- Què és la coincidència d’impedància?
- Relació d’ones estacionàries: mesura de la concordança d’impedància
- Transformadors que coincideixen amb la impedància
- Com seleccionar un transformador de coincidència d’impedància
- Circuits de concordança de transformadors: exemple
- Coincidència d’autotransformadors per al saldo d’impedància
Si sou un enginyer de disseny de RF o qualsevol persona que hagi treballat amb ràdios sense fils, el terme “ coincidència d’impedància ” us hauria d’haver impactat més d’una vegada. El terme és crucial perquè afecta directament la potència de transmissió i, per tant, l’abast dels nostres mòduls de ràdio. Aquest article té com a objectiu ajudar-vos a entendre què és el bàsic de la coincidència d’impedància i també us ajudarà a dissenyar els vostres propis circuits de concordança d’impedància mitjançant un transformador de coincidència d’impedància, que és el mètode més comú. Per tant, anem a submergir-nos.
Què és la coincidència d’impedància?
En resum, la coincidència d’impedància s’assegura que la impedància de sortida d’una etapa, anomenada font, sigui igual a la impedància d’entrada de la següent etapa, anomenada càrrega. Aquesta coincidència permet la màxima transferència de potència i la mínima pèrdua. Podeu entendre aquest concepte fàcilment pensant-hi com a bombetes en sèrie amb una font d’energia. La primera bombeta és la impedància de sortida de la primera etapa (un transmissor de ràdio, per exemple) i la segona bombeta és la càrrega, o dit d’una altra manera, la impedància d’entrada de la segona bombeta (una antena, per exemple). Volem assegurar-nos que la màxima potència es lliura a la càrrega, en el nostre cas, això significaria que la major potència es transmet a l’aire de manera que es pugui escoltar una emissora de ràdio des de més lluny. Aquest màxim la transferència de potència es produeix quan la impedància de sortida de la font és igual a la impedància d’entrada de la càrrega perquè si la impedància de sortida és més gran que la càrrega es perd més potència a la font (la primera bombeta brilla més).
Relació d’ones estacionàries: mesura de la concordança d’impedància
Una mesura que s’utilitza per definir la combinació de dues etapes s’anomena SWR (Standing Wave Ratio). És la proporció de la impedància més gran en comparació amb la menor, un transmissor de 50 Ω en una antena de 200 Ω dóna 4 SWR, una antena de 75 Ω que alimenta un mesclador NE612 (la impedància d’entrada és de 1500 Ω) directament un SWR de 20. coincideix perfectament, diguem que una antena de 50 Ω i un receptor de 50 Ω dóna un SWR d’1.
En els transmissors de ràdio, els SWR inferiors a 1,5 es consideren dignes i el funcionament quan SWR és superior a 3 pot provocar danys a causa del sobreescalfament dels dispositius de fase de potència de sortida (tubs de buit o transistors). En rebre aplicacions, el SWR elevat no causarà danys, però farà que el receptor sigui menys sensible perquè el senyal rebut s’atenuarà a causa del desajustament i la consegüent pèrdua d’alimentació.
Com que la majoria dels receptors utilitzen alguna forma de filtre de pas de banda d’entrada, el filtre d’entrada es pot dissenyar per fer coincidir l’antena amb l’etapa d’entrada del receptor. Tots els transmissors de ràdio tenen filtres de sortida que s’utilitzen per fer coincidir l’etapa de sortida de potència amb la impedància específica (normalment 50 Ω). Alguns transmissors tenen sintonitzadors d'antena integrats que es poden utilitzar per fer coincidir el transmissor amb l'antena si la impedància de l'antena és diferent de la impedància de sortida del transmissor especificat. Si no hi ha sintonitzador d'antena, s'ha d'utilitzar un circuit de coincidència extern. És difícil de calcular la pèrdua de potència deguda al desajustament, de manera que s’utilitzen calculadores especials o taules de pèrdues SWR. A continuació es mostra una taula de pèrdues SWR típica
Mitjançant la taula SWR anterior, podem calcular la pèrdua de potència i també la pèrdua de tensió. Es perd la tensió a causa d'un desajustament quan la impedància de càrrega és inferior a la impedància de la font i el corrent es perd quan la impedància de càrrega és superior a la font.
El nostre transmissor de 50 Ω amb una antena de 200 Ω amb 4 SWR perdrà aproximadament el 36% de la seva potència, el que significa que es lliurarà un 36% menys de potència a l’antena en comparació amb si l’antena tenia una impedància de 50 Ω. La potència perduda es dissiparà majoritàriament a la font, és a dir, si el nostre transmissor emet 100W, 36W també es dissiparan com a calor. Si el nostre transmissor de 50 Ω fos un 60% eficient, dissiparia 66 W en transmetre 100 W a una antena de 50 Ω. Quan es connecta a l’antena de 200 Ω, dissiparà 36 W addicionals, de manera que la potència total perduda com a calor al transmissor és de 102 W. L’augment de potència dissipat al transmissor no només significa que l’antena no emet tota la potència. però també pot causar danys al nostre transmissor, ja que dissipa 102 W en lloc de 66W, va ser dissenyat per funcionar.
En el cas d’una antena de 75 Ω, que alimenta l’entrada de 1500 Ω del NE612 IC, no ens preocupa que es perdi energia com a calor, sinó l’augment del nivell de senyal que es pot aconseguir mitjançant l’ús de la impedància. Diguem que a l'antena s'indueix 13nW de RF. Amb una impedància de 75 Ω, 13 nW dóna 1 mV; volem fer-ho coincidir amb la nostra càrrega de 1500 Ω. Per calcular la tensió de sortida després del circuit coincident, hem de conèixer la relació d’impedància, en el nostre cas, 1500 Ω / 75 Ω = 20. La relació de tensió (com la relació de girs en transformadors) és igual a l’arrel quadrada de la relació d’impedància, de manera que √20≈8.7. Això significa que la tensió de sortida serà 8,7 vegades més gran, de manera que serà igual a 8,7 mV. Els circuits coincidents actuen com transformadors.
Com que la potència que entra al circuit coincident i la sortida de potència són les mateixes (pèrdua menys), el corrent de sortida serà inferior a l’entrada per un factor de 8,7, però el voltatge de sortida serà més gran. Si coincidíssim amb una impedància elevada a una baixa obtindríem una tensió més baixa però un corrent més alt.
Transformadors que coincideixen amb la impedància
Els transformadors especials anomenats Impedance Matching Transformers es poden utilitzar per fer coincidir la impedància. El principal avantatge dels transformadors com a dispositius de concordança d’impedància és que tenen banda ampla, és a dir, que poden treballar amb una àmplia gamma de freqüències. Els transformadors d’àudio que utilitzen nuclis de xapa d’acer, com els que s’utilitzen en circuits amplificadors de tubs de buit per fer coincidir l’alta impedància del tub amb la baixa impedància de l’altaveu, tenen un ample de banda de 20Hz a 20kHz, els transformadors de RF fabricats amb ferrita o fins i tot nuclis d’aire poden tenen amplades de banda d’1 MHz-30 MHz.
Els transformadors es poden utilitzar com a dispositius de concordança d’impedància, a causa de la seva relació de girs que canvia la impedància que “veu” la font. També podeu consultar aquesta informació bàsica de l'article sobre transformadors si sou completament nou als transformadors. Si tenim un transformador amb una relació de 1: 4 voltes, això vol dir que si s’aplica 1V de CA a la primària, tindríem 4V de CA a la sortida. Si afegim una resistència de 4 Ω a la sortida, 1A de corrent fluirà a la secundària, el corrent a la primària és igual al corrent secundari multiplicat per la relació de torn (dividida si el transformador era de tipus descens, com la xarxa elèctrica transformadors), de manera que 1A * 4 = 4A. Si utilitzem la llei d’Ω per determinar la impedància que presenta el transformador al circuit, tenim 1V / 4A = 0,25Ω, mentre connectem una càrrega de 4Ω després del transformador coincident. La relació d’impedància és de 0,25 Ω a 4 Ω o també 1:16. També es pot calcular amb aixòFórmula de la proporció d’impedància:
(n A / n B) ² = r i
on n A és el nombre de voltes primàries del bobinatge amb més voltes, n B és el nombre de voltes del bobinatge amb menys voltes i r i és la relació d’impedància. Així succeeix la concordança d’impedància.
Si tornéssim a utilitzar la llei d’Ohms, però ara per calcular la potència que desemboca a la primària tindríem 1V * 4A = 4W, a la secundària tindríem 4V * 1A = 4W. Això vol dir que els nostres càlculs són correctes, que els transformadors i altres circuits de concordança d’impedància no donen més potència de la que s’alimenten. Aquí no hi ha energia gratuïta.
Com seleccionar un transformador de coincidència d’impedància
El circuit de concordança del transformador es pot utilitzar quan es necessita un filtratge de pas de banda, ha de ser ressonant amb la inductància del secundari a la freqüència d'ús. Els principals paràmetres dels transformadors com a dispositius de concordança d’impedància són:
- Ràtio d’impedància o ràtio de girs més habitual (n)
- Inductància primària
- Inductància secundària
- Impedància primària
- Impedància secundària
- Freqüència d’auto-ressonància
- Freqüència mínima de funcionament
- Freqüència màxima de funcionament
- Configuració de bobinatge
- Presència de bretxa i màx. Corrent continu
- Màx. poder
El nombre de girs primaris hauria de ser suficient, de manera que el bobinatge primari del transformador té reactància (és una bobina) quatre vegades la impedància de sortida de la font a la freqüència de funcionament més baixa.
El nombre de voltes secundàries és igual al nombre de voltes del primari, dividit per l’arrel quadrada de la proporció d’impedància.
També hem de saber quin tipus de nucli i quina mida s’utilitzen, els diferents nuclis funcionen bé en diferents freqüències, fora de les quals presenten pèrdues.
La mida del nucli depèn de la potència que flueix pel nucli, ja que cada nucli presenta pèrdues i els nuclis més grans poden dissipar aquestes pèrdues millor i no presenten saturació magnètica i altres coses no desitjades amb tanta facilitat.
Es requereix un buit d'aire quan un corrent de CC passarà per qualsevol bobinatge del transformador si el nucli utilitzat està format per laminacions d'acer, com en un transformador de xarxa.
Circuits de concordança de transformadors: exemple
Per exemple, necessitem un transformador que faci coincidir una font de 50 Ω amb una càrrega de 1500 Ω en el rang de freqüències de 3 MHz a 30 MHz en un receptor. Primer hem de saber quin nucli necessitaríem, ja que es tracta d’un receptor que flueix molt poca potència pel transformador, de manera que la mida del nucli pot ser petita. Un bon nucli d’aquesta aplicació seria el FT50-75. Segons el fabricant, el seu rang de freqüència ja que un transformador de banda ampla és d’1 MHz a 50 MHz, prou bo per a aquesta aplicació.
Ara hem de calcular els girs primaris, necessitem que la reactància primària sigui 4 vegades superior a la impedància de sortida de la font, de manera que 200 Ω. A la freqüència mínima de funcionament de 3 MHz, un inductor de 10,6 uH té 200 Ω de reactància. Mitjançant una calculadora en línia calculem que necessitem 2 voltes de fil al nucli per aconseguir 16 uH, una mica per sobre de 10,6 uH, però en aquest cas, és millor que sigui més gran que petit. 50 Ω a 1500 Ω dóna una proporció d’impedància de 30. Com que la relació de girs és l’arrel quadrada de la relació d’impedància obtenim al voltant de 5,5, de manera que per a cada volta primària necessitem 5,5 girs secundaris per fer que el 1500Ω a la secundària sembli 50Ω a la font. Com que tenim 2 voltes a la primària necessitem 2 * 5,5 voltes a la secundària, és a dir, 11 voltes. El diàmetre del cable ha de seguir el 3A / 1mm 2 regla (màxim de 3A que flueix per cada mil·límetre quadrat de secció de filferro).
La concordança de transformadors s’utilitza sovint en filtres de pas de banda, per fer coincidir circuits ressonants amb impedàncies baixes d’antenes i mescladors. Com més gran sigui la impedància de càrrega del circuit, menor serà l’amplada de banda i més gran serà Q. Si connectéssim un circuit ressonant directament a una impedància baixa, l’amplada de banda seria sovint massa gran per ser útil. El circuit ressonant està format pel secundari de L1 i el primer condensador de 220 pF i el primari de L2 i el segon condensador de 220 pF.
La imatge anterior mostra una combinació de transformadors utilitzada en un amplificador de potència d'àudio per a tubs de buit per fer coincidir la impedància de sortida de 3000 Ω del tub PL841 amb un altaveu de 4 Ω. 1000 pF C67 impedeix sonar a freqüències d’àudio més altes.
Coincidència d’autotransformadors per al saldo d’impedància
El circuit d’adaptació d’autotransformadors és una variant del circuit d’adaptació del transformador, on els dos bobinatges estan connectats entre si. S’utilitza habitualment en els inductors de filtre IF, juntament amb els transformadors que coincideixen amb la base, on s’utilitza per fer coincidir la impedància més baixa del transistor amb una alta impedància que carrega menys el circuit de sintonització i permet un ample de banda menor i, per tant, una major selectivitat. El procés per dissenyar-los és pràcticament el mateix, sent el nombre de voltes de la primària igual al nombre de voltes des de l’aixeta de la bobina fins a l’extrem “fred” o a terra i el nombre de voltes de la secundària és igual a el nombre de voltes entre l'aixeta i l'extrem "calent" o l'extrem que està connectat a la càrrega.
La imatge superior mostra un circuit de coincidència amb autotransformador. C és opcional si s’utilitza, hauria de ressonar amb la inductància de L a la freqüència d’ús. D'aquesta manera, el circuit també proporciona filtratge.
Aquesta imatge il·lustra un coincidència de transformador i autotransformador que s’utilitza en un transformador IF. L’alta impedància de l’autotransformador es connecta a C17, aquest condensador forma un circuit ressonant amb tota la bobina. Atès que aquest condensador es connecta a l’extrem d’alta impedància de l’autotransformador, la resistència de càrrega del circuit sintonitzat és més gran, per tant, el circuit Q és més gran i l’amplada de banda IF es redueix, millorant la selectivitat i la sensibilitat. La combinació de transformadors acopla el senyal amplificat al díode.
La combinació d’autotransformadors que s’utilitza en un amplificador de potència de transistor, fa coincidir la impedància de sortida de 12 Ω del transistor amb l’antena de 75 Ω. C55 està connectat en paral·lel a l’extrem d’alta impedància de l’autotransformador i forma un circuit ressonant que filtra els harmònics.