- Empedans Eşleşmesi nedir?
- Daimi Dalga Oranı - Empedans Uyum Ölçümü
- Empedans Eşleştirme Transformatörleri
- Empedans Eşleştirme Trafosu nasıl seçilir
- Transformatör Eşleştirme Devreleri - Örnek
- Empedans dengesi için otomatik dönüştürücü eşleştirme
Bir RF Tasarım Mühendisiyseniz veya Kablosuz Telsizlerle çalışan herhangi biriyseniz, " Empedans Eşleştirme " terimi sizi birden fazla kez etkilemiş olmalıdır. Bu terim çok önemlidir çünkü iletim gücünü ve dolayısıyla Radyo modüllerimizin menzilini doğrudan etkiler. Bu makale, Empedans Eşleştirmenin temel bilgilerden ne olduğunu anlamanıza yardımcı olmayı amaçlamaktadır ve ayrıca en yaygın yöntem olan bir Empedans Eşleştirme Transformatörü kullanarak kendi empedans eşleştirme devrelerinizi tasarlamanıza yardımcı olacaktır. Öyleyse, içeri girelim.
Empedans Eşleşmesi nedir?
Kısacası, Empedans uyumu , kaynak olarak adlandırılan bir kademenin çıkış empedansının, yük olarak adlandırılan sonraki aşamanın giriş empedansına eşit olmasını sağlar. Bu eşleşme, maksimum güç aktarımı ve minimum kayba izin verir. Bir güç kaynağı ile seri halde ampuller gibi düşünerek bu kavramı kolayca anlayabilirsiniz. Birinci ampul, birinci aşama (örneğin bir radyo vericisi) için çıkış empedansıdır ve ikinci ampul, yük veya başka bir deyişle ikinci ampulün (örneğin bir anten) giriş empedansıdır. Yüke en fazla gücün verildiğinden emin olmak istiyoruz, bizim durumumuzda bu, en fazla gücün havaya iletildiği anlamına gelir, böylece bir radyo istasyonu daha uzaktan duyulabilir. Bu maksimum Güç aktarımı, kaynağın çıkış empedansı yükün giriş empedansına eşit olduğunda gerçekleşir çünkü çıkış empedansı yükten daha büyükse, kaynakta daha fazla güç kaybı olur (ilk ampul daha parlak yanar).
Daimi Dalga Oranı - Empedans Uyum Ölçümü
İki aşamanın ne kadar iyi eşleştiğini tanımlamak için kullanılan bir ölçüme SWR (Durağan Dalga Oranı) denir . Daha küçük olana kıyasla daha büyük empedansın oranıdır, 50 vericinin 200 antene 4 SWR verir, 75 Ω anten bir NE612 mikseri besler (giriş empedansı 1500 Ω) doğrudan 20 SWR verir. mükemmel eşleşme, diyelim ki 50 Ω anten ve 50 alıcı 1 SWR veriyor.
Radyo vericilerinde, 1,5'in altındaki SWR'ler uygun kabul edilir ve SWR 3'ün üzerinde olduğunda çalışma, güç çıkış aşaması cihazlarının (vakum tüpleri veya transistörler) aşırı ısınması nedeniyle hasara neden olabilir. Uygulamaların alınmasında, yüksek SWR hasara neden olmaz, ancak alıcıyı daha az hassas hale getirir çünkü alınan sinyal uyumsuzluk ve buna bağlı güç kaybı nedeniyle zayıflayacaktır.
Çoğu alıcı, bir çeşit giriş bant geçiren filtre kullandığından, giriş filtresi, anteni alıcının giriş aşamasına uyacak şekilde tasarlanabilir. Tüm radyo vericilerinde, güç çıkış aşamasını belirli empedansla (genellikle 50 Ω) eşleştirmek için kullanılan çıkış filtreleri bulunur. Bazı vericiler, antenin empedansının belirtilen vericinin çıkış empedansından farklı olması durumunda vericiyi antenle eşleştirmek için kullanılabilen yerleşik anten ayarlayıcılarına sahiptir. Anten alıcısı yoksa, harici bir eşleştirme devresi kullanılmalıdır. Uyumsuzluktan kaynaklanan güç kaybının hesaplanması zordur, bu nedenle özel hesap makineleri veya SWR kayıp tabloları kullanılır. Tipik bir SWR kaybı tablosu aşağıda gösterilmiştir
Yukarıdaki SWR tablosunu kullanarak güç kaybını ve ayrıca voltaj kaybını hesaplayabiliriz. Yük empedansı kaynak empedansından düşük olduğunda uyumsuzluğa bağlı olarak voltaj, yük empedansı kaynaktan yüksek olduğunda akım kaybedilir.
4 SWR'li 200 Ω antenli 50 Ω vericimiz gücünün yaklaşık% 36'sını kaybeder, bu da antenin 50 Ω empedanslı olmasına kıyasla antene% 36 daha az güç iletileceği anlamına gelir. Kaybedilen güç çoğunlukla kaynakta dağıtılacak, yani vericimiz 100W veriyorsa, 36W ek olarak ısı olarak dağıtılacaktır. 50 Ω vericimiz% 60 verimli olsaydı, 100 W'ı 50 antene iletirken 66 W dağıtırdı. 200 Ω antene bağlandığında, ek 36 W dağıtır, böylece vericide ısı nedeniyle kaybedilen toplam güç 102 W olur. Vericide dağıtılan gücün artışı, yalnızca anten tarafından tam gücün yayılmadığı anlamına gelmez. ama aynı zamanda vericimize zarar verme riski de taşıyor çünkü 66W yerine 102 W dağıtıyor, birlikte çalışmak üzere tasarlandı.
NE612 IC'nin 1500Ω girişini besleyen 75Ω anten durumunda, gücün ısı olarak kaybedilmesi değil, empedans eşleştirmesinin kullanılmasıyla elde edilebilecek artan sinyal seviyesi ile ilgileniyoruz. Diyelim ki antende 13nW RF indüklendi. 75 Ω empedansla 13nW 1 mV verir - bunu 1500 Ω yükümüzle eşleştirmek istiyoruz. Eşleşen devreden sonra çıkış voltajını hesaplamak için, bizim durumumuzda 1500 Ω / 75 Ω = 20 olan empedans oranını bilmemiz gerekir. Gerilim oranı (transformatörlerde dönüş oranı gibi) empedans oranının kareköküne eşittir, yani √20≈8.7. Bu, çıkış voltajının 8,7 kat daha büyük olacağı ve bu nedenle 8,7 mV'ye eşit olacağı anlamına gelir. Eşleşen devreler transformatör gibi davranır.
Eşleşen devreye giren güç ile çıkış gücü aynı olduğundan (eksi kayıp), çıkış akımı giriş akımından 8,7 kat daha düşük olacak, ancak çıkış voltajı daha büyük olacaktır. Yüksek bir empedansı düşük bir empedansla eşleştirirsek, daha düşük voltaj ama daha yüksek akım elde ederiz.
Empedans Eşleştirme Transformatörleri
Empedans Eşleştirme Transformatörleri adı verilen özel Transformatörler, empedansı eşleştirmek için kullanılabilir. Empedans eşleştirme cihazları olarak transformatörlerin temel avantajı, geniş banda sahip olmaları, yani geniş bir frekans aralığı ile çalışabilmeleridir. Tüpün yüksek empedansını hoparlörün düşük empedansıyla eşleştirmek için vakum tüplü amplifikatör devrelerinde kullanılanlar gibi çelik sac çekirdekler kullanan ses transformatörleri, 20 Hz ila 20 kHz bant genişliğine sahiptir, ferrit veya hatta hava çekirdekleri kullanılarak yapılan RF transformatörleri 1MHz-30MHz bant genişliğine sahip.
Transformatörler, kaynağın "gördüğü" empedansı değiştiren dönüş oranlarından dolayı empedans eşleştirme cihazları olarak kullanılabilir. Transformatörlerde tamamen yeniyseniz, transformatör makalesinin bu temelini de kontrol edebilirsiniz. 1: 4 dönüş oranına sahip bir transformatörümüz varsa, bu, primere 1V AC uygulanırsa, çıkışta 4V AC olacağı anlamına gelir. Çıkışa 4Ω direnç eklersek, 1A akım sekonderde akar, primerdeki akım, dönüş oranı ile çarpılan sekonder akıma eşittir (transformatör şebeke gibi bir aşağı inme tipindeyse bölünür. transformatörler), yani 1A * 4 = 4A. Transformatörün devreye sunduğu empedansı belirlemek için Ω yasasını kullanırsak, 1V / 4A = 0.25Ω olurken, eşleşen trafodan sonra 4Ω yük bağlarız. Empedans oranı 0.25Ω ila 4Ω veya ayrıca 1'dir:16. Bununla da hesaplanabilirEmpedans Oranı formülü:
(n A / n B) ² = r ben
burada, n, bir daha dönüşler sarma birincil sarım sayısı, n, B daha az dönüş sarım üzerindeki dönü sayısı ve r ı empedans oranıdır. Empedans uyumu bu şekilde gerçekleşir.
Ohm yasasını tekrar kullanırsak, ancak şimdi birincil olana akan gücü hesaplamak için 1V * 4A = 4W, ikincilde 4V * 1A = 4W olur. Bu, hesaplamalarımızın doğru olduğu, transformatörlerin ve diğer empedans eşleştirme devrelerinin beslendiklerinden daha fazla güç vermediği anlamına gelir. Burada bedava enerji yok.
Empedans Eşleştirme Trafosu nasıl seçilir
Transformatör eşleştirme devresi bant geçiren filtreleme gerektiğinde kullanılabilir, kullanım sıklığında sekonder endüktansı ile rezonans olmalıdır. Transformatörlerin empedans eşleştirme cihazları olarak ana parametreleri şunlardır:
- Empedans oranı veya daha yaygın olarak belirtilen dönüş oranı (n)
- Birincil endüktans
- İkincil endüktans
- Birincil empedans
- İkincil empedans
- Kendinden rezonans frekansı
- Minimum çalışma sıklığı
- Maksimum çalışma frekansı
- Sargı konfigürasyonu
- Hava boşluğu varlığı ve maks. DC akımı
- Maks. Alan sayısı güç
Birincil dönüş sayısı yeterli olmalıdır, bu nedenle transformatörün birincil sargısı, en düşük çalışma frekansında kaynağın çıkış empedansının dört katı reaktansa (bir bobindir) sahiptir.
İkincil dönüş sayısı, birincil üzerindeki dönüş sayısının empedans oranının kareköküne bölünmesine eşittir.
Ayrıca hangi çekirdek tipinin ve boyutunun kullanılacağını bilmemiz gerekir, farklı çekirdekler farklı frekanslarda iyi çalışır ve bunların dışında kayıp gösterirler.
Çekirdek boyutu, her bir çekirdek kayıplar sergilediğinden ve daha büyük çekirdekler bu kayıpları daha iyi dağıtabildiğinden ve manyetik doygunluğu ve diğer istenmeyen şeyleri kolayca sergilemediğinden, çekirdekten geçen güce bağlıdır.
Kullanılan çekirdek bir şebeke transformatöründe olduğu gibi çelik laminasyonlardan yapılmışsa, bir DC akımının transformatördeki herhangi bir sargıdan geçmesi durumunda bir hava boşluğu gereklidir.
Transformatör Eşleştirme Devreleri - Örnek
Örneğin, bir alıcıda 50 kaynağı 3 MHz ila 30 MHz frekans aralığında 1500 yük ile eşleştirmek için bir transformatöre ihtiyacımız var. İlk önce hangi çekirdeğe ihtiyacımız olduğunu bilmemiz gerekiyor, çünkü bu bir alıcıdır, transformatörden çok az güç geçecektir, bu nedenle çekirdek boyutu küçük olabilir. Bu uygulamadaki iyi bir çekirdek FT50-75 olacaktır. Üreticiye göre, geniş bantlı bir transformatör olarak frekans aralığı, bu uygulama için yeterince iyi olan 1 MHz ila 50 MHz arasındadır.
Şimdi birincil dönüşleri hesaplamamız gerekiyor, birincil reaktansın kaynak çıkış empedansından 4 kat daha yüksek olması gerekiyor, yani 200 Ω. Minimum 3MHz çalışma frekansında, 10.6uH'lik bir indüktör 200 Ω reaktansa sahiptir. Çevrimiçi bir hesap makinesi kullanarak, 16uH'yi 10.6uH'nin biraz üstüne çıkarmak için çekirdekte 2 tur tele ihtiyacımız olduğunu hesaplıyoruz, ancak bu durumda, daha küçük olmaktan daha büyük olması daha iyidir. 50 Ω ila 1500 Ω, 30'luk bir empedans oranı verir. Dönüş oranı, empedans oranının karekökü olduğundan, yaklaşık 5.5 elde ederiz, bu nedenle her birincil dönüş için, 1500Ω'yi ikincilde 50Ω ila 50Ω gibi göstermek için 5.5 ikincil dönüşlere ihtiyacımız var. kaynak. Birincilde 2 turumuz olduğu için ikincilde 2 * 5.5 dönüşe ihtiyacımız var, yani 11 tur. Telin çapı 3A / 1mm 2'yi takip etmelidir kural (her milimetre kare tel kesit alanı için maksimum 3A akış).
Transformatör eşleştirme, rezonans devrelerini antenlerin ve mikserlerin düşük empedanslarıyla eşleştirmek için genellikle bant geçiren filtrelerde kullanılır. Devreyi yükleyen empedans ne kadar yüksek olursa, bant genişliği o kadar düşük ve Q da o kadar yüksek olur. Bir rezonans devresini doğrudan düşük bir empedansa bağlarsak, bant genişliği çoğu zaman kullanışlı olamayacak kadar büyük olur. Rezonans devresi, L1'in sekonderini ve ilk 220 pF kapasitörünü ve L2'nin birincilini ve ikinci 220 pF kapasitörünü içerir.
Yukarıdaki görüntü, PL841 tüpünün 3000 Ω çıkış empedansını 4 Ω hoparlöre uydurmak için vakum tüplü ses güç amplifikatöründe kullanılan bir Transformatör eşleşmesini göstermektedir. 1000 pF C67, daha yüksek ses frekanslarında çalmayı engeller.
Empedans dengesi için otomatik dönüştürücü eşleştirme
Otomatik transformatör eşleştirme devresi, iki sargının birbirinin üzerine bağlandığı transformatör eşleştirme devresinin bir çeşididir. Transistörün düşük empedansını, ayarlama devresini daha az yükleyen ve daha küçük bant genişliğine ve dolayısıyla daha fazla seçiciliğe izin veren yüksek bir empedansla eşleştirmek için kullanıldığı, tabana uygun trafo ile birlikte IF filtre indüktörlerinde yaygın olarak kullanılır. Bunları tasarlama süreci pratik olarak aynıdır, birincil açılma sayısı bobinin musluktan "soğuk" veya topraklanmış uca dönüş sayısına eşittir ve ikincil üzerindeki dönüş sayısı şuna eşittir: Musluk ile "sıcak" uç veya yüke bağlı uç arasındaki dönüş sayısı.
Yukarıdaki görüntü bir Otomatik transformatör eşleştirme devresini göstermektedir. Kullanılırsa C isteğe bağlıdır, kullanım sıklığında L'nin endüktansı ile rezonans olmalıdır. Bu şekilde devre aynı zamanda filtreleme sağlar.
Bu görüntü, bir IF transformatöründe kullanılan bir Ototransformatör ve transformatör eşleşmesini göstermektedir. Ototransformatörün yüksek empedansı C17'ye bağlanır, bu kondansatör tüm sargı ile bir rezonans devresi oluşturur. Bu kapasitör, ototransformatörün yüksek empedans ucuna bağlandığından, ayarlanmış devrenin yüklenme direnci daha yüksektir, bu nedenle devre Q daha büyüktür ve IF bant genişliği azaltılarak seçicilik ve duyarlılık artar. Transformatör eşleştirme, yükseltilmiş sinyali diyotla eşleştirir.
Bir transistör güç amplifikatöründe kullanılan otomatik transformatör eşlemesi, transistörün 12 Ω çıkış empedansını 75 Ω antene eşleştirir. C55, ototransformatörün yüksek empedans ucuna paralel olarak bağlanır, harmonikleri filtreleyen bir rezonans devresi oluşturur.