- Mi az impedancia egyezés?
- Állandó hullám arány - az impedancia egyezés mértéke
- Transzformátorok megfelelő impedancia
- Hogyan válasszuk ki az impedanciával egyező transzformátort
- Transzformátor illesztő áramkörök - példa
- Autotranszformátor illesztése az impedancia mérleghez
Ha Ön RF tervezőmérnök vagy bárki, aki dolgozott vezeték nélküli rádiókkal, az „ Impedancia egyeztetés ” kifejezésnek többször is meg kellett volna ütnie. A kifejezés kulcsfontosságú, mert közvetlenül befolyásolja az átviteli teljesítményt és így a rádiómoduljaink tartományát. Ez a cikk célja, hogy segítsen megérteni, hogy mi az impedancia egyeztetés az alapoktól, és segít abban is, hogy megtervezze saját impedanciájának megfelelő áramköreit egy impedancia egyeztető transzformátor használatával, amely a leggyakoribb módszer. Szóval, merüljünk be.
Mi az impedancia egyezés?
Röviden: az impedanciaillesztés biztosítja, hogy az egyik fokozat, az úgynevezett forrás kimeneti impedanciája megegyezzen a következő, terhelésnek nevezett fokozat bemeneti impedanciájával. Ez a meccs lehetővé teszi a maximális erőátvitelt és a minimális veszteséget. Könnyedén megértheti ezt a koncepciót, ha áramforrással sorozatos izzóként gondolkodik rajta. Az első izzó az első fokozat kimeneti impedanciája (például rádióadó), a második izzó pedig a terhelés, vagyis más szavakkal a második izzó (például antenna) bemeneti impedanciája. Biztosítani akarjuk, hogy a legtöbb energiát a terhelés juttassa el, esetünkben ez azt jelentené, hogy a legtöbb energiát a levegőbe továbbítják, hogy egy rádióállomás távolabbról is hallható legyen. Ez a maximum az energiaátadás akkor következik be, amikor a forrás kimeneti impedanciája megegyezik a terhelés bemeneti impedanciájával, mert ha a kimeneti impedancia nagyobb, mint a terhelés, akkor több energia veszik el a forrásban (az első izzó jobban ragyog).
Állandó hullám arány - az impedancia egyezés mértéke
A két szakasz egyezésének meghatározásához használt mérést SWR-nek (Standing Wave Ratio) nevezik . A nagyobb impedancia aránya a kisebbhez képest: egy 50 Ω-os adó egy 200 Ω-os antennához 4 SWR-t ad, egy 75 Ω-os antenna NE612 keverőt táplál (bemeneti impedancia 1500 Ω) közvetlenül 20 SWR tökéletes egyezés, mondjuk egy 50 Ω-os antenna és egy 50 Ω-os vevő SWR-értékét 1-nek adja.
A rádióadókban az 1,5 alatti SWR-eket rendesnek tekintik, és az SWR 3 fölötti működése károsíthatja a kimeneti fokozatú eszközök (vákuumcsövek vagy tranzisztorok) túlmelegedését. Az alkalmazások befogadásakor a magas SWR nem okoz kárt, de kevésbé érzékeny lesz a vevő, mivel a fogadott jel az eltérések és az ebből következő áramvesztés miatt gyengül.
Mivel a legtöbb vevő valamilyen bemeneti sávszűrőt használ, a bemeneti szűrőt úgy lehet kialakítani, hogy az antennát illessze a vevő bemeneti fokozatához. Valamennyi rádióadó rendelkezik kimeneti szűrőkkel, amelyeket arra használnak, hogy a kimeneti fokozatot az adott impedanciához (általában 50 Ω) illesszék. Egyes távadók beépített antenna-tunerrel rendelkeznek, amelyekkel az adó és az antenna illeszthetők egymásra, ha az antenna impedanciája eltér a megadott adó kimeneti impedanciájától. Ha nincs antenna tuner, akkor egy külső illesztő áramkört kell használni. Az eltérés miatti teljesítményveszteséget nehéz kiszámítani, ezért speciális számológépeket vagy SWR veszteségtáblákat használnak. Az alábbiakban egy tipikus SWR veszteségtáblázat látható
A fenti SWR táblázat segítségével kiszámíthatjuk az energiaveszteséget és a feszültségveszteséget is. A feszültség elveszik az eltérések miatt, amikor a terhelés impedanciája alacsonyabb, mint a forrás impedanciája, és az áram elvész, ha a terhelés impedanciája nagyobb, mint a forrás.
50 Ω-os távadónk, 200 Ω-os antennával, 4 SWR-rel elveszíti teljesítményének 36% -át, vagyis 36% -kal kevesebb áram jut az antennához, mint ha az antennának 50 Ω-os impedanciája lenne. Az elvesztett energiát többnyire a forrás eloszlatja, vagyis ha adónk 100 W-ot adna ki, akkor a 36 W-ot emellett hőként eloszlatnák benne. Ha az 50 Ω-os adónk 60% -osan hatékony volt, akkor az 66 W-ot eloszlat, amikor 100 W-ot 50 Ω-os antennába továbbít. A 200 Ω-os antennához csatlakoztatva további 36 W-ot veszít el, így az adó hővesztesége 102 W. Az adóban eloszlott teljesítmény növekedése nemcsak azt jelenti, hogy az antenna nem bocsát ki teljes energiát. de kockáztathatja az adónkat is, mivel 66 W helyett 102 W-ot veszít el, ezért működni tervezték.
Egy 75Ω-os antenna esetében, az NE612 IC 1500Ω-os bemenetét táplálva, nem a hőveszteség miatt veszünk részt, hanem az impedanciaillesztés alkalmazásával elérhető megnövekedett jelszint miatt. Tegyük fel, hogy az antennában 13nW RF indukálódik. 75 Ω impedanciával a 13nW 1 mV-ot ad - ezt szeretnénk az 1500 Ω-os terhelésünkhöz illeszteni. A kimeneti feszültség kiszámításához az egyező áramkör után tudnunk kell az impedancia arányát, esetünkben 1500 Ω / 75 Ω = 20. A feszültségarány (mint a transzformátorok fordulási aránya) megegyezik az impedancia arány négyzetgyökével, tehát √20≈8,7. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti feszültség 8,7-szer nagyobb lesz, tehát 8,7 mV lesz. A megfelelő áramkörök transzformátorokként működnek.
Mivel az illesztő áramkörbe belépő és a távozó energia megegyezik (mínusz veszteség), a kimeneti áram 8,7-szer kisebb lesz, mint a bemenet, de a kimeneti feszültség nagyobb lesz. Ha egy nagy impedanciát alacsonyhoz igazítanánk, alacsonyabb feszültséget kapnánk, de nagyobb áramot kapnánk.
Transzformátorok megfelelő impedancia
Az impedancia egyeztetésére speciális transzformátorokat lehet használni, amelyeket impedancia-egyező transzformátoroknak hívnak. A transzformátorok, mint impedanciaegyeztetõ eszközök legfõbb elõnye, hogy szélessávúak, vagyis széles frekvenciatartományban tudnak mûködni. Hang transzformátorok használatával acéllemezből magok, mint például azok, amelyeket a csöves erősítő áramkörök, hogy megfeleljen a nagy impedanciájú a cső, hogy az alacsony impedanciája a hangszóró, a sávszélessége 20Hz 20 kHz, RF transzformátorok ferritet, vagy akár a levegő magok sávszélességük 1MHz-30MHz.
A transzformátorokat impedanciaillesztõ eszközökként lehet használni, mivel a fordulatszámuk megváltoztatja azt az impedanciát, amelyet a forrás „lát”. Akkor is ellenőrizheti a transzformátor cikkének ezt az alapját, ha teljesen új ismeretekkel rendelkezik a transzformátorok előtt. Ha 1: 4 fordulatszámú transzformátorral rendelkezünk, ez azt jelenti, hogy ha 1 V váltakozó áramot alkalmaznánk az elsődlegesre, akkor 4 kimenő AC lenne a kimeneten. Ha hozzáadunk egy 4Ω-os ellenállást a kimenethez, akkor 1A áram áramlik a szekunderben, az elsődleges áram egyenlő a szekunder áram szorzatával a fordulatszám arányával (elosztva, ha a transzformátor lépcsőzetes típusú volt, mint a hálózat transzformátorok), tehát 1A * 4 = 4A. Ha Ω törvényével meghatározzuk azt az impedanciát, amelyet a transzformátor mutat az áramkör számára, akkor 1V / 4A = 0,25Ω, míg a megfelelő transzformátor után 4Ω-os terhelést csatlakoztattunk. Az impedancia arány 0,25 - 4Ω vagy 1:16. Ezzel is kiszámíthatóImpedancia arány képlet:
(n A / n B) ² = r i
ahol n A a több fordulattal rendelkező tekercs elsődleges fordulatainak száma, n B a kevesebb fordulattal tekercselt tekercsek száma és r i az impedancia arány. Így történik az impedancia illesztése.
Ha ismét használnánk Ohm törvényt, de most az elsődlegesbe áramló teljesítmény kiszámításához 1V * 4A = 4W, a másodlagosban 4V * 1A = 4W lenne. Ez azt jelenti, hogy a számításaink helyesek, hogy a transzformátorok és más impedancia-illesztő áramkörök nem adnak nagyobb energiát, mint amennyit táplálnak. Nincs szabad energia itt.
Hogyan válasszuk ki az impedanciával egyező transzformátort
A transzformátor illesztési áramkör akkor használható, ha sáváteresztő szűrésre van szükség, a rezonanciának rezonánsnak kell lennie a szekunder induktivitással a használati frekvencián. A transzformátorok, mint impedanciaillesztési eszközök fő paraméterei:
- Impedancia arány vagy gyakrabban megadott fordulatszám (n)
- Elsődleges induktivitás
- Másodlagos induktivitás
- Elsődleges impedancia
- Másodlagos impedancia
- Önrezonáló frekvencia
- A működés minimális gyakorisága
- A működés maximális gyakorisága
- Tekercselés konfigurációja
- Légrés és max. DC áram
- Max. erő
Az elsődleges fordulatszámnak elegendőnek kell lennie, így a transzformátor primer tekercsének reaktanciája (ez egy tekercs) a forrás kimeneti impedanciájának négyszerese, a legalacsonyabb működési frekvencián.
A másodlagos fordulatok száma megegyezik az elsődleges fordulatok számával, osztva az impedancia arány négyzetgyökével.
Azt is tudnunk kell, hogy milyen típusú magot és méretet kell használni, a különböző magok jól működnek különböző frekvenciákon, amelyeken kívül veszteséget mutatnak.
A mag mérete a magon átáramló teljesítménytől függ, mivel mindegyik mag veszteségeket mutat, és a nagyobb magok jobban eloszlathatják ezeket a veszteségeket, és nem mutatnak olyan könnyen mágneses telítettséget és egyéb nem kívánt dolgokat.
Légrés szükséges, ha egyenáram áramlik át a transzformátor bármely tekercsén, ha a felhasznált mag acéllemezekből készül, mint egy hálózati transzformátorban.
Transzformátor illesztő áramkörök - példa
Például szükségünk van egy transzformátorra, amely egy 50 Ω-os forrást és egy 1500 Ω-os terhelést illeszt a 3MHz és 30MHz közötti frekvenciatartományba a vevőben. Először tudnunk kell, hogy milyen magra lenne szükségünk, mivel vevőről van szó, nagyon kevés áram folyik át a transzformátoron, így a mag mérete kicsi lehet. Egy jó mag ebben az alkalmazásban az FT50-75 lenne. A gyártó szerint ez a frekvenciatartomány, mivel a szélessávú transzformátor 1–50 MHz, elég jó ehhez az alkalmazáshoz.
Most ki kell számolnunk az elsődleges fordulatokat, az elsődleges reaktancia a forrás kimeneti impedanciájához képest négyszer nagyobb, tehát 200 Ω. A 3 MHz-es minimális üzemi frekvencián a 10,6 uH induktivitás 200 Ω reaktanciával rendelkezik. Egy online számológép segítségével kiszámoljuk, hogy a magon 2 fordulat huzalra van szükségünk ahhoz, hogy 16 uH-ot kapjunk, ami valamivel meghaladja a 10.6uH-t, de ebben az esetben jobb, ha nagyobb, mint kisebb. Az 50 Ω és 1500 Ω közötti impedancia arány 30-at eredményez. Mivel a fordulási arány az impedancia arány négyzetgyöke, 5,5 körüli értéket kapunk, így minden egyes elsődleges fordulathoz 5,5 szekunder fordulatra van szükségünk, hogy az 1500Ω a szekunderen 50Ω a forrás. Mivel 2 fordulat van az elsődleges helyzetben, 2 * 5,5 fordulat szükséges a másodlagosra, vagyis 11 fordulat. A vezeték átmérőjének meg kell felelnie a 3A / 1mm 2 értéknek szabály (a vezeték keresztmetszetének négyzetmilliméterénként legfeljebb 3A áramlik).
A transzformátor illesztést gyakran használják a sávszűrőkben, hogy a rezonáns áramköröket az antennák és keverők alacsony impedanciájához illesszék. Minél nagyobb az impedancia az áramkört terhelve, annál alacsonyabb a sávszélesség és nagyobb a Q. Ha egy rezonáns áramkört közvetlenül alacsony impedanciához kötünk, a sávszélesség gyakran túl nagy ahhoz, hogy hasznos legyen. A rezonáns áramkör az L1 szekunder és az első 220 pF kondenzátorból, valamint az L2 primer és a második 220 pF kondenzátorból áll.
A fenti képen látható egy transzformátor illesztés, amelyet vákuumcsöves hangerősítőben használnak, hogy a PL841 cső 3000 Ω kimeneti impedanciáját 4 Ω hangszóróhoz illesszék. 1000 pF C67 megakadályozza a csengést magasabb hangfrekvencián.
Autotranszformátor illesztése az impedancia mérleghez
Az autotranszformátor-illesztő áramkör a transzformátor-illesztő áramkör egy változata, ahol a két tekercs össze van kapcsolva egymással. Általában IF szűrő induktorokban használják, az alaphoz illeszkedő transzformátorral együtt, ahol arra használják, hogy a tranzisztor alacsonyabb impedanciáját egy nagy impedanciához igazítsák, amely kevésbé terheli a hangoló áramkört, és lehetővé teszi a kisebb sávszélességet, és ezért nagyobb szelektivitást. Kialakításuk folyamata gyakorlatilag megegyezik, az elsődleges fordulatok száma megegyezik a tekercs csapjától a „hideg” vagy földelt végig tartó fordulatok számával, és a másodlagos fordulatok száma egyenlő a csap és a „forró” vég vagy a teherhez csatlakoztatott vég közötti fordulatok száma.
A fenti képen látható egy Autotransformer illesztő áramkör. A C opcionális, ha használják, rezonánsnak kell lennie az L induktivitásával a használat gyakoriságánál. Így az áramkör szűrést is biztosít.
Ez a kép egy IF transzformátorban használt autotranszformátor és transzformátor illesztését szemlélteti. Az autotranszformátor nagy impedanciája csatlakozik a C17-hez, ez a kondenzátor rezonáns áramkört képez az egész tekercseléssel. Mivel ez a kondenzátor csatlakozik az autotranszformátor nagy impedanciájú végéhez, a hangolt áramkört terhelő ellenállás nagyobb, ezért a Q áramkör nagyobb, és ha az IF sávszélessége csökken, javul a szelektivitás és az érzékenység. A transzformátorillesztés az erősített jelet a diódához kapcsolja.
A tranzisztoros erősítőben alkalmazott autotranszformátor-illesztés megegyezik a tranzisztor 12 Ω-os kimeneti impedanciájával a 75 Ω-os antennával. A C55 párhuzamosan csatlakozik az autotranszformátor nagy impedanciájú végéhez, és rezonáns áramkört képez, amely kiszűri a harmonikusokat.