Εισαγωγή στην αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης και πώς να χρησιμοποιήσετε έναν μετασχηματιστή αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης για το σχέδιό σας

Εάν είστε μηχανικός σχεδίασης RF ή οποιοσδήποτε έχει συνεργαστεί με ασύρματα ραδιόφωνα, ο όρος " Αντιστοίχιση αντίστασης " θα πρέπει να σας έπληξε περισσότερες από μία φορές. Ο όρος είναι κρίσιμος, διότι επηρεάζει άμεσα την ισχύ μετάδοσης και, συνεπώς, το εύρος των μονάδων ραδιοφώνου μας. Αυτό το άρθρο στοχεύει να σας βοηθήσει να καταλάβετε τι είναι το Impedance Matching από τα βασικά και επίσης θα σας βοηθήσει να σχεδιάσετε τα δικά σας κυκλώματα αντιστοίχισης αντίστασης χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή αντιστοίχισης αντίστασης που είναι η πιο κοινή μέθοδος. Ας βυθίσουμε λοιπόν.

Τι είναι η αντιστάθμιση αντίστασης;

Εν ολίγοις, η αντιστοίχιση αντίστασης διασφαλίζει ότι η σύνθετη αντίσταση εξόδου ενός σταδίου, που ονομάζεται πηγή, είναι ίση με την αντίσταση εισόδου του επόμενου σταδίου, που ονομάζεται φορτίο. Αυτός ο αγώνας επιτρέπει τη μέγιστη μεταφορά ισχύος και την ελάχιστη απώλεια. Μπορείτε να καταλάβετε εύκολα αυτήν την ιδέα σκεφτόμαστε την ως λαμπτήρες σε σειρά με πηγή ενέργειας. Ο πρώτος λαμπτήρας είναι η σύνθετη αντίσταση εξόδου για το πρώτο στάδιο (ένας πομπός ραδιοφώνου, για παράδειγμα) και ο δεύτερος λαμπτήρας είναι το φορτίο, ή με άλλα λόγια, η σύνθετη αντίσταση εισόδου του δεύτερου λαμπτήρα (για παράδειγμα μια κεραία). Θέλουμε να διασφαλίσουμε ότι η περισσότερη ισχύς παραδίδεται στο φορτίο, στην περίπτωσή μας, αυτό θα σήμαινε ότι η περισσότερη ισχύς μεταδίδεται στον αέρα έτσι ώστε ένας ραδιοφωνικός σταθμός να μπορεί να ακουστεί από μακριά. Αυτό το μέγιστο η μεταφορά ισχύος συμβαίνει όταν η σύνθετη αντίσταση εξόδου της πηγής είναι ίση με την σύνθετη αντίσταση εισόδου του φορτίου, επειδή εάν η σύνθετη αντίσταση εξόδου είναι μεγαλύτερη από το φορτίο, χάνεται περισσότερη ισχύ στην πηγή (η πρώτη λάμπα φωτός λάμπει).

Standing Wave Ratio - Μέτρηση αντιστάθμισης αντίστασης

Μια μέτρηση που χρησιμοποιείται για να καθορίσει πόσο καλά ταιριάζουν δύο στάδια ονομάζεται SWR (Standing Wave Ratio). Είναι η αναλογία της μεγαλύτερης σύνθετης αντίστασης σε σύγκριση με τη μικρότερη, ένας πομπός 50 Ω σε μια κεραία 200 Ω δίνει 4 SWR, μια κεραία 75 Ω που τροφοδοτεί έναν μίκτη NE612 (αντίσταση εισόδου είναι 1500 Ω) θα έχει ένα SWR των 20. A τέλειο ταίριασμα, ας πούμε μια κεραία 50 Ω και ο δέκτης 50 Ω δίνουν ένα SWR 1.

Σε ραδιοπομπούς, τα SWR κάτω από 1,5 θεωρούνται αξιοπρεπή και η λειτουργία όταν το SWR είναι πάνω από 3 μπορεί να προκαλέσει ζημιά λόγω υπερθέρμανσης των συσκευών σταδίου εξόδου ισχύος (σωλήνες κενού ή τρανζίστορ). Κατά τη λήψη εφαρμογών, το υψηλό SWR δεν θα προκαλέσει ζημιά, αλλά θα κάνει τον δέκτη λιγότερο ευαίσθητο, επειδή το ληφθέν σήμα θα εξασθενίσει λόγω αναντιστοιχίας και επακόλουθης απώλειας ισχύος.

Δεδομένου ότι οι περισσότεροι δέκτες χρησιμοποιούν κάποια μορφή φίλτρου διέλευσης ζώνης εισόδου, το φίλτρο εισόδου μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να ταιριάζει με την κεραία στο στάδιο εισόδου του δέκτη. Όλοι οι πομποί ραδιοφώνου διαθέτουν φίλτρα εξόδου που χρησιμοποιούνται για να ταιριάζουν με το στάδιο εξόδου ισχύος με τη συγκεκριμένη αντίσταση (συνήθως 50 Ω). Ορισμένοι πομποί έχουν ενσωματωμένους δέκτες κεραίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ταιριάξουν τον πομπό με την κεραία εάν η αντίσταση της κεραίας είναι διαφορετική από την καθορισμένη σύνθετη αντίσταση εξόδου του πομπού. Εάν δεν υπάρχει δέκτης κεραίας, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα εξωτερικό κύκλωμα αντιστοίχισης. Η απώλεια ισχύος λόγω της αναντιστοιχίας είναι δύσκολο να υπολογιστεί, τόσο ξεχωριστή αριθμομηχανές ή πίνακες απώλεια ΣΑΧ χρησιμοποιούνται. Ένας τυπικός πίνακας απώλειας SWR φαίνεται παρακάτω

Χρησιμοποιώντας τον παραπάνω πίνακα SWR, μπορούμε να υπολογίσουμε την απώλεια ισχύος και επίσης την απώλεια τάσης. Η τάση χάνεται λόγω αναντιστοιχίας όταν η αντίσταση φορτίου είναι χαμηλότερη από την αντίσταση πηγής και το ρεύμα χάνεται όταν η σύνθετη αντίσταση φορτίου είναι υψηλότερη από την πηγή.

Ο πομπός 50 Ω με κεραία 200 Ω με 4 SWR θα χάσει περίπου το 36% της ισχύος του, πράγμα που σημαίνει ότι 36% λιγότερη ισχύς θα παραδοθεί στην κεραία σε σύγκριση με εάν η κεραία είχε αντίσταση 50 Ω. Η χαμένη ισχύς θα διασκορπιστεί ως επί το πλείστον στην πηγή, πράγμα που σημαίνει ότι εάν ο πομπός μας έδινε 100W, το 36W θα διασκορπιστεί επιπλέον ως θερμότητα. Εάν ο πομπός μας 50 Ω ήταν 60% αποδοτικός, θα διαλύσει 66 W κατά τη μετάδοση 100 W σε μια κεραία 50 Ω. Όταν συνδέεται με την κεραία 200 Ω, θα διαλύσει επιπλέον 36 W, οπότε η συνολική απώλεια ισχύος καθώς η θερμότητα στον πομπό είναι 102 W. Η αύξηση της ισχύος που διασκορπίζεται στον πομπό δεν σημαίνει μόνο ότι η πλήρης ισχύς δεν εκπέμπεται από την κεραία αλλά επίσης κινδυνεύει να βλάψει τον πομπό μας επειδή διαλύει 102 W αντί για 66W, σχεδιάστηκε για να δουλεύει.

Στην περίπτωση κεραίας 75Ω, τροφοδοτώντας την είσοδο 1500Ω του IC NE612, δεν ανησυχούμε για την απώλεια ισχύος ως θερμότητα, αλλά για το αυξημένο επίπεδο σήματος που μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης. Ας πούμε ότι προκαλούνται 13nW RF στην κεραία. Με αντίσταση 75 Ω, το 13nW δίνει 1 mV - θέλουμε να το αντιστοιχίσουμε με το φορτίο 1500 Ω. Για τον υπολογισμό της τάσης εξόδου μετά το κύκλωμα αντιστοίχισης, πρέπει να γνωρίζουμε την αναλογία αντίστασης, στην περίπτωσή μας, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Ο λόγος τάσης (όπως λόγος στροφών σε μετασχηματιστές) είναι ίσος με την τετραγωνική ρίζα του λόγου σύνθετης αντίστασης, οπότε √20≈8,7. Αυτό σημαίνει ότι η τάση εξόδου θα είναι 8,7 φορές μεγαλύτερη, οπότε θα είναι ίση με 8,7 mV. Τα αντίστοιχα κυκλώματα δρουν σαν μετασχηματιστές.

Δεδομένου ότι η ισχύς που εισέρχεται στο κύκλωμα αντιστοίχισης και η έξοδος ισχύος είναι η ίδια (μείον απώλεια), το ρεύμα εξόδου θα είναι χαμηλότερο από την είσοδο ένα με συντελεστή 8,7, αλλά η τάση εξόδου θα είναι μεγαλύτερη. Εάν ταιριάξαμε μια υψηλή αντίσταση με μια χαμηλή θα έχουμε χαμηλότερη τάση αλλά υψηλότερο ρεύμα.

Μετασχηματιστές αντιστάθμισης αντίστασης

Ειδικοί μετασχηματιστές που ονομάζονται Impedance Matching Transformers μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντιστάθμιση της σύνθετης αντίστασης. Το κύριο πλεονέκτημα των μετασχηματιστών ως συσκευών αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης είναι ότι έχουν ευρυζωνική σύνδεση, που σημαίνει ότι μπορούν να λειτουργήσουν με ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Μετασχηματιστές ήχου που χρησιμοποιούν πυρήνες από χαλύβδινο φύλλο, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ενισχυτή σωλήνων κενού για να ταιριάζουν με την υψηλή αντίσταση του σωλήνα με τη χαμηλή σύνθετη αντίσταση του ηχείου, έχουν εύρος ζώνης από 20Hz έως 20kHz, μετασχηματιστές RF κατασκευασμένοι με φερρίτη ή ακόμα και πυρήνες αέρα έχουν εύρος ζώνης 1MHz-30MHz.

Οι μετασχηματιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης, λόγω του λόγου στροφών που αλλάζει την αντίσταση που «βλέπει» η πηγή. Μπορείτε επίσης να ελέγξετε αυτό το βασικό άρθρο του μετασχηματιστή εάν είστε εντελώς νέος στους μετασχηματιστές. Αν έχουμε μετασχηματιστή με αναλογία στροφών 1: 4, αυτό σημαίνει ότι εάν εφαρμοζόταν 1V AC στο πρωτεύον, θα έχουμε 4V AC στην έξοδο. Εάν προσθέσουμε μια αντίσταση 4Ω στην έξοδο, το 1A του ρεύματος θα ρέει στο δευτερεύον, το ρεύμα στο πρωτεύον είναι ίσο με το δευτερεύον ρεύμα πολλαπλασιαζόμενο με την αναλογία στροφής (διαιρούμενος εάν ο μετασχηματιστής ήταν τύπου step-down, όπως το δίκτυο μετασχηματιστές), έτσι 1A * 4 = 4A. Εάν χρησιμοποιήσουμε τον νόμο Ω για να προσδιορίσουμε την αντίσταση που παρουσιάζει ο μετασχηματιστής στο κύκλωμα έχουμε 1V / 4A = 0,25Ω, ενώ συνδέσαμε ένα φορτίο 4Ω μετά τον αντίστοιχο μετασχηματιστή. Ο λόγος σύνθετης αντίστασης είναι 0,25Ω έως 4Ω ή επίσης 1:16. Μπορεί επίσης να υπολογιστεί με αυτόΤύπος αντίστασης αντίστασης:

(n _A / n _B) ² = r _i

όπου n _A είναι ο αριθμός των κύριων στροφών στην περιέλιξη με περισσότερες στροφές, n _B είναι ο αριθμός των στροφών στην περιέλιξη με λιγότερες στροφές και r _i είναι ο λόγος σύνθετης αντίστασης. Έτσι συμβαίνει η αντιστάθμιση αντίστασης.

Αν χρησιμοποιούσαμε ξανά το νόμο Ohms, αλλά τώρα για να υπολογίσουμε την ισχύ που ρέει στο πρωτεύον, θα έχουμε 1V * 4A = 4W, στο δευτερεύον, θα έχουμε 4V * 1A = 4W. Αυτό σημαίνει ότι οι υπολογισμοί μας είναι σωστοί, ότι οι μετασχηματιστές και άλλα κυκλώματα αντιστοίχισης αντίστασης δεν δίνουν περισσότερη ισχύ από ό, τι τροφοδοτούνται. Δεν υπάρχει δωρεάν ενέργεια εδώ.

Πώς να επιλέξετε έναν μετασχηματιστή αντιστοίχισης αντίστασης

Το κύκλωμα αντιστοίχισης μετασχηματιστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν απαιτείται φιλτράρισμα ζώνης, πρέπει να συντονίζεται με την επαγωγή δευτερεύοντος στη συχνότητα χρήσης. Οι κύριες παράμετροι των μετασχηματιστών ως συσκευές αντιστοίχισης αντίστασης είναι:

• Αναλογία σύνθετης αντίστασης ή συχνότερα αναφερόμενος λόγος στροφών
• Πρωτογενής επαγωγή
• Δευτερεύουσα επαγωγή
• Πρωταρχική αντίσταση
• Δευτερεύουσα σύνθετη αντίσταση
• Αυτο συντονισμένη συχνότητα
• Ελάχιστη συχνότητα λειτουργίας
• Μέγιστη συχνότητα λειτουργίας
• Διαμόρφωση τυλίγματος
• Παρουσία κενού αέρα και μέγιστο DC ρεύμα
• Μέγιστη. εξουσία

Ο πρωτεύων αριθμός στροφών πρέπει να είναι αρκετός, έτσι ώστε η πρωτεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή να έχει αντίσταση (είναι ένα πηνίο) τέσσερις φορές την αντίσταση εξόδου της πηγής στη χαμηλότερη συχνότητα λειτουργίας.

Ο δευτερεύων αριθμός στροφών ισούται με τον αριθμό στροφών στην πρωτεύουσα, διαιρούμενος με την τετραγωνική ρίζα του λόγου σύνθετης αντίστασης.

Πρέπει επίσης να γνωρίζουμε τι είδους πυρήνα και μέγεθος να χρησιμοποιήσουμε, διαφορετικοί πυρήνες λειτουργούν καλά σε διαφορετικές συχνότητες, εκτός των οποίων παρουσιάζουν απώλεια.

Το μέγεθος του πυρήνα εξαρτάται από την ισχύ που ρέει μέσω του πυρήνα, καθώς κάθε πυρήνας παρουσιάζει απώλειες και μεγαλύτεροι πυρήνες μπορούν να διαλύσουν αυτές τις απώλειες καλύτερα και να μην εμφανίζουν μαγνητικό κορεσμό και άλλα ανεπιθύμητα πράγματα τόσο εύκολα.

Απαιτείται διάκενο αέρα όταν ένα ρεύμα DC ρέει μέσω οποιασδήποτε περιέλιξης στον μετασχηματιστή εάν ο χρησιμοποιούμενος πυρήνας είναι κατασκευασμένος από χαλύβδινες στρώσεις, όπως σε έναν μετασχηματιστή δικτύου.

Κυκλώματα αντιστοίχισης μετασχηματιστή - Παράδειγμα

Για παράδειγμα, χρειαζόμαστε έναν μετασχηματιστή για να ταιριάξει μια πηγή 50 Ω με ένα φορτίο 1500 Ω στο εύρος συχνοτήτων από 3MHz έως 30MHz σε έναν δέκτη. Πρώτα πρέπει να ξέρουμε τι πυρήνα θα χρειαζόμασταν δεδομένου ότι είναι ένας δέκτης πολύ μικρή δύναμη θα ρέει μέσω του μετασχηματιστή, έτσι το μέγεθος του πυρήνα μπορεί να είναι μικρό. Ένας καλός πυρήνας σε αυτήν την εφαρμογή θα ήταν ο FT50-75. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή, το εύρος συχνοτήτων του καθώς ένας μετασχηματιστής ευρείας ζώνης είναι 1MHz έως 50MHz, αρκετά καλός για αυτήν την εφαρμογή.

Τώρα πρέπει να υπολογίσουμε τις πρωτεύουσες στροφές, χρειαζόμαστε την κύρια αντίδραση έως και 4 φορές υψηλότερη από την αντίσταση εξόδου πηγής, έτσι 200 ​​Ω. Στην ελάχιστη συχνότητα λειτουργίας των 3MHz, ένας επαγωγέας 10.6uH έχει 200 ​​Ω αντίδρασης. Χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρονική αριθμομηχανή υπολογίζουμε ότι χρειαζόμαστε 2 στροφές καλωδίων στον πυρήνα για να πάρουμε 16uH, λίγο πάνω από 10.6uH, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, είναι καλύτερο να είναι μεγαλύτερο από το να είναι μικρότερο. 50 Ω έως 1500 Ω δίνει λόγο αντίστασης 30. Δεδομένου ότι ο λόγος στροφών είναι η τετραγωνική ρίζα του λόγου σύνθετης αντίστασης έχουμε περίπου 5,5, οπότε για κάθε πρωτεύουσα στροφή χρειαζόμαστε 5,5 δευτερεύουσες στροφές για να κάνουμε το 1500Ω στη δευτερεύουσα εμφάνιση όπως 50Ω έως η πηγή. Δεδομένου ότι έχουμε 2 στροφές στην κύρια, χρειαζόμαστε 2 * 5,5 στροφές στη δευτερεύουσα, δηλαδή 11 στροφές. Η διάμετρος του καλωδίου πρέπει να ακολουθεί το 3A / 1mm ² κανόνας (μέγιστο 3A που ρέει ανά τετραγωνικό χιλιοστό εμβαδού διατομής σύρματος).

Η αντιστοίχιση μετασχηματιστή χρησιμοποιείται συχνά σε φίλτρα ζώνης, για αντιστοίχιση κυκλωμάτων συντονισμού με χαμηλές σύνθετες αντίσταση κεραιών και αναμικτών. Όσο υψηλότερη είναι η αντίσταση φόρτωσης του κυκλώματος, τόσο χαμηλότερο είναι το εύρος ζώνης και τόσο υψηλότερο Q. Εάν συνδέσαμε ένα κύκλωμα συντονισμού απευθείας σε χαμηλή σύνθετη αντίσταση, το εύρος ζώνης θα ήταν πολύ συχνά πολύ μεγάλο για να είναι χρήσιμο. Το συντονιστικό κύκλωμα αποτελείται από το δευτερεύον L1 και τον πρώτο πυκνωτή 220 pF και τον πρωτεύοντα L2 και τον δεύτερο πυκνωτή 220 pF.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει μια αντιστοίχιση μετασχηματιστή που χρησιμοποιείται σε έναν ενισχυτή ισχύος ήχου σωλήνα κενού για να ταιριάζει με την αντίσταση εξόδου 3000 Ω του σωλήνα PL841 με ένα ηχείο 4 Ω. 1000 pF C67 αποτρέπει τον ήχο κλήσης σε υψηλότερες συχνότητες ήχου.

Αντιστοίχιση αυτόματου μετασχηματιστή για υπόλοιπο εμπέδησης

Το κύκλωμα αντιστοίχισης αυτόματου μετασχηματιστή είναι μια παραλλαγή του κυκλώματος αντιστοίχισης μετασχηματιστή, όπου οι δύο περιελίξεις συνδέονται μεταξύ τους το ένα πάνω στο άλλο. Χρησιμοποιείται συνήθως σε επαγωγείς φίλτρων IF, μαζί με την αντιστοίχιση μετασχηματιστή στη βάση, όπου χρησιμοποιείται για την αντιστοίχιση της χαμηλότερης σύνθετης αντίστασης του τρανζίστορ σε υψηλή αντίσταση που φορτώνει λιγότερο το κύκλωμα συντονισμού και επιτρέπει μικρότερο εύρος ζώνης και επομένως μεγαλύτερη επιλεκτικότητα. Η διαδικασία σχεδιασμού τους είναι πρακτικά η ίδια, με τον αριθμό στροφών στο πρωτεύον να είναι ίσος με τον αριθμό στροφών από τη βρύση του πηνίου στο "κρύο" ή το γειωμένο άκρο και ο αριθμός στροφών στο δευτερεύον να είναι ίσος με τον αριθμό στροφών μεταξύ της βρύσης και του "καυτού" άκρου ή του άκρου που συνδέεται με το φορτίο.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα κύκλωμα που ταιριάζει με αυτόματο μετασχηματιστή. Το C είναι προαιρετικό εάν χρησιμοποιείται θα πρέπει να είναι συντονισμένο με την επαγωγή του L στη συχνότητα χρήσης. Με αυτόν τον τρόπο το κύκλωμα παρέχει επίσης φιλτράρισμα.

Αυτή η εικόνα απεικονίζει μια αντιστοίχιση αυτόματου μετασχηματιστή και μετασχηματιστή που χρησιμοποιείται σε μετασχηματιστή IF. Η υψηλή αντίσταση του αυτόματου μετασχηματιστή συνδέεται με το C17, αυτός ο πυκνωτής σχηματίζει ένα συντονιστικό κύκλωμα με ολόκληρη την περιέλιξη. Δεδομένου ότι αυτός ο πυκνωτής συνδέεται στο άκρο υψηλής αντίστασης του αυτομετασχηματιστή, η αντίσταση που φορτώνει το συντονισμένο κύκλωμα είναι υψηλότερη, επομένως το κύκλωμα Q είναι μεγαλύτερο και το εύρος ζώνης IF μειώνεται, βελτιώνοντας την επιλεκτικότητα και την ευαισθησία. Ο συνδυασμός μετασχηματιστή συνδέει το ενισχυμένο σήμα με τη δίοδο.

Η αντιστοίχιση αυτόματου μετασχηματιστή που χρησιμοποιείται σε έναν ενισχυτή ισχύος τρανζίστορ, ταιριάζει με την αντίσταση εξόδου 12 Ω του τρανζίστορ με την κεραία 75 Ω. Το C55 συνδέεται παράλληλα με το άκρο υψηλής αντίστασης του αυτομετασχηματιστή σχηματίζει ένα κύκλωμα συντονισμού που φιλτράρει τις αρμονικές.