Johdatus impedanssin sovittamiseen ja kuinka käyttää impedanssin sovitusmuuntajaa suunnittelussa

Jos olet radiotekniikan insinööri tai joku, joka on työskennellyt langattomien radioiden kanssa, termi " impedanssin sovitus " olisi pitänyt iskeä sinulle useammin kuin kerran. Termi on ratkaiseva, koska se vaikuttaa suoraan lähetystehoon ja siten radiomoduuliemme alueeseen. Tämän artikkelin tarkoituksena on auttaa sinua ymmärtämään, mitä impedanssin sovitus on perusasioista, ja auttaa sinua myös suunnittelemaan omat impedanssin sovituspiirisi käyttämällä impedanssin vastaavaa muuntajaa, joka on yleisin menetelmä. Joten sukeletaan sisään.

Mikä on impedanssin vastaavuus?

Lyhyesti sanottuna impedanssin sovitus varmistaa, että yhden vaiheen, jota kutsutaan lähteeksi, lähtöimpedanssi on yhtä suuri kuin seuraavan vaiheen tuloimpedanssi, jota kutsutaan kuormaksi. Tämä ottelu mahdollistaa maksimaalisen tehonsiirron ja pienimmät häviöt. Voit ymmärtää tämän käsitteen helposti ajattelemalla sitä lampuina sarjaan virtalähteen kanssa. Ensimmäinen hehkulamppu on vaiheen 1 lähtöimpedanssi (esimerkiksi radiolähetin) ja toinen hehkulamppu on toisen polttimon (esimerkiksi antennin) kuormitus tai toisin sanoen tuloimpedanssi. Haluamme varmistaa, että kuormalle syötetään eniten tehoa, tapauksessamme tämä tarkoittaisi eniten virtaa siirtyvän ilmaan, jotta radioasema voidaan kuulla kauemmas. Tämä enimmäismäärä tehonsiirto tapahtuu, kun lähteen lähtöimpedanssi on yhtä suuri kuin kuorman tuloimpedanssi, koska jos lähtöimpedanssi on suurempi kuin kuorma, lähteessä menetetään enemmän tehoa (ensimmäinen hehkulamppu loistaa kirkkaammin).

Pysyvä aaltosuhde - Impedanssin vastaavuusmittaus

Mittausta, jota käytetään määrittämään kahden vaiheen yhteensopivuus, kutsutaan SWR: ksi (Standing Wave Ratio). Se on suuremman impedanssin suhde pienempään, 50 Ω: n lähetin 200 Ω: n antenniin antaa 4 SWR: ää, 75 Ω: n antenni, joka syöttää NE612-sekoitinta (tuloimpedanssi on 1500 Ω), suoraan SWR: n 20 A. täydellinen ottelu, sanotaanko, että 50 Ω: n antenni ja 50 Ω: n vastaanotin antavat SWR: n 1.

Radiolähettimissä, SWRs alle 1,5 pidetään kunnon ja toimintaa, kun SWR on yli 3 voi vaurioittaa ylikuumenemisen ja pääteaste laitteet (tyhjöputket tai transistorit). Hyvä SWR ei aiheuta vahinkoja vastaanotettaessa, mutta tekee vastaanottimesta vähemmän herkän, koska vastaanotettu signaali vaimennetaan ristiriitaisuuden ja siitä johtuvan tehohävikin vuoksi.

Koska suurin osa vastaanottimista käyttää jonkinlaista sisääntulokaistanpäästösuodatinta, tulosuodatin voidaan suunnitella sovittamaan antenni vastaanottimen tulovaiheeseen. Kaikissa radiolähettimissä on ulostulosuodattimet, joita käytetään sovittamaan lähtöteho tiettyyn impedanssiin (yleensä 50 Ω). Joissakin lähettimissä on sisäänrakennetut antennivirittimet, joita voidaan käyttää lähettimen sovittamiseen antenniin, jos antennin impedanssi poikkeaa määritetystä lähettimen lähtöimpedanssista. Jos antenniviritintä ei ole, on käytettävä ulkoista sovituspiiriä. Epäsuhtaista johtuvaa tehohäviötä on vaikea laskea, joten käytetään erityisiä laskimia tai SWR-häviötaulukoita. Tyypillinen SWR-tappiotaulukko on esitetty alla

Yllä olevan SWR-taulukon avulla voimme laskea tehohäviöt ja myös jännitehäviöt. Jännite menetetään ristiriidan vuoksi, kun kuorman impedanssi on pienempi kuin lähteen impedanssi ja virta menetetään, kun kuorman impedanssi on suurempi kuin lähde.

50 Ω: n lähetin, jossa on 200 Ω: n antenni ja 4 SWR: ää, menettää noin 36% tehostaan, mikä tarkoittaa, että antennille toimitetaan 36% vähemmän virtaa verrattuna siihen, että antennilla olisi 50 Ω impedanssi. Menetetty teho häviää enimmäkseen lähteestä, mikä tarkoittaa, että jos lähettimemme antaa 100 W: n, 36 W häviää siinä myös lämpönä. Jos 50 Ω: n lähettimemme olisi 60% tehokas, se haihtuisi 66 W, kun lähetetään 100 W 50 Ω: n antenniin. Kun se kytketään 200 Ω: n antenniin, se hukkaa vielä 36 W, joten lähettimen lämmönä menetetty kokonaisteho on 102 W. Lähettimessä haihdutetun tehon kasvu ei tarkoita vain sitä, että antenni ei lähetä täyttä tehoa mutta myös vaarantaa lähettimen, koska se haihtaa 102 W: n 66 W: n sijasta, se on suunniteltu toimimaan.

75Ω: n antennin tapauksessa, joka syöttää NE612 IC: n 1500Ω: n tuloa, emme ole huolissamme siitä, että teho menettää lämpönä, vaan lisääntyneestä signaalitasosta, joka voidaan saavuttaa käyttämällä impedanssisovitusta. Oletetaan, että antennissa indusoidaan 13 nW radiotaajuutta. 75 Ω: n impedanssilla 13 nW antaa 1 mV - haluamme sovittaa sen 1500 Ω: n kuormituksellemme. Lähtöjännitteen laskemiseksi sovituspiirin jälkeen meidän on tiedettävä impedanssin suhde, tapauksessamme, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Jännitesuhde (kuten kääntäjien suhde muuntajissa) on yhtä suuri kuin impedanssisuhteen neliöjuuri, joten √20≈8,7. Tämä tarkoittaa, että lähtöjännite on 8,7 kertaa suurempi, joten se on yhtä suuri kuin 8,7 mV. Yhteensopivat piirit toimivat kuin muuntajat.

Koska sovituspiiriin tuleva teho ja lähtevä teho ovat samat (miinus hävikki), lähtövirta on pienempi kuin tulo kertoimella 8,7, mutta lähtöjännite on suurempi. Jos sovittaisimme suuren impedanssin matalaan, saisimme pienemmän jännitteen, mutta suuremman virran.

Impedanssia vastaavat muuntajat

Impedanssin sovittamiseen voidaan käyttää erityisiä muuntajia, joita kutsutaan impedanssin vastaaviksi muuntajiksi. Muuntajien tärkein etu impedanssisovituslaitteina on, että niillä on laajakaista, mikä tarkoittaa, että ne voivat toimia laajalla taajuusalueella. Äänimuuntajilla, jotka käyttävät teräslevysydämiä, kuten vakuumiputkivahvistinpiireissä käytettyjä putkien suurimpedanssisen ja kaiuttimen matalan impedanssin sovittamiseksi, kaistanleveys on 20--20 kHz, ferriitillä tai jopa ilmansydämillä valmistetut RF-muuntajat kaistanleveydet ovat 1 MHz - 30 MHz.

Muuntajia voidaan käyttää impedanssin sovituslaitteina, koska niiden kääntymissuhde muuttaa lähteen "näkemää" impedanssia. Voit myös tarkistaa tämän muuntajan artikkelin, jos olet täysin uusi muuntajille. Jos meillä on muuntaja, jonka kierrosluku on 1: 4, se tarkoittaa, että jos primääriin syötetään 1 V vaihtovirtaa, lähtöön tulee 4 V vaihtovirta. Jos lisätään lähtöön 4Ω-vastus, 1A virtaa virtaa sekundäärissä, ensiövirta on yhtä suuri kuin sekundäärivirta kerrottuna kääntösuhteella (jaettuna, jos muuntaja oli alennustyyppiä, kuten verkkovirta) muuntajat), joten 1A * 4 = 4A. Jos käytämme Ω: n lakia impedanssin määrittämiseen, jonka muuntaja esittää piirille, meillä on 1 V / 4A = 0,25Ω, kun taas yhdistimme 4Ω: n kuorman vastaavan muuntajan jälkeen. Impedanssisuhde on 0,25 - 4Ω tai myös 1:16. Se voidaan laskea myös tälläImpedanssisuhteen kaava:

(n _A / n _B) ² = r _i

missä n _A on ensiökierrosten lukumäärä käämissä, jossa on enemmän käännöksiä, n _B on käämien kierrosten lukumäärä vähemmän kierrosta, ja r _i on impedanssisuhde. Näin impedanssin sovitus tapahtuu.

Jos käytämme uudestaan ​​Ohmin lakia, mutta nyt primääriin virtaavan tehon laskemiseksi meillä olisi 1V * 4A = 4W, toissijaisessa, meillä olisi 4V * 1A = 4W. Tämä tarkoittaa, että laskelmamme ovat oikeita, että muuntajat ja muut impedanssiin sopivat piirit eivät anna enemmän tehoa kuin ne syötetään. Ei ilmaista energiaa täällä.

Kuinka valita impedanssia vastaava muuntaja

Muuntajan sovituspiiriä voidaan käyttää, kun kaistanpäästösuodatusta tarvitaan, on oltava resonanssissa sekundäärisen induktanssin kanssa käytön taajuudella. Muuntajien pääparametrit impedanssisovituslaitteina ovat:

• Impedanssisuhde tai yleisemmin ilmoitettu kääntösuhde (n)
• Ensisijainen induktanssi
• Toissijainen induktanssi
• Ensisijainen impedanssi
• Toissijainen impedanssi
• Itsensä resonoiva taajuus
• Pienin toimintataajuus
• Suurin toimintataajuus
• Käämityksen kokoonpano
• Ilmavälin ja maks. DC-virta
• Maks. teho

Ensisijaisten kierrosten lukumäärän tulisi olla riittävä, joten muuntajan ensiökäämin reaktanssi (se on kela) on nelinkertainen lähteen lähtöimpedanssiin pienimmällä toimintataajuudella.

Toissijaisten käännösten lukumäärä on yhtä suuri kuin ensiökierron lukumäärä jaettuna impedanssisuhteen neliöjuurella.

Meidän on myös tiedettävä, mitä ytintyyppiä ja kokoa käytetään, eri ytimet toimivat hyvin eri taajuuksilla, joiden ulkopuolella niillä on häviöitä.

Ytimen koko riippuu ytimen läpi virtaavasta tehosta, koska kullakin ytimellä on häviöitä ja isommat ytimet voivat hajottaa nämä häviöt paremmin eikä niillä ole magneettista kylläisyyttä ja muita ei-toivottuja asioita yhtä helposti.

Ilmaväli vaaditaan, kun tasavirta kulkee minkä tahansa muuntajan käämityksen läpi, jos käytetty ydin on valmistettu teräslaminoinnista, kuten verkkomuuntajassa.

Muuntajan sovituspiirit - esimerkki

Tarvitsemme esimerkiksi muuntajan, joka sovittaa 50 Ω: n lähteen 1500 Ω: n kuormaan taajuusalueella 3–30 MHz vastaanottimessa. Meidän on ensin tiedettävä, mitä ydintä tarvitsemme, koska se on vastaanotin, hyvin vähän virtaa virtaa muuntajan läpi, joten ytimen koko voi olla pieni. Hyvä ydin tässä sovelluksessa olisi FT50-75. Valmistajan mukaan sen taajuusalue laajakaistamuuntajana on 1 MHz - 50 MHz, tarpeeksi hyvä tälle sovellukselle.

Nyt meidän on laskettava primäärikierrokset, primäärireaktanssin on oltava 4 kertaa suurempi kuin lähdön lähtöimpedanssi, joten 200 Ω. Vähimmäiskäyttötaajuudella 3MHz induktorilla 10,6uH on 200 Ω reaktanssia. Verkkolaskurin avulla laskemme, että tarvitsemme 2 kierrosta johtoa ytimessä saadaksemme 16uH, hieman yli 10.6uH, mutta tässä tapauksessa on parempi, että se on suurempi kuin pienempi. 50 Ω - 1500 Ω antaa impedanssisuhteen 30. Koska kääntösuhde on impedanssisuhteen neliöjuuri, saamme noin 5,5, joten jokaiselle primäärikierrokselle tarvitaan 5,5 toissijaista kierrosta, jotta 1500Ω: n toissijainen ulkonäkö olisi 50Ω lähde. Koska meillä on 2 kierrosta ensisijaisessa, tarvitsemme 2 * 5,5 kierrosta toissijaisen, toisin sanoen 11 kierrosta. Langan halkaisijan tulisi olla 3A / 1mm ² sääntö (enintään 3A virtaa kutakin langan poikkipinta-alan neliömillimetriä kohti).

Muuntajan sovitusta käytetään usein kaistanpäästösuodattimissa, jotta resonanssipiirit sovitettaisiin antennien ja sekoittimien mataliin impedansseihin. Mitä korkeampi impedanssi kuormittaa virtapiiriä, sitä pienempi on kaistanleveys ja suurempi Q. Jos yhdistämme resonanssipiirin suoraan pieneen impedanssiin, kaistanleveys olisi usein liian suuri ollakseen hyödyllinen. Resonanssipiiri koostuu L1: n toissijaisesta ja ensimmäisestä 220 pF -kondensaattorista ja L2: n ensiö- ja toisesta 220 pF-kondensaattorista.

Yllä oleva kuva esittää muuntajan sovitusta, jota käytetään tyhjiöputken audiotehovahvistimessa vastaamaan PL841-putken 3000 Ω: n lähtöimpedanssia 4 Ω: n kaiuttimeen. 1000 pF C67 estää soittoäänen korkeammilla äänitaajuuksilla.

Automuuntajan sovitus impedanssitasapainolle

Automuuntajan sovituspiiri on muunnos sovituspiiristä, jossa molemmat käämit on kytketty toisiinsa päällekkäin. Sitä käytetään yleisesti IF-suodatininduktoreissa yhdessä muuntajaan sopivan muuntajan kanssa, missä sitä käytetään sovittamaan transistorin alempi impedanssi suureen impedanssiin, joka lataa virityspiirin vähemmän ja mahdollistaa pienemmän kaistanleveyden ja siten suuremman selektiivisyyden. Niiden suunnitteluprosessi on käytännöllisesti katsoen sama, kun ensiökierron kierrosten määrä on yhtä suuri kuin kierrosten lukumäärä kelan hanasta "kylmään" tai maadoitettuun päähän ja toisiokierrosten lukumäärä on yhtä suuri kuin kierrosten määrä hanan ja kuuman tai kuormaan liitetyn pään välillä.

Yllä oleva kuva näyttää Autotransformer-sovituspiirin. C on valinnainen, jos sitä käytetään, sen tulisi olla resonanssi L: n induktanssin kanssa käytön taajuudella. Tällä tavalla piiri tarjoaa myös suodatuksen.

Tämä kuva kuvaa automaattimuuntajan ja muuntajan sovitusta, jota käytetään IF-muuntajassa. Autotransformaattorin korkea impedanssi kytkeytyy C17: een, tämä kondensaattori muodostaa resonanssipiirin koko käämityksen kanssa. Koska tämä kondensaattori muodostaa yhteyden autotransformaattorin suurimpedanssiseen päähän, viritetyn piirin kuormitusresistanssi on suurempi, joten piiri Q on suurempi ja IF-kaistanleveys pienenee, mikä parantaa selektiivisyyttä ja herkkyyttä. Muuntajan sovitus kytkee vahvistetun signaalin diodiin.

A

Transistorin tehovahvistimessa käytetty automaattimuuntajan sovitus sovittaa transistorin 12 Ω: n lähtöimpedanssin 75 Ω: n antenniin. C55 on kytketty rinnakkain autotransformaattorin suuren impedanssin pään kanssa muodostaen resonanssipiirin, joka suodattaa pois harmoniset.