- Apakah Pencocokan Impedansi?
- Nisbah Gelombang Berdiri - Ukuran Pencocokan Impedansi
- Transformer Pemadan Impedance
- Cara memilih Transformer Pencocokan Impedansi
- Litar Pemadan Transformer - Contoh
- Pencocokan automatik untuk keseimbangan Impedans
Sekiranya anda seorang Jurutera Reka Bentuk RF atau sesiapa yang pernah bekerja dengan Radio Tanpa Wayar, istilah " Pencocokan Impedansi " seharusnya menyerang anda lebih dari sekali. Istilah ini sangat penting kerana secara langsung mempengaruhi daya penghantaran dan dengan demikian rangkaian modul Radio kami. Artikel ini bertujuan untuk membantu anda memahami apa asas Impedance Matching dan juga akan membantu anda merancang rangkaian pencocokan impedansi anda sendiri dengan menggunakan Transformer Pencocokan Impedansi yang merupakan kaedah yang paling biasa. Jadi, mari kita selami.
Apakah Pencocokan Impedansi?
Singkatnya, pencocokan Impedansi memastikan bahawa impedansi output dari satu tahap, yang disebut sumbernya, sama dengan impedansi input dari tahap berikut, yang disebut beban. Pertandingan ini memungkinkan pemindahan kuasa maksimum dan kehilangan minimum. Anda dapat memahami konsep ini dengan mudah dengan memikirkannya sebagai bola lampu secara bersiri dengan sumber kuasa. Mentol lampu pertama adalah impedans keluaran untuk tahap satu (pemancar radio, misalnya) dan mentol kedua adalah beban, atau dengan kata lain, impedans input mentol kedua (misalnya, antena). Kami ingin memastikan bahawa daya yang paling banyak dikirimkan ke beban, dalam hal ini, ini bermaksud daya yang paling banyak dikirim ke udara sehingga stesen radio dapat didengar dari jauh. ini maksimum pemindahan kuasa berlaku apabila impedans output dari sumbernya sama dengan impedans input dari beban kerana jika impedans output lebih besar daripada beban maka lebih banyak daya akan hilang dalam sumber (bola lampu pertama bersinar lebih terang).
Nisbah Gelombang Berdiri - Ukuran Pencocokan Impedansi
Pengukuran yang digunakan untuk menentukan seberapa baik dua tahap dipadankan disebut SWR (Standing Wave Ratio). Ini adalah nisbah impedans yang lebih besar berbanding yang lebih kecil, pemancar 50 Ω ke antena 200 Ω memberikan 4 SWR, antena 75 Ω yang memberi makan pengadun NE612 (impedans input adalah 1500 Ω) secara langsung akan SWR 20. A padanan sempurna, katakan antena 50 Ω dan penerima 50 Ω memberikan SWR 1.
Dalam pemancar radio, SWR di bawah 1.5 dianggap baik dan operasi apabila SWR di atas 3 dapat mengakibatkan kerosakan akibat terlalu panas pada peranti tahap output daya (tiub vakum atau transistor). Semasa menerima aplikasi, SWR yang tinggi tidak akan menyebabkan kerosakan tetapi akan membuat penerima kurang sensitif kerana isyarat yang diterima akan dilemahkan kerana ketidakcocokan dan kehilangan daya akibatnya.
Oleh kerana kebanyakan penerima menggunakan beberapa bentuk penyaring jalur lebar input, penyaring input dapat dirancang untuk memadankan antena dengan tahap input penerima. Semua pemancar radio mempunyai penapis output yang digunakan untuk memadankan tahap output daya dengan impedans tertentu (biasanya 50 Ω). Beberapa pemancar mempunyai penala antena bawaan yang dapat digunakan untuk memadankan pemancar ke antena jika impedansi antena berbeda dari impedansi output pemancar yang ditentukan. Sekiranya tidak ada penala antena, rangkaian pemadan luaran harus digunakan. Kehilangan daya kerana ketidakcocokan sukar dikira, jadi kalkulator khas atau jadual kehilangan SWR digunakan. Jadual kehilangan SWR biasa ditunjukkan di bawah
Dengan menggunakan jadual SWR di atas, kita dapat mengira kehilangan kuasa dan juga kehilangan voltan. Voltan hilang kerana ketidakcocokan ketika impedans beban lebih rendah daripada impedans sumber dan arus hilang ketika impedans beban lebih tinggi daripada sumber.
Pemancar 50 Ω kami dengan antena 200 Ω dengan 4 SWR akan kehilangan sekitar 36% kuasanya, yang bermaksud bahawa 36% lebih sedikit daya akan dihantar ke antena berbanding jika antena mempunyai impedans 50 Ω. Kuasa yang hilang kebanyakannya akan hilang di sumbernya, yang bermaksud jika pemancar kita mengeluarkan 100W, 36W akan hilang di dalamnya sebagai panas. Sekiranya pemancar 50 Ω kami 60% cekap, ia akan menghilangkan 66 W ketika menghantar 100 W ke antena 50 Ω. Apabila disambungkan ke antena 200 Ω, ia akan menghilangkan 36 W tambahan sehingga jumlah daya yang hilang ketika haba dalam pemancar adalah 102 W. Peningkatan daya yang hilang dalam pemancar bukan hanya bermaksud bahawa kuasa penuh tidak dipancarkan oleh antena tetapi juga berisiko merosakkan pemancar kami kerana ia menghamburkan 102 W dan bukannya 66W, ia dirancang untuk berfungsi.
Dalam kes antena 75Ω, yang memberi input 1500Ω IC NE612, kita tidak khawatir kehilangan daya sebagai haba, tetapi mengenai peningkatan tahap isyarat yang dapat dicapai dengan penggunaan pencocokan impedans. Katakan bahawa 13nW RF disebabkan oleh antena. Dengan impedansi 75 Ω, 13nW memberikan 1 mV - kami mahu memadankannya dengan beban 1500 Ω kami. Untuk mengira voltan output selepas litar pemadanan, kita perlu mengetahui nisbah impedans, dalam kes kita, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Nisbah voltan (seperti nisbah putaran dalam transformer) sama dengan punca kuasa dua nisbah impedans, jadi √20≈8.7. Ini bermaksud voltan keluaran akan 8.7 kali lebih besar, sehingga sama dengan 8.7 mV. Litar sepadan bertindak seperti pengubah.
Oleh kerana daya yang memasuki litar pencocokan dan daya yang keluar sama (minus loss), arus keluaran akan lebih rendah daripada input satu dengan faktor 8.7, tetapi voltan keluaran akan lebih besar. Sekiranya kita memadankan impedans tinggi dengan yang rendah, kita akan mendapat voltan yang lebih rendah tetapi arus yang lebih tinggi.
Transformer Pemadan Impedance
Transformer Khas yang disebut Impedance Matching Transformers boleh digunakan untuk memadankan impedans. Kelebihan utama transformer sebagai alat pencocokan impedansi ialah mereka mempunyai jalur lebar, yang bermaksud mereka dapat bekerja dengan frekuensi yang luas. Transformer audio menggunakan teras keluli lembaran, seperti yang digunakan dalam litar penguat tiub vakum untuk memadankan impedans tiub dengan impedans rendah pembesar suara, mempunyai lebar pita 20Hz hingga 20kHz, transformer RF dibuat menggunakan ferit atau bahkan teras udara dapat mempunyai lebar jalur 1MHz-30MHz.
Transformer dapat digunakan sebagai perangkat pencocokan impedansi, kerana nisbah gilirannya yang mengubah impedansi yang "dilihat" sumbernya. Anda juga boleh melihat asas artikel pengubah ini jika anda benar-benar baru menggunakan transformer. Sekiranya kita mempunyai transformer dengan nisbah putaran 1: 4, ini bermakna bahawa jika 1V AC diterapkan ke primer, kita akan mempunyai 4V AC pada output. Sekiranya kita menambahkan perintang 4Ω ke output, arus 1A akan mengalir di sekunder, arus di primer sama dengan arus sekunder dikalikan dengan nisbah giliran (dibahagi jika pengubah adalah jenis step-down, seperti arus utama transformer), jadi 1A * 4 = 4A. Sekiranya kita menggunakan hukum Ω untuk menentukan impedans yang ditunjukkan oleh transformer ke litar, kita mempunyai 1V / 4A = 0.25Ω, sementara kita menyambungkan beban 4Ω setelah pengubah yang sepadan. Nisbah impedans adalah 0.25Ω hingga 4Ω atau juga 1:16. Ia juga dapat dikira dengan iniFormula Nisbah Impedansi:
(n A / n B) ² = r i
di mana n A adalah bilangan putaran utama pada belitan dengan lebih banyak putaran, n B adalah bilangan putaran pada belitan dengan putaran yang lebih sedikit, dan r i adalah nisbah impedans. Ini adalah bagaimana pencocokan impedans berlaku.
Sekiranya kita menggunakan undang-undang Ohms lagi, tetapi sekarang untuk mengira daya yang mengalir ke primer, kita akan mempunyai 1V * 4A = 4W, di sekunder, kita akan mempunyai 4V * 1A = 4W. Ini bermaksud bahawa pengiraan kita betul, bahawa transformer dan litar pemadan impedans lain tidak memberikan lebih banyak kuasa daripada yang diberi makan. Tiada tenaga percuma di sini.
Cara memilih Transformer Pencocokan Impedansi
Litar pencocokan transformer dapat digunakan ketika penyaringan jalur lebar diperlukan, harus bergema dengan induktansi sekunder pada frekuensi penggunaan. Parameter utama transformer sebagai alat pencocokan impedans adalah:
- Nisbah Impedans atau nisbah giliran yang lebih biasa dinyatakan (n)
- Induktansi utama
- Kearuhan sekunder
- Impedans primer
- Impedans sekunder
- Kekerapan resonan kendiri
- Kekerapan operasi minimum
- Kekerapan operasi maksimum
- Konfigurasi penggulungan
- Kehadiran jurang udara dan maks. Arus DC
- Maks. kuasa
Nombor putaran utama harus cukup, sehingga belitan utama pengubah mempunyai reaktansi (ia adalah gegelung) empat kali impedans keluaran sumber pada frekuensi operasi terendah.
Nombor giliran sekunder sama dengan bilangan giliran pada primer, dibahagi dengan punca kuasa dua nisbah impedans.
Kita juga perlu mengetahui jenis dan ukuran teras yang harus digunakan, teras yang berbeza berfungsi dengan baik dalam frekuensi yang berbeza, di mana ia menunjukkan kerugian.
Ukuran teras bergantung pada daya yang mengalir melalui teras, kerana setiap teras menunjukkan kerugian dan teras yang lebih besar dapat menghilangkan kerugian ini dengan lebih baik dan tidak menunjukkan ketepuan magnetik dan perkara lain yang tidak diingini dengan mudah.
Jurang udara diperlukan apabila arus DC akan mengalir melalui penggulungan pada transformer jika inti yang digunakan terbuat dari laminasi keluli, seperti pada transformer sesalur.
Litar Pemadan Transformer - Contoh
Sebagai contoh, kita memerlukan transformer untuk memadankan sumber 50 Ω dengan beban 1500 Ω dalam julat frekuensi 3MHz hingga 30MHz pada penerima. Mula-mula kita perlu tahu inti apa yang kita perlukan kerana ia adalah penerima yang sangat sedikit kuasa yang akan mengalir melalui transformer, jadi ukuran inti dapat kecil. Inti yang baik dalam aplikasi ini adalah FT50-75. Menurut pengeluarnya, julat frekuensi kerana pengubah jalur lebar adalah 1MHz hingga 50MHz, cukup baik untuk aplikasi ini.
Sekarang kita perlu mengira putaran utama, kita memerlukan reaktansi primer hingga 4 kali lebih tinggi daripada impedans output sumber, jadi 200 Ω. Pada frekuensi operasi minimum 3MHz, induktor 10.6uH mempunyai 200 Ω reaktans. Dengan menggunakan kalkulator dalam talian, kami mengira bahawa kami memerlukan 2 putaran wayar pada teras untuk mendapatkan 16uH, sedikit di atas 10.6uH, tetapi dalam kes ini, lebih baik ia lebih besar daripada menjadi lebih kecil. 50 Ω hingga 1500 Ω memberikan nisbah impedans 30. Oleh kerana nisbah putaran adalah punca kuasa dua nisbah impedans kita mendapat sekitar 5.5, jadi untuk setiap putaran utama kita memerlukan 5.5 putaran sekunder untuk membuat 1500Ω pada penampilan sekunder seperti 50Ω hingga sumber. Oleh kerana kita mempunyai 2 giliran utama, kita memerlukan 2 * 5,5 giliran di sekunder, iaitu 11 putaran. Diameter wayar hendaklah mengikut 3A / 1mm 2 peraturan (maksimum 3A mengalir bagi setiap milimeter persegi luas keratan rentas wayar).
Pencocokan transformer sering digunakan dalam penapis jalur lebar, untuk memadankan litar resonan dengan antena dan pengadun yang rendah. Semakin tinggi impedans memuatkan litar, semakin rendah lebar pita dan semakin tinggi Q. Sekiranya kita menyambungkan litar resonan terus ke impedans rendah, lebar jalur selalunya terlalu besar untuk berguna. Litar resonan terdiri daripada sekunder L1 dan kapasitor 220 pF pertama dan primer L2 dan kapasitor 220 pF kedua.
Gambar di atas menunjukkan pencocokan Transformer yang digunakan dalam penguat kuasa audio tiub vakum untuk memadankan impedans output 3000 Ω tiub PL841 ke pembesar suara 4 Ω. 1000 pF C67 menghalang deringan pada frekuensi audio yang lebih tinggi.
Pencocokan automatik untuk keseimbangan Impedans
Litar pemadanan autotransformer adalah varian litar pemadanan pengubah, di mana kedua-dua belitan saling bersambung di atas satu sama lain. Ia biasanya digunakan dalam induktor penapis IF, bersama dengan pencocokan transformer ke pangkalan, di mana ia digunakan untuk memadankan impedans transistor yang lebih rendah dengan impedans tinggi yang memuatkan litar penalaan lebih sedikit dan memungkinkan lebar jalur yang lebih kecil dan oleh itu selektivitas lebih besar. Proses untuk merancangnya hampir sama, dengan jumlah putaran pada primer sama dengan jumlah putaran dari ketukan gegelung ke ujung "sejuk" atau landasan dan jumlah putaran pada sekunder sama dengan bilangan putaran antara paip dan hujung "panas" atau hujung yang disambungkan ke beban.
Gambar di atas menunjukkan litar pemadanan Autotransformer. C adalah opsyenal jika digunakan ia harus sesuai dengan induktansi L pada frekuensi penggunaan. Dengan cara ini litar juga menyediakan penapisan.
Imej ini menggambarkan pemadanan Autotransformer dan transformer yang digunakan dalam transformer IF. Impedansi tinggi autotransformer menghubungkan ke C17, kapasitor ini membentuk litar resonan dengan keseluruhan belitan. Oleh kerana kapasitor ini menyambung ke hujung impedans tinggi autotransformer, rintangan memuatkan litar yang diselaraskan lebih tinggi, oleh itu litar Q lebih besar dan lebar jalur IF dikurangkan, meningkatkan selektiviti dan kepekaan. Transformer yang sepadan menghubungkan isyarat yang dikuatkan ke diod.
Pencocokan autotransformer yang digunakan dalam penguat kuasa transistor, ia sepadan dengan impedans output 12 Ω transistor ke antena 75 Ω. C55 disambungkan selari dengan hujung impedans tinggi autotransformer membentuk litar resonan yang menyaring harmonik.