Pengenalan tentang pencocokan impedansi dan cara menggunakan transformator pencocokan impedansi untuk desain Anda

Jika Anda adalah Insinyur Desain RF atau siapa saja yang pernah bekerja dengan Radio Nirkabel, istilah " Pencocokan Impedansi " seharusnya muncul lebih dari sekali. Istilah ini penting karena secara langsung mempengaruhi daya transmisi dan juga jangkauan modul Radio kami. Artikel ini bertujuan untuk membantu Anda memahami apa itu Pencocokan Impedansi dari dasar-dasar dan juga akan membantu Anda merancang sirkuit pencocokan impedansi Anda sendiri dengan menggunakan Transformator Pencocokan Impedansi yang merupakan metode yang paling umum. Jadi, mari selami.

Apa itu Pencocokan Impedansi?

Singkatnya, pencocokan impedansi memastikan bahwa impedansi keluaran dari satu tahap, yang disebut sumber, sama dengan impedansi masukan tahap berikutnya, yang disebut beban. Pertandingan ini memungkinkan transfer daya maksimum dan kerugian minimum. Anda dapat memahami konsep ini dengan mudah dengan menganggapnya sebagai bola lampu yang dipasang seri dengan sumber listrik. Bola lampu pertama adalah impedansi keluaran untuk tahap pertama (pemancar radio, misalnya) dan bola lampu kedua adalah beban, atau dengan kata lain, impedansi masukan dari bohlam kedua (misalnya antena). Kami ingin memastikan bahwa sebagian besar daya dikirim ke beban, dalam kasus kami, ini berarti daya paling besar ditransmisikan ke udara sehingga stasiun radio dapat didengar dari jauh. Maksimal ini transfer daya terjadi ketika impedansi keluaran dari sumber sama dengan impedansi masukan dari beban karena jika impedansi keluaran lebih besar dari beban lebih banyak daya yang hilang di sumber (bola lampu pertama bersinar lebih terang).

Rasio Gelombang Berdiri - Ukuran Pencocokan Impedansi

Pengukuran yang digunakan untuk menentukan seberapa cocok dua tahap yang disebut SWR (Standing Wave Ratio). Ini adalah rasio impedansi yang lebih besar dibandingkan dengan yang lebih kecil, pemancar 50 Ω ke antena 200 Ω menghasilkan 4 SWR, antena 75 Ω memberi makan mixer NE612 (impedansi input 1500 Ω) secara langsung akan memiliki SWR 20. A pasangan yang sempurna, katakanlah antena 50 Ω dan penerima 50 Ω menghasilkan SWR 1.

Dalam pemancar radio, SWR di bawah 1,5 dianggap layak dan pengoperasian ketika SWR di atas 3 dapat mengakibatkan kerusakan karena terlalu panasnya perangkat tahap keluaran daya (tabung vakum atau transistor). Dalam aplikasi penerimaan, SWR yang tinggi tidak akan menyebabkan kerusakan tetapi akan membuat penerima kurang sensitif karena sinyal yang diterima akan dilemahkan karena ketidaksesuaian dan akibatnya kehilangan daya.

Karena sebagian besar penerima menggunakan beberapa bentuk filter bandpass masukan, filter masukan dapat dirancang untuk menyesuaikan antena dengan tingkat masukan penerima. Semua pemancar radio memiliki filter keluaran yang digunakan untuk menyesuaikan tingkat keluaran daya dengan impedansi tertentu (biasanya 50 Ω). Beberapa pemancar memiliki penyetel antena internal yang dapat digunakan untuk mencocokkan pemancar dengan antena jika impedansi antena berbeda dari impedansi keluaran pemancar yang ditentukan. Jika tidak ada antena tuner, sirkuit pencocokan eksternal harus digunakan. Kehilangan daya karena ketidakcocokan sulit untuk dihitung, jadi kalkulator khusus atau tabel kerugian SWR digunakan. Tabel kerugian SWR khas ditampilkan di bawah ini

Dengan menggunakan tabel SWR diatas, kita dapat menghitung rugi daya dan juga rugi tegangan. Tegangan hilang karena ketidaksesuaian ketika impedansi beban lebih rendah dari impedansi sumber dan arus hilang ketika impedansi beban lebih tinggi dari sumber.

Pemancar 50 Ω kami dengan antena 200 Ω dengan 4 SWR akan kehilangan daya sekitar 36%, artinya 36% lebih sedikit daya yang akan dikirim ke antena dibandingkan jika antena memiliki impedansi 50 Ω. Daya yang hilang sebagian besar akan hilang di sumbernya, artinya jika pemancar kami mengeluarkan 100W, 36W juga akan hilang di dalamnya sebagai panas. Jika pemancar 50 Ω kami efisien 60%, itu akan menghilangkan 66 W saat mentransmisikan 100 W ke antena 50 Ω. Ketika dihubungkan ke antena 200 Ω, itu akan menghilangkan 36 W tambahan sehingga total daya yang hilang karena panas di pemancar adalah 102 W. Peningkatan daya yang hilang di pemancar tidak hanya berarti bahwa daya penuh tidak dipancarkan oleh antena tetapi juga berisiko kerusakan pada pemancar kami karena ia menghilangkan 102 W, bukan 66W, ia dirancang untuk berfungsi.

Dalam kasus antena 75Ω, memberi makan input 1500Ω dari IC NE612, kami tidak khawatir dengan hilangnya daya sebagai panas, tetapi tentang peningkatan level sinyal yang dapat dicapai dengan menggunakan pencocokan impedansi. Misalkan 13nW RF diinduksi pada antena. Dengan impedansi 75 Ω, 13nW menghasilkan 1 mV - kami ingin mencocokkannya dengan beban 1500 Ω. Untuk menghitung tegangan keluaran setelah rangkaian yang cocok, kita perlu mengetahui rasio impedansi, dalam kasus kita, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Rasio tegangan (seperti rasio putaran pada transformator) sama dengan akar kuadrat dari rasio impedansi, jadi √20≈8.7. Artinya tegangan keluaran akan menjadi 8,7 kali lebih besar, sehingga sama dengan 8,7 mV. Sirkuit yang cocok bertindak seperti transformator.

Karena daya yang masuk ke rangkaian yang cocok dan daya yang keluar sama (minus rugi), arus keluaran akan lebih rendah daripada masukan satu dengan faktor 8,7, tetapi tegangan keluaran akan lebih besar. Jika kita mencocokkan impedansi tinggi dengan yang rendah, kita akan mendapatkan tegangan yang lebih rendah tetapi arus yang lebih tinggi.

Transformator Pencocokan Impedansi

Transformer khusus yang disebut Impedance Matching Transformers dapat digunakan untuk mencocokkan impedansi. Keuntungan utama transformator sebagai perangkat pencocokan impedansi adalah bahwa mereka memiliki broadband, yang berarti mereka dapat bekerja dengan berbagai frekuensi. Trafo audio menggunakan inti baja lembaran, seperti yang digunakan dalam rangkaian penguat tabung vakum untuk mencocokkan impedansi tinggi tabung dengan impedansi rendah speaker, memiliki bandwidth 20Hz hingga 20kHz, trafo RF dibuat menggunakan ferit atau bahkan inti udara dapat memiliki bandwidth 1MHz-30MHz.

Transformator dapat digunakan sebagai perangkat pencocokan impedansi, karena rasio belitannya yang mengubah impedansi yang "dilihat" oleh sumber. Anda juga dapat memeriksa dasar artikel transformator ini jika Anda benar-benar baru mengenal transformator. Jika kita memiliki trafo dengan rasio putaran 1: 4, ini berarti bahwa jika 1V AC diterapkan ke primer, kita akan memiliki 4V AC pada output. Jika kita menambahkan resistor 4Ω ke output, arus 1A akan mengalir di sekunder, arus di primer sama dengan arus sekunder dikalikan dengan rasio putaran (dibagi jika transformator berjenis step-down, seperti listrik transformator), jadi 1A * 4 = 4A. Jika kita menggunakan hukum Ω untuk menentukan impedansi yang diberikan transformator ke rangkaian, kita memiliki 1V / 4A = 0,25Ω, sementara kita menghubungkan beban 4Ω setelah transformator yang cocok. Rasio impedansinya adalah 0,25Ω sampai 4Ω atau juga 1:16. Bisa juga dihitung dengan iniRumus Rasio Impedansi:

(n _A / n _B) ² = r _i

dimana n _A adalah jumlah lilitan primer pada belitan dengan lilitan lebih banyak, n _B adalah jumlah lilitan pada belitan dengan lilitan lebih sedikit, dan r _i adalah rasio impedansinya. Ini adalah bagaimana pencocokan impedansi terjadi.

Jika kita menggunakan hukum Ohm lagi, tetapi sekarang untuk menghitung daya yang mengalir ke primer kita akan memiliki 1V * 4A = 4W, di sekunder, kita akan memiliki 4V * 1A = 4W. Ini berarti bahwa perhitungan kami benar, bahwa transformator dan rangkaian pencocokan impedansi lainnya tidak memberikan daya lebih dari yang disuplai. Tidak ada energi gratis di sini.

Bagaimana memilih sebuah Impedance Matching Transformer

Rangkaian pencocokan trafo dapat digunakan ketika bandpass filtering diperlukan, harus beresonansi dengan induktansi sekunder pada frekuensi penggunaan. Parameter utama transformator sebagai perangkat pencocokan impedansi adalah:

• Rasio impedansi atau rasio putaran yang lebih umum (n)
• Induktansi primer
• Induktansi sekunder
• Impedansi primer
• Impedansi sekunder
• Frekuensi resonansi diri
• Frekuensi operasi minimum
• Frekuensi operasi maksimum
• Konfigurasi berliku
• Adanya celah udara dan maks. Arus DC
• Max. kekuasaan

Nomor lilitan primer harus cukup, sehingga belitan primer transformator memiliki reaktansi (ini adalah kumparan) empat kali impedansi keluaran sumber pada frekuensi operasi terendah.

Jumlah lilitan sekunder sama dengan jumlah lilitan primer, dibagi dengan akar kuadrat dari rasio impedansi.

Kita juga perlu mengetahui jenis dan ukuran inti apa yang digunakan, inti yang berbeda bekerja dengan baik pada frekuensi yang berbeda, di luar yang menunjukkan kerugian.

Ukuran inti bergantung pada daya yang mengalir melalui inti, karena setiap inti menunjukkan kerugian dan inti yang lebih besar dapat menghilangkan kerugian ini dengan lebih baik dan tidak menunjukkan saturasi magnetik dan hal-hal yang tidak diinginkan lainnya dengan mudah.

Celah udara diperlukan ketika arus DC akan mengalir melalui belitan pada transformator jika inti yang digunakan terbuat dari laminasi baja, seperti pada transformator listrik.

Rangkaian Pencocokan Transformer - Contoh

Misalnya, kita memerlukan trafo untuk mencocokkan sumber 50 Ω dengan beban 1500 Ω dalam rentang frekuensi 3MHz hingga 30MHz di penerima. Pertama-tama kita perlu mengetahui inti apa yang kita perlukan karena ini adalah penerima, daya yang sangat kecil akan mengalir melalui transformator, sehingga ukuran inti bisa kecil. Inti yang baik dalam aplikasi ini adalah FT50-75. Menurut pabrikan, rentang frekuensi sebagai trafo pita lebar adalah 1MHz hingga 50MHz, cukup baik untuk aplikasi ini.

Sekarang kita perlu menghitung lilitan primer, kita membutuhkan reaktansi primer 4 kali lebih tinggi dari impedansi keluaran sumber, jadi 200 Ω. Pada frekuensi operasi minimum 3MHz, induktor 10.6uH memiliki reaktansi 200 Ω. Dengan menggunakan kalkulator online, kami menghitung bahwa kami membutuhkan 2 lilitan kabel pada inti untuk mendapatkan 16uH, sedikit di atas 10.6uH, tetapi dalam kasus ini, lebih baik ukurannya lebih besar daripada lebih kecil. 50 Ω hingga 1500 Ω memberikan rasio impedansi 30. Karena rasio putaran adalah akar kuadrat dari rasio impedansi, kita mendapatkan sekitar 5,5, jadi untuk setiap putaran primer kita membutuhkan 5,5 putaran sekunder untuk membuat 1500Ω pada putaran sekunder terlihat seperti 50Ω untuk sumber. Karena kita memiliki 2 putaran pada primer, kita membutuhkan 2 * 5,5 putaran pada sekunder, yaitu 11 putaran. Diameter kawat harus mengikuti 3A / 1mm ² aturan (maksimum 3A mengalir per setiap milimeter persegi luas penampang kabel).

Pencocokan transformator sering digunakan dalam filter bandpass, untuk mencocokkan sirkuit resonansi dengan impedansi rendah antena dan mixer. Semakin tinggi impedansi yang memuat rangkaian, semakin rendah bandwidth dan semakin tinggi Q. Jika kita menghubungkan rangkaian resonansi langsung ke impedansi rendah, bandwidth akan sangat sering terlalu besar untuk digunakan. Rangkaian resonansi terdiri dari kapasitor L1 sekunder dan kapasitor 220 pF pertama dan kapasitor L2 primer dan kapasitor 220 pF kedua.

Gambar di atas menunjukkan pencocokan Transformator yang digunakan dalam penguat daya audio tabung vakum untuk mencocokkan impedansi keluaran 3000 Ω dari tabung PL841 ke speaker 4 Ω. 1000 pF C67 mencegah deringan pada frekuensi audio yang lebih tinggi.

Pencocokan transformator otomatis untuk keseimbangan Impedansi

Rangkaian pencocokan autotransformer adalah varian dari rangkaian pencocokan transformator, di mana kedua lilitan dihubungkan bersama di atas satu sama lain. Ini biasanya digunakan dalam induktor filter IF, bersama dengan trafo yang cocok dengan basis, di mana ia digunakan untuk mencocokkan impedansi yang lebih rendah dari transistor ke impedansi tinggi yang memuat rangkaian tuning lebih sedikit dan memungkinkan bandwidth yang lebih kecil dan karena itu selektivitas yang lebih besar. Proses perancangannya praktis sama, dengan jumlah lilitan pada primer sama dengan jumlah lilitan dari tap kumparan ke ujung "dingin" atau yang diarde dan jumlah lilitan pada sekunder sama dengan jumlah putaran antara keran dan ujung "panas" atau ujung yang terhubung ke beban.

Gambar di atas menunjukkan rangkaian pencocokan Autotransformer. C opsional jika digunakan harus beresonansi dengan induktansi L pada frekuensi penggunaan. Dengan cara ini sirkuit juga menyediakan penyaringan.

Gambar ini mengilustrasikan pencocokan Autotransformer dan trafo yang digunakan dalam trafo IF. Impedansi tinggi Autotransformer terhubung ke C17, kapasitor ini membentuk rangkaian resonansi dengan seluruh belitan. Karena kapasitor ini terhubung ke ujung impedansi tinggi dari autotransformer, resistansi yang memuat rangkaian yang disetel lebih tinggi, oleh karena itu rangkaian Q lebih besar dan bandwidth IF berkurang, meningkatkan selektivitas dan sensitivitas. Pencocokan transformator memasangkan sinyal yang diperkuat ke dioda.

</s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> orang </s>

Pencocokan autotransformer yang digunakan pada penguat daya transistor, cocok dengan impedansi keluaran transistor 12 Ω ke antena 75 Ω. C55 dihubungkan secara paralel ke ujung impedansi tinggi dari autotransformer membentuk rangkaian resonansi yang menyaring harmonisa.