то время как мы подключили нагрузку 4 Ом после согласующего трансформатора. Соотношение импеданса составляет от 0,25 Ом до 4 Ом или также 1:16. Его также можно рассчитать с помощью этогоФормула соотношения импеданса:

(n _A / n _B) ² = r _i

где n _A - количество витков первичной обмотки с большим количеством витков, n _B - количество витков обмотки с меньшим количеством витков, а r _i - коэффициент импеданса. Вот как происходит согласование импеданса.

Если бы мы снова использовали закон Ома, но теперь для расчета мощности, которая течет в первичную обмотку, у нас было бы 1 В * 4 А = 4 Вт, а во вторичной обмотке - 4 В * 1 А = 4 Вт. Это означает, что наши расчеты верны, что трансформаторы и другие схемы согласования импеданса не выдают больше мощности, чем они запитаны. Здесь нет бесплатной энергии.

Как выбрать согласующий трансформатор импеданса

Схема согласования трансформатора может использоваться, когда требуется полосовая фильтрация, она должна резонировать с индуктивностью вторичной обмотки на частоте использования. Основными параметрами трансформаторов как устройств согласования импеданса являются:

• Коэффициент импеданса или более общепринятое отношение витков (n)
• Первичная индуктивность
• Вторичная индуктивность
• Первичный импеданс
• Вторичный импеданс
• Саморезонансная частота
• Минимальная частота работы
• Максимальная частота работы
• Конфигурация обмотки
• Наличие воздушного зазора и макс. Постоянный ток
• Максимум. мощность

Количество витков первичной обмотки должно быть достаточным, чтобы первичная обмотка трансформатора имела реактивное сопротивление (это катушка), в четыре раза превышающее выходное сопротивление источника при самой низкой рабочей частоте.

Число витков вторичной обмотки равно числу витков первичной обмотки, деленному на квадратный корень из отношения импедансов.

Нам также нужно знать, какой тип и размер сердечника использовать, разные сердечники хорошо работают на разных частотах, за пределами которых они показывают потери.

Размер сердечника зависит от мощности, протекающей через сердечник, поскольку каждый сердечник демонстрирует потери, а сердечники большего размера могут лучше рассеивать эти потери и не так легко проявлять магнитное насыщение и другие нежелательные явления.

Воздушный зазор необходим, если через любую обмотку трансформатора будет проходить постоянный ток, если используемый сердечник сделан из стальных пластин, как в сетевом трансформаторе.

Схемы согласования трансформатора - пример

Например, нам нужен трансформатор для согласования источника 50 Ом с нагрузкой 1500 Ом в диапазоне частот от 3 до 30 МГц в приемнике. Сначала нам нужно знать, какое ядро ​​нам понадобится, поскольку это приемник, через трансформатор будет проходить очень мало энергии, поэтому размер сердечника может быть небольшим. Хорошим ядром в этом приложении будет FT50-75. По заявлению производителя, его частотный диапазон широкополосного трансформатора составляет от 1 МГц до 50 МГц, что достаточно для этого приложения.

Теперь нам нужно рассчитать количество витков первичной обмотки, нам нужно, чтобы реактивное сопротивление первичной обмотки в 4 раза превышало выходное сопротивление источника, то есть 200 Ом. При минимальной рабочей частоте 3 МГц индуктор 10,6 мкГн имеет реактивное сопротивление 200 Ом. Используя онлайн-калькулятор, мы подсчитали, что нам нужно 2 витка провода на сердечнике, чтобы получить 16 мкГн, что немного выше 10,6 мкГн, но в этом случае лучше, чтобы он был больше, чем был меньше. От 50 Ом до 1500 Ом получается отношение импеданса 30. Так как отношение витков является квадратным корнем из отношения импеданса, мы получаем около 5,5, поэтому для каждого первичного витка нам нужно 5,5 вторичных витков, чтобы 1500 Ом на вторичной стороне выглядело как 50 Ом к источник. Поскольку у нас 2 витка на первичной обмотке, нам нужно 2 * 5,5 витка на вторичной, то есть 11 витков. Диаметр провода должен соответствовать 3А / 1мм ^2. правило (ток не более 3 А на каждый квадратный миллиметр поперечного сечения провода).

Согласование трансформатора часто используется в полосовых фильтрах для согласования резонансных цепей с низкими импедансами антенн и смесителей. Чем выше импеданс, нагружающий цепь, тем ниже полоса пропускания и выше добротность. Если бы мы подключили резонансный контур непосредственно к низкому импедансу, полоса пропускания очень часто была бы слишком большой, чтобы быть полезной. Резонансный контур состоит из вторичной обмотки L1 и первого конденсатора 220 пФ, первичной обмотки L2 и второго конденсатора 220 пФ.

На приведенном выше изображении показано согласование трансформатора, используемое в ламповом усилителе мощности звука для согласования выходного импеданса 3000 Ом лампы PL841 с динамиком 4 Ом. 1000 пФ C67 предотвращает звон на высоких звуковых частотах.

Согласование автотрансформатора для баланса импеданса

Согласующая схема автотрансформатора представляет собой вариант согласующей цепи трансформатора, в котором две обмотки соединены друг с другом. Он обычно используется в индукторах фильтра ПЧ вместе с трансформатором, согласованным с базой, где он используется для согласования более низкого импеданса транзистора с высоким импедансом, который меньше нагружает схему настройки и обеспечивает меньшую полосу пропускания и, следовательно, большую избирательность. Процесс их проектирования практически такой же: количество витков на первичной обмотке равно количеству витков от отвода катушки до «холодного» или заземленного конца, а количество витков на вторичной обмотке равно количество витков между отводом и «горячим» концом или концом, подключенным к нагрузке.

На изображении выше показана согласующая схема автотрансформатора. C не является обязательным, если он используется, он должен быть резонансным с индуктивностью L на частоте использования. Таким образом, схема также обеспечивает фильтрацию.

Это изображение иллюстрирует согласование автотрансформатора и трансформатора, используемых в трансформаторе ПЧ. Высокий импеданс автотрансформатора подключается к C17, этот конденсатор образует резонансный контур со всей обмоткой. Поскольку этот конденсатор подключается к концу автотрансформатора с высоким импедансом, сопротивление, нагружающее настроенную схему, выше, поэтому схема Q больше, а полоса ПЧ уменьшается, улучшая селективность и чувствительность. Согласующий трансформатор передает усиленный сигнал на диод.

Взаимодействие с другими людьми

Автотрансформаторный согласователь, используемый в транзисторном усилителе мощности, согласовывает выходное сопротивление транзистора 12 Ом с антенной 75 Ом. С55, подключенный параллельно к высокоомному концу автотрансформатора, образует резонансный контур, который отфильтровывает гармоники.