آموزش الکترونیک

تطبیق امپدانس و استفاده از ترانسفورماتور تطبیق امپدانس

اگر شما یک مهندس طراحی RF یا کسی هستید که با رادیوهای بی سیم کار کرده اید، اصطلاح “تطبیق امپدانس” باید بیش از یک بار به گوشتان خورده باشد. این اصطلاح بسیار مهم است زیرا مستقیماً بر قدرت انتقال و در نتیجه دامنه ماژول های رادیویی ما تأثیر می گذارد. هدف این مقاله این است که به شما کمک کند تا تطبیق امپدانس را از اصول اولیه بفهمید و همچنین به شما کمک می کند تا با استفاده از ترانسفورماتور تطبیق امپدانس که متداول ترین روش است، مدارهای تطبیق امپدانس خود را طراحی کنید. بنابراین، بیایید به آن بپردازیم.

قبل از خواندن ادامه، پیشنهاد میکنم مقاله ترانسفورماتور چیست را بخوانید.

تطبیق امپدانس چیست؟

به طور خلاصه، تطبیق امپدانس اطمینان حاصل می کند که امپدانس خروجی یک مرحله، به نام منبع، برابر با امپدانس ورودی مرحله بعد است که بار نامیده می شود. این تطبیق امکان انتقال حداکثر قدرت و حداقل اتلاف را فراهم می کند. شما می توانید این جنبه را به راحتی با فکر کردن به آن به عنوان لامپ های برق سری به همراه منبع تغذیه، درک کنید. اول لامپ برق امپدانس خروجی برای مرحله یک است (به عنوان مثال یک فرستنده رادیویی) و لامپ برق دوم بار است، یا به عبارت دیگر، امپدانس ورودی لامپ برق دوم (به عنوان مثال یک آنتن). ما می خواهیم اطمینان حاصل کنیم که بیشترین قدرت به بار تحویل داده می شود، در مورد ما، این بدان معنی است که بیشترین قدرت به هوا منتقل می شود تا یک ایستگاه رادیویی از مسیر دورتری شنیده شود. این انتقال قدرت حداکثر زمانی اتفاق می افتد که امپدانس خروجی منبع برابر با امپدانس ورودی بار باشد زیرا اگر امپدانس خروجی بزرگتر از بار باشد، قدرت بیشتری در منبع از دست می رود (اولین لامپ روشن تر می شود).

نسبت موج ساکن – اندازه گیری تطبیق امپدانس

اندازه گیری مورد استفاده برای تعریف چگونگی مطابقت دو مرحله، SWR (نسبت موج ساکن) نامیده می شود. این نسبت، مقایسه امپدانس بزرگتر با کوچکتر است، یک فرستنده 50 Ω در یک آنتن 200 Ω 4 SWR می دهد، یک آنتن 75 Ω که از یک میکسر NE612 تغذیه می کند (امپدانس ورودی 1500 Ω است) مستقیماً دارای SWR 20 است. یک مطابقت کامل، بیایید بگوییم یک آنتن 50 Ω و یک گیرنده 50 Ω یک SWR 1 می دهد.

برای یادگیری آردوینو (برنامه نویسی، ساخت ربات، ارتباط با اندروید) روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.
برای یادگیری کامل الکترونیک روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

در فرستنده های رادیویی، SWR های زیر 1.5 مناسب ارزیابی می شوند و هنگامی که SWR بالاتر از 3 باشد، می تواند به علت گرم شدن بیش از حد دستگاه های مرحله خروجی برق (لوله های خلاء یا ترانزیستور ها) آسیب ببیند. در کاربرد های دریافتی، SWR زیاد صدمه ای نمی زند اما حساسیت گیرنده را کمتر می کند زیرا سیگنال دریافت شده به دلیل عدم تطابق و در نتیجه افت برق ضعیف می شود.

از آنجا که بیشتر گیرنده ها از نوعی فیلتر میان گذر ورودی استفاده می کنند، فیلتر ورودی می تواند متناسب با آنتن با مرحله ورودی گیرنده طراحی شود. همه فرستنده های رادیویی دارای فیلترهای خروجی ای هستند که برای تطبیق مرحله خروجی برق با امپدانس خاصی (معمولاً 50 Ω) استفاده می شوند. برخی از فرستنده ها تنظیم گر آنتن ساخته اند که در صورت متفاوت بودن امپدانس آنتن با امپدانس خروجی فرستنده مشخص، می تواند برای مطابقت فرستنده با آنتن مورد استفاده قرار گیرد. اگر تنظیم کننده آنتن وجود نداشته باشد، باید از یک مدار تطبیق خارجی استفاده شود. اتلاف برق به دلیل عدم تطابق محاسبه سخت است، بنابراین از ماشین حساب های ویژه یا جداول اتلاف SWR استفاده می شود. یک جدول معمول اتلاف SWR در زیر نشان داده شده است

جدول SWR تطبیق امپدانس ترانسفورماتور

با استفاده از جدول SWR بالا می توان اتلاف برق و همچنین افت ولتاژ را محاسبه کرد. وقتی امپدانس بار کمتر از امپدانس منبع و امپدانس بار بالاتر از منبع جریان باشد، ولتاژ به دلیل عدم تطابق از بین می رود.

فرستنده 50 Ω با آنتن 200 Ω با 4 SWR حدود 36٪ از توان خود را از دست می دهد، به این معنی که در مقایسه با آنتن دارای امپدانس 50 Ω، 36٪ نیروی کمتری به آنتن می رسد. توان اتلافی عمدتا در منبع تلف خواهد شد، به این معنی که اگر فرستنده ما 100 وات می داد، 36 وات نیز به صورت گرما در آن تلف می شود. اگر فرستنده 50 Ω ما 60٪ کارآمد باشد، هنگام انتقال 100 وات به آنتن 50 Ω، 66 وات تلف می شود. هنگامی که به آنتن 200 Ω متصل شوید، 36 وات اضافی از بین می رود بنابراین کل انرژی از دست رفته به دلیل گرما در فرستنده 102 وات است. افزایش توان اتلاف شده در فرستنده نه تنها به این معنی نیست که تمام برق توسط آنتن ساطع می شود بلکه باعث آسیب رساندن به فرستنده ما نیز می شود زیرا 102 وات را به جای 66 وات، برای کار با آن تلف می کند.

در مورد آنتن 75Ω، با تغذیه ورودی 1500Ω از NE612 IC، ما به دلیل اتلاف انرژی در اثر حرارت نگران نیستیم، بلکه به دلیل افزایش سطح سیگنال است که می تواند با استفاده از تطبیق امپدانس حاصل شود. بگذارید بگوییم که 13nW RF در آنتن القا می شود. با امپدانس 75 Ω، 13nW 1 میلی ولت را ارائه می دهد که می خواهیم آن را با 1500 Ω بار خود مطابقت دهیم. برای محاسبه ولتاژ خروجی پس از مدار تطبیق، باید نسبت امپدانس را بدانیم، در نمونه ما، Ω / 75 Ω = 201500 .نسبت ولتاژ (مانند نسبت چرخش در ترانسفورماتور ها) برابر است با مجذور مربع نسبت امپدانس، بنابراین 20√≈8.7. این بدان معنی است که ولتاژ خروجی 8.7 برابر بیشتر خواهد بود، بنابراین برابر با 8.7 میلی ولت خواهد بود. مدارهای تطبیق مانند ترانسفورماتور ها عمل می کنند.

از آنجا که توان ورودی به مدار تطبیق و توان خروجی یکسان است (منهای افت)، جریان خروجی با ضریب 8.7 کمتر از ورودی خواهد بود، اما ولتاژ خروجی بزرگتر خواهد بود. اگر ما یک امپدانس بالا را با یک نمونه پایین تر آن تطبیق داده باشیم، ولتاژ پایین تری اما جریان بیشتری خواهیم داشت.

پیشنهاد میکنم انواع ترانسفورماتور را هم بخوانید.

ترانسفورماتورهای تطبیق امپدانس

برای تطبیق امپدانس می توان از ترانسفورماتورهای ویژه ای موسوم به Impedance Matching Transformers استفاده کرد. مزیت اصلی ترانسفورماتور ها به عنوان دستگاه های تطبیق امپدانس، داشتن باند پهن است، به این معنی که می توانند با طیف گسترده ای از فرکانس ها کار کنند. ترانسفورماتورهای صوتی با استفاده از هسته های فولادی ورقی، مانند آن هایی که در مدارهای تقویت کننده لوله خلاء برای تطبیق امپدانس بالای لوله به امپدانس پایین بلندگو استفاده می شد، دارای پهنای باند 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز هستند، ترانسفورماتورهای RF ساخته شده با استفاده از هسته های فریت یا حتی هوا می توانند پهنای باند 1 مگاهرتز 30 مگاهرتز دارند.

ترانسفورماتورهای تطبیق امپدانس

از ترانسفورماتور ها می توان به عنوان دستگاه های تطبیق امپدانس استفاده کرد، زیرا نسبت چرخش آن ها باعث تغییر امپدانسی می شود که منبع “می بیند”. اگر کاملاً در ترانسفورماتور تازه کار هستید می توانید این اصول مقاله ترانسفورماتور را بررسی کنید. اگر یک ترانسفورماتور با نسبت 1:4 دور داشته باشیم، این بدان معنی است که اگر 1 ولت جریان متناوب به جریان اصلی اعمال می شد، 4 ولت AC متناوب بر روی خروجی داشتیم. اگر یک مقاومت 4Ω به خروجی اضافه کنیم، 1A جریان در ثانویه جاری می شود، جریان در اولیه برابر است با جریان ثانویه ضربدر نسبت دور ( اگر ترانسفورماتور از نوع کاهشی باشد، مانند ترانسفورماتور های اصلی تقسیم می شود )، بنابراین1A * 4 = 4 A . اگر از قانون Ω برای تعیین امپدانس ترانسفورماتور به مدار استفاده کنیم، 1V / 4A = 0.25Ω داریم، در حالی که پس از ترانسفورماتور تطبیق، بار 4Ω را متصل کردیم. نسبت امپدانس 0.25Ω به 4Ω یا همچنین 1:16است. همچنین با این فرمول نسبت امپدانس قابل محاسبه است.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید
(nA/nB)²=ri

nA تعداد چرخش های اولیه سیم پیچ با خرجش های بیشتر است، nB تعداد چرخش های سیم پیچ با چرخش های کمتر و ri نسبت امپدانس است. این است که چگونه تطبیق امپدانس اتفاق می افتد.

مدار ترانسفورماتور ها یتطبیق امپدانس

اگر دوباره از قانون اهم استفاده می کردیم، اما اکنون برای محاسبه توانی که به مقدار اولیه جاری می شود،  1V * 4A = 4Wخواهیم داشت، در ثانویه،  4V * 1A = 4W خواهیم داشت. این به این معنی است که محاسبات ما درست است، ترانسفورماتور ها و مدار های دیگر تطبیق امپدانس، انرژی بیشتری از آنچه تغذیه می کنند نمی دهند. اینجا انرژی آزاد نیست.

قانون اهم برای مدار تطبیق امپدانس

نحوه انتخاب ترانسفورماتور همسان سازی امپدانس

مدار تطبیق ترانسفورماتور را می توان در صورت نیاز به فیلتر میان گذر استفاده کرد، باید با اندوکتانس ثانویه در فرکانس مورد استفاده همخوانی داشته باشد. پارامتر های اصلی ترانسفورماتور ها به عنوان دستگاه های تطبیق امپدانس بدین صورت هستند :

  • نسبت امپدانس یا نسبت چرخش هایی که معمولاً گفته می شود (n)
  • اندوکتانس اولیه
  • اندوکتانس ثانویه
  • امپدانس اولیه
  • امپدانس ثانویه
  • فرکانس خود تشدیدی
  • حداقل فرکانس کار
  • حداکثر فرکانس کار
  • پیکربندی سیم پیچ
  • وجود فاصله هوا و حداکثر جریان DC
  • حداکثر توان

تعداد چرخش ​​های اولیه باید کافی باشد، بنابراین سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور دارای راکتانس است (یک سیم پیچ است) چهار برابر امپدانس خروجی منبع در کمترین فرکانس کار.

تعداد چرخش های ثانویه برابر است با تعداد چرخش های اولیه، تقسیم بر ریشه مربع نسبت امپدانس.

ما همچنین باید بدانیم که از چه نوع و اندازه هسته ای استفاده کنیم، هسته های مختلف در فرکانس های مختلفی خوب کار می کنند، که خارج از آن ها عملکردشان را از دست می دهند.

اندازه هسته به توان جاری شده در هسته بستگی دارد، زیرا هر هسته تلفاتی از خود نشان می دهد و هسته های بزرگتر می توانند این تلفات را بهتر از بین ببرند و اشباع مغناطیسی و سایر موارد ناخواسته را به راحتی نشان ندهند.

اگر هسته مورد استفاده از چند لایه فولادی ساخته شده باشد، مانند ترانسفورماتور برق، فاصله هوایی ای هنگام عبور جریان DC از هر سیم پیچ موجود بر روی ترانسفورماتور لازم است.

مثال مدار های تطبیق ترانسفورماتور

به عنوان مثال، ما به یک ترانسفورماتور نیاز داریم تا یک منبع 50 Ω را با یک بار 1500 Ω در محدوده فرکانس 3 مگاهرتز تا 30 مگاهرتز در یک گیرنده مطابقت دهد. ابتدا باید بدانیم که به چه هسته ای احتیاج داریم از آنجایی که این یک گیرنده است، نیروی کمی از طریق ترانسفورماتور جریان می یابد، بنابراین اندازه هسته می تواند کوچک باشد. یک هسته خوب در این کاربرد FT50 75 است. به گفته سازنده، این محدوده فرکانسی است چرا که یک ترانسفورماتور پهن باند از 1 مگاهرتز تا 50 مگاهرتز است، به اندازه کافی مناسب برای این برنامه.

اکنون ما باید چرخش های اولیه را محاسبه کنیم، ما به راکتانس اولیه تا 4 برابر بیشتر از امپدانس خروجی منبع نیاز داریم، بنابراین 200 Ω. در حداقل فرکانس کاری 3 مگاهرتز، یک انداکتور 10.6uH دارای 200 Ω راکتانس می باشد. با استفاده از یک ماشین حساب آنلاین ما محاسبه می کنیم که برای بدست آوردن 16uH، کمی بالاتر از 10.6uH، به 2 دور سیم هسته نیاز داریم، اما در این حالت بهتر است بزرگتر باشد تا کوچکتر. 50 Ω به 1500 Ω نسبت امپدانس 30 را نشان می دهد. از آنجا که نسبت چرخش ها ریشه مربع نسبت امپدانس است، ما چیزی در حدود 5.5 بدست می آوریم، بنابراین برای هر دور اصلی به 5.5 دور ثانویه نیاز داریم تا 1500Ω در ثانویه ایجاد کنیم مانند 50Ω به منبع. از آنجایی که ما 2 چرخش اولیه داریم، ما 2 * 5.5 دور ثانویه نیاز داریم، یعنی 11 دور. قطر سیم باید از قانون 3A/1mm2 پیروی کند (حداکثر 3A جاری در هر میلی متر مربع از سطح مقطع سیم).

مثال مدار های تطبیق ترانسفورماتور

تطبیق ترانسفورماتور اغلب در فیلترهای میان گذر، برای مطابقت مدارهای تشدید با امپدانس پایین آنتن ها و میکسرها استفاده می شود. هرچه مدار بارگیری امپدانس بیشتر باشد، پهنای باند کمتر و Q بیشتر است. اگر ما یک مدار تشدید را مستقیماً به یک امپدانس کم وصل کنیم، پهنای باند برای استفاده مفید بسیار زیاد است. مدار تشدید از ثانویه L1 و اولین خازن 220 pF و اولیه L2 و خازن دوم 220 pF تشکیل شده است.

مطابقت ترانسفورماتور در آمپلی فایر صوتی

تصویر بالا مطابقت ترانسفورماتور را نشان می دهد که در یک آمپلی فایر قدرت صوتی لوله خلا برای تطبیق امپدانس خروجی 3000 Ω لوله PL841 تا یک اسپیکر 4 Ω استفاده می شود. 1000 pF C67 از زنگ زدن در فرکانس های بالاتر صوتی جلوگیری می کند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، مقاله ترانسفورماتور صوتی را بخوانید.

تطبیق ترانسفورماتور خودکار برای بالانس امپدانس

مدار تطبیق خودکار ترانسفورماتور نوعی مدار تطبیق ترانسفورماتور است، جایی که دو سیم پیچ روی هم قرار دارند. این معمولاً در انداکتور های فیلتر IF، همراه با تطبیق ترانسفورماتور با پایه، مورد استفاده قرار می گیرد، جایی که برای تطبیق امپدانس پایین ترانزیستور با یک امپدانس بالا استفاده می شود که مدار تنظیم را کمتر بارگیری می کند و پهنای باند کمتری و در نتیجه انتخاب بیشتری را فراهم می کند. روند طراحی آن ها تقریباً یکسان است، با تعداد چرخش های اولیه برابر با تعداد چرخش از تپ سیم پیچ به انتهای “سرد” یا زمین و تعداد چرخش های ثانویه برابر است با تعداد چرخش های بین تپ و انتهای “گرم” یا انتهایی که به بار متصل شده است.

تطبیق ترانسفورماتور خودکار برای بالانس امپدانس

تصویر بالا مدار تطبیق ترانسفورماتور را نشان می دهد. C در صورت استفاده اختیاری است باید با اندوکتانس L در فرکانس مورد استفاده مطابقت داشته باشد. به این ترتیب مدار فیلترینگ را نیز فراهم می کند.

تطبیق ترانسفورماتور و ترانسفورماتو خودکار IF

این تصویر نشان دهنده تطبیق ترانسفورماتور و ترانسفورماتو خودکار است که در ترانسفورماتور IF استفاده شده است. امپدانس زیاد ترانسفورماتور خودکار به C17 متصل می شود، این خازن مدار تشدید را با سیم پیچ کل تشکیل می دهد. از آنجا که این خازن به انتهای امپدانس بالای ترانسفورماتور متصل می شود، مقاومت در حال بارگیری مدار تنظیم شده بیشتر است، بنابراین مدار Q بزرگتر است و پهنای باند IF کاهش می یابد، که باعث بهبود بهگزینی و حساسیت می شود. ترانسفورماتور سیگنال تقویت شده را به دیود متصل می کند.

مدار کامل تطبیق امپدانس ترانسفورماتور

مطابقت خودکار ترانسفورماتور که در آمپلی فایر قدرت ترانزیستور استفاده می شود، با امپدانس خروجی ترانزیستور 12 Ω با آنتن 75 Ω مطابقت دارد. C55 به طور موازی به انتهای امپدانس بالا متصل شده است، ترانسفورماتور خودکار مدار تشدیدی را تشکیل می دهد که هارمونیک ها را فیلتر می کند.

برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید.

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

تصویر از محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *