- ¿Qué es la adaptación de impedancia?
- Relación de onda estacionaria: medida de coincidencia de impedancia
- Transformadores de impedancia a juego
- Cómo seleccionar un transformador de adaptación de impedancia
- Circuitos de adaptación de transformadores: ejemplo
- Adaptación de autotransformador para equilibrio de impedancia
Si usted es un ingeniero de diseño de RF o alguien que ha trabajado con radios inalámbricas, el término " Impedance Matching " debería haberle sorprendido más de una vez. El término es crucial porque afecta directamente a la potencia de transmisión y, por tanto, al alcance de nuestros módulos de Radio. Este artículo tiene como objetivo ayudarlo a comprender qué es la adaptación de impedancia desde lo básico y también lo ayudará a diseñar sus propios circuitos de adaptación de impedancia mediante el uso de un transformador de adaptación de impedancia, que es el método más común. Entonces, vamos a sumergirnos.
¿Qué es la adaptación de impedancia?
En resumen, la coincidencia de impedancia asegura que la impedancia de salida de una etapa, llamada fuente, sea igual a la impedancia de entrada de la siguiente etapa, llamada carga. Esta combinación permite una máxima transferencia de energía y una mínima pérdida. Puede comprender este concepto fácilmente si lo considera como bombillas en serie con una fuente de alimentación. La primera bombilla es la impedancia de salida para la etapa uno (un transmisor de radio, por ejemplo) y la segunda bombilla es la carga, o en otras palabras, la impedancia de entrada de la segunda bombilla (una antena, por ejemplo). Queremos asegurarnos de que se entregue la mayor cantidad de energía a la carga; en nuestro caso, esto significaría que se transmite la mayor cantidad de energía al aire para que se pueda escuchar una estación de radio desde más lejos. Este máximo la transferencia de potencia ocurre cuando la impedancia de salida de la fuente es igual a la impedancia de entrada de la carga porque si la impedancia de salida es mayor que la carga, se pierde más potencia en la fuente (la primera bombilla brilla más).
Relación de onda estacionaria: medida de coincidencia de impedancia
Una medida utilizada para definir qué tan bien se emparejan dos etapas se llama SWR (relación de onda estacionaria). Es la relación de la impedancia más grande en comparación con la más pequeña, un transmisor de 50 Ω en una antena de 200 Ω da 4 SWR, una antena de 75 Ω alimentando un mezclador NE612 (la impedancia de entrada es de 1500 Ω) directamente tendrá una SWR de 20. A Combinación perfecta, digamos que una antena de 50 Ω y un receptor de 50 Ω dan una ROE de 1.
En los transmisores de radio, las ROE inferiores a 1,5 se consideran decentes y el funcionamiento cuando la ROE es superior a 3 puede provocar daños debido al sobrecalentamiento de los dispositivos de la etapa de salida de potencia (tubos de vacío o transistores). En aplicaciones de recepción, una ROE alta no causará daños, pero hará que el receptor sea menos sensible porque la señal recibida se atenuará debido a la falta de coincidencia y la consiguiente pérdida de energía.
Dado que la mayoría de los receptores utilizan algún tipo de filtro de paso de banda de entrada, el filtro de entrada puede diseñarse para que la antena coincida con la etapa de entrada del receptor. Todos los transmisores de radio tienen filtros de salida que se utilizan para hacer coincidir la etapa de salida de potencia con la impedancia específica (generalmente 50 Ω). Algunos transmisores tienen sintonizadores de antena incorporados que se pueden usar para hacer coincidir el transmisor con la antena si la impedancia de la antena es diferente de la impedancia de salida del transmisor especificado. Si no hay un sintonizador de antena, se debe utilizar un circuito de adaptación externo. La pérdida de energía debido a la falta de coincidencia es difícil de calcular, por lo que se utilizan calculadoras especiales o tablas de pérdida de ROE. A continuación se muestra una tabla típica de pérdidas de ROE
Usando la tabla de ROE anterior, podemos calcular la pérdida de potencia y también la pérdida de voltaje. El voltaje se pierde debido a un desajuste cuando la impedancia de carga es menor que la impedancia de la fuente y la corriente se pierde cuando la impedancia de carga es mayor que la fuente.
Nuestro transmisor de 50 Ω con una antena de 200 Ω con 4 SWR perderá aproximadamente el 36% de su potencia, lo que significa que se entregará un 36% menos de potencia a la antena en comparación con si la antena tuviera una impedancia de 50 Ω. La potencia perdida se disipará principalmente en la fuente, lo que significa que si nuestro transmisor emitía 100W, 36W también se disiparán en él como calor. Si nuestro transmisor de 50 Ω tuviera una eficiencia del 60%, disiparía 66 W al transmitir 100 W a una antena de 50 Ω. Cuando se conecta a la antena de 200 Ω, disipará 36 W adicionales, por lo que la potencia total perdida como calor en el transmisor es de 102 W. El aumento de potencia disipada en el transmisor no solo significa que la antena no emite la potencia total. pero también corre el riesgo de dañar nuestro transmisor porque disipa 102 W en lugar de 66W, con el que fue diseñado para funcionar.
En el caso de una antena de 75 Ω, que alimenta la entrada de 1500 Ω del NE612 IC, no nos preocupa la pérdida de potencia en forma de calor, sino el aumento del nivel de señal que se puede lograr mediante el uso de adaptación de impedancia. Digamos que se inducen 13nW de RF en la antena. Con una impedancia de 75 Ω, 13nW da 1 mV; queremos hacer coincidir eso con nuestra carga de 1500 Ω. Para calcular el voltaje de salida después del circuito de adaptación, necesitamos saber la relación de impedancia, en nuestro caso, 1500 Ω / 75 Ω = 20. La relación de voltaje (como la relación de vueltas en los transformadores) es igual a la raíz cuadrada de la relación de impedancia, entonces √20≈8,7. Esto significa que la tensión de salida será 8,7 veces mayor, por lo que será igual a 8,7 mV. Los circuitos correspondientes actúan como transformadores.
Dado que la energía que ingresa al circuito de adaptación y la energía que sale es la misma (menos pérdida), la corriente de salida será menor que la de entrada en un factor de 8.7, pero el voltaje de salida será mayor. Si combinamos una impedancia alta con una baja, obtendríamos un voltaje más bajo pero una corriente más alta.
Transformadores de impedancia a juego
Se pueden usar transformadores especiales llamados Transformadores de adaptación de impedancia para igualar la impedancia. La principal ventaja de los transformadores como dispositivos de adaptación de impedancia es que tienen banda ancha, lo que significa que pueden trabajar con una amplia gama de frecuencias. Los transformadores de audio que utilizan núcleos de chapa de acero, como los que se utilizan en los circuitos de amplificador de tubo de vacío para hacer coincidir la alta impedancia del tubo con la baja impedancia del altavoz, tienen un ancho de banda de 20 Hz a 20 kHz, los transformadores de RF fabricados con ferrita o incluso núcleos de aire pueden tienen anchos de banda de 1MHz-30MHz.
Los transformadores se pueden utilizar como dispositivos de adaptación de impedancia, debido a su relación de espiras que cambia la impedancia que "ve" la fuente. También puede consultar este artículo básico del transformador si es completamente nuevo en los transformadores. Si tenemos un transformador con una relación de vueltas de 1: 4, esto significa que si se aplica 1 V de CA al primario, tendríamos 4 V de CA en la salida. Si agregamos una resistencia de 4Ω a la salida, 1A de corriente fluirá en el secundario, la corriente en el primario es igual a la corriente secundaria multiplicada por la relación de giro (dividida si el transformador era de tipo reductor, como la red eléctrica transformadores), entonces 1A * 4 = 4A. Si usamos la ley de Ω para determinar la impedancia que presenta el transformador al circuito tenemos 1V / 4A = 0.25Ω, mientras que conectamos una carga de 4Ω después del transformador de adaptación. La relación de impedancia es de 0,25 Ω a 4 Ω o también 1:16. También se puede calcular con esteFórmula de relación de impedancia:
(n A / n B) ² = r yo
donde n A es el número de vueltas primarias en el devanado con más vueltas, n B es el número de vueltas en el devanado con menos vueltas y r i es la relación de impedancia. Así es como ocurre la adaptación de impedancia.
Si usáramos la ley de Ohm nuevamente, pero ahora para calcular la potencia que fluye hacia el primario tendríamos 1V * 4A = 4W, en el secundario, tendríamos 4V * 1A = 4W. Esto significa que nuestros cálculos son correctos, que los transformadores y otros circuitos de adaptación de impedancia no dan más potencia de la que reciben. Aquí no hay energía gratis.
Cómo seleccionar un transformador de adaptación de impedancia
El circuito de adaptación del transformador se puede usar cuando se necesita un filtrado de paso de banda, debe ser resonante con la inductancia del secundario a la frecuencia de uso. Los principales parámetros de los transformadores como dispositivos de adaptación de impedancia son:
- Relación de impedancia o relación de vueltas más comúnmente establecida (n)
- Inductancia primaria
- Inductancia secundaria
- Impedancia primaria
- Impedancia secundaria
- Frecuencia auto-resonante
- Frecuencia mínima de operación
- Frecuencia máxima de operación
- Configuración de bobinado
- Presencia de espacio de aire y máx. Corriente continua
- Max. poder
El número de vueltas primario debe ser suficiente, por lo que el devanado primario del transformador tiene reactancia (es una bobina) cuatro veces la impedancia de salida de la fuente a la frecuencia más baja de operación.
El número de vueltas del secundario es igual al número de vueltas del primario, dividido por la raíz cuadrada de la relación de impedancia.
También necesitamos saber qué tipo y tamaño de núcleo usar, diferentes núcleos funcionan bien en diferentes frecuencias, fuera de las cuales exhiben pérdida.
El tamaño del núcleo depende de la energía que fluye a través del núcleo, ya que cada núcleo presenta pérdidas y los núcleos más grandes pueden disipar estas pérdidas mejor y no exhibir saturación magnética y otras cosas no deseadas tan fácilmente.
Se requiere un espacio de aire cuando una corriente CC fluye a través de cualquier devanado del transformador si el núcleo utilizado está hecho de laminaciones de acero, como en un transformador de red.
Circuitos de adaptación de transformadores: ejemplo
Por ejemplo, necesitamos un transformador para hacer coincidir una fuente de 50 Ω con una carga de 1500 Ω en el rango de frecuencia de 3MHz a 30MHz en un receptor. Primero necesitamos saber qué núcleo necesitaríamos, ya que es un receptor, muy poca energía fluirá a través del transformador, por lo que el tamaño del núcleo puede ser pequeño. Un buen núcleo de esta aplicación sería el FT50-75. Según el fabricante, su rango de frecuencia como transformador de banda ancha es de 1MHz a 50MHz, lo suficientemente bueno para esta aplicación.
Ahora necesitamos calcular los giros primarios, necesitamos que la reactancia primaria sea 4 veces mayor que la impedancia de salida de la fuente, por lo que 200 Ω. A la frecuencia mínima de funcionamiento de 3MHz, un inductor de 10.6uH tiene 200 Ω de reactancia. Usando una calculadora en línea calculamos que necesitamos 2 vueltas de cable en el núcleo para obtener 16uH, un poco por encima de 10.6uH, pero en este caso, es mejor que sea más grande que más pequeño. 50 Ω a 1500 Ω da una relación de impedancia de 30. Dado que la relación de vueltas es la raíz cuadrada de la relación de impedancia, obtenemos alrededor de 5.5, por lo que para cada giro primario necesitamos 5.5 vueltas secundarias para que los 1500Ω en el secundario parezcan 50 la fuente. Como tenemos 2 vueltas en el primario, necesitamos 2 * 5,5 vueltas en el secundario, es decir, 11 vueltas. El diámetro del cable debe seguir el 3A / 1 mm 2 regla (máximo de 3A fluyendo por cada milímetro cuadrado de área de sección transversal del cable).
La adaptación de transformadores se utiliza a menudo en filtros de paso de banda, para hacer coincidir circuitos resonantes con impedancias bajas de antenas y mezcladores. Cuanto mayor sea la impedancia que cargue el circuito, menor será el ancho de banda y mayor Q.Si conectamos un circuito resonante directamente a una impedancia baja, el ancho de banda sería muy a menudo demasiado grande para ser útil. El circuito resonante consta del secundario de L1 y el primer condensador de 220 pF y el primario de L2 y el segundo condensador de 220 pF.
La imagen de arriba muestra una adaptación de transformador utilizada en un amplificador de potencia de audio de tubo de vacío para hacer coincidir la impedancia de salida de 3000 Ω del tubo PL841 con un altavoz de 4 Ω. 1000 pF C67 evita el timbre a frecuencias de audio más altas.
Adaptación de autotransformador para equilibrio de impedancia
El circuito de adaptación del autotransformador es una variante del circuito de adaptación del transformador, donde los dos devanados están conectados uno encima del otro. Se usa comúnmente en inductores de filtro de FI, junto con la adaptación del transformador a la base, donde se usa para hacer coincidir la impedancia más baja del transistor con una impedancia alta que carga menos el circuito de sintonización y permite un ancho de banda más pequeño y, por lo tanto, una mayor selectividad. El proceso para diseñarlos es prácticamente el mismo, siendo el número de vueltas en el primario igual al número de vueltas desde el grifo de la bobina al extremo “frío” o puesto a tierra y el número de vueltas en el secundario igual a el número de vueltas entre el grifo y el extremo "caliente" o el extremo que está conectado a la carga.
La imagen de arriba muestra un circuito de adaptación de Autotransformador. C es opcional si se usa, debe ser resonante con la inductancia de L en la frecuencia de uso. De esta forma, el circuito también proporciona filtrado.
Esta imagen ilustra un autotransformador y una adaptación de transformador utilizada en un transformador de FI. La alta impedancia del autotransformador se conecta a C17, este capacitor forma un circuito resonante con todo el devanado. Dado que este condensador se conecta al extremo de alta impedancia del autotransformador, la resistencia que carga el circuito sintonizado es mayor, por lo tanto, el circuito Q es más grande y el ancho de banda de FI se reduce, mejorando la selectividad y la sensibilidad. La adaptación del transformador acopla la señal amplificada al diodo.
Emparejamiento de autotransformador usado en un amplificador de potencia de transistor, empareja la impedancia de salida de 12 Ω del transistor a la antena de 75 Ω. C55 está conectado en paralelo al extremo de alta impedancia del autotransformador forma un circuito resonante que filtra los armónicos.