Introduzione all'adattamento di impedenza e come utilizzare un trasformatore di adattamento di impedenza per il proprio progetto

Se sei un ingegnere progettista RF o chiunque abbia lavorato con le radio wireless, il termine " Impedance Matching " dovrebbe averti colpito più di una volta. Il termine è cruciale perché influenza direttamente la potenza di trasmissione e quindi la portata dei nostri moduli Radio. Questo articolo ha lo scopo di aiutarti a capire cosa sia l'impedance Matching dalle basi e ti aiuterà anche a progettare i tuoi circuiti di adattamento di impedenza utilizzando un trasformatore di adattamento di impedenza che è il metodo più comune. Quindi, tuffiamoci.

Cos'è l'impedance Matching?

In breve, l'adeguamento dell'impedenza garantisce che l' impedenza di uscita di uno stadio, chiamato sorgente, sia uguale all'impedenza di ingresso dello stadio successivo, chiamato carico. Questa corrispondenza consente il massimo trasferimento di potenza e la minima perdita. Puoi capire facilmente questo concetto pensandoci come lampadine in serie con una fonte di alimentazione. La prima lampadina è l'impedenza di uscita per lo stadio uno (un trasmettitore radio, per esempio) e la seconda lampadina è il carico, o in altre parole, l'impedenza di ingresso della seconda lampadina (un'antenna, per esempio). Vogliamo assicurarci che la maggior parte della potenza venga erogata al carico, nel nostro caso ciò significherebbe che la massima potenza viene trasmessa nell'aria in modo che una stazione radio possa essere ascoltata da più lontano. Questo massimo il trasferimento di potenza avviene quando l'impedenza di uscita della sorgente è uguale all'impedenza di ingresso del carico perché se l'impedenza di uscita è maggiore del carico si perde più potenza nella sorgente (la prima lampadina brilla di più).

Rapporto d'onda stazionaria - Misura dell'adattamento dell'impedenza

Una misura utilizzata per definire la corrispondenza tra due stadi è chiamata SWR (Standing Wave Ratio). È il rapporto tra l'impedenza maggiore rispetto a quella più piccola, un trasmettitore da 50 Ω in un'antenna da 200 Ω fornisce 4 SWR, un'antenna da 75 Ω che alimenta un mixer NE612 (l'impedenza di ingresso è 1500 Ω) direttamente avrà un SWR di 20. A corrispondenza perfetta, diciamo che un'antenna da 50 Ω e un ricevitore da 50 Ω danno un SWR di 1.

Nei trasmettitori radio, gli SWR inferiori a 1,5 sono considerati decenti e il funzionamento quando l'SWR è superiore a 3 può provocare danni dovuti al surriscaldamento dei dispositivi dello stadio di uscita di potenza (valvole a vuoto o transistor). Nelle applicazioni riceventi, un alto SWR non causerà danni ma renderà il ricevitore meno sensibile perché il segnale ricevuto sarà attenuato a causa del disadattamento e della conseguente perdita di potenza.

Poiché la maggior parte dei ricevitori utilizza una qualche forma di filtro passa-banda di ingresso, il filtro di ingresso può essere progettato per adattare l'antenna allo stadio di ingresso del ricevitore. Tutti i trasmettitori radio hanno filtri di uscita che vengono utilizzati per adattare lo stadio di uscita di potenza all'impedenza specifica (normalmente 50 Ω). Alcuni trasmettitori hanno sintonizzatori di antenna incorporati che possono essere utilizzati per abbinare il trasmettitore all'antenna se l'impedenza dell'antenna è diversa dall'impedenza di uscita del trasmettitore specificato. Se non è presente un sintonizzatore per antenna, è necessario utilizzare un circuito di adattamento esterno. La perdita di potenza dovuta al disadattamento è difficile da calcolare, quindi vengono utilizzati calcolatori speciali o tabelle di perdita di SWR. Di seguito è mostrata una tipica tabella di perdita di SWR

Utilizzando la tabella SWR sopra, possiamo calcolare la perdita di potenza e anche la perdita di tensione. La tensione viene persa a causa del disadattamento quando l'impedenza del carico è inferiore all'impedenza della sorgente e la corrente viene persa quando l'impedenza del carico è superiore alla sorgente.

Il nostro trasmettitore da 50 Ω con un'antenna da 200 Ω con 4 SWR perderà circa il 36% della sua potenza, il che significa che il 36% in meno di potenza verrà erogato all'antenna rispetto a se l'antenna avesse un'impedenza di 50 Ω. La potenza persa sarà per lo più dissipata nella sorgente, il che significa che se il nostro trasmettitore emetteva 100 W, 36 W saranno ulteriormente dissipati in esso come calore. Se il nostro trasmettitore da 50 Ω fosse efficiente al 60%, dissiperebbe 66 W quando trasmette 100 W in un'antenna da 50 Ω. Quando è collegato all'antenna da 200 Ω, dissiperà altri 36 W in modo che la potenza totale persa come calore nel trasmettitore sia di 102 W. L'aumento della potenza dissipata nel trasmettitore non significa solo che la piena potenza non viene emessa dall'antenna ma rischia anche di danneggiare il nostro trasmettitore perché dissipa 102 W invece di 66 W, con cui è stato progettato per funzionare.

Nel caso di un'antenna da 75 Ω, che alimenta l'ingresso da 1500 Ω dell'IC NE612, non siamo preoccupati per la perdita di potenza sotto forma di calore, ma per l'aumento del livello di segnale che può essere ottenuto utilizzando l'adattamento di impedenza. Diciamo che 13nW di RF sono indotti nell'antenna. Con un'impedenza di 75 Ω, 13nW fornisce 1 mV - vogliamo abbinarlo al nostro carico di 1500 Ω. Per calcolare la tensione di uscita dopo il circuito di adattamento, dobbiamo conoscere il rapporto di impedenza, nel nostro caso, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Il rapporto di tensione (come il rapporto di spire nei trasformatori) è uguale alla radice quadrata del rapporto di impedenza, quindi √20≈8,7. Ciò significa che la tensione di uscita sarà 8,7 volte maggiore, quindi sarà pari a 8,7 mV. I circuiti di accoppiamento agiscono come trasformatori.

Poiché la potenza che entra nel circuito di adattamento e la potenza in uscita è la stessa (meno la perdita), la corrente di uscita sarà inferiore a quella di ingresso di un fattore di 8,7, ma la tensione di uscita sarà maggiore. Se abbinassimo un'impedenza alta a una bassa, otterremmo una tensione inferiore ma una corrente più alta.

Trasformatori di adattamento dell'impedenza

Trasformatori speciali chiamati trasformatori di adattamento dell'impedenza possono essere utilizzati per adattare l'impedenza. Il vantaggio principale dei trasformatori come dispositivi di adattamento dell'impedenza è che hanno una banda larga, il che significa che possono funzionare con un'ampia gamma di frequenze. I trasformatori audio che utilizzano nuclei in lamiera d'acciaio, come quelli utilizzati nei circuiti di amplificatori a tubi a vuoto per abbinare l'alta impedenza del tubo alla bassa impedenza dell'altoparlante, hanno una larghezza di banda da 20Hz a 20kHz, i trasformatori RF realizzati utilizzando ferrite o anche nuclei d'aria hanno larghezze di banda di 1MHz-30MHz.

I trasformatori possono essere utilizzati come dispositivi di adattamento dell'impedenza, a causa del loro rapporto di rotazione che cambia l'impedenza che la sorgente "vede". Puoi anche controllare questa base dell'articolo sui trasformatori se sei completamente nuovo ai trasformatori. Se abbiamo un trasformatore con un rapporto di 1: 4 giri, ciò significa che se 1V di AC fosse applicato al primario, avremmo 4V di AC sull'uscita. Se aggiungiamo una resistenza da 4Ω all'uscita, 1A di corrente scorrerà nel secondario, la corrente nel primario è uguale alla corrente secondaria moltiplicata per il rapporto di rotazione (diviso se il trasformatore era di tipo step-down, come la rete trasformatori), quindi 1A * 4 = 4A. Se usiamo la legge di Ω per determinare l'impedenza che il trasformatore presenta al circuito abbiamo 1V / 4A = 0.25Ω, mentre abbiamo collegato un carico di 4Ω dopo il trasformatore di adattamento. Il rapporto di impedenza è compreso tra 0,25 Ω e 4 Ω o anche 1:16. Può essere calcolato anche con questoFormula del rapporto di impedenza:

(n _A / n _B) ² = r _i

dove n _A è il numero di spire primarie dell'avvolgimento con più spire, n _B è il numero di spire dell'avvolgimento con meno spire e r _i è il rapporto di impedenza. Ecco come avviene l'adattamento dell'impedenza.

Se usassimo di nuovo la legge di Ohm, ma ora per calcolare la potenza che fluisce nel primario avremmo 1V * 4A = 4W, nel secondario avremmo 4V * 1A = 4W. Ciò significa che i nostri calcoli sono corretti, che i trasformatori e altri circuiti di adattamento dell'impedenza non danno più potenza di quanta ne venga alimentata. Nessuna energia gratuita qui.

Come selezionare un trasformatore di corrispondenza dell'impedenza

Il circuito di adattamento del trasformatore può essere utilizzato quando è necessario il filtraggio passa banda, deve essere risonante con l'induttanza del secondario alla frequenza di utilizzo. I parametri principali dei trasformatori come dispositivi di adattamento dell'impedenza sono:

• Rapporto di impedenza o rapporto di spire più comunemente dichiarato (n)
• Induttanza primaria
• Induttanza secondaria
• Impedenza primaria
• Impedenza secondaria
• Frequenza auto-risonante
• Frequenza minima di funzionamento
• Massima frequenza di funzionamento
• Configurazione dell'avvolgimento
• Presenza di traferro e max. Corrente continua
• Max. energia

Il numero di spire primarie dovrebbe essere sufficiente, quindi l'avvolgimento primario del trasformatore ha una reattanza (è una bobina) quattro volte l'impedenza di uscita della sorgente alla frequenza più bassa di funzionamento.

Il numero di spire del secondario è uguale al numero di spire del primario, diviso per la radice quadrata del rapporto di impedenza.

Dobbiamo anche sapere quale tipo e dimensione di core utilizzare, core diversi funzionano bene in frequenze diverse, al di fuori delle quali mostrano perdite.

La dimensione del nucleo dipende dalla potenza che scorre attraverso il nucleo, poiché ogni nucleo presenta perdite e nuclei più grandi possono dissipare meglio queste perdite e non mostrare facilmente saturazione magnetica e altre cose indesiderate.

È necessario un traferro quando una corrente CC fluirà attraverso qualsiasi avvolgimento sul trasformatore se il nucleo utilizzato è costituito da lamierini di acciaio, come in un trasformatore di rete.

Circuiti di adattamento del trasformatore - Esempio

Ad esempio, abbiamo bisogno di un trasformatore per abbinare una sorgente da 50 Ω a un carico di 1500 Ω nella gamma di frequenza da 3MHz a 30MHz in un ricevitore. Dobbiamo prima sapere quale core avremmo bisogno poiché è un ricevitore pochissima potenza fluirà attraverso il trasformatore, quindi la dimensione del core può essere piccola. Un buon core in questa applicazione sarebbe l'FT50-75. Secondo il produttore, la sua gamma di frequenze come trasformatore a banda larga è da 1 MHz a 50 MHz, abbastanza buona per questa applicazione.

Ora dobbiamo calcolare le spire primarie, abbiamo bisogno che la reattanza primaria sia 4 volte superiore all'impedenza di uscita della sorgente, quindi 200 Ω. Alla frequenza operativa minima di 3MHz, un induttore di 10.6uH ha 200 Ω di reattanza. Usando un calcolatore online calcoliamo che abbiamo bisogno di 2 giri di filo sul nucleo per ottenere 16uH, un po 'sopra 10.6uH, ma in questo caso, è meglio che sia più grande che più piccolo. Da 50 Ω a 1500 Ω fornisce un rapporto di impedenza di 30. Poiché il rapporto di spire è la radice quadrata del rapporto di impedenza, otteniamo circa 5,5, quindi per ogni svolta primaria abbiamo bisogno di 5,5 spire secondarie per fare in modo che 1500Ω sul secondario assomigli a la fonte. Dato che abbiamo 2 turni sul primario, abbiamo bisogno di 2 * 5,5 giri sul secondario, ovvero 11 turni. Il diametro del filo dovrebbe seguire 3A / 1mm ² regola (massimo 3A scorre per ogni millimetro quadrato di area della sezione trasversale del filo).

L'adattamento del trasformatore viene spesso utilizzato nei filtri passa-banda, per abbinare i circuiti risonanti a basse impedenze di antenne e mixer. Maggiore è l'impedenza che carica il circuito, minore è la larghezza di banda e maggiore è la Q. Se colleghiamo un circuito risonante direttamente a una bassa impedenza, la larghezza di banda sarebbe molto spesso troppo grande per essere utile. Il circuito risonante è costituito dal secondario di L1 e dal primo condensatore da 220 pF e dal primario di L2 e dal secondo condensatore da 220 pF.

L'immagine sopra mostra un adattamento del trasformatore utilizzato in un amplificatore di potenza audio a valvole per abbinare l'impedenza di uscita di 3000 Ω del tubo PL841 a un altoparlante da 4 Ω. C67 da 1000 pF impedisce lo squillo a frequenze audio più elevate.

Abbinamento Autotrasformatore per Bilanciamento Impedenza

Il circuito di adattamento dell'autotrasformatore è una variante del circuito di adattamento del trasformatore, in cui i due avvolgimenti sono collegati insieme uno sopra l'altro. Viene comunemente utilizzato negli induttori del filtro IF, insieme al trasformatore di adattamento alla base, dove viene utilizzato per abbinare la minore impedenza del transistor a un'alta impedenza che carica meno il circuito di sintonia e consente una minore larghezza di banda e quindi una maggiore selettività. Il processo per progettarli è praticamente lo stesso, con il numero di spire sul primario uguale al numero di spire dal rubinetto della bobina all'estremità "fredda" o messa a terra e il numero di spire sul secondario uguale a il numero di giri tra il rubinetto e l'estremità “calda” o l'estremità collegata al carico.

L'immagine sopra mostra un circuito di abbinamento dell'autotrasformatore. C è opzionale se usato dovrebbe risonare con l'induttanza di L alla frequenza di utilizzo. In questo modo il circuito fornisce anche il filtraggio.

Questa immagine illustra un autotrasformatore e un trasformatore di corrispondenza utilizzato in un trasformatore IF. L'alta impedenza dell'autotrasformatore si collega a C17, questo condensatore forma un circuito risonante con l'intero avvolgimento. Poiché questo condensatore si collega all'estremità ad alta impedenza dell'autotrasformatore, la resistenza che carica il circuito sintonizzato è maggiore, quindi il circuito Q è più grande e la larghezza di banda IF è ridotta, migliorando la selettività e la sensibilità. L'adattamento del trasformatore accoppia il segnale amplificato al diodo.

Adattamento dell'autotrasformatore utilizzato in un amplificatore di potenza a transistor, abbina l'impedenza di uscita di 12 Ω del transistor all'antenna da 75 Ω. C55 è collegato in parallelo all'estremità ad alta impedenza dell'autotrasformatore forma un circuito risonante che filtra le armoniche.