- Kaj je ujemanje impedance?
- Razmerje stoječih valov - ujemanje impedance
- Transformatorji, ki se ujemajo z impedanco
- Kako izbrati transformator, ki se ujema z impedanco
- Vezja transformatorjev - primer
- Ujemanje avtotransformatorja za ravnovesje impedance
Če ste RF oblikovalec ali kdo, ki je delal z brezžičnimi radijskimi sprejemniki, bi vas izraz " ujemanje impedance " moral udariti več kot enkrat. Izraz je ključnega pomena, ker neposredno vpliva na prenosno moč in s tem obseg naših radijskih modulov. Ta članek vam želi pomagati razumeti, kaj je ujemanje impedance iz osnov, prav tako pa vam bo pomagal oblikovati lastna vezja za ujemanje impedance z uporabo transformatorja za ujemanje impedance, ki je najpogostejša metoda. Torej, potopimo se.
Kaj je ujemanje impedance?
Skratka, ujemanje impedance zagotavlja, da je izhodna impedanca ene stopnje, imenovane vir, enaka vhodni impedanci naslednje stopnje, imenovane obremenitev. Ta tekma omogoča največji prenos moči in minimalne izgube. Ta koncept lahko enostavno razumete, če o njem razmišljate kot o žarnicah v seriji z virom energije. Prva žarnica je izhodna impedanca prve stopnje (na primer radijski oddajnik), druga žarnica pa je obremenitev ali z drugimi besedami vhodna impedanca druge žarnice (na primer antena). Želimo zagotoviti, da se obremenitvi odda največ energije, v našem primeru bi to pomenilo, da se največ energije odda v zrak, tako da se radijska postaja sliši od daleč. Ta maksimum prenos moči se zgodi, ko je izhodna impedanca vira enaka vhodni impedanci tovora, ker če je izhodna impedanca večja od obremenitve, se v viru izgubi več moči (prva žarnica sveti svetleje).
Razmerje stoječih valov - ujemanje impedance
Meritev, ki se uporablja za določanje, kako dobro se ujemata dve stopnji, se imenuje SWR (razmerje stoječih valov). To je razmerje večje impedance v primerjavi z manjšo, oddajnik 50 Ω v anteno 200 Ω daje 4 SWR, antena 75 Ω, ki napaja mešalnik NE612 (vhodna impedanca je 1500 Ω), pa bo SWR 20 A. popolno ujemanje, recimo, da antena 50 Ω in sprejemnik 50 Ω dajeta SWR 1.
V radijskih oddajnikih se SWR pod 1,5 štejejo za spodobne in delovanje, ko je SWR nad 3, lahko povzroči škodo zaradi pregrevanja naprav izhodne moči (vakuumske cevi ali tranzistorji). Pri sprejemanju aplikacij visok SWR ne bo povzročil škode, vendar bo sprejemnik manj občutljiv, ker bo prejeti signal zaradi neusklajenosti in posledične izgube moči oslabljen.
Ker večina sprejemnikov uporablja neko obliko vhodnega pasovnega filtra, je vhodni filter lahko zasnovan tako, da ujema anteno z vhodno stopnjo sprejemnika. Vsi radijski oddajniki imajo izhodne filtre, ki se uporabljajo za uskladitev stopnje izhodne moči z določeno impedanco (običajno 50 Ω). Nekateri oddajniki imajo vgrajene antenske sprejemnike, ki jih je mogoče uporabiti za prilagajanje oddajnika anteni, če se impedanca antene razlikuje od izhodne impedance določenega oddajnika. Če antenskega sprejemnika ni, je treba uporabiti zunanje ujemajoče vezje. Izgubo moči zaradi neusklajenosti je težko izračunati, zato se uporabljajo posebni kalkulatorji ali tabele izgub SWR. Tipična tabela izgub SWR je prikazana spodaj
Z uporabo zgornje tabele SWR lahko izračunamo izgubo moči in tudi izgubo napetosti. Napetost se izgubi zaradi neusklajenosti, kadar je impedanca obremenitve nižja od impedance vira, tok pa se izgubi, ko je impedanca obremenitve višja od vira.
Naš 50 Ω oddajnik z 200 Ω anteno s 4 SWR bo izgubil približno 36% svoje moči, kar pomeni, da bo anteni dobavljeno 36% manj moči v primerjavi s tem, če bi imela antena impedanco 50 Ω. Izgubljena moč se bo večinoma odvajala v viru, kar pomeni, da če bi naš oddajnik oddajal 100W, bi se 36W v njem dodatno odvajalo kot toplota. Če bi bil naš 50 Ω oddajnik 60-odstotno učinkovit, bi pri oddajanju 100 W v 50 Ω anteno razpršil 66 W. Ko je priključen na anteno 200 Ω, bo odvedel dodatnih 36 W, tako da je skupna moč, izgubljena kot toplota v oddajniku, 102 W. Povečanje moči, ki se odvaja v oddajniku, ne pomeni samo, da antena ne oddaja celotne moči lahko pa tudi škoduje našemu oddajniku, ker oddaja 102 W namesto 66 W, je bil zasnovan za delo.
V primeru antene 75Ω, ki napaja vhod 1500Ω IC IC NE612, nas ne skrbi izguba moči kot toplote, temveč povečana raven signala, ki jo lahko dosežemo z uporabo ujemanja impedance. Recimo, da je v anteni inducirano 13nW RF. Z impedanco 75 Ω 13nW daje 1 mV - to želimo prilagoditi naši obremenitvi 1500 Ω. Za izračun izhodne napetosti po ujemajočem se vezju moramo poznati razmerje impedance, v našem primeru 1500 Ω / 75 Ω = 20. Napetostno razmerje (kot razmerje zavojev pri transformatorjih) je enako kvadratnemu korenu razmerja impedance, torej √20≈8,7. To pomeni, da bo izhodna napetost 8,7-krat večja, torej enaka 8,7 mV. Ujemajoča se vezja delujejo kot transformatorji.
Ker je moč, ki vstopa v ujemajoči se krog in izhodna moč enaka (minus izguba), bo izhodni tok za faktor 8,7 nižji od vhodnega, vendar bo večja izhodna napetost. Če bi visoko impedanco izravnali z nizko, bi dobili nižjo napetost, a večji tok.
Transformatorji, ki se ujemajo z impedanco
Za ujemanje impedance lahko uporabimo posebne transformatorje, imenovane transformatorje, ki se ujemajo z impedanco. Glavna prednost transformatorjev kot naprav za ujemanje impedance je, da imajo širokopasovne povezave, kar pomeni, da lahko delujejo s širokim razponom frekvenc. Zvočni transformatorji, ki uporabljajo jedra iz jeklene pločevine, na primer tiste, ki se uporabljajo v ojačevalnih vezjih vakuumskih cevi, da se ujemajo z visoko impedanco cevi in nizko impedanco zvočnika, imajo pasovno širino od 20 Hz do 20 kHz, RF transformatorji, izdelani iz feritnih ali celo zračnih jeder, lahko imajo pasovne širine 1MHz-30MHz.
Transformatorji se lahko uporabljajo kot naprave za ujemanje impedance zaradi razmerja obratov, ki spremeni impedanco, ki jo vir "vidi". To osnovno točko članka o transformatorju lahko preverite tudi, če ste popolnoma novi v transformatorjih. Če imamo transformator z razmerjem obratov 1: 4, to pomeni, da bi imeli na izhodu 4 V izmeničnega toka, če bi na primarni priključili 1 V AC. Če na izhod dodamo upor 4Ω, bo v sekundarnem toku tekel 1A toka, tok v primarnem je enak sekundarnemu toku, pomnoženemu z razmerjem obratov (deljeno, če je bil transformator padajočega tipa, kot je omrežje transformatorji), torej 1A * 4 = 4A. Če uporabimo zakon Ω za določitev impedance, ki jo transformator predstavlja vezju, imamo 1V / 4A = 0,25Ω, medtem ko smo po ustreznem transformatorju priključili obremenitev 4Ω. Razmerje impedance je 0,25Ω do 4Ω ali tudi 1:16. S tem je mogoče tudi izračunatiFormula razmerja impedance:
(n A / n B) ² = r i
kjer je n A število primarnih zavojev na navitju z več zavoji, n B je število zavojev na navitju z manj zavojev in r i je razmerje impedance. Tako se zgodi ujemanje impedance.
Če bi ponovno uporabili Ohmov zakon, zdaj pa bi za izračun moči, ki teče v primarni, imeli 1V * 4A = 4W, v sekundarni pa 4V * 1A = 4W. To pomeni, da so naši izračuni pravilni, da transformatorji in druga vezja za ujemanje impedance ne dajejo več moči, kot so napajani. Tu ni proste energije.
Kako izbrati transformator, ki se ujema z impedanco
Vezje za ujemanje transformatorja se lahko uporablja, kadar je potrebno pasovno filtriranje, ki mora biti resonančno z induktivnostjo sekundarne frekvence uporabe. Glavni parametri transformatorjev kot naprav za ujemanje impedance so:
- Razmerje impedance ali pogosteje navedeno razmerje obratov (n)
- Primarna induktivnost
- Sekundarna induktivnost
- Primarna impedanca
- Sekundarna impedanca
- Samoresonančna frekvenca
- Najmanjša pogostost delovanja
- Največja frekvenca delovanja
- Konfiguracija navijanja
- Prisotnost zračne reže in maks. Enosmerni tok
- Maks. moč
Primarno število zavojev mora biti dovolj, zato ima primarni navit transformatorja reaktanco (to je tuljava) štirikratno izhodno impedanco vira pri najnižji frekvenci delovanja.
Število sekundarnih zavojev je enako številu zavojev na primarnem, deljeno s kvadratnim korenom razmerja impedance.
Vedeti moramo tudi, katero vrsto in velikost jedra uporabiti, različna jedra dobro delujejo na različnih frekvencah, zunaj katerih izkazujejo izgubo.
Velikost jedra je odvisna od moči, ki teče skozi jedro, saj ima vsako jedro izgube, večja jedra pa lahko te izgube bolje razpršijo in ne kažejo tako enostavno magnetne nasičenosti in drugih neželenih stvari.
Zračna reža je potrebna, kadar bo enosmerni tok tekel skozi katero koli navitje transformatorja, če je uporabljeno jedro izdelano iz jeklenih laminatov, kot je v omrežnem transformatorju.
Vezja transformatorjev - primer
Na primer, potrebujemo transformator, ki ustreza izvoru 50 Ω obremenitvi 1500 Ω v frekvenčnem območju od 3 MHz do 30 MHz v sprejemniku. Najprej moramo vedeti, katero jedro bi potrebovali, saj gre za sprejemnik, da bo skozi transformator teklo zelo malo moči, zato je velikost jedra lahko majhna. Dobro jedro v tej aplikaciji bi bil FT50-75. Po navedbah proizvajalca gre za frekvenčno območje, saj je širokopasovni transformator od 1 MHz do 50 MHz, kar je dovolj za to aplikacijo.
Zdaj moramo izračunati primarne zavoje, primarni odpor potrebujemo za 4-krat večjo od izhodne impedance vira, torej 200 Ω. Pri najmanjši delovni frekvenci 3MHz ima induktor 10,6uH 200 Ω reaktanca. Z uporabo spletnega kalkulatorja izračunamo, da potrebujemo 2 zavoja žice na jedru, da dobimo 16uH, malo nad 10,6uH, vendar je v tem primeru bolje, da je večji kot manjši. 50 Ω do 1500 Ω daje razmerje impedance 30. Ker je razmerje zavojev kvadratni koren razmerja impedance, dobimo približno 5,5, zato za vsak primarni zavoj potrebujemo 5,5 sekundarnih zavojev, da bo 1500 Ω na sekundaru videti kot 50 Ω do vir. Ker imamo 2 zavoja na primarnem, potrebujemo 2 * 5,5 vklopa na sekundarnem, to je 11 obratov. Premer žice mora biti 3A / 1mm 2 pravilo (največ 3A, ki teče na vsak kvadratni milimeter površine preseka žice).
Ujemanje transformatorjev se pogosto uporablja v pasovnih filtrih za ujemanje resonančnih vezij z nizko impedanco anten in mešalnikov. Večja kot je impedanca, ki obremenjuje vezje, manjša je pasovna širina in večja je Q. Če bi resonančno vezje priključili neposredno na nizko impedanco, bi bila pasovna širina zelo pogosto prevelika, da bi bila koristna. Resonančno vezje je sestavljeno iz sekundarnega L1 in prvega kondenzatorja 220 pF ter primarnega L2 in drugega kondenzatorja 220 pF.
Na zgornji sliki je prikazano ujemanje transformatorja, ki se uporablja v avdio ojačevalniku vakuumske cevi za uskladitev izhodne impedance 3000 Ω cevi PL841 s 4 Ω zvočnikom. 1000 pF C67 preprečuje zvonjenje pri višjih zvočnih frekvencah.
Ujemanje avtotransformatorja za ravnovesje impedance
Vezje za ujemanje avtotransformatorjev je različica vezja za ujemanje transformatorja, kjer sta navitja med seboj povezana. Običajno se uporablja v induktivnih filtrirnih induktorjih, skupaj s transformatorjem, ki se ujema z bazo, kjer se uporablja za uskladitev nižje impedance tranzistorja z visoko impedanco, ki manj obremenjuje uglaševalni krog in omogoča manjšo pasovno širino in s tem večjo selektivnost. Postopek njihovega načrtovanja je praktično enak, pri čemer je število obratov na primarni enoti enako številu obratov od pipe tuljave do "hladnega" ali ozemljenega konca, število obratov na sekundarni pa enako število obratov med pipo in "vročim" koncem ali koncem, ki je povezan z obremenitvijo.
Na zgornji sliki je prikazano ujemanje vezja avtotransformatorja. C ni obvezen, če se uporablja, mora biti resonančen z induktivnostjo L pri frekvenci uporabe. Na ta način vezje zagotavlja tudi filtriranje.
Ta slika prikazuje avtotransformator in ujemanje transformatorja, ki se uporabljata v IF transformatorju. Visoka impedanca avtotransformatorja se poveže s C17, ta kondenzator tvori resonančno vezje s celotnim navitjem. Ker se ta kondenzator priključi na konec avtotransformatorja z visoko impedanco, je upor obremenitve uglašenega vezja večji, zato je vezje Q večje in pasovna širina IF zmanjšana, kar izboljša selektivnost in občutljivost. Ujemanje transformatorja poveže ojačeni signal z diodo.
UUjemanje avtotransformatorja, ki se uporablja v tranzistorskem ojačevalniku moči, ustreza izhodni impedanci tranzistorja 12 Ω in anteni 75 Ω. C55 je vzporedno priključen na konec avtotransformatorja z visoko impedanco in tvori resonančno vezje, ki filtrira harmonike.