Einführung in die Impedanzanpassung und Verwendung eines Impedanzanpassungstransformators für Ihr Design

Wenn Sie ein RF-Konstrukteur sind oder mit Funkgeräten gearbeitet haben, sollte Ihnen der Begriff „ Impedanzanpassung “ mehr als einmal aufgefallen sein. Der Begriff ist entscheidend, da er sich direkt auf die Sendeleistung und damit auf die Reichweite unserer Funkmodule auswirkt. Dieser Artikel soll Ihnen helfen, die Grundlagen der Impedanzanpassung zu verstehen, und Ihnen helfen, Ihre eigenen Impedanzanpassungsschaltungen mithilfe eines Impedanzanpassungstransformators zu entwerfen, der die am häufigsten verwendete Methode ist. Also, lass uns eintauchen.

Was ist die Impedanzanpassung?

Kurz gesagt, die Impedanzanpassung stellt sicher, dass die Ausgangsimpedanz einer Stufe, die als Quelle bezeichnet wird, gleich der Eingangsimpedanz der folgenden Stufe ist, die als Last bezeichnet wird. Diese Übereinstimmung ermöglicht maximale Kraftübertragung und minimalen Verlust. Sie können dieses Konzept leicht verstehen, indem Sie es als Glühbirnen in Reihe mit einer Stromquelle betrachten. Die erste Glühbirne ist die Ausgangsimpedanz für die erste Stufe (z. B. ein Funksender) und die zweite Glühbirne ist die Last oder mit anderen Worten die Eingangsimpedanz der zweiten Glühbirne (z. B. eine Antenne). Wir möchten sicherstellen, dass der Last die meiste Energie zugeführt wird. In unserem Fall würde dies bedeuten, dass die meiste Energie in die Luft übertragen wird, damit ein Radiosender von weiter entfernt gehört werden kann. Dieses Maximum Die Leistungsübertragung erfolgt, wenn die Ausgangsimpedanz der Quelle gleich der Eingangsimpedanz der Last ist. Wenn die Ausgangsimpedanz größer als die Last ist, geht mehr Leistung in der Quelle verloren (die erste Glühbirne leuchtet heller).

Stehwellenverhältnis - Maß für die Impedanzanpassung

Eine Messung, mit der definiert wird, wie gut zwei Stufen übereinstimmen, wird als SWR (Standing Wave Ratio) bezeichnet. Es ist das Verhältnis der größeren Impedanz zur kleineren, ein 50 Ω-Sender in eine 200 Ω-Antenne liefert 4 SWR, eine 75 Ω-Antenne, die einen NE612-Mischer speist (Eingangsimpedanz ist 1500 Ω), ergibt direkt ein SWR von 20. A. Nehmen wir an, eine 50 Ω-Antenne und ein 50 Ω-Empfänger ergeben ein SWR von 1.

In Funksendern werden SWRs unter 1,5 als anständig angesehen, und der Betrieb bei SWRs über 3 kann zu Schäden durch Überhitzung der Leistungsendstufengeräte (Vakuumröhren oder Transistoren) führen. Bei Empfangsanwendungen verursacht ein hohes SWR keine Schäden, macht den Empfänger jedoch weniger empfindlich, da das empfangene Signal aufgrund von Fehlanpassungen und daraus resultierenden Leistungsverlusten gedämpft wird.

Da die meisten Empfänger eine Art Eingangsbandpassfilter verwenden, kann das Eingangsfilter so ausgelegt werden, dass die Antenne an die Eingangsstufe des Empfängers angepasst wird. Alle Funksender verfügen über Ausgangsfilter, mit denen die Ausgangsstufe an die spezifische Impedanz (normalerweise 50 Ω) angepasst wird. Einige Sender verfügen über integrierte Antennentuner, mit denen der Sender an die Antenne angepasst werden kann, wenn die Impedanz der Antenne von der Ausgangsimpedanz des angegebenen Senders abweicht. Wenn kein Antennentuner vorhanden ist, muss eine externe Anpassungsschaltung verwendet werden. Der Leistungsverlust aufgrund von Nichtübereinstimmung ist schwer zu berechnen, daher werden spezielle Taschenrechner oder SWR-Verlusttabellen verwendet. Eine typische SWR-Verlusttabelle ist unten gezeigt

Anhand der obigen SWR-Tabelle können wir den Leistungsverlust und auch den Spannungsverlust berechnen. Die Spannung geht aufgrund einer Nichtübereinstimmung verloren, wenn die Lastimpedanz niedriger als die Quellenimpedanz ist, und der Strom geht verloren, wenn die Lastimpedanz höher als die Quelle ist.

Unser 50-Ω-Sender mit einer 200-Ω-Antenne mit 4 SWR verliert etwa 36% seiner Leistung, was bedeutet, dass 36% weniger Leistung an die Antenne abgegeben wird, als wenn die Antenne eine Impedanz von 50 Ω hätte. Die verlorene Leistung wird größtenteils in der Quelle abgeführt, dh wenn unser Sender 100 W abgibt, werden 36 W zusätzlich als Wärme abgeführt. Wenn unser 50 Ω-Sender einen Wirkungsgrad von 60% hätte, würde er 66 W verbrauchen, wenn 100 W in eine 50 Ω-Antenne übertragen würden. Bei Anschluss an die 200 Ω-Antenne werden zusätzliche 36 W abgeführt, sodass die als Wärme im Sender verlorene Gesamtleistung 102 W beträgt. Die Zunahme der im Sender abgegebenen Leistung bedeutet nicht nur, dass die Antenne nicht die volle Leistung abgibt Es besteht jedoch auch die Gefahr, dass unser Sender beschädigt wird, da er 102 W anstelle von 66 W verbraucht.

Bei einer 75-Ω-Antenne, die den 1500-Ω-Eingang des NE612-IC speist, geht es uns nicht um einen Leistungsverlust als Wärme, sondern um den erhöhten Signalpegel, der durch die Verwendung der Impedanzanpassung erreicht werden kann. Angenommen, in der Antenne werden 13 nW HF induziert. Bei einer Impedanz von 75 Ω ergeben 13 nW 1 mV - das wollen wir an unsere 1500 Ω-Last anpassen. Um die Ausgangsspannung nach der Anpassungsschaltung zu berechnen, müssen wir das Impedanzverhältnis kennen, in unserem Fall 1500 Ω / 75 Ω = 20. Das Spannungsverhältnis (wie das Windungsverhältnis in Transformatoren) ist gleich der Quadratwurzel des Impedanzverhältnisses, also √20≈8.7. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung 8,7-mal größer ist, also 8,7 mV. Die Anpassungsschaltungen wirken wie Transformatoren.

Da die in die Anpassungsschaltung eintretende Leistung und die austretende Leistung gleich sind (minus Verlust), ist der Ausgangsstrom um den Faktor 8,7 niedriger als der Eingangsstrom, aber die Ausgangsspannung ist größer. Wenn wir eine hohe Impedanz an eine niedrige anpassen würden, würden wir eine niedrigere Spannung, aber einen höheren Strom erhalten.

Impedanzanpassungstransformatoren

Spezielle Transformatoren, Impedanzanpassungstransformatoren genannt, können verwendet werden, um die Impedanz anzupassen. Der Hauptvorteil von Transformatoren als Impedanzanpassungsgeräte besteht darin, dass sie über Breitband verfügen, was bedeutet, dass sie mit einem weiten Frequenzbereich arbeiten können. Audio-Transformatoren, die Stahlblechkerne verwenden, wie sie beispielsweise in Vakuumröhrenverstärkerschaltungen verwendet werden, um die hohe Impedanz der Röhre an die niedrige Impedanz des Lautsprechers anzupassen, haben eine Bandbreite von 20 Hz bis 20 kHz, HF-Transformatoren, die aus Ferrit- oder sogar Luftkernen hergestellt werden haben Bandbreiten von 1MHz-30MHz.

Transformatoren können aufgrund ihres Windungsverhältnisses, das die Impedanz ändert, die die Quelle "sieht", als Impedanzanpassungsvorrichtungen verwendet werden. Sie können diese Grundlagen des Transformatorartikels auch überprüfen, wenn Sie mit Transformatoren noch nicht vertraut sind. Wenn wir einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1: 4 haben, bedeutet dies, dass wenn 1 V Wechselstrom an die Primärwicklung angelegt wird, 4 V Wechselstrom am Ausgang vorhanden sind. Wenn wir dem Ausgang einen 4Ω-Widerstand hinzufügen, fließt 1A Strom in der Sekundärseite, der Strom in der Primärwicklung ist gleich dem Sekundärstrom multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis (geteilt, wenn der Transformator ein Abwärtstyp war, wie das Netz Transformatoren), also 1A * 4 = 4A. Wenn wir das Ω-Gesetz verwenden, um die Impedanz zu bestimmen, die der Transformator der Schaltung präsentiert, haben wir 1 V / 4A = 0,25 Ω, während wir nach dem passenden Transformator eine 4 Ω-Last angeschlossen haben. Das Impedanzverhältnis beträgt 0,25 Ω bis 4 Ω oder auch 1:16. Damit kann auch berechnet werdenImpedanzverhältnisformel:

(n _A / n _B) ² = r _i

wobei n _A die Anzahl der Primärwindungen an der Wicklung mit mehr Windungen ist, n _B die Anzahl der Windungen an der Wicklung mit weniger Windungen ist und r _i das Impedanzverhältnis ist. So erfolgt die Impedanzanpassung.

Wenn wir das Ohmsche Gesetz erneut verwenden würden, aber jetzt, um die Leistung zu berechnen, die in die Primärwicklung fließt, hätten wir 1V * 4A = 4W, in der Sekundärwicklung hätten wir 4V * 1A = 4W. Dies bedeutet, dass unsere Berechnungen korrekt sind, dass Transformatoren und andere Impedanzanpassungsschaltungen nicht mehr Leistung liefern, als sie gespeist werden. Keine freie Energie hier.

So wählen Sie einen Impedanzanpassungstransformator aus

Die Transformatoranpassungsschaltung kann verwendet werden, wenn eine Bandpassfilterung erforderlich ist. Sie sollte mit der Induktivität der Sekundärseite bei der Verwendungsfrequenz in Resonanz stehen. Die Hauptparameter von Transformatoren als Impedanzanpassungsvorrichtungen sind:

• Impedanzverhältnis oder häufiger angegebenes Windungsverhältnis (n)
• Primärinduktivität
• Sekundärinduktivität
• Primärimpedanz
• Sekundärimpedanz
• Eigenresonanzfrequenz
• Mindestbetriebsfrequenz
• Maximale Betriebsfrequenz
• Wicklungskonfiguration
• Vorhandensein von Luftspalt und max. Gleichstrom
• Max. Leistung

Die Anzahl der Primärwindungen sollte ausreichen, damit die Primärwicklung des Transformators die Reaktanz (es ist eine Spule) hat, die viermal so hoch ist wie die Ausgangsimpedanz der Quelle bei der niedrigsten Betriebsfrequenz.

Die Anzahl der Sekundärwindungen ist gleich der Anzahl der Windungen auf der Primärwicklung, geteilt durch die Quadratwurzel des Impedanzverhältnisses.

Wir müssen auch wissen, welcher Kerntyp und welche Größe verwendet werden sollen. Verschiedene Kerne funktionieren gut in verschiedenen Frequenzen, außerhalb derer sie Verluste aufweisen.

Die Kerngröße hängt von der durch den Kern fließenden Leistung ab, da jeder Kern Verluste aufweist und größere Kerne diese Verluste besser ableiten können und nicht so leicht eine magnetische Sättigung und andere unerwünschte Dinge aufweisen.

Ein Luftspalt ist erforderlich, wenn ein Gleichstrom durch eine Wicklung am Transformator fließt, wenn der verwendete Kern wie bei einem Netztransformator aus Stahlblechen besteht.

Transformator-Anpassungsschaltungen - Beispiel

Zum Beispiel benötigen wir einen Transformator, um eine 50 Ω-Quelle an eine 1500 Ω-Last im Frequenzbereich von 3 MHz bis 30 MHz in einem Empfänger anzupassen. Wir müssen zuerst wissen, welchen Kern wir benötigen würden, da es sich um einen Empfänger handelt, bei dem nur sehr wenig Strom durch den Transformator fließt, sodass die Kerngröße klein sein kann. Ein guter Kern in dieser Anwendung wäre der FT50-75. Laut Hersteller liegt der Frequenzbereich eines Breitbandtransformators zwischen 1 MHz und 50 MHz, was für diese Anwendung ausreichend ist.

Jetzt müssen wir die Primärwindungen berechnen, wir müssen die Primärreaktanz um das Vierfache höher als die Ausgangsimpedanz der Quelle, also 200 Ω. Bei der minimalen Betriebsfrequenz von 3 MHz hat eine Induktivität von 10,6 uH eine Reaktanz von 200 Ω. Mit einem Online-Rechner berechnen wir, dass wir 2 Drahtwindungen am Kern benötigen, um 16 uH zu erhalten, etwas mehr als 10,6 uH. In diesem Fall ist es jedoch besser, wenn er größer als kleiner ist. 50 Ω bis 1500 Ω ergeben ein Impedanzverhältnis von 30. Da das Windungsverhältnis die Quadratwurzel des Impedanzverhältnisses ist, erhalten wir ungefähr 5,5, sodass wir für jede Primärwindung 5,5 Sekundärwindungen benötigen, damit die 1500 Ω an der Sekundärwicklung wie 50 Ω zu aussehen die Quelle. Da wir 2 Umdrehungen auf der Primärseite haben, benötigen wir 2 * 5,5 Umdrehungen auf der Sekundärseite, dh 11 Umdrehungen. Der Durchmesser des Drahtes sollte 3A / 1mm ^{2 entsprechen} Regel (maximal 3 A fließen pro Quadratmillimeter Drahtquerschnittsfläche).

Die Transformatoranpassung wird häufig in Bandpassfiltern verwendet, um Resonanzkreise an niedrige Impedanzen von Antennen und Mischern anzupassen. Je höher die Impedanz ist, die die Schaltung belastet, desto geringer ist die Bandbreite und desto höher Q. Wenn wir einen Resonanzkreis direkt an eine niedrige Impedanz anschließen, ist die Bandbreite sehr oft zu groß, um nützlich zu sein. Der Resonanzkreis besteht aus der Sekundärseite von L1 und dem ersten 220 pF-Kondensator und der Primärwicklung von L2 und dem zweiten 220 pF-Kondensator.

Das obige Bild zeigt eine Transformatoranpassung, die in einem Vakuumröhren-Audio-Leistungsverstärker verwendet wird, um die 3000 Ω-Ausgangsimpedanz der PL841-Röhre an einen 4 Ω-Lautsprecher anzupassen. 1000 pF C67 verhindert das Klingeln bei höheren Audiofrequenzen.

Spartransformator-Matching für Impedanzwaage

Die Spartransformator-Anpassungsschaltung ist eine Variante der Transformator-Anpassungsschaltung, bei der die beiden Wicklungen übereinander miteinander verbunden sind. Es wird üblicherweise in ZF-Filterinduktoren zusammen mit einem an die Basis angepassten Transformator verwendet, wo es verwendet wird, um die niedrigere Impedanz des Transistors an eine hohe Impedanz anzupassen, die die Abstimmschaltung weniger belastet und eine kleinere Bandbreite und daher eine größere Selektivität ermöglicht. Der Prozess zum Entwerfen ist praktisch der gleiche, wobei die Anzahl der Windungen auf der Primärwicklung gleich der Anzahl der Windungen vom Abgriff der Spule bis zum „kalten“ oder geerdeten Ende ist und die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite gleich ist Die Anzahl der Windungen zwischen dem Wasserhahn und dem „heißen“ Ende oder dem Ende, das mit der Last verbunden ist.

Das obige Bild zeigt eine Spartransformator-Anpassungsschaltung. C ist optional, wenn es verwendet wird. Es sollte mit der Induktivität von L bei der Verwendungsfrequenz in Resonanz sein. Auf diese Weise bietet die Schaltung auch eine Filterung.

Dieses Bild zeigt eine Autotransformator- und Transformatoranpassung, die in einem ZF-Transformator verwendet wird. Die hohe Impedanz des Spartransformators ist mit C17 verbunden. Dieser Kondensator bildet mit der gesamten Wicklung einen Resonanzkreis. Da dieser Kondensator mit dem hochohmigen Ende des Spartransformators verbunden ist, ist die Widerstandsbelastung der abgestimmten Schaltung höher, daher ist die Schaltung Q größer und die ZF-Bandbreite wird verringert, was die Selektivität und Empfindlichkeit verbessert. Die Transformatoranpassung koppelt das verstärkte Signal an die Diode.

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Die in einem Transistor-Leistungsverstärker verwendete Spartransformatoranpassung passt die 12 Ω-Ausgangsimpedanz des Transistors an die 75 Ω-Antenne an. C55 ist parallel zum hochohmigen Ende des Spartransformators geschaltet und bildet einen Resonanzkreis, der Oberschwingungen herausfiltert.