Inleiding tot impedantie-aanpassing en hoe u een impedantie-aanpassingstransformator voor uw ontwerp kunt gebruiken

Als u een RF-ontwerpingenieur bent of iemand die met draadloze radio's heeft gewerkt, zou de term " Impedantie-aanpassing " u meer dan eens moeten zijn tegengekomen. De term is cruciaal omdat het rechtstreeks van invloed is op het zendvermogen en dus op het bereik van onze radiomodules. Dit artikel is bedoeld om u te helpen begrijpen wat Impedance Matching is vanaf de basis en zal u ook helpen bij het ontwerpen van uw eigen impedantie-aanpassingscircuits met behulp van een Impedance Matching Transformer, de meest gebruikelijke methode. Dus laten we erin duiken.

Wat is de impedantie-aanpassing?

Kort gezegd, impedantie-aanpassing zorgt ervoor dat de uitgangsimpedantie van één trap, de bron genaamd, gelijk is aan de ingangsimpedantie van de volgende trap, de belasting genoemd. Deze match zorgt voor maximale krachtoverdracht en minimaal verlies. U kunt dit concept gemakkelijk begrijpen door het te beschouwen als gloeilampen in serie met een stroombron. De eerste gloeilamp is de uitgangsimpedantie van trap één (bijvoorbeeld een radiozender) en de tweede gloeilamp is de belasting, oftewel de ingangsimpedantie van de tweede gloeilamp (bijvoorbeeld een antenne). We willen ervoor zorgen dat het meeste vermogen aan de belasting wordt geleverd, in ons geval zou dit betekenen dat het meeste vermogen de lucht in gaat, zodat een radiostation van verder weg te horen is. Dit maximum vermogensoverdracht vindt plaats wanneer de uitgangsimpedantie van de bron gelijk is aan de ingangsimpedantie van de belasting, want als de uitgangsimpedantie groter is dan de belasting gaat er meer vermogen verloren in de bron (de eerste lamp schijnt helderder).

Standing Wave Ratio - Maatstaf voor impedantie-aanpassing

Een meting die wordt gebruikt om te bepalen hoe goed twee fasen op elkaar zijn afgestemd, wordt SWR (Standing Wave Ratio) genoemd. Het is de verhouding van de grotere impedantie in vergelijking met de kleinere, een 50 Ω zender in een 200 Ω antenne geeft 4 SWR, een 75 Ω antenne die een NE612 mixer voedt (ingangsimpedantie is 1500 Ω) zal direct een SWR van 20 A geven. perfecte match, laten we zeggen dat een 50 Ω antenne en een 50 Ω ontvanger een SWR van 1 geeft.

In radiozenders worden SWR's onder 1.5 als fatsoenlijk beschouwd en werking wanneer SWR hoger is dan 3 kan leiden tot schade door oververhitting van de vermogenstrapapparaten (vacuümbuizen of transistors). Bij het ontvangen van toepassingen zal een hoge SWR geen schade veroorzaken, maar het zal de ontvanger minder gevoelig maken omdat het ontvangen signaal zal worden verzwakt als gevolg van mismatch en daaruit voortvloeiend vermogensverlies.

Aangezien de meeste ontvangers een of andere vorm van een ingangsbanddoorlaatfilter gebruiken, kan het ingangsfilter zo worden ontworpen dat de antenne overeenkomt met de ingangstrap van de ontvanger. Alle radiozenders hebben uitgangsfilters die worden gebruikt om de uitgangstrap van het vermogen af ​​te stemmen op de specifieke impedantie (meestal 50 Ω). Sommige zenders hebben ingebouwde antennetuners die kunnen worden gebruikt om de zender op de antenne af te stemmen als de impedantie van de antenne verschilt van de uitgangsimpedantie van de gespecificeerde zender. Als er geen antennetuner is, moet een extern aanpassingscircuit worden gebruikt. Het vermogensverlies door mismatch is moeilijk te berekenen, daarom worden speciale rekenmachines of SWR-verlies-tabellen gebruikt. Een typische SWR-verlies-tabel wordt hieronder weergegeven

Met behulp van de bovenstaande SWR-tabel kunnen we het vermogensverlies en ook het spanningsverlies berekenen. Spanning gaat verloren als gevolg van mismatch wanneer de belastingsimpedantie lager is dan de bronimpedantie en stroom gaat verloren wanneer de belastingsimpedantie hoger is dan de bron.

Onze 50 Ω-zender met een 200 Ω-antenne met 4 SWR verliest ongeveer 36% van zijn vermogen, wat betekent dat er 36% minder vermogen aan de antenne wordt geleverd in vergelijking met een antenne met een impedantie van 50 Ω. Het verloren vermogen zal grotendeels worden gedissipeerd in de bron, wat betekent dat als onze zender 100W afgeeft, 36W er bovendien als warmte in wordt gedissipeerd. Als onze 50 Ω-zender 60% efficiënt zou zijn, zou hij 66 W dissiperen bij het verzenden van 100 W naar een 50 Ω-antenne. Indien aangesloten op de 200 Ω antenne, zal deze 36 W extra afgeven, dus het totale vermogen dat verloren gaat als warmte in de zender is 102 W. De toename van het gedissipeerde vermogen in de zender betekent niet alleen dat het volledige vermogen niet wordt uitgezonden door de antenne maar riskeert ook schade aan onze zender omdat hij 102 W dissipeert in plaats van 66 W, hij is ontworpen om mee te werken.

In het geval van een 75Ω-antenne, die de 1500Ω-ingang van de NE612 IC voedt, maken we ons geen zorgen over het verlies van vermogen als warmte, maar over het verhoogde signaalniveau dat kan worden bereikt door het gebruik van impedantie-aanpassing. Laten we zeggen dat 13nW aan RF in de antenne wordt geïnduceerd. Met een impedantie van 75 Ω geeft 13nW 1 mV - we willen dat afstemmen op onze belasting van 1500 Ω. Om de uitgangsspanning na het aanpassingscircuit te berekenen, moeten we de verhouding van impedantie kennen, in ons geval 1500 Ω / 75 Ω = 20. De spanningsverhouding (zoals de windingsverhouding in transformatoren) is gelijk aan de vierkantswortel van de impedantieverhouding, dus √20≈8,7. Dit betekent dat de uitgangsspanning 8,7 keer groter wordt, dus gelijk aan 8,7 mV. De bijpassende circuits werken als transformatoren.

Aangezien het vermogen dat het bijpassende circuit binnenkomt en het vermogen dat weggaat hetzelfde is (minus verlies), zal de uitgangsstroom lager zijn dan de ingangsstroom met een factor 8,7, maar de uitgangsspanning zal groter zijn. Als we een hoge impedantie aan een lage zouden koppelen, zouden we een lagere spanning krijgen, maar een hogere stroom.

Impedantie-aanpassingstransformatoren

Speciale Transformers genaamd Impedance Matching Transformers kunnen worden gebruikt om impedantie aan te passen. Het belangrijkste voordeel van transformatoren als impedantie-aanpassingsapparatuur is dat ze breedband hebben, wat betekent dat ze kunnen werken met een breed scala aan frequenties. Audiotransformatoren die plaatstalen kernen gebruiken, zoals die gebruikt worden in vacuümbuisversterkercircuits om de hoge impedantie van de buis af te stemmen op de lage impedantie van de luidspreker, hebben een bandbreedte van 20Hz tot 20kHz, RF-transformatoren gemaakt met ferriet of zelfs luchtkernen kunnen hebben bandbreedtes van 1 MHz-30 MHz.

Transformatoren kunnen worden gebruikt als impedantie-aanpassingsapparaten, vanwege hun windingsverhouding die de impedantie verandert die de bron "ziet". U kunt deze basis van het transformatorartikel ook bekijken als u helemaal nieuw bent bij transformatoren. Als we een transformator hebben met een verhouding van 1: 4 omwentelingen, betekent dit dat als 1V AC op de primaire zou worden toegepast, we 4V AC op de uitgang zouden hebben. Als we een 4Ω-weerstand aan de uitgang toevoegen, zal 1A stroom in de secundaire stroom vloeien, de stroom in de primaire is gelijk aan de secundaire stroom vermenigvuldigd met de draai-verhouding (gedeeld als de transformator een step-down-type was, zoals netspanning transformatoren), dus 1A * 4 = 4A. Als we de wet van Ω gebruiken om de impedantie te bepalen die de transformator aan het circuit presenteert, hebben we 1V / 4A = 0.25Ω, terwijl we een 4Ω-belasting hebben aangesloten na de bijpassende transformator. De impedantieverhouding is 0.25Ω tot 4Ω of ook 1:16. Hiermee kan ook worden berekendImpedantieverhouding formule:

(n _EEN / n _B) ² = r _ik

waarbij n _A het aantal primaire windingen op de wikkeling is met meer windingen, n _B het aantal windingen op de wikkeling met minder windingen, en r _i de impedantieverhouding is. Dit is hoe impedantie-aanpassing gebeurt.

Als we de Ohm-wet opnieuw zouden gebruiken, maar nu om het vermogen te berekenen dat naar de primaire stroom vloeit, zouden we 1V * 4A = 4W hebben, in de secundaire zouden we 4V * 1A = 4W hebben. Dit betekent dat onze berekeningen correct zijn, dat transformatoren en andere impedantie-aanpassingscircuits niet meer vermogen geven dan ze worden gevoed. Geen gratis energie hier.

Hoe een impedantie-aanpassingstransformator te selecteren

Transformatoraanpassingscircuit kan worden gebruikt wanneer banddoorlaatfiltering nodig is, het moet resoneren met de inductantie van secundair bij de gebruiksfrequentie. De belangrijkste parameters van transformatoren als apparaten voor impedantie-aanpassing zijn:

• Impedantieverhouding of meer algemeen genoemde windingsverhouding (n)
• Primaire inductie
• Secundaire inductie
• Primaire impedantie
• Secundaire impedantie
• Zelfresonerende frequentie
• Minimale werkingsfrequentie
• Maximale gebruiksfrequentie
• Opwikkelconfiguratie
• Aanwezigheid van luchtspleet en max. DC stroom
• Max. Hoogte kracht

Het aantal primaire windingen zou voldoende moeten zijn, dus de primaire wikkeling van de transformator heeft reactantie (het is een spoel) vier keer de uitgangsimpedantie van de bron bij de laagste werkingsfrequentie.

Het aantal secundaire windingen is gelijk aan het aantal windingen op de primaire, gedeeld door de vierkantswortel van de impedantieverhouding.

We moeten ook weten welk kerntype en welke grootte we moeten gebruiken, verschillende kernen werken goed in verschillende frequenties, waarbuiten ze verlies vertonen.

De kerngrootte is afhankelijk van het vermogen dat door de kern stroomt, aangezien elke kern verliezen vertoont en grotere kernen deze verliezen beter kunnen verdrijven en niet zo gemakkelijk magnetische verzadiging en andere ongewenste dingen vertonen.

Een luchtspleet is vereist wanneer een gelijkstroom door een wikkeling op de transformator vloeit als de gebruikte kern is gemaakt van stalen lamellen, zoals in een nettransformator.

Transformator-bijpassende circuits - Voorbeeld

We hebben bijvoorbeeld een transformator nodig om een ​​50 Ω-bron te matchen met een 1500 Ω-belasting in het frequentiebereik van 3 MHz tot 30 MHz in een ontvanger. We moeten eerst weten welke kern we nodig hebben, aangezien het een ontvanger is, zal er heel weinig stroom door de transformator stromen, dus de kernafmeting kan klein zijn. Een goede kern in deze applicatie zou de FT50-75 zijn. Volgens de fabrikant is het frequentiebereik als breedbandtransformator 1 MHz tot 50 MHz, goed genoeg voor deze toepassing.

Nu moeten we de primaire windingen berekenen, we hebben de primaire reactantie nodig tot 4 keer hoger dan de uitgangsimpedantie van de bron, dus 200 Ω. Bij de minimale werkfrequentie van 3 MHz heeft een inductor van 10,6 uH 200 Ω reactantie. Met behulp van een online rekenmachine berekenen we dat we 2 windingen op de kern nodig hebben om 16uH te krijgen, iets boven 10.6uH, maar in dit geval is het beter dat het groter is dan kleiner. 50 Ω tot 1500 Ω geeft een impedantieverhouding van 30. Aangezien de windingsverhouding de vierkantswortel is van de impedantieverhouding, krijgen we ongeveer 5,5, dus voor elke primaire winding hebben we 5,5 secundaire windingen nodig om de 1500Ω bij de secundaire er uit te laten zien als 50Ω voor de bron. Omdat we 2 beurten op de primaire hebben, hebben we 2 * 5,5 beurten nodig op de secundaire, dat is 11 beurten. De diameter van de draad moet de 3A / 1mm ^{2 volgen} regel (maximaal 3A stroomt per vierkante millimeter draaddoorsnedeoppervlak).

Transformatoraanpassing wordt vaak gebruikt in banddoorlaatfilters om resonantiekringen af ​​te stemmen op lage impedanties van antennes en mixers. Hoe hoger de impedantie die de schakeling belast, hoe lager de bandbreedte en hoe hoger Q. Als we een resonantiekring direct op een lage impedantie zouden aansluiten, zou de bandbreedte vaak te groot zijn om bruikbaar te zijn. De resonantiekring bestaat uit de secundaire van L1 en de eerste 220 pF condensator en de primaire van L2 en de tweede 220 pF condensator.

De bovenstaande afbeelding toont een Transformer-aanpassing die wordt gebruikt in een vacuümbuisaudio-eindversterker om de uitgangsimpedantie van 3000 Ω van de PL841-buis af te stemmen op een 4 Ω-luidspreker. 1000 pF C67 voorkomt rinkelen bij hogere audiofrequenties.

Autotransformator-aanpassing voor impedantiebalans

Het autotransformator-aanpassingscircuit is een variant van het transformator-aanpassingscircuit, waarbij de twee wikkelingen op elkaar zijn aangesloten. Het wordt vaak gebruikt in IF-filterinductoren, samen met een transformator die overeenkomt met de basis, waar het wordt gebruikt om de lagere impedantie van de transistor aan te passen aan een hoge impedantie die het afstemcircuit minder belast en een kleinere bandbreedte en dus een grotere selectiviteit mogelijk maakt. Het proces voor het ontwerpen ervan is praktisch hetzelfde, waarbij het aantal windingen op de primaire gelijk is aan het aantal windingen van de tik van de spoel naar het 'koude' of geaarde uiteinde en het aantal windingen op de secundaire is gelijk aan het aantal omwentelingen tussen de kraan en het “hete” uiteinde of het uiteinde dat is verbonden met de belasting.

De bovenstaande afbeelding toont een autotransformator-aanpassingscircuit. C is optioneel als het wordt gebruikt, het moet resoneren met de inductantie van L bij de gebruiksfrequentie. Zo zorgt de schakeling ook voor filtering.

Deze afbeelding illustreert een autotransformator en transformatorafstemming die wordt gebruikt in een IF-transformator. De hoge impedantie van de autotransformator is verbonden met C17, deze condensator vormt een resonantiekring met de hele wikkeling. Aangezien deze condensator is verbonden met het uiteinde met hoge impedantie van de autotransformator, is de weerstand die het afgestemde circuit laadt hoger, daarom is circuit Q groter en wordt de IF-bandbreedte verminderd, wat de selectiviteit en gevoeligheid verbetert. Transformatoraanpassing koppelt het versterkte signaal aan de diode.

Het is een feit dat u zich geen zorgen hoeft te maken.

Autotransformatorafstemming gebruikt in een transistorvermogensversterker, het stemt de 12 Ω uitgangsimpedantie van de transistor af op de 75 Ω antenne. C55 is parallel verbonden met het hoge impedantie-uiteinde van de autotransformator en vormt een resonantiekring die harmonischen filtert.