ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการจับคู่อิมพีแดนซ์และวิธีใช้หม้อแปลงจับคู่อิมพีแดนซ์สำหรับการออกแบบของคุณ

หากคุณเป็นวิศวกรออกแบบ RF หรือใครก็ตามที่ทำงานกับวิทยุไร้สายคำว่า“ การจับคู่ความต้านทาน ” น่าจะทำให้คุณประทับใจมากกว่าหนึ่งครั้ง คำนี้มีความสำคัญมากเนื่องจากมีผลโดยตรงต่อกำลังส่งและช่วงของโมดูลวิทยุของเรา บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อช่วยให้คุณเข้าใจว่า Impedance Matching คืออะไรจากพื้นฐานและยังช่วยให้คุณออกแบบวงจรจับคู่อิมพีแดนซ์ของคุณเองโดยใช้ Impedance Matching Transformer ซึ่งเป็นวิธีที่ใช้บ่อยที่สุด ดังนั้นเรามาดูกันดีกว่า

การจับคู่อิมพีแดนซ์คืออะไร?

ในระยะสั้นความต้านทานการจับคู่ทำให้แน่ใจว่าความต้านทานการส่งออกของเวทีหนึ่งที่เรียกว่าแหล่งที่มาจะเท่ากับข้อมูลสมรรถภาพของขั้นตอนต่อไปนี้เรียกว่าโหลดการจับคู่นี้ช่วยให้สามารถถ่ายโอนพลังงานสูงสุดและการสูญเสียขั้นต่ำ คุณสามารถเข้าใจแนวคิดนี้ได้อย่างง่ายดายโดยคิดว่ามันเป็นหลอดไฟในชุดที่มีแหล่งจ่ายไฟ หลอดไฟดวงแรกคืออิมพีแดนซ์เอาท์พุตสำหรับขั้นที่หนึ่ง (ตัวอย่างเช่นเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ) และหลอดไฟดวงที่สองคือโหลดหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคืออิมพีแดนซ์อินพุตของหลอดไฟที่สอง (เช่นเสาอากาศเป็นต้น) เราต้องการตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการส่งพลังงานไปยังโหลดมากที่สุดในกรณีของเรานี่จะหมายถึงพลังงานส่วนใหญ่จะถูกส่งไปในอากาศเพื่อให้สามารถได้ยินสถานีวิทยุจากที่ไกลออกไปสูงสุดนี้ การถ่ายโอนกำลังเกิดขึ้นเมื่ออิมพีแดนซ์เอาท์พุตของแหล่งกำเนิดเท่ากับอิมพีแดนซ์อินพุตของโหลดเนื่องจากหากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตใหญ่กว่าโหลดจะสูญเสียพลังงานในแหล่งกำเนิดมากขึ้น (หลอดไฟดวงแรกจะส่องสว่างขึ้น)

อัตราส่วนคลื่นนิ่ง - การวัดการจับคู่อิมพีแดนซ์

การวัดที่ใช้เพื่อกำหนดว่าจะจับคู่สองขั้นตอนได้ดีเพียงใดเรียกว่าSWR (Standing Wave Ratio) เป็นอัตราส่วนของอิมพีแดนซ์ที่ใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับตัวที่เล็กกว่าตัวส่ง 50 Ωไปยังเสาอากาศ 200 Ωให้ 4 SWR เสาอากาศ 75 Ωป้อนเครื่องผสม NE612 (อิมพีแดนซ์อินพุตคือ 1500 Ω) โดยตรงจะได้ SWR เท่ากับ 20 A การจับคู่ที่สมบูรณ์แบบสมมติว่าเสาอากาศ 50 Ωและตัวรับ 50 Ωให้ SWR เป็น 1

ในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุSWR ที่ต่ำกว่า 1.5 ถือว่าเหมาะสมและการทำงานเมื่อ SWR สูงกว่า 3 อาจส่งผลให้เกิดความเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปของอุปกรณ์สเตจเอาท์พุต (หลอดสุญญากาศหรือทรานซิสเตอร์) ในการรับแอพพลิเคชั่น SWR ที่สูงจะไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย แต่จะทำให้เครื่องรับมีความไวน้อยลงเนื่องจากสัญญาณที่ได้รับจะถูกลดทอนลงเนื่องจากการไม่ตรงกันและการสูญเสียพลังงานที่ตามมา

เนื่องจากเครื่องรับส่วนใหญ่ใช้ตัวกรองแบนด์พาสอินพุตบางรูปแบบจึงสามารถออกแบบตัวกรองอินพุตให้ตรงกับเสาอากาศกับขั้นตอนอินพุตของเครื่องรับได้ เครื่องส่งสัญญาณวิทยุทั้งหมดมีตัวกรองเอาต์พุตที่ใช้เพื่อจับคู่ขั้นตอนการส่งออกพลังงานกับอิมพีแดนซ์เฉพาะ (โดยปกติคือ 50 Ω) เครื่องส่งสัญญาณบางรุ่นมีตัวรับสัญญาณเสาอากาศในตัวซึ่งสามารถใช้เพื่อจับคู่เครื่องส่งสัญญาณกับเสาอากาศได้หากอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศแตกต่างจากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของเครื่องส่งสัญญาณที่ระบุ หากไม่มีเครื่องรับเสาอากาศจะต้องใช้วงจรจับคู่ภายนอก การสูญเสียพลังงานเนื่องจากการที่ไม่ตรงกันเป็นเรื่องยากในการคำนวณเพื่อให้เครื่องคิดเลขพิเศษหรือตารางการสูญเสีย SWRถูกนำมาใช้ ตารางการสูญเสีย SWR ทั่วไปแสดงอยู่ด้านล่าง

ใช้ตาราง SWR ด้านบนเราสามารถคำนวณการสูญเสียพลังงานและการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าได้ แรงดันไฟฟ้าจะสูญเสียไปเนื่องจากไม่ตรงกันเมื่ออิมพีแดนซ์ของโหลดต่ำกว่าอิมพีแดนซ์ต้นทางและกระแสไฟฟ้าจะหายไปเมื่ออิมพีแดนซ์ของโหลดสูงกว่าต้นทาง

เครื่องส่งสัญญาณ 50 Ωของเราที่มีเสาอากาศ 200 Ωพร้อม 4 SWR จะสูญเสียพลังงานประมาณ 36% ซึ่งหมายความว่าจะส่งพลังงานไปยังเสาอากาศน้อยลง 36% เมื่อเทียบกับเสาอากาศที่มีอิมพีแดนซ์ 50 Ω พลังงานที่หายไปส่วนใหญ่จะกระจายไปในแหล่งกำเนิดซึ่งหมายความว่าหากเครื่องส่งของเราให้พลังงาน 100W 36W ก็จะกระจายไปในรูปของความร้อน หากเครื่องส่ง 50 Ωของเรามีประสิทธิภาพ 60% เครื่องส่งจะกระจาย 66 W เมื่อส่ง 100 W ไปยังเสาอากาศ 50 Ω เมื่อเชื่อมต่อกับเสาอากาศ 200 Ωมันจะกระจายออกไปอีก 36 W ดังนั้นพลังงานทั้งหมดที่สูญเสียไปเนื่องจากความร้อนในตัวส่งคือ 102 W การเพิ่มขึ้นของพลังงานที่กระจายไปในเครื่องส่งไม่เพียงหมายความว่าเสาอากาศจะไม่ปล่อยพลังงานเต็ม แต่ยังเสี่ยงต่อความเสียหายที่จะเกิดกับเครื่องส่งของเราเพราะมันกระจายไป 102 W แทนที่จะเป็น 66W มันถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้

ในกรณีของเสาอากาศ75Ωป้อนอินพุต1500Ωของ IC NE612 เราไม่ได้กังวลว่ากำลังจะสูญเสียไปเนื่องจากความร้อน แต่เกี่ยวกับระดับสัญญาณที่เพิ่มขึ้นซึ่งสามารถทำได้โดยใช้การจับคู่อิมพีแดนซ์ สมมติว่ามีการเหนี่ยวนำ RF 13nW ในเสาอากาศ ด้วยความต้านทาน 75 Ω 13nW จะให้ 1 mV - เราต้องการจับคู่กับโหลด 1500 Ωของเรา ในการคำนวณแรงดันขาออกหลังจากวงจรจับคู่เราจำเป็นต้องทราบอัตราส่วนของอิมพีแดนซ์ในกรณีของเราคือ 1500 Ω / 75 Ω = 20 อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้า (เช่นอัตราส่วนเปลี่ยนในหม้อแปลง) เท่ากับรากที่สองของอัตราส่วนอิมพีแดนซ์ดังนั้น√20≈8.7 ซึ่งหมายความว่าแรงดันเอาต์พุตจะใหญ่ขึ้น 8.7 เท่าดังนั้นจึงเท่ากับ 8.7 mV วงจรที่ตรงกันจะทำหน้าที่เหมือนหม้อแปลง

เนื่องจากกำลังไฟฟ้าเข้าสู่วงจรจับคู่และการปล่อยพลังงานเท่ากัน (ลบการสูญเสีย) กระแสเอาต์พุตจะต่ำกว่าอินพุตทีละ 8.7 แต่แรงดันเอาต์พุตจะใหญ่กว่า ถ้าเราจับคู่อิมพีแดนซ์สูงกับอิมพีแดนซ์ต่ำเราจะได้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า แต่กระแสสูงกว่า

อิมพีแดนซ์จับคู่หม้อแปลง

Transformers พิเศษที่เรียกว่า Impedance Matching Transformers สามารถใช้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์ ข้อได้เปรียบหลักของหม้อแปลงเป็นอุปกรณ์จับคู่อิมพีแดนซ์คือมีบรอดแบนด์ซึ่งหมายความว่าสามารถทำงานกับความถี่ที่หลากหลายได้หม้อแปลงเสียงที่ใช้แกนเหล็กแผ่นเช่นที่ใช้ในวงจรขยายหลอดสูญญากาศเพื่อจับคู่ความต้านทานสูงของหลอดกับความต้านทานต่ำของลำโพงมีแบนด์วิดท์ 20Hz ถึง 20kHz หม้อแปลง RF ที่ทำจากเฟอร์ไรต์หรือแม้แต่แกนอากาศสามารถ มีแบนด์วิดท์ 1MHz-30MHz

หม้อแปลงสามารถใช้เป็นอุปกรณ์จับคู่อิมพีแดนซ์ได้เนื่องจากอัตราส่วนการหมุนของมันที่เปลี่ยนอิมพีแดนซ์ที่แหล่งที่มา "เห็น" คุณยังสามารถตรวจสอบบทความพื้นฐานของหม้อแปลงได้หากคุณยังใหม่กับหม้อแปลง หากเรามีหม้อแปลงที่มีอัตราส่วน 1: 4 รอบนั่นหมายความว่าหากใช้ AC 1V กับตัวหลักเราจะมี AC 4V ที่เอาต์พุต ถ้าเราเพิ่มตัวต้านทาน4Ωไปยังเอาต์พุต 1A ของกระแสจะไหลในตัวรองกระแสไฟฟ้าในกระแสหลักจะเท่ากับกระแสรองคูณด้วยอัตราส่วนของเทิร์น (หารถ้าหม้อแปลงเป็นประเภท step-down เช่นเมน Transformers) ดังนั้น 1A * 4 = 4A ถ้าเราใช้กฎของΩเพื่อกำหนดอิมพีแดนซ์ที่หม้อแปลงนำเสนอต่อวงจรเรามี 1V / 4A = 0.25Ωในขณะที่เราเชื่อมต่อโหลด4Ωหลังจากหม้อแปลงที่ตรงกัน อัตราส่วนความต้านทานคือ0.25Ωถึง4Ωหรือ 1:16. สามารถคำนวณได้ด้วยสูตรอัตราส่วนความต้านทาน:

(n _A / n _B) ² = r _i

โดยที่ n _Aคือจำนวนรอบการหมุนหลักของขดลวดที่มีรอบมากขึ้น n _Bคือจำนวนรอบของขดลวดที่มีรอบน้อยกว่าและ r _iคืออัตราส่วนอิมพีแดนซ์ นี่คือการจับคู่อิมพีแดนซ์

ถ้าเราใช้กฎของโอห์มอีกครั้ง แต่ตอนนี้เพื่อคำนวณกำลังที่ไหลเข้าหลักเราจะมี 1V * 4A = 4W ในส่วนรองเราจะมี 4V * 1A = 4W ซึ่งหมายความว่าการคำนวณของเราถูกต้องหม้อแปลงและวงจรจับคู่อิมพีแดนซ์อื่น ๆจะไม่ให้พลังงานมากกว่าที่ป้อน ไม่มีพลังงานฟรีที่นี่

วิธีการเลือก Impedance Matching Transformer

สามารถใช้วงจรจับคู่หม้อแปลงเมื่อจำเป็นต้องมีการกรองแบนด์พาสควรจะสะท้อนกับการเหนี่ยวนำของทุติยภูมิที่ความถี่ในการใช้งาน พารามิเตอร์หลักของหม้อแปลงเป็นอุปกรณ์จับคู่อิมพีแดนซ์คือ:

• อัตราส่วนอิมพีแดนซ์หรืออัตราส่วนรอบที่ระบุไว้มากขึ้น (n)
• การเหนี่ยวนำหลัก
• การเหนี่ยวนำทุติยภูมิ
• ความต้านทานหลัก
• อิมพีแดนซ์รอง
• ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง
• ความถี่ขั้นต่ำของการทำงาน
• ความถี่สูงสุดของการทำงาน
• การกำหนดค่าที่คดเคี้ยว
• การปรากฏตัวของช่องว่างอากาศและสูงสุด กระแสไฟฟ้ากระแสตรง
• สูงสุด อำนาจ

จำนวนรอบหลักควรเพียงพอดังนั้นขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงจึงมีรีแอคแตนซ์ (เป็นขดลวด) สี่เท่าของอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของแหล่งกำเนิดที่ความถี่ต่ำสุดของการทำงาน

จำนวนรอบรองจะเท่ากับจำนวนรอบบนหลักหารด้วยรากที่สองของอัตราส่วนอิมพีแดนซ์

นอกจากนี้เรายังต้องทราบว่าจะใช้ประเภทและขนาดคอร์แบบใดแกนที่แตกต่างกันทำงานได้ดีในความถี่ที่แตกต่างกันซึ่งนอกนั้นจะมีการสูญเสีย

ขนาดคอร์ขึ้นอยู่กับพลังที่ไหลผ่านคอร์เนื่องจากแต่ละคอร์มีการสูญเสียและคอร์ที่ใหญ่กว่าสามารถกระจายการสูญเสียเหล่านี้ได้ดีกว่าและไม่แสดงความอิ่มตัวของแม่เหล็กและสิ่งที่ไม่ต้องการอื่น ๆ ได้อย่างง่ายดาย

จำเป็นต้องมีช่องว่างอากาศเมื่อกระแสไฟฟ้ากระแสตรงจะไหลผ่านขดลวดใด ๆ บนหม้อแปลงหากแกนที่ใช้ทำจากการเคลือบเหล็กเช่นในหม้อแปลงไฟฟ้าหลัก

Transformer Matching Circuits - ตัวอย่าง

ตัวอย่างเช่นเราต้องการหม้อแปลงเพื่อจับคู่แหล่งกำเนิด 50 Ωกับโหลด 1500 Ωในช่วงความถี่ 3MHz ถึง 30MHz ในเครื่องรับ ก่อนอื่นเราต้องรู้ว่าเราต้องการแกนอะไรเนื่องจากเป็นตัวรับพลังงานน้อยมากที่จะไหลผ่านหม้อแปลงดังนั้นขนาดแกนจึงมีขนาดเล็ก แกนหลักที่ดีในแอปพลิเคชันนี้คือ FT50-75 ตามที่ผู้ผลิตระบุว่าเป็นช่วงความถี่เนื่องจากหม้อแปลงความถี่กว้างคือ 1MHz ถึง 50MHz ซึ่งดีพอสำหรับแอปพลิเคชันนี้

ตอนนี้เราต้องคำนวณเทิร์นหลักเราต้องการรีแอคแตนซ์หลักสูงกว่าอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต้นทาง 4 เท่าดังนั้น 200 Ω ที่ความถี่การทำงานต่ำสุด 3MHz ตัวเหนี่ยวนำ 10.6uH มีรีแอคแตนซ์ 200 Ω การใช้เครื่องคิดเลขออนไลน์เราคำนวณว่าเราต้องใช้ลวด 2 รอบบนแกนเพื่อให้ได้ 16uH สูงกว่า 10.6uH เล็กน้อย แต่ในกรณีนี้มันจะดีกว่าที่จะใหญ่กว่าที่จะเล็กกว่า 50 Ωถึง 1500 Ωให้อัตราส่วนอิมพีแดนซ์เป็น 30 เนื่องจากอัตราส่วนรอบคือสแควร์รูทของอัตราส่วนอิมพีแดนซ์เราจะได้ประมาณ 5.5 ดังนั้นในแต่ละเทิร์นหลักเราต้องใช้ 5.5 เทิร์นรองเพื่อให้1500Ωที่มีลักษณะรองเช่น50Ω แหล่งที่มา เนื่องจากเรามี 2 เทิร์นหลักเราจึงต้อง 2 * 5.5 เทิร์นรองนั่นคือ 11 เทิร์น เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดควรเป็นไปตาม 3A / 1mm ² กฎ (สูงสุด 3A ไหลต่อพื้นที่หน้าตัดลวดแต่ละตารางมิลลิเมตร)

หม้อแปลงมักจะใช้ในฟิลเตอร์ bandpass เพื่อให้ตรงกับจังหวะวงจรเพื่อความต้านทานต่ำของเสาอากาศและเครื่องผสมยิ่งโหลดวงจรอิมพีแดนซ์สูงขึ้นแบนด์วิธก็จะยิ่งต่ำและ Q สูงขึ้นเท่านั้นหากเราเชื่อมต่อวงจรเรโซแนนซ์โดยตรงกับอิมพีแดนซ์ที่ต่ำแบนด์วิดท์จะมากเกินไปที่จะเป็นประโยชน์ วงจรเรโซแนนซ์ประกอบด้วยตัวรองของ L1 และตัวเก็บประจุ 220 pF ตัวแรกและตัวหลักของ L2 และตัวเก็บประจุ 220 pF ตัวที่สอง

ภาพด้านบนแสดงการจับคู่ Transformer ที่ใช้ในเครื่องขยายเสียงหลอดสุญญากาศเพื่อให้ตรงกับอิมพีแดนซ์เอาต์พุต 3000 Ωของหลอด PL841 กับลำโพง 4 Ω 1000 pF C67 ป้องกันเสียงเรียกเข้าที่ความถี่เสียงที่สูงขึ้น

การจับคู่ Autotransformer สำหรับสมดุลอิมพีแดนซ์

วงจรจับคู่หม้อแปลงอัตโนมัติเป็นรูปแบบหนึ่งของวงจรจับคู่หม้อแปลงซึ่งขดลวดทั้งสองเชื่อมต่อเข้าด้วยกันที่ด้านบนซึ่งกันและกัน โดยทั่วไปจะใช้ในตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง IFร่วมกับการจับคู่หม้อแปลงกับฐานซึ่งใช้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์ที่ต่ำกว่าของทรานซิสเตอร์กับอิมพีแดนซ์สูงที่โหลดวงจรปรับแต่งน้อยลงและช่วยให้แบนด์วิดท์น้อยลงและมีการเลือกมากขึ้น ขั้นตอนในการออกแบบจะเหมือนกันจริง ๆ โดยจำนวนรอบของแกนหลักจะเท่ากับจำนวนรอบจากปลายก๊อกไปยังปลาย "เย็น" หรือสายดินและจำนวนรอบของตัวรองเท่ากับ จำนวนรอบระหว่างก๊อกกับปลาย "ร้อน" หรือปลายที่เชื่อมต่อกับโหลด

ภาพด้านบนแสดงวงจรจับคู่ Autotransformer C เป็นทางเลือกหากใช้ควรสะท้อนกับการเหนี่ยวนำของ L ที่ความถี่ในการใช้งาน วิธีนี้วงจรยังมีการกรอง

ภาพนี้แสดงการจับคู่หม้อแปลงอัตโนมัติและหม้อแปลงที่ใช้ในหม้อแปลง IF อิมพีแดนซ์สูงของ Autotransformer เชื่อมต่อกับ C17 ตัวเก็บประจุนี้จะสร้างวงจรเรโซแนนซ์พร้อมกับขดลวดทั้งหมด เนื่องจากตัวเก็บประจุนี้เชื่อมต่อกับปลายอิมพีแดนซ์สูงของออโตทรานส์ฟอร์มเมอร์ความต้านทานโหลดของวงจรที่ปรับแล้วจึงสูงขึ้นดังนั้นวงจร Q จึงมีขนาดใหญ่ขึ้นและแบนด์วิดท์ IF จะลดลงปรับปรุงการเลือกและความไว Transformer จับคู่สัญญาณขยายกับไดโอด

การจับคู่หม้อแปลงอัตโนมัติที่ใช้ในเพาเวอร์แอมป์ทรานซิสเตอร์จะจับคู่อิมพีแดนซ์เอาต์พุต 12 Ωของทรานซิสเตอร์กับเสาอากาศ 75 Ω C55 เชื่อมต่อแบบขนานกับปลายอิมพีแดนซ์สูงของตัวแปลงอัตโนมัติสร้างวงจรเรโซแนนซ์ที่กรองฮาร์มอนิกออก