Panimula sa pagtutugma ng impedance at kung paano gumamit ng impedance match transformer para sa iyong disenyo

Kung ikaw ay isang RF Design Engineer o sinumang nagtrabaho sa Wireless Radio, ang salitang " Impedance Matching " ay dapat na sinaktan ka ng higit sa isang beses. Mahalaga ang term na ito sapagkat direktang nakakaapekto sa kapangyarihan ng paghahatid at sa gayon ang saklaw ng aming mga module ng Radio. Nilalayon ng artikulong ito na matulungan kang maunawaan kung ano ang Impedance Matching mula sa mga pangunahing kaalaman at tutulong din sa iyo na idisenyo ang iyong sariling mga impedance na tumutugma sa mga circuit sa pamamagitan ng paggamit ng isang Impedance Matching Transformer na siyang pinakakaraniwang pamamaraan. Kaya, sumisid tayo.

Ano ang Impedance Matching?

Sa madaling salita, tinitiyak ng pagtutugma ng Impedance na ang output impedance ng isang yugto, na tinatawag na mapagkukunan, ay katumbas ng input impedance ng sumusunod na yugto, na tinatawag na load. Pinapayagan ng laban na ito para sa maximum na paglipat ng kuryente at minimum na pagkawala. Madali mong mauunawaan ang konseptong ito sa pamamagitan ng pag-iisip tungkol dito bilang mga bombilya sa serye na may mapagkukunan ng kuryente. Ang unang bombilya ay ang output impedance para sa yugto uno (isang radio transmitter, halimbawa) at ang pangalawang bombilya ay ang pagkarga, o sa madaling salita, ang impedance ng pag-input ng pangalawang bombilya (isang antena, halimbawa). Nais naming tiyakin na ang pinakamaraming lakas ay naihahatid sa pagkarga, sa aming kaso, nangangahulugan ito na ang pinakamaraming lakas ay naihahatid sa hangin upang ang isang istasyon ng radyo ay maririnig mula sa malayo. Ang maximum na ito Ang paglipat ng kuryente ay nangyayari kapag ang output impedance ng mapagkukunan ay katumbas ng input impedance ng load dahil kung ang output impedance ay mas malaki kaysa sa load mas maraming lakas ang mawawala sa pinagmulan (ang unang ilaw na bombilya ay mas maliwanag).

Nakatayo na Ratio ng Wave - Sukat ng Pagtutugma sa Impedance

Ang isang pagsukat na ginamit upang tukuyin kung gaano kahusay ang pagtutugma ng dalawang yugto ay tinatawag na SWR (Standing Wave Ratio). Ito ang ratio ng mas malaking impedance kumpara sa mas maliit, ang isang 50 Ω transmitter sa isang 200 Ω na antena ay nagbibigay sa 4 SWR, isang 75 Ω na antena na nagpapakain ng isang NE612 mixer (ang input impedance ay 1500 Ω) na direkta ay isang SWR na 20. A perpektong tugma, sabihin nating 50 Ω antena at 50 Ω na tatanggap ang nagbibigay ng SWR na 1.

Sa mga transmiter ng radyo, ang mga SWR na mas mababa sa 1.5 ay itinuturing na disente at pagpapatakbo kapag ang SWR ay higit sa 3 ay maaaring magresulta sa pinsala dahil sa sobrang pag-init ng mga aparato ng output output (mga tubo ng vacuum o transistors). Sa pagtanggap ng mga aplikasyon, ang mataas na SWR ay hindi magiging sanhi ng pinsala ngunit gagawin nitong hindi gaanong sensitibo ang tatanggap sapagkat ang natanggap na signal ay magpapalambing dahil sa hindi pagtutugma at bunga ng pagkawala ng kuryente.

Dahil ang karamihan sa mga tatanggap ay gumagamit ng ilang anyo ng isang input bandpass filter, ang input filter ay maaaring idisenyo upang maitugma ang antena sa input yugto ng tatanggap. Ang lahat ng mga radio transmitter ay mayroong mga filter ng output na ginagamit upang tumugma sa yugto ng output ng kuryente sa tiyak na impedance (karaniwang 50 Ω). Ang ilang mga transmiter ay may built-in na mga tuner ng antena na maaaring magamit upang maitugma ang transmitter sa antena kung ang impedance ng antena ay naiiba mula sa tinukoy na output impedance. Kung walang tuner ng antena, dapat gamitin ang isang panlabas na pagtutugma ng circuit. Ang pagkawala ng kuryente dahil sa hindi pagtutugma ay mahirap makalkula, kaya ginagamit ang mga espesyal na calculator o pagkawala ng talahanayan ng SWR. Ang isang tipikal na talahanayan ng pagkawala ng SWR ay ipinapakita sa ibaba

Gamit ang talahanayan ng SWR sa itaas, maaari nating kalkulahin ang pagkawala ng kuryente at pagkawala rin ng boltahe. Nawala ang boltahe dahil sa hindi pagtutugma kapag ang load impedance ay mas mababa kaysa sa source impedance at kasalukuyang nawala kapag ang load impedance ay mas mataas kaysa sa pinagmulan.

Ang aming 50 Ω transmitter na may 200 Ω na antena na may 4 SWR ay mawawalan ng halos 36% ng lakas nito, nangangahulugang 36% na mas kaunting lakas ang maihahatid sa antena kumpara sa kung ang antena ay mayroong 50 Ω impedance. Ang nawalang kapangyarihan ay halos mawawala sa pinagmulan, ibig sabihin kung ang aming transmitter ay nagbibigay ng 100W, 36W ay karagdagang mapapawi dito bilang init. Kung ang aming 50 Ω transmitter ay 60% mabisa, mawawala ang 66 W kapag nagpapadala ng 100 W sa isang 50 Ω na antena. Kapag nakakonekta sa 200 Ω na antena, magwawala ito ng karagdagang 36 W kaya't ang kabuuang lakas na nawala bilang init sa transmiter ay 102 W. Ang pagtaas ng lakas na natanggal sa transmiter ay hindi lamang nangangahulugang ang buong lakas ay hindi nilalabas ng antena ngunit peligro rin ang pinsala sa aming transmiter dahil nagwawala ito ng 102 W sa halip na 66W, ito ay dinisenyo upang gumana.

Sa kaso ng isang 75Ω antena, pagpapakain ng input na 1500Ω ng NE612 IC, hindi kami nababahala sa pagkawala ng kuryente bilang init, ngunit tungkol sa nadagdagang antas ng signal na maaaring makamit sa pamamagitan ng paggamit ng impedance match. Sabihin nating ang 13nW ng RF ay sapilitan sa antena. Sa pamamagitan ng 75 Ω impedance, 13nW ay nagbibigay ng 1 mV - nais naming itugma iyon sa aming 1500 Ω na karga. Upang makalkula ang output boltahe pagkatapos ng pagtutugma ng circuit, kailangan nating malaman ang ratio ng impedance, sa aming kaso, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Ang ratio ng boltahe (tulad ng liko na ratio sa mga transformer) ay katumbas ng parisukat na ugat ng impedance ratio, kaya √20≈8.7. Nangangahulugan ito na ang boltahe ng output ay magiging 8.7 beses na mas malaki, kaya ito ay magiging katumbas ng 8.7 mV. Ang mga tumutugmang circuit ay kumikilos tulad ng mga transformer.

Dahil ang lakas na pumapasok sa pagtutugma ng circuit at ang pag-iwan ng kuryente ay pareho (minus pagkawala), ang kasalukuyang output ay magiging mas mababa kaysa sa input ng isa sa isang kadahilanan ng 8.7, ngunit ang output boltahe ay magiging mas malaki. Kung tugma kami sa isang mataas na impedance sa isang mababang makakakuha kami ng mas mababang boltahe ngunit isang mas mataas na kasalukuyang.

Mga Transformer ng Pagtutugma sa Impedance

Ang mga Espesyal na Transformer na tinatawag na Impedance Matching Transformers ay maaaring magamit upang tumugma sa impedance. Ang pangunahing bentahe ng mga transformer bilang impedance na tumutugma sa mga aparato ay mayroon silang broadband, nangangahulugang maaari silang gumana sa isang malawak na hanay ng mga frequency. Ang mga audio transformer na gumagamit ng sheet steel core, tulad ng mga ginamit sa mga vacuum tube amplifier circuit upang maitugma ang mataas na impedance ng tubo sa mababang impedance ng nagsasalita, ay may bandwidth na 20Hz hanggang 20kHz, ang mga RF transformer na ginawa gamit ang ferrite o kahit mga air cores ay maaaring may mga bandwidth ng 1MHz-30MHz.

Maaaring magamit ang mga transformer bilang mga aparatong tumutugma sa impedance, dahil sa kanilang turn ratio na nagbabago sa impedance na "nakikita" ng mapagkukunan. Maaari mo ring suriin ang batayang ito ng artikulo ng transpormer kung ganap kang bago sa mga transformer. Kung mayroon kaming isang transpormer na may 1: 4 na liko ratio, nangangahulugan ito na kung ang 1V ng AC ay inilapat sa pangunahing, magkakaroon kami ng 4V ng AC sa output. Kung nagdagdag kami ng isang 4Ω risistor sa output, ang 1A ng kasalukuyang ay dadaloy sa pangalawang, ang kasalukuyang sa pangunahin ay katumbas ng pangalawang kasalukuyang pinarami ng ratio ng turn (hinati kung ang transpormer ay isang uri ng step-down, tulad ng mains mga transformer), kaya 1A * 4 = 4A. Kung gagamitin namin ang batas ng to upang matukoy ang impedance na ipinakita ng transpormer sa circuit na mayroon kaming 1V / 4A = 0.25Ω, habang kinonekta namin ang isang 4Ω load pagkatapos ng pagtutugma ng transpormer. Ang ratio ng impedance ay 0.25Ω hanggang 4Ω o din 1:16. Maaari din itong kalkulahin kasama nitoFormula ng Impedance Ratio:

(n _A / n _B) ² = r _i

kung saan ang n _A ay ang bilang ng pangunahing mga pagliko sa paikot-ikot na may higit na mga liko, ang n _B ay ang bilang ng mga liko sa paikot-ikot na may mas kaunting mga liko, at r _i ang impedance ratio. Ganito nangyayari ang pagtutugma ng impedance.

Kung ginamit namin muli ang batas ng Ohms, ngunit ngayon upang makalkula ang lakas na dumadaloy sa pangunahing magkakaroon kami ng 1V * 4A = 4W, sa pangalawang, magkakaroon kami ng 4V * 1A = 4W. Nangangahulugan ito na ang aming mga kalkulasyon ay tama, na ang mga transformer at iba pang mga circuit na tumutugma sa impedance ay hindi nagbibigay ng higit na lakas kaysa sa pinakain nila. Walang libreng enerhiya dito.

Paano pumili ng isang Impedance Matching Transformer

Maaaring magamit ang circuit ng pagtutugma ng transpormer kapag kinakailangan ang pag-filter ng bandpass, dapat na maging resonant sa inductance ng pangalawang sa dalas ng paggamit. Ang pangunahing mga parameter ng mga transformer bilang impedance na tumutugma sa mga aparato ay:

• Impedance ratio o mas karaniwang isinasaad na ratio ng liko (n)
• Pangunahing inductance
• Pangalawang inductance
• Pangunahing impedance
• Pangalawang impedance
• Dalas ng self-resonant
• Minimum na dalas ng operasyon
• Maximum na dalas ng operasyon
• Paikot-ikot na pagsasaayos
• Pagkakaroon ng puwang ng hangin at max. Kasalukuyang DC
• Max. kapangyarihan

Ang pangunahing numero ng liko ay dapat sapat, kaya ang pangunahing paikot-ikot ng transpormer ay may reaktibo (ito ay isang likid) apat na beses ang output impedance ng mapagkukunan sa pinakamababang dalas ng operasyon.

Ang pangalawang bilang ng pagliko ay katumbas ng bilang ng mga liko sa pangunahing, hinati ng parisukat na ugat ng impedance ratio.

Kailangan din nating malaman kung anong pangunahing uri at sukat ang gagamitin, iba't ibang mga core ay gumagana nang maayos sa iba't ibang mga frequency, sa labas kung saan ipinakita ang pagkawala.

Ang laki ng core ay nakasalalay sa lakas na dumadaloy sa core, dahil ang bawat core ay nagpapakita ng pagkalugi at mas malalaking core ay maaaring mas mabilis na mawala ang mga pagkalugi na ito at hindi madaling ipakita ang saturation ng magnetiko at iba pang mga hindi ginustong bagay.

Kinakailangan ang isang puwang ng hangin kapag ang isang kasalukuyang DC ay dumadaloy sa pamamagitan ng anumang paikot-ikot sa transpormer kung ang pangunahing ginamit ay ginawa mula sa mga bakal na laminasyon, tulad ng isang transformer ng mains.

Mga Circuits ng Pagtutugma ng Transformer - Halimbawa

Halimbawa, kailangan namin ng isang transpormer upang tumugma sa isang mapagkukunang 50 to sa isang 1500 Ω na pag-load sa saklaw ng dalas ng 3MHz hanggang 30MHz sa isang tatanggap. Una naming kailangang malaman kung ano ang pangunahing kakailanganin natin dahil ito ay isang tagatanggap ng napakakaunting lakas na dumadaloy sa pamamagitan ng transpormer, kaya't ang laki ng pangunahing ay maaaring maging maliit. Ang isang mahusay na core sa application na ito ay ang FT50-75. Ayon sa tagagawa, saklaw ng dalas ito bilang isang wideband transpormer na 1MHz hanggang 50MHz, sapat na mabuti para sa application na ito.

Ngayon kailangan naming kalkulahin ang pangunahing mga liko, kailangan namin ang pangunahing reaktibo ng 4 na beses na mas mataas kaysa sa pinagmulan ng impedance ng pinagmulan, kaya 200 Ω. Sa minimum na dalas ng operating ng 3MHz, ang isang inductor na 10.6uH ay mayroong 200 Ω na reaktibo. Gamit ang isang online na calculator kinakalkula namin na kailangan namin ng 2 liko ng kawad sa core upang makakuha ng 16uH, medyo sa itaas ng 10.6uH, ngunit sa kasong ito, mas mabuti na mas malaki ito kaysa maging maliit. 50 Ω hanggang 1500 Ω ay nagbibigay ng impedance ratio na 30. Dahil ang ratio ng turn ay ang square root ng impedance ratio na nakukuha namin sa paligid ng 5.5, kaya para sa bawat pangunahing pagliko kailangan namin ng 5.5 pangalawang liko upang gawin ang 1500Ω sa pangalawang hitsura ng 50Ω hanggang ang pinagmulan Dahil mayroon kaming 2 pagliko sa pangunahing kailangan namin ng 2 * 5.5 na pagliko sa pangalawa, iyon ay 11 na liko. Ang diameter ng kawad ay dapat sundin ang 3A / 1mm ² panuntunan (maximum ng 3A na dumadaloy bawat bawat square millimeter ng wire cross-section area).

Ang pagtutugma ng transpormer ay madalas na ginagamit sa mga filter ng bandpass, upang maitugma ang mga resonant na circuit sa mababang mga impedance ng mga antena at mixer. Kung mas mataas ang impedance sa paglo-load ng circuit, mas mababa ang bandwidth at mas mataas ang Q. Kung nakakonekta kami ng isang resonant circuit nang direkta sa isang mababang impedance ang bandwidth ay napakadalas na napakalaking magagamit. Ang resonant circuit ay binubuo ng pangalawang L1 at ang unang 220 pF capacitor at ang pangunahing L2 at ang pangalawang 220 pF capacitor.

Ipinapakita ng imahe sa itaas ang isang pagtutugma ng Transformer na ginamit sa isang vacuum tube audio power amplifier upang tumugma sa 3000 Ω output impedance ng PL841 tube sa isang 4 Ω speaker. Pinipigilan ng 1000 pF C67 ang pag-ring sa mas mataas na mga frequency ng audio.

Pagtutugma ng autotransformer para sa balanse ng Impedance

Ang circuit ng pagtutugma ng autotransformer ay isang variant ng circuit ng pagtutugma ng transpormer, kung saan ang dalawang paikot- ikot ay konektado magkasama sa tuktok ng bawat isa. Ito ay karaniwang ginagamit sa IF filter inductors, kasama ang transpormer na tumutugma sa base, kung saan ginagamit ito upang tumugma sa mas mababang impedance ng transistor sa isang mataas na impedance na naglo-load nang mas kaunti ang tuning circuit at nagbibigay-daan para sa mas maliit na bandwidth at samakatuwid ay higit na selectivity. Ang proseso para sa pagdidisenyo ng mga ito ay halos pareho, na may bilang ng mga liko sa pangunahing katumbas ng bilang ng mga liko mula sa gripo ng likid patungo sa "malamig" o grounded end at ang bilang ng mga liko sa pangalawa ay katumbas ng ang bilang ng mga liko sa pagitan ng tapikin at ang "mainit" na dulo o ang dulo na konektado sa pag-load.

Ipinapakita ng imahe sa itaas ang isang Autotransformer na tumutugmang circuit. Ang C ay opsyonal kung ginamit dapat itong maging resonant sa inductance ng L sa dalas ng paggamit. Sa ganitong paraan nagbibigay din ang circuit ng pagsala.

Ang imaheng ito ay naglalarawan ng isang pagtutugma ng Autotransformer at transpormer na ginamit sa isang IF transpormer. Ang mataas na impedance ng Autotransformer ay kumokonekta sa C17, ang capacitor na ito ay bumubuo ng isang resonant circuit na may buong paikot-ikot. Dahil ang capacitor na ito ay kumokonekta sa mataas na impedance end ng autotransformer, ang resistensya sa paglo-load ng tuned circuit ay mas mataas, samakatuwid ang circuit Q ay mas malaki at KUNG ang bandwidth ay nabawasan, nagpapabuti ng selectivity at sensitivity. Ang mga tumutugma sa transpormer na mag-asawa ang pinalakas na signal sa diode.

Nyawang

Ang pagtutugma ng Autotransformer na ginamit sa isang transistor power amplifier, tumutugma ito sa 12 Ω output impedance ng transistor sa 75 Ω na antena. Ang C55 ay konektado kahanay sa mataas na impedance end ng autotransformer ay bumubuo ng isang resonant circuit na nag-filter ng mga harmonika.