Giới thiệu về kết hợp trở kháng và cách sử dụng biến áp kết hợp trở kháng cho thiết kế của bạn

Nếu bạn là Kỹ sư thiết kế RF hoặc bất kỳ ai đã từng làm việc với Bộ đàm không dây, thuật ngữ “ Đối sánh trở kháng ” hẳn đã khiến bạn phải kinh ngạc. Thuật ngữ này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất truyền và do đó phạm vi của các mô-đun Radio của chúng tôi. Bài viết này nhằm giúp bạn hiểu cơ bản về Kết hợp trở kháng là gì và cũng sẽ giúp bạn thiết kế mạch so khớp trở kháng của riêng mình bằng cách sử dụng Biến áp so khớp trở kháng là phương pháp phổ biến nhất. Vì vậy, chúng ta hãy đi sâu vào.

Đối sánh trở kháng là gì?

Tóm lại, kết hợp trở kháng đảm bảo rằng trở kháng đầu ra của một giai đoạn, được gọi là nguồn, bằng với trở kháng đầu vào của giai đoạn sau, được gọi là tải. Trận đấu này cho phép truyền điện tối đa và tổn thất tối thiểu. Bạn có thể hiểu khái niệm này dễ dàng bằng cách nghĩ nó giống như bóng đèn mắc nối tiếp với nguồn điện. Bóng đèn đầu tiên là trở kháng đầu ra của giai đoạn một (một máy phát vô tuyến chẳng hạn) và bóng đèn thứ hai là tải, hay nói cách khác, là trở kháng đầu vào của bóng đèn thứ hai (một ăng-ten chẳng hạn). Chúng tôi muốn đảm bảo rằng phần lớn điện năng được phân phối cho tải, trong trường hợp của chúng tôi, điều này có nghĩa là phần lớn điện năng được truyền vào không khí để có thể nghe thấy một đài phát thanh từ xa hơn. Tối đa này Quá trình truyền công suất xảy ra khi trở kháng đầu ra của nguồn bằng trở kháng đầu vào của tải vì nếu trở kháng đầu ra lớn hơn tải thì nguồn càng mất nhiều điện (bóng đèn thứ nhất sáng hơn).

Tỷ lệ sóng đứng - Phép đo đối sánh trở kháng

Phép đo được sử dụng để xác định mức độ phù hợp của hai giai đoạn được gọi là SWR (Tỷ lệ sóng đứng). Đó là tỷ lệ của trở kháng lớn hơn so với trở kháng nhỏ hơn, một máy phát 50 Ω vào một ăng ten 200 Ω cho 4 SWR, một ăng ten 75 Ω nuôi trực tiếp bộ trộn NE612 (trở kháng đầu vào là 1500 Ω) sẽ có SWR là 20. A kết hợp hoàn hảo, giả sử ăng-ten 50 Ω và bộ thu 50 Ω cho SWR là 1.

Trong máy phát vô tuyến, SWR dưới 1,5 được coi là tốt và hoạt động khi SWR trên 3 có thể dẫn đến hư hỏng do quá nhiệt của các thiết bị giai đoạn đầu ra điện (ống chân không hoặc bóng bán dẫn). Trong các ứng dụng nhận, SWR cao sẽ không gây ra thiệt hại nhưng nó sẽ làm cho máy thu kém nhạy hơn vì tín hiệu nhận được sẽ bị suy giảm do không phù hợp và do đó mất điện.

Vì hầu hết các máy thu sử dụng một số dạng của bộ lọc thông dải đầu vào, nên bộ lọc đầu vào có thể được thiết kế để phù hợp với ăng-ten với tầng đầu vào của máy thu. Tất cả các máy phát vô tuyến đều có bộ lọc đầu ra được sử dụng để phù hợp với giai đoạn đầu ra công suất với trở kháng cụ thể (thường là 50 Ω). Một số máy phát có bộ chỉnh ăng-ten tích hợp có thể được sử dụng để khớp máy phát với ăng-ten nếu trở kháng của ăng-ten khác với trở kháng đầu ra của máy phát được chỉ định. Nếu không có bộ thu sóng anten, phải sử dụng mạch kết hợp bên ngoài. Tổn thất điện năng do không khớp rất khó tính toán, vì vậy các máy tính đặc biệt hoặc bảng tổn thất SWR được sử dụng. Bảng tổn thất SWR điển hình được hiển thị bên dưới

Sử dụng bảng SWR ở trên, chúng ta có thể tính toán tổn thất điện năng và tổn thất điện áp. Mất điện áp do không phù hợp khi trở kháng tải thấp hơn trở kháng nguồn và mất dòng khi trở kháng tải cao hơn trở kháng nguồn.

Máy phát 50 Ω của chúng tôi với ăng-ten 200 Ω với 4 SWR sẽ mất khoảng 36% công suất, có nghĩa là năng lượng được phân phối đến ăng-ten ít hơn 36% so với nếu ăng-ten có trở kháng 50 Ω. Công suất bị mất hầu hết sẽ bị tiêu tán trong nguồn, có nghĩa là nếu máy phát của chúng tôi phát ra 100W, 36W sẽ được tiêu tán thêm vào đó dưới dạng nhiệt. Nếu bộ phát 50 Ω của chúng tôi có hiệu suất 60%, nó sẽ tiêu tán 66 W khi truyền 100 W vào một ăng-ten 50 Ω. Khi kết nối với ăng-ten 200 Ω, nó sẽ tiêu tán thêm 36 W, do đó tổng công suất bị mất dưới dạng nhiệt trong máy phát là 102 W. Việc tăng công suất tiêu tán trong máy phát không chỉ có nghĩa là ăng-ten không phát ra toàn bộ công suất. mà còn có nguy cơ làm hỏng máy phát của chúng tôi vì nó tiêu tán 102 W thay vì 66W, nó được thiết kế để hoạt động.

Trong trường hợp ăng-ten 75Ω, cấp cho đầu vào 1500Ω của IC NE612, chúng tôi không lo lắng về việc mất điện do nhiệt, mà là về mức tín hiệu tăng lên có thể đạt được bằng cách sử dụng kết hợp trở kháng. Giả sử rằng 13nW RF được tạo ra trong ăng-ten. Với trở kháng 75 Ω, 13nW cho 1 mV - chúng tôi muốn kết hợp mức đó với tải 1500 Ω của mình. Để tính toán điện áp đầu ra sau mạch kết hợp, chúng ta cần biết tỷ lệ trở kháng, trong trường hợp của chúng ta, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Tỷ số điện áp (giống như tỷ lệ vòng trong máy biến áp) bằng căn bậc hai của tỷ lệ trở kháng, do đó √20≈8,7. Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra sẽ lớn hơn 8,7 lần, vì vậy nó sẽ bằng 8,7 mV. Các mạch kết hợp hoạt động giống như máy biến áp.

Vì công suất đi vào mạch phù hợp và công suất rời là như nhau (trừ đi tổn hao), dòng điện đầu ra sẽ thấp hơn đầu vào một hệ số là 8,7, nhưng điện áp đầu ra sẽ lớn hơn. Nếu chúng ta kết hợp trở kháng cao với trở kháng thấp, chúng ta sẽ nhận được điện áp thấp hơn nhưng dòng điện cao hơn.

Máy biến áp phù hợp trở kháng

Máy biến áp đặc biệt được gọi là Máy biến áp khớp trở kháng có thể được sử dụng để khớp trở kháng. Ưu điểm chính của máy biến áp là thiết bị kết hợp trở kháng là chúng có băng thông rộng, có nghĩa là chúng có thể làm việc với nhiều tần số. Máy biến âm thanh sử dụng lõi thép tấm, chẳng hạn như được sử dụng trong mạch khuếch đại ống chân không để khớp trở kháng cao của ống với trở kháng thấp của loa, có băng thông từ 20Hz đến 20kHz, máy biến áp RF được làm bằng ferit hoặc thậm chí lõi không khí có thể có băng thông từ 1MHz-30MHz.

Máy biến áp có thể được sử dụng làm thiết bị phù hợp trở kháng, vì tỷ lệ vòng quay của chúng thay đổi trở kháng mà nguồn "nhìn thấy". Bạn cũng có thể kiểm tra cơ bản này của bài báo về máy biến áp nếu bạn là người mới hoàn toàn về máy biến áp. Nếu chúng ta có một máy biến áp với tỷ lệ vòng quay 1: 4, điều này có nghĩa là nếu 1V AC được đặt vào sơ cấp, chúng ta sẽ có 4V AC trên đầu ra. Nếu chúng ta thêm một điện trở 4Ω vào đầu ra, dòng điện 1A sẽ chạy ở cuộn thứ cấp, dòng điện trong cuộn sơ cấp bằng dòng điện thứ cấp nhân với tỷ lệ lần lượt (chia nếu máy biến áp thuộc loại nấc, như nguồn điện lưới máy biến áp), do đó 1A * 4 = 4A. Nếu chúng ta sử dụng định luật Ω để xác định trở kháng mà máy biến áp cung cấp cho mạch, chúng ta có 1V / 4A = 0,25Ω, trong khi chúng ta nối một tải 4Ω sau máy biến áp phù hợp. Tỷ lệ trở kháng là 0,25Ω đến 4Ω hoặc cũng có thể là 1:16. Nó cũng có thể được tính toán vớiCông thức Tỷ lệ trở kháng:

(n _A / n _B) ² = r _i

trong đó n _A là số vòng dây của cuộn sơ cấp có nhiều vòng hơn, n _B là số vòng của cuộn dây có ít vòng hơn và r _i là tỷ số trở kháng. Đây là cách kết hợp trở kháng xảy ra.

Nếu chúng ta sử dụng định luật Ohms một lần nữa, nhưng bây giờ để tính toán công suất chảy vào sơ cấp, chúng ta sẽ có 1V * 4A = 4W, ở thứ cấp, chúng ta sẽ có 4V * 1A = 4W. Điều này có nghĩa là các tính toán của chúng tôi là chính xác, máy biến áp và các mạch kết hợp trở kháng khác không cung cấp nhiều năng lượng hơn mức chúng được cấp. Không có năng lượng miễn phí ở đây.

Cách chọn một máy biến áp phù hợp trở kháng

Mạch so khớp biến áp có thể được sử dụng khi cần lọc thông dải, cần được cộng hưởng với điện cảm của thứ cấp ở tần số sử dụng. Các thông số chính của máy biến áp làm thiết bị phù hợp trở kháng là:

Tỷ lệ trở kháng hoặc tỷ lệ vòng quay thường được nêu (n)
Điện cảm chính
Điện cảm thứ cấp
Trở kháng chính
Trở kháng thứ cấp
Tần số tự cộng hưởng
Tần suất hoạt động tối thiểu
Tần suất hoạt động tối đa
Cấu hình quanh co
Sự hiện diện của khe hở không khí và tối đa. Dòng điện một chiều
Tối đa quyền lực

Số vòng dây sơ cấp phải đủ, do đó cuộn dây sơ cấp của máy biến áp có điện kháng (nó là cuộn dây) bốn lần trở kháng đầu ra của nguồn ở tần số làm việc thấp nhất.

Số vòng dây thứ cấp bằng số vòng dây của cuộn sơ cấp, chia cho căn bậc hai của tỷ lệ trở kháng.

Chúng ta cũng cần biết loại lõi và kích thước để sử dụng, các lõi khác nhau hoạt động tốt ở các tần số khác nhau, bên ngoài chúng có biểu hiện hao hụt.

Kích thước lõi phụ thuộc vào nguồn điện chạy qua lõi, vì mỗi lõi thể hiện tổn thất và lõi lớn hơn có thể tiêu tán những tổn thất này tốt hơn và không thể hiện hiện tượng bão hòa từ và những thứ không mong muốn khác một cách dễ dàng.

Cần có khe hở không khí khi dòng điện một chiều chạy qua bất kỳ cuộn dây nào trên máy biến áp nếu lõi được sử dụng làm từ các lớp thép, như trong máy biến áp nguồn.

Mạch đối sánh máy biến áp - Ví dụ

Ví dụ, chúng ta cần một máy biến áp để đấu nguồn 50 Ω với tải 1500 Ω trong dải tần từ 3MHz đến 30MHz trong máy thu. Đầu tiên chúng ta cần biết chúng ta sẽ cần lõi gì vì nó là một máy thu, rất ít năng lượng sẽ chạy qua máy biến áp, do đó kích thước lõi có thể nhỏ. Một lõi tốt trong ứng dụng này sẽ là FT50-75. Theo nhà sản xuất, dải tần của nó như một máy biến áp băng rộng là 1MHz đến 50MHz, đủ tốt cho ứng dụng này.

Bây giờ chúng ta cần tính toán các vòng sơ cấp, chúng ta cần điện kháng sơ cấp cao hơn 4 lần so với trở kháng đầu ra của nguồn, vì vậy 200 Ω. Ở tần số hoạt động tối thiểu 3MHz, cuộn cảm 10,6uH có điện trở 200 Ω. Sử dụng một máy tính trực tuyến, chúng tôi tính toán rằng chúng tôi cần 2 vòng dây trên lõi để có được 16uH, trên 10,6uH một chút, nhưng trong trường hợp này, tốt hơn là nó lớn hơn là nhỏ hơn. 50 Ω đến 1500 Ω cho tỷ lệ trở kháng là 30. Vì tỷ lệ vòng quay là căn bậc hai của tỷ lệ trở kháng nên chúng ta nhận được khoảng 5,5, vì vậy đối với mỗi vòng quay sơ cấp, chúng ta cần 5,5 vòng thứ cấp để làm cho 1500Ω ở thứ cấp trông giống như 50Ω nguồn. Vì chúng ta có 2 lượt trên chính nên chúng ta cần 2 * 5.5 lượt trên thứ cấp, tức là 11 lượt. Đường kính của dây phải tuân theo 3A / 1mm ² quy tắc (tối đa 3A chảy trên mỗi milimét vuông của diện tích tiết diện dây).

Kết hợp máy biến áp thường được sử dụng trong bộ lọc thông dải, để kết hợp các mạch cộng hưởng với trở kháng thấp của anten và bộ trộn. Khi tải mạch trở kháng càng cao, băng thông càng thấp và Q. càng cao. Nếu chúng ta kết nối trực tiếp mạch cộng hưởng với trở kháng thấp thì băng thông thường quá lớn để hữu ích. Mạch cộng hưởng gồm thứ cấp của L1 và tụ điện thứ nhất 220 pF và sơ cấp của L2 và tụ điện thứ hai 220 pF.

Hình ảnh trên cho thấy kết hợp Biến áp được sử dụng trong bộ khuếch đại công suất âm thanh ống chân không để phù hợp với trở kháng đầu ra 3000 Ω của ống PL841 với loa 4 Ω. 1000 pF C67 ngăn chặn đổ chuông ở tần số âm thanh cao hơn.

Đối sánh bộ biến áp tự động cho cân bằng trở kháng

Mạch kết hợp máy biến áp tự động là một biến thể của mạch khớp máy biến áp, trong đó hai cuộn dây được kết nối với nhau trên đầu trang của nhau. Nó thường được sử dụng trong cuộn cảm của bộ lọc IF, cùng với kết hợp biến áp với đế, nơi nó được sử dụng để kết hợp trở kháng thấp hơn của bóng bán dẫn với trở kháng cao tải mạch điều chỉnh ít hơn và cho phép băng thông nhỏ hơn và do đó độ chọn lọc cao hơn. Quá trình thiết kế chúng thực tế là giống nhau, với số vòng dây trên cuộn sơ cấp bằng số vòng từ đầu cuộn dây đến đầu “nguội” hoặc nối đất và số vòng trên cuộn thứ cấp bằng số vòng quay giữa vòi và đầu “nóng” hoặc đầu cuối được nối với tải.

Hình ảnh trên cho thấy một mạch khớp Autotransformer. C là tùy chọn nếu được sử dụng, nó phải được cộng hưởng với độ tự cảm của L ở tần số sử dụng. Bằng cách này, mạch cũng cung cấp khả năng lọc.

Hình ảnh này minh họa sự kết hợp giữa Biến áp tự động và biến áp được sử dụng trong biến áp IF. Trở kháng cao của Autotransformer kết nối với C17, tụ điện này tạo thành mạch cộng hưởng với toàn bộ cuộn dây. Vì tụ điện này kết nối với đầu trở kháng cao của bộ biến áp tự động, điện trở tải của mạch điều chỉnh cao hơn, do đó mạch Q lớn hơn và băng thông IF giảm, cải thiện độ chọn lọc và độ nhạy. Ghép nối biến áp ghép tín hiệu khuếch đại đến diode.

Các bác sĩ cho biết thêm:

Kết hợp tự động biến áp được sử dụng trong bộ khuếch đại công suất bóng bán dẫn, nó phù hợp với trở kháng đầu ra 12 Ω của bóng bán dẫn với ăng ten 75 Ω. C55 được nối song song với đầu trở kháng cao của biến áp tự động tạo thành một mạch cộng hưởng lọc bỏ sóng hài.