Introduktion til impedanstilpasning og hvordan man bruger en impedanstilpasningstransformator til dit design

Hvis du er en RF-designingeniør eller nogen, der har arbejdet med trådløse radioer, skulle udtrykket " Impedans Matching " have ramt dig mere end én gang. Udtrykket er afgørende, fordi det direkte påvirker transmissionskraften og dermed rækkevidden for vores radiomoduler. Denne artikel har til formål at hjælpe dig med at forstå, hvad Impedans Matching er fra det grundlæggende, og vil også hjælpe dig med at designe dine egne impedans matchende kredsløb ved hjælp af en Impedans Matching Transformer, som er den mest almindelige metode. Så lad os dykke ind.

Hvad er Impedans Matching?

Kort sagt sørger impedanstilpasning for, at udgangsimpedansen for et trin, kaldet kilden, er lig med indgangsimpedansen for det følgende trin, kaldet belastningen. Denne kamp giver maksimal kraftoverførsel og minimalt tab. Du kan let forstå dette koncept ved at tænke på det som pærer i serie med en strømkilde. Den første pære er udgangsimpedansen til trin et (f.eks. En radiosender), og den anden pære er belastningen eller med andre ord indgangsimpedansen til den anden pære (f.eks. En antenne). Vi ønsker at sikre os, at mest strøm leveres til lasten, i vores tilfælde vil det betyde, at mest strøm overføres til luften, så en radiostation kan høres længere væk. Dette maksimum effektoverførsel opstår, når kildens udgangsimpedans er lig med belastningens indgangsimpedans, for hvis udgangsimpedansen er større end belastningen, mister man mere strøm i kilden (den første pære skinner lysere).

Standing Wave Ratio - Måling af impedansmatching

En måling, der bruges til at definere, hvor godt to trin matches, kaldes SWR (Standing Wave Ratio). Det er forholdet mellem den større impedans sammenlignet med den mindre, en 50 Ω sender til en 200 Ω antenne giver 4 SWR, en 75 Ω antenne, der tilfører en NE612-mixer (inputimpedans er 1500 Ω) vil direkte have en SWR på 20. A perfekt match, lad os sige, at en 50 Ω antenne og en 50 Ω modtager giver en SWR på 1.

I radiosendere betragtes SWR'er under 1,5 som anstændige, og drift, når SWR er over 3, kan resultere i skader på grund af overophedning af effektudgangstrinnene (vakuumrør eller transistorer). Ved modtagelse af applikationer vil høj SWR ikke forårsage skader, men det vil gøre modtageren mindre følsom, fordi det modtagne signal dæmpes på grund af uoverensstemmelse og deraf følgende strømtab.

Da de fleste modtagere bruger en eller anden form for et input-båndpasfilter, kan inputfilteret konstrueres til at matche antennen til modtagerens indgangstrin. Alle radiosendere har outputfiltre, der bruges til at matche effektudgangstrinnet til den specifikke impedans (normalt 50 Ω). Nogle sendere har indbyggede antennetunere, der kan bruges til at matche senderen til antennen, hvis antennens impedans er forskellig fra den specificerede transmitter's outputimpedans. Hvis der ikke er nogen antennetuner, skal der bruges et eksternt matchende kredsløb. Effekttabet på grund af uoverensstemmelse er svært at beregne, så der bruges specielle regnemaskiner eller SWR-tabeller. En typisk SWR-tabeltab er vist nedenfor

Ved hjælp af SWR-tabellen ovenfor kan vi beregne effekttabet og også spændingstabet. Spænding går tabt på grund af uoverensstemmelse, når belastningsimpedansen er lavere end kildeimpedans, og strøm går tabt, når belastningsimpedansen er højere end kilden.

Vores 50 Ω sender med en 200 Ω antenne med 4 SWR mister cirka 36% af sin effekt, hvilket betyder, at 36% mindre strøm vil blive leveret til antennen sammenlignet med, hvis antennen havde en 50 Ω impedans. Den mistede strøm vil for det meste blive spredt i kilden, hvilket betyder, at hvis vores sender gav 100W, vil 36W desuden blive spredt i den som varme. Hvis vores 50 Ω-sender var 60% effektiv, ville den sprede 66 W, når der sendes 100 W til en 50 Ω-antenne. Når den er tilsluttet 200 Ω-antennen, vil den sprede yderligere 36 W, så den samlede effekt, der er gået tabt som varme i senderen, er 102 W. Forøgelsen af ​​strøm, der spredes i senderen, betyder ikke kun, at der ikke udsendes fuld effekt af antennen men også risikere beskadigelse af vores sender, fordi den forsvinder 102 W i stedet for 66 W, den var designet til at arbejde med.

I tilfælde af en 75Ω-antenne, der tilfører 1500Ω-indgangen på NE612 IC, er vi ikke bekymrede over, at strøm går tabt som varme, men om det øgede signalniveau, der kan opnås ved hjælp af impedanstilpasning. Lad os sige, at 13nW RF induceres i antennen. Med en 75 Ω impedans giver 13nW 1 mV - vi vil matche det med vores 1500 Ω belastning. For at beregne udgangsspændingen efter det matchende kredsløb er vi nødt til at kende forholdet mellem impedans, i vores tilfælde 1500 Ω / 75 Ω = 20. Spændingsforholdet (som omdrejningsforhold i transformere) er lig med kvadratroden af ​​impedansforholdet, så √20≈8.7. Det betyder, at udgangsspændingen vil være 8,7 gange større, så den vil være lig med 8,7 mV. De matchende kredsløb fungerer som transformere.

Da strømmen, der kommer ind i det matchende kredsløb, og den strøm, der forlader er den samme (minus tab), vil udgangsstrømmen være lavere end indgangen en med en faktor på 8,7, men udgangsspændingen vil være større. Hvis vi matchede en høj impedans med en lav, ville vi få lavere spænding, men en højere strøm.

Impedans Matching Transformers

Specielle transformere kaldet Impedance Matching Transformers kan bruges til at matche impedans. Den største fordel ved transformere som impedansmatchende enheder er, at de har bredbånd, hvilket betyder, at de kan arbejde med en lang række frekvenser. Lydtransformatorer, der bruger pladekerner, såsom dem, der anvendes i vakuumrørforstærkerkredsløb for at matche rørets høje impedans med højttalerens lave impedans, har en båndbredde på 20 Hz til 20 kHz, RF-transformere lavet ved hjælp af ferrit eller endda luftkerner kan har båndbredder på 1MHz-30MHz.

Transformere kan bruges som enheder til impedanstilpasning på grund af deres drejningsforhold, der ændrer impedansen, som kilden “ser”. Du kan også kontrollere dette grundlæggende i transformerartiklen, hvis du er helt ny inden for transformere. Hvis vi har en transformer med et forhold på 1: 4 omdrejninger, betyder det, at hvis 1V AC blev anvendt på den primære, ville vi have 4V AC på output. Hvis vi tilføjer en 4Ω modstand til udgangen, strømmer 1A strøm i den sekundære, strømmen i den primære er lig med den sekundære strøm ganget med drejningsforholdet (delt hvis transformatoren var af en nedtrapningstype, ligesom lysnettet transformatorer), så 1A * 4 = 4A. Hvis vi bruger Ω's lov til at bestemme impedansen, som transformeren præsenterer for kredsløbet, har vi 1V / 4A = 0,25Ω, mens vi forbinder en 4Ω belastning efter den matchende transformer. Impedansforholdet er 0,25Ω til 4Ω eller også 1:16. Det kan også beregnes med detteImpedansforholdsformel:

(n _A / n _B) ² = r _i

hvor n _A er antallet af primære drejninger på viklingen med flere omdrejninger, n _B er antallet af drejninger på viklingen med færre omdrejninger, og r _i er impedansforholdet. Sådan sker impedanstilpasning.

Hvis vi brugte Ohms-lov igen, men nu for at beregne den strøm, der strømmer ind i den primære, ville vi have 1V * 4A = 4W, i den sekundære ville vi have 4V * 1A = 4W. Dette betyder, at vores beregninger er korrekte, at transformere og andre impedansmatchende kredsløb ikke giver mere strøm, end de tilføres. Ingen fri energi her.

Sådan vælges en impedansmatchende transformer

Transformer-matchende kredsløb kan bruges, når der er behov for båndpasfiltrering, og skal være resonant med sekundær induktans ved brugsfrekvensen. De vigtigste parametre for transformere som impedansmatchende enheder er:

• Impedansforhold eller mere almindeligt angivet svingforhold (n)
• Primær induktans
• Sekundær induktans
• Primær impedans
• Sekundær impedans
• Selvresonansfrekvens
• Minimum driftfrekvens
• Maksimal driftsfrekvens
• Winding-konfiguration
• Tilstedeværelse af luftspalte og maks. DC-strøm
• Maks. strøm

Det primære drejningsnummer skal være nok, så transformatorens primære vikling har reaktans (det er en spole) fire gange kildeudgangsimpedansen ved den laveste driftsfrekvens.

Det sekundære svingantal er lig med antallet af sving på det primære, divideret med kvadratroden af ​​impedansforholdet.

Vi har også brug for at vide, hvilken kernetype og størrelse der skal bruges, forskellige kerner fungerer godt i forskellige frekvenser, uden for hvilke de udviser tab.

Kernestørrelse afhænger af strømmen, der strømmer gennem kernen, da hver kerne udviser tab, og større kerner kan sprede disse tab bedre og ikke udviser magnetisk mætning og andre uønskede ting så let.

Der kræves en luftspalte, når en jævnstrøm strømmer gennem en hvilken som helst vikling på transformeren, hvis den anvendte kerne er lavet af stållameller, som i en strømtransformator.

Transformer Matching Circuits - Eksempel

For eksempel har vi brug for en transformer til at matche en 50 Ω kilde til en 1500 Ω belastning i frekvensområdet 3MHz til 30MHz i en modtager. Vi skal først vide, hvilken kerne vi har brug for, da det er en modtager, der strømmer meget lidt strøm gennem transformeren, så kernestørrelsen kan være lille. En god kerne i denne applikation ville være FT50-75. Ifølge producenten er frekvensområdet, da en bredbåndstransformator er 1MHz til 50MHz, god nok til denne applikation.

Nu skal vi beregne de primære drejninger, vi har brug for den primære reaktans til 4 gange højere end kildeudgangsimpedansen, så 200 Ω. Ved den mindste driftsfrekvens på 3MHz har en induktor på 10,6uH 200 Ω reaktans. Ved hjælp af en online lommeregner beregner vi, at vi har brug for 2 omdrejninger af ledningen på kernen for at få 16uH, lidt over 10,6uH, men i dette tilfælde er det bedre for den at være større end at være mindre. 50 Ω til 1500 Ω giver et impedansforhold på 30. Da omdrejningsforholdet er kvadratroden af ​​impedansforholdet, får vi omkring 5,5, så for hver primær drejning har vi brug for 5,5 sekundære omdrejninger for at få 1500Ω ved sekundær til at ligne 50Ω kilden. Da vi har 2 drejninger på det primære, har vi brug for 2 * 5,5 drejninger på det sekundære, det vil sige 11 drejninger. Ledningens diameter skal følge 3A / 1mm ² regel (maksimalt 3A flyder pr. kvadratmillimeter trådtværsnit).

Transformermatchning bruges ofte i båndpasfiltre for at matche resonanskredsløb med lave impedanser fra antenner og mixere. Jo højere impedans, der fylder kredsløbet, jo lavere båndbredde og højere Q. Hvis vi forbinder et resonanskredsløb direkte til en lav impedans, ville båndbredden ofte være for stor til at være nyttig. Resonanskredsløbet består af den sekundære af L1 og den første 220 pF kondensator og den primære af L2 og den anden 220 pF kondensator.

Ovenstående billede viser en transformatortilpasning, der bruges i en vakuumrørs lydeffektforstærker til at matche 3000 Ω udgangsimpedansen fra PL841-røret til en 4 Ω højttaler. 1000 pF C67 forhindrer ringning ved højere lydfrekvenser.

Autotransformator matching for impedans balance

Autotransformatorens matchende kredsløb er en variant af transformatorens matchende kredsløb, hvor de to viklinger er forbundet sammen oven på hinanden. Det bruges almindeligvis i IF-filterinduktorer sammen med transformatortilpasning til basen, hvor den bruges til at matche transistorens lavere impedans til en høj impedans, der belaster tuning kredsløbet mindre og giver mulighed for mindre båndbredde og derfor større selektivitet. Processen til at designe dem er praktisk talt den samme, idet antallet af drejninger på den primære er lig med antallet af drejninger fra kranen på spolen til den "kolde" eller jordede ende, og antallet af drejninger på den sekundære er lig med antallet af drejninger mellem hanen og den "varme" ende eller den ende, der er forbundet med lasten.

Ovenstående billede viser et matchende kredsløb til autotransformer. C er valgfri, hvis den anvendes, skal den være resonant med induktansen af ​​L ved brugsfrekvensen. På denne måde giver kredsløbet også filtrering.

Dette billede illustrerer en autotransformer og en transformer-matching, der bruges i en IF-transformer. Autotransformerens høje impedans forbinder til C17, denne kondensator danner et resonanskredsløb med hele viklingen. Da denne kondensator forbinder til den høje impedansende af autotransformatoren, er modstanden, der belastes det indstillede kredsløb, højere, derfor er kredsløb Q større, og IF-båndbredden reduceres, hvilket forbedrer selektiviteten og følsomheden. Transformator matcher par det forstærkede signal til dioden.

</s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s>

Autotransformator matching, der bruges i en transistor effektforstærker, den matcher 12 Ω udgangsimpedansen af ​​transistoren til 75 Ω antennen. C55 er forbundet parallelt med den høje impedansende af autotransformatoren og danner et resonanskredsløb, der filtrerer harmoniske ud.