Ievads pretestības pielāgošanā un kā izmantot impedances saskaņošanas transformatoru

Ja esat RF dizaina inženieris vai kāds, kurš ir strādājis ar bezvadu radioaparātiem, terminam “ pretestības pielāgošana ” vajadzētu būt pārsteidzošam vairāk nekā vienu reizi. Šis termins ir izšķirošs, jo tas tieši ietekmē raidīšanas jaudu un tādējādi arī mūsu Radio moduļu diapazonu. Šī raksta mērķis ir palīdzēt jums saprast, kas ir pretestības pielāgošana no pamatiem, kā arī palīdzēt jums izveidot savas pretestības saskaņošanas shēmas, izmantojot visizplatītāko pretestības pārveidotāju. Tātad, ienirsim.

Kāda ir pretestības pretestība?

Īsāk sakot, pretestības pielāgošana nodrošina, ka viena posma, ko sauc par avotu, izejas pretestība ir vienāda ar nākamā posma ieejas pretestību, ko sauc par slodzi. Šī spēle ļauj maksimāli pārnest spēku un samazināt zaudējumus. Jūs varat viegli saprast šo jēdzienu, domājot par to kā par spuldzēm virknē ar strāvas avotu. Pirmā spuldze ir pirmās pakāpes izejas pretestība (piemēram, radio raidītājs), un otrā spuldze ir slodze vai, citiem vārdiem sakot, otrās spuldzes (piemēram, antenas) ieejas pretestība. Mēs vēlamies pārliecināties, ka slodzei tiek piegādāta vislielākā enerģija, mūsu gadījumā tas nozīmētu, ka visvairāk enerģijas tiek pārraidīta gaisā, lai radio staciju varētu dzirdēt arī tālāk. Šis maksimums jaudas pārnešana notiek, ja avota izejas pretestība ir vienāda ar slodzes ieejas pretestību, jo, ja izejas pretestība ir lielāka par slodzi, avotā tiek zaudēta lielāka jauda (pirmā spuldze spīd spožāk).

Stāvošo viļņu attiecība - pretestības atbilstības mērs

Mērījumu, ko izmanto, lai noteiktu divu posmu atbilstību, sauc par SWR (Standing Wave Ratio). Tas ir lielākās pretestības koeficients salīdzinājumā ar mazāko, 50 Ω raidītājs 200 Ω antenā dod 4 SWR, 75 Ω antena baro NE612 maisītāju (ieejas pretestība ir 1500 Ω) tieši SWR 20 A ideāli sakrīt, pieņemsim, ka 50 Ω antena un 50 Ω uztvērējs dod SWR 1.

Radio raidītājos SWR zem 1,5 tiek uzskatīti par pienācīgiem, un darbība, ja SWR ir virs 3, var izraisīt bojājumus jaudas izejas posma ierīču (vakuuma lampu vai tranzistoru) pārkaršanas dēļ. Saņemot lietojumprogrammas, augsts SWR neradīs bojājumus, bet tas padarīs uztvērēju mazāk jutīgu, jo saņemtais signāls tiks vājināts neatbilstības un no tā izrietošā enerģijas zuduma dēļ.

Tā kā lielākā daļa uztvērēju izmanto kāda veida ieejas joslas filtru, ieejas filtru var veidot tā, lai antenu pielāgotu uztvērēja ieejas pakāpei. Visiem radio raidītājiem ir izejas filtri, kurus izmanto, lai saskaņotu jaudas izejas pakāpi ar konkrēto pretestību (parasti 50 Ω). Dažiem raidītājiem ir iebūvēti antenas uztvērēji, kurus var izmantot raidītāja pielīdzināšanai antenai, ja antenas pretestība atšķiras no norādītā raidītāja izejas pretestības. Ja nav antenas uztvērēja, jāizmanto ārēja saskaņošanas shēma. Jaudas zudumu neatbilstības dēļ ir grūti aprēķināt, tāpēc tiek izmantoti īpaši kalkulatori vai SWR zudumu tabulas. Tipiska SWR zaudējumu tabula ir parādīta zemāk

Izmantojot SWR tabulu iepriekš, mēs varam aprēķināt jaudas zudumu un arī sprieguma zudumu. Spriegums tiek zaudēts neatbilstības dēļ, ja slodzes pretestība ir zemāka par avota pretestību, un strāva tiek zaudēta, ja slodzes pretestība ir augstāka par avotu.

Mūsu 50 Ω raidītājs ar 200 Ω antenu ar 4 SWR zaudēs aptuveni 36% no jaudas, tas nozīmē, ka antenai tiks piegādāta par 36% mazāk enerģijas nekā tad, ja antenai būtu 50 Ω pretestība. Zaudētā jauda galvenokārt tiks izkliedēta avotā, tas nozīmē, ja mūsu raidītājs izstādīs 100 W, 36 W tajā papildus tiks izvadīts kā siltums. Ja mūsu 50 Ω raidītājs būtu par 60% efektīvs, tas, izkliedējot 100 W 50 Ω antenā, izkliedētu 66 W. Savienojot ar 200 Ω antenu, tā izkliedēs papildu 36 W, tāpēc kopējā siltuma zudumu jauda raidītājā ir 102 W. Raidītājā izkliedētās jaudas pieaugums nenozīmē tikai to, ka antena neizdala pilnu jaudu bet var arī sabojāt mūsu raidītāju, jo tas izkliedē 102 W, nevis 66 W, tas bija paredzēts darbam.

75Ω antenas gadījumā, barojot NE612 IC 1500Ω ieeju, mūs uztrauc nevis tas, ka enerģija tiek zaudēta kā siltums, bet gan par paaugstinātu signāla līmeni, ko var sasniegt, izmantojot pretestības pielāgošanu. Pieņemsim, ka antenā tiek inducēts 13nW RF. Ar 75 Ω pretestību 13 nW dod 1 mV - mēs vēlamies to pielīdzināt mūsu 1500 Ω slodzei. Lai aprēķinātu izejas spriegumu pēc saskaņošanas ķēdes, mums jāzina pretestības attiecība, mūsu gadījumā, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Sprieguma attiecība (tāpat kā pagriezienu attiecība transformatoros) ir vienāda ar pretestības koeficienta kvadrātsakni, tātad √20≈8,7. Tas nozīmē, ka izejas spriegums būs 8,7 reizes lielāks, tātad vienāds ar 8,7 mV. Atbilstošās ķēdes darbojas kā transformatori.

Tā kā jauda, ​​kas nonāk saskaņošanas ķēdē, un jauda, ​​kas atstāj, ir vienāda (mīnus zaudējumi), izejas strāva būs mazāka par ieeju ar koeficientu 8,7, bet izejas spriegums būs lielāks. Ja mēs pielīdzinātu augstu pretestību zemai, mēs iegūtu zemāku spriegumu, bet lielāku strāvu.

Transformatoru atbilstība pretestībai

Lai pielāgotu pretestību, var izmantot īpašus transformatorus, ko sauc par pretestības pārveidotājiem. Transformatoru kā pretestības saskaņošanas ierīču galvenā priekšrocība ir tā, ka tiem ir platjosla, kas nozīmē, ka tie var strādāt ar plašu frekvenču diapazonu. Audio transformatoriem, kas izmanto lokšņu tērauda serdeņus, piemēram, tos, kurus izmanto vakuuma cauruļu pastiprinātāju ķēdēs, lai caurules augsto pretestību saskaņotu ar skaļruņa zemo pretestību, joslas platums ir no 20Hz līdz 20kHz, RF transformatori, kas izgatavoti, izmantojot ferītu vai pat gaisa serdes, var joslas platums ir no 1 MHz līdz 30 MHz.

Transformatorus var izmantot kā pretestības saskaņošanas ierīces, jo to pagriezienu attiecība maina pretestību, ko avots “redz”. Varat arī pārbaudīt šo transformatora raksta pamatu, ja transformatoros esat pilnīgi jauns. Ja mums ir transformators ar 1: 4 pagriezienu attiecību, tas nozīmē, ka, ja primārajam tiek piemērots 1 V maiņstrāvas, mums izvadē būtu 4 V maiņstrāva. Ja izejai pievienojam 4Ω rezistoru, sekundārajā virzienā plūst 1A strāvas, primārajā strāva ir vienāda ar sekundāro strāvu, kas reizināta ar pagrieziena koeficientu (dalīta, ja transformators bija pakāpeniska tipa, piemēram, elektrotīkls transformatori), tātad 1A * 4 = 4A. Ja mēs izmantojam Ω likumu, lai noteiktu pretestību, ko transformators uzrāda ķēdei, mums ir 1V / 4A = 0,25Ω, savukārt pēc saskaņošanas transformatora mēs pievienojām 4Ω slodzi. Impedīcijas attiecība ir no 0,25Ω līdz 4Ω vai arī 1:16. To var arī aprēķināt ar šoImpedances koeficienta formula:

(n _A / n _B) ² = r _i

kur n _A ir primāro pagriezienu skaits tinumā ar vairāk pagriezieniem, n _B ir tinuma pagriezienu skaits ar mazāk pagriezieniem un r _i ir pretestības attiecība. Tā notiek pretestības pielāgošana.

Ja mēs atkal izmantotu Ohma likumu, bet tagad, lai aprēķinātu jaudu, kas ieplūst primārajā, mums būtu 1V * 4A = 4W, sekundārajā - 4V * 1A = 4W. Tas nozīmē, ka mūsu aprēķini ir pareizi, ka transformatori un citas pretestības saskaņošanas shēmas nedod lielāku jaudu, nekā tiek barotas. Šeit nav brīvas enerģijas.

Kā izvēlēties pretestībai atbilstošu transformatoru

Transformatoru saskaņošanas ķēdi var izmantot, ja ir nepieciešama joslas caurlaides filtrēšana, tai vajadzētu būt rezonansei ar sekundārās induktivitāti lietošanas biežumā. Transformatoru kā impedances saskaņošanas ierīču galvenie parametri ir:

• Impedances koeficients vai biežāk noteikts pagriezienu koeficients (n)
• Primārā induktivitāte
• Sekundārā induktivitāte
• Primārā pretestība
• Sekundārā pretestība
• Pašrezonanses frekvence
• Minimālais darbības biežums
• Maksimālais darbības biežums
• Tinumu konfigurācija
• Gaisa spraugas klātbūtne un maks. Līdzstrāva
• Maks. jauda

Primārajiem pagriezienu skaitam vajadzētu būt pietiekamam, tāpēc transformatora primārajai tinumam ir reaktivitāte (tā ir spole), kas četras reizes pārsniedz avota izejas pretestību ar zemāko darbības frekvenci.

Sekundāro pagriezienu skaits ir vienāds ar primārā pagriezienu skaitu, dalīts ar pretestības koeficienta kvadrātsakni.

Mums arī jāzina, kādu kodola tipu un izmēru izmantot, dažādi serdeņi labi darbojas dažādās frekvencēs, ārpus kurām tiem ir zaudējumi.

Kodola lielums ir atkarīgs no jaudas, kas plūst caur serdi, jo katram kodolam ir zaudējumi, un lielāki serdeņi var labāk izkliedēt šos zaudējumus un tik viegli nerādīt magnētisko piesātinājumu un citas nevēlamas lietas.

Gaisa sprauga ir nepieciešama, ja līdzstrāvas strāva plūst cauri jebkuram transformatora tinumam, ja izmantotā serde ir izgatavota no tērauda laminējumiem, piemēram, tīkla transformatorā.

Transformatoru saskaņošanas shēmas - piemērs

Piemēram, mums ir nepieciešams transformators, lai uztvērējā 50 Ω avotu saskaņotu ar 1500 Ω slodzi frekvenču diapazonā no 3MHz līdz 30MHz. Vispirms mums jāzina, kāds kodols mums būtu vajadzīgs, jo tas ir uztvērējs, caur transformatoru plūst ļoti maz enerģijas, tāpēc serdeņa izmērs var būt mazs. Labs kodols šajā lietojumprogrammā būtu FT50-75. Pēc ražotāja domām, tā frekvenču diapazons ir platjoslas transformators no 1MHz līdz 50MHz, kas ir pietiekami labs šai lietojumprogrammai.

Tagad mums jāaprēķina primārie pagriezieni, mums primārā reaktivitāte ir 4 reizes lielāka nekā avota izejas pretestība, tātad 200 Ω. Pie minimālās darbības frekvences 3MHz induktoram 10,6uH ir 200 Ω reaktivitāte. Izmantojot tiešsaistes kalkulatoru, mēs aprēķinām, ka mums ir nepieciešami 2 stieples pagriezieni uz kodola, lai iegūtu 16uH, mazliet virs 10,6uH, taču šajā gadījumā labāk, lai tas būtu lielāks nekā mazāks. 50 Ω līdz 1500 Ω dod pretestības koeficientu 30. Tā kā pagriezienu attiecība ir pretestības koeficienta kvadrātsakne, mēs iegūstam ap 5,5, tāpēc katram primārajam pagriezienam mums ir nepieciešami 5,5 sekundāri pagriezieni, lai 1500 Ω pie sekundārā izskatās kā 50Ω līdz Avots. Tā kā mums ir 2 pagriezieni uz primāro, mums ir vajadzīgi 2 * 5,5 pagriezieni uz sekundāro, tas ir, 11 pagriezieni. Vada diametram jāatbilst 3A / 1mm ² noteikums (maksimums 3A, kas plūst uz katru kvadrātveida milimetru stieples šķērsgriezuma laukuma).

Transformatoru atbilstību bieži izmanto joslas filtros, lai rezonanses ķēdes saskaņotu ar zemām antenu un maisītāju pretestībām. Jo lielāka pretestība ielādē ķēdi, jo mazāks joslas platums un lielāka Q. Ja mēs savienotu rezonanses ķēdi tieši ar zemu pretestību, joslas platums bieži būtu pārāk liels, lai būtu noderīgs. Rezonanses ķēde sastāv no L1 sekundārā un pirmā 220 pF kondensatora un L2 primārā un otrā 220 pF kondensatora.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts transformatora savietojums, ko izmanto vakuuma caurules audio jaudas pastiprinātājā, lai saskaņotu PL841 caurules 3000 Ω izejas pretestību ar 4 Ω skaļruni. 1000 pF C67 novērš zvanu augstākās audio frekvencēs.

Autotransformatoru atbilstība pretestības līdzsvaram

Autotransformatora saskaņošanas ķēde ir transformatora saskaņošanas ķēdes variants, kur abi tinumi ir savienoti viens ar otru. To parasti izmanto IF filtru induktoros kopā ar transformatora pielāgošanu pamatnei, kur to izmanto, lai saskaņotu tranzistora zemāko pretestību ar augstu pretestību, kas mazāk noslogo regulēšanas ķēdi un ļauj mazāku joslas platumu un līdz ar to lielāku selektivitāti. To projektēšanas process ir praktiski vienāds, primārā pagriezienu skaits ir vienāds ar pagriezienu skaitu no spoles krāna līdz “aukstajam” vai iezemētajam galam, un sekundārā pagriezienu skaits ir vienāds ar pagriezienu skaits starp krānu un “karsto” galu vai galu, kas savienots ar slodzi.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīta Autotransformatora saskaņošanas shēma. C nav obligāts, ja to lieto, tam vajadzētu būt rezonanse ar L induktivitāti lietošanas biežumā. Tādā veidā ķēde nodrošina arī filtrēšanu.

Šis attēls ilustrē Autotransformatoru un transformatoru atbilstību, ko izmanto IF transformatorā. Autotransformatora augstā pretestība savienojas ar C17, šis kondensators ar visu tinumu veido rezonanses ķēdi. Tā kā šis kondensators savienojas ar autotransformatora augsto pretestības galu, noregulētās ķēdes slodze ir lielāka, tāpēc Q ķēde ir lielāka un IF joslas platums ir samazināts, uzlabojot selektivitāti un jutīgumu. Transformatoru saskaņošana savieno pastiprināto signālu ar diode.

A

Autotransformatora pielāgošana, ko izmanto tranzistora jaudas pastiprinātājā, tā atbilst tranzistora 12 Ω izejas pretestībai 75 Ω antenai. C55 ir savienots paralēli autotransformatora augstās pretestības galam un veido rezonanses ķēdi, kas filtrē harmonikas.