- Coincidencia de filtro LC
- Filtros L
- Filtros PI
- Otros circuitos LC utilizados para igualar impedancia
En el artículo anterior, discutimos los conceptos básicos de la adaptación de impedancia y cómo utilizar un transformador de adaptación de impedancia. Además de utilizar un transformador de adaptación de impedancia, los diseñadores también pueden utilizar circuitos de filtro de impedancia en la salida de un amplificador de RF que se puede duplicar como circuito de filtrado y también como circuito de adaptación de impedancia. Hay muchos tipos de circuitos de filtro que se pueden usar para igualar la impedancia, los más comunes se describen en este artículo.
Coincidencia de filtro LC
Se pueden usar varios filtros LC para igualar impedancias y proporcionar filtrado. El filtrado es especialmente importante en la salida de los amplificadores de RF de potencia porque generan una gran cantidad de armónicos no deseados que deben filtrarse antes de que sean transmitidos por la antena porque pueden causar interferencias y transmitir en frecuencias distintas a las que la estación está aprobada para transmitir. puede ser ilegal. Vamos a cubrir filtros LC de paso bajodebido a que los amplificadores de potencia de radio solo generan armónicos, y las señales armónicas son siempre el múltiplo completo de las señales base, por lo que siempre tienen frecuencias más altas que la señal base; es por eso que usamos filtros de paso bajo, dejan pasar la señal deseada mientras obtienen deshacerse de los armónicos. Al diseñar filtros LC, hablaremos de resistencia de fuente y resistencia de carga en lugar de impedancia, porque si la carga o fuente tiene alguna inductancia o capacitancia en serie o en paralelo, y por lo tanto impedancia no resistiva, los cálculos se vuelven mucho más complejos. En este caso, es mejor utilizar un filtro PI o una calculadora de filtro L. En la mayoría de los casos, como circuitos integrados, antenas debidamente fabricadas y sintonizadas, receptores de radio y televisión, transmisores, etc., impedancia de salida / entrada = resistencia.
Factor "Q"
Cada filtro LC tiene un parámetro conocido como factor Q (calidad), en los filtros de paso bajo y paso alto determina la inclinación de la respuesta de frecuencia. Un filtro de Q bajo será de banda muy ancha y no filtrará las frecuencias no deseadas tan bien como un filtro de Q alto. Un filtro de Q alto filtrará las frecuencias no deseadas, pero tendrá un pico resonante, por lo que también actuará como un filtro de paso de banda. Un factor Q alto a veces reduce la eficiencia.
Filtros L
Los filtros L son la forma más simple de filtros LC. Consisten en un capacitor y un inductor, conectados de una manera similar a la que se encuentra en los filtros RC, con el inductor reemplazando la resistencia. Se pueden utilizar para igualar la impedancia mayor o menor que la impedancia de la fuente. En cada filtro L, solo hay una combinación de L y C que puede hacer coincidir una impedancia de entrada determinada con una impedancia de salida determinada.
Por ejemplo, para hacer coincidir una carga de 50 Ω con una carga de 100 Ω a 14MHz, necesitamos un inductor de 560nH con un capacitor de 114pF; esta es la única combinación que puede hacer coincidir a esta frecuencia con estas resistencias. Su factor Q y, por lo tanto, qué tan bueno es el filtro
√ ((R A / R B) -1) = Q
Donde R A es la impedancia más grande, RL es la impedancia más pequeña y Q es el factor Q con la carga adecuada conectada.
En nuestro caso, la Q cargada será igual a √ ((100/50) -1) = √ (2-1) = √1 = 1. Si quisiéramos más o menos filtrado (Q diferente), necesitaríamos la Filtro PI, donde Q es totalmente ajustable y puede tener diferentes combinaciones de L y C que pueden brindarle la coincidencia requerida a una frecuencia determinada, cada una con una Q diferente.
Para calcular los valores de los componentes del filtro L, necesitamos tres cosas: la resistencia de salida de la fuente, la resistencia de la carga y la frecuencia de operación.
Por ejemplo, la resistencia de salida de la fuente será de 3000 Ω, la resistencia de carga será de 50 Ω y la frecuencia será de 14 MHz. Dado que la resistencia de nuestra fuente es mayor que la resistencia de carga, usaremos el filtro "b"
Primero, necesitamos calcular las reactancias de los dos componentes de un filtro L, luego podemos calcular la inductancia y capacitancia en función de la reactancia y frecuencia de uso:
X L = √ (R S * (R L -R S)) X L = √ (50 Ω * (3000 Ω-50 Ω) X L = √ (50 Ω * (3000 Ω-50 Ω) X L = √ (50 Ω * 2950 Ω) X L = √ (50 Ω * 2950 Ω) X L = √147500 Ω 2 X L = 384,1 Ω
Usamos una calculadora de reactancia para determinar una inductancia que tiene una reactancia de 384.1 Ω a 14MHz
L = 4,37 μH X C = (R S * R L) / X L X C = (50 Ω * 3000 Ω) /384,1 Ω X C = 150000 Ω 2 / 384,1 Ω X C = 390,6 Ω
Usamos una calculadora de reactancia para determinar una inductancia que tiene una reactancia de 390.6 Ω a 14MHz
C = 29,1 pF
Como puede ver, la respuesta de frecuencia del filtro es un paso bajo con un pico resonante a 14MHz, el pico resonante es causado por el filtro que tiene una Q alta si la Q fuera menor, el filtro sería de paso bajo sin pico. Si quisiéramos una Q diferente, por lo que el filtro sería de banda ancha, necesitaríamos usar un filtro PI porque la Q del filtro L depende de la resistencia de la fuente y la resistencia de carga. Si usamos este circuito para igualar la impedancia de salida de un tubo o un transistor, necesitaríamos restar la capacitancia de salida a tierra del capacitor del filtro porque están en paralelo. Si usamos un transistor con una capacitancia colector-emisor (también conocida como capacitancia de salida) de 10pF, la capacitancia de C debería ser 19.1 pF en lugar de 29.1 pF.
Filtros PI
El filtro PI es un circuito de adaptación muy versátil, consta de 3 elementos reactivos, generalmente dos condensadores y un inductor. A diferencia del filtro L, donde solo una combinación de L y C proporcionó la adaptación de impedancia requerida a una frecuencia determinada, el filtro PI permite múltiples combinaciones de C1, C2 y L para lograr la adaptación de impedancia deseada, cada combinación tiene un Q diferente.
Los filtros PI se utilizan con más frecuencia en aplicaciones, donde es necesario sintonizar diferentes resistencias de carga o incluso impedancias complejas, como amplificadores de potencia de RF porque su relación de impedancia de entrada a salida (r i) está determinada por la relación de condensadores al cuadrado, por lo que cuando se sintoniza con una impedancia diferente, la bobina puede permanecer igual, mientras que solo se sintonizan los condensadores. C1 y C2 en los amplificadores de potencia de RF suelen ser variables.
(C1 / C2) ² = r yo
Cuando queremos un filtro de banda más ancha usamos Q un poco por encima de Q crit cuando queremos un filtro más nítido, como en la salida de un amplificador de potencia de RF, usamos Q que es mucho más grande que Q crit, pero por debajo de 10, como el cuanto mayor sea la Q del filtro, menor será la eficiencia. La Q típica de los filtros PI en las etapas de salida de RF es 7, pero este valor puede variar.
Q crit = √ (R A / R B -1)
Donde: R A es la mayor de las dos resistencias (fuente o carga) y R B es la menor resistencia. En general, el filtro PI en Q más alto puede considerarse, ignorando la adaptación de impedancia como un circuito resonante paralelo hecho de una bobina L y un capacitor C con una capacitancia igual a:
C = (C1 * C2) / (C1 + C2)
Este circuito resonante debe resonar a la frecuencia en que se utilizará el filtro.
Para calcular los valores de los componentes de un filtro PI, necesitamos cuatro cosas: resistencia de salida de la fuente, resistencia de la carga, frecuencia de operación y Q.
Por ejemplo, necesitamos hacer coincidir una fuente de 8 Ω con una carga de 75 Ω con una Q de 7.
R A es la mayor de las dos resistencias (fuente o carga) y R B es la menor resistencia.
X C1 = R A / QX C1 = 75 Ω / 7 X C1 = 10,7 Ω
Usamos una calculadora de reactancia para determinar una capacitancia que tiene una reactancia de 10.7 Ω a 7 MHz
C1 = 2,12 nF X L = (Q * R A + (R A * R B / X C2)) / (Q 2 +1) X L = (7 * 75 Ω + (75 Ω * 8 Ω / 3,59 Ω)) / 7 2 +1 X L = (575 Ω + (600 Ω 2 /3.59 Ω)) / 50 X L = (575 Ω + (167 Ω)) / 50 X L = 742 Ω / 50 X L = 14.84 Ω
Usamos una calculadora de reactancia para determinar una inductancia que tiene una reactancia de 14.84 Ω a 7 MHz
L = 340 nH X C2 = R B * √ ((R A / R B) / (Q 2 + 1- (R A / R B))) X C2 = 8 Ω * √ ((75 Ω / 8 Ω) / (Q 2 + 1- (75 Ω / 8 Ω))) X C2 = 8 Ω * √ (9.38 / (49 + 1-3.38)) X C2 = 8 Ω * √ (9.38 / 46.62) X C2 = 8 Ω * √0.2 X C2 = 8 Ω * 0.45 X C2 = 3.59 Ω
Usamos una calculadora de reactancia para determinar una capacitancia que tiene una reactancia de 3.59 Ω a 7 MHz
C2 = 6,3 nF
Al igual que con el filtro L, si nuestro dispositivo de salida tiene alguna capacitancia de salida (placa-cátodo para tubos, colector a emisor para BJT, a menudo solo capacitancia de salida para MOSFET, tubos y BJT) debemos restarlo de C1 porque esa capacitancia es conectado en paralelo a él. Si usáramos un transistor IRF510, con una capacitancia de salida de 180 pF, como dispositivo de salida de potencia, C1 tendría que ser 6.3 nF-0.18 nF, entonces 6.17 nF. Si usáramos varios transistores en paralelo para obtener una mayor potencia de salida, las capacitancias sumarían.
Para 3 IRF510 sería 6.3 nF-0.18 nF * 3 = 6.3 nF-0.54 nF, entonces 5.76 nF en lugar de 6.3 nF.
Otros circuitos LC utilizados para igualar impedancia
Existen numerosos circuitos LC diferentes que se utilizan para igualar impedancias, como filtros T, circuitos de adaptación especiales para amplificadores de potencia de transistores o filtros PI-L (filtro PI con un inductor adicional).
