Introdução à combinação de impedância e como usar um transformador de combinação de impedância para seu projeto

Se você é um engenheiro de projeto de RF ou qualquer pessoa que já trabalhou com rádios sem fio, o termo “ Correspondência de impedância ” deve ter afetado você mais de uma vez. O termo é crucial porque afeta diretamente a potência de transmissão e, portanto, o alcance de nossos módulos de rádio. Este artigo tem como objetivo ajudá-lo a entender o que é o casamento de impedância básico e também o ajudará a projetar seus próprios circuitos de casamento de impedância usando um transformador de casamento de impedância, que é o método mais comum. Então, vamos mergulhar.

O que é a correspondência de impedância?

Resumindo, o casamento de impedância garante que a impedância de saída de um estágio, chamada de fonte, seja igual à impedância de entrada do estágio seguinte, chamado de carga. Esta correspondência permite a transferência de potência máxima e perda mínima. Você pode entender esse conceito facilmente pensando nele como lâmpadas em série com uma fonte de alimentação. A primeira lâmpada é a impedância de saída para o estágio um (um transmissor de rádio, por exemplo) e a segunda lâmpada é a carga, ou seja, a impedância de entrada da segunda lâmpada (uma antena, por exemplo). Queremos ter certeza de que o máximo de potência é entregue à carga; em nosso caso, isso significaria que o máximo de potência é transmitido para o ar para que uma estação de rádio possa ser ouvida de mais longe. Este máximo a transferência de potência ocorre quando a impedância de saída da fonte é igual à impedância de entrada da carga porque se a impedância de saída for maior do que a carga, mais potência é perdida na fonte (a primeira lâmpada brilha mais forte).

Razão de onda estacionária - Medida de correspondência de impedância

Uma medida usada para definir o quão bem dois estágios são combinados é chamada de SWR (Standing Wave Ratio). É a razão da impedância maior em comparação com a menor, um transmissor de 50 Ω em uma antena de 200 Ω fornece 4 SWR, uma antena de 75 Ω alimentando um misturador NE612 (impedância de entrada de 1500 Ω) diretamente com um SWR de 20. A combinação perfeita, digamos que uma antena de 50 Ω e um receptor de 50 Ω forneçam um SWR de 1.

Em transmissores de rádio, SWRs abaixo de 1,5 são considerados decentes e a operação quando SWR está acima de 3 pode resultar em danos devido ao superaquecimento dos dispositivos de estágio de saída de energia (tubos de vácuo ou transistores). Em aplicações de recepção, um SWR alto não causará danos, mas tornará o receptor menos sensível porque o sinal recebido será atenuado devido à incompatibilidade e consequente perda de energia.

Como a maioria dos receptores usa alguma forma de filtro passa-banda de entrada, o filtro de entrada pode ser projetado para combinar a antena com o estágio de entrada do receptor. Todos os transmissores de rádio têm filtros de saída que são usados ​​para combinar o estágio de saída de potência com a impedância específica (geralmente 50 Ω). Alguns transmissores têm sintonizadores de antena embutidos que podem ser usados ​​para combinar o transmissor com a antena se a impedância da antena for diferente da impedância de saída do transmissor especificado. Se não houver sintonizador de antena, um circuito externo compatível deve ser usado. A perda de potência devido à incompatibilidade é difícil de calcular, então calculadoras especiais ou tabelas de perda de SWR são usadas. Uma tabela de perda de SWR típica é mostrada abaixo

Usando a tabela SWR acima, podemos calcular a perda de potência e também a perda de tensão. A tensão é perdida devido à incompatibilidade quando a impedância da carga é inferior à impedância da fonte e a corrente é perdida quando a impedância da carga é superior à fonte.

Nosso transmissor de 50 Ω com uma antena de 200 Ω com 4 SWR perderá cerca de 36% de sua potência, o que significa que 36% menos potência será entregue à antena em comparação com se a antena tivesse uma impedância de 50 Ω. A energia perdida será dissipada principalmente na fonte, ou seja, se nosso transmissor estava fornecendo 100 W, 36 W serão adicionalmente dissipados nele como calor. Se nosso transmissor de 50 Ω fosse 60% eficiente, ele dissiparia 66 W ao transmitir 100 W em uma antena de 50 Ω. Quando conectado à antena de 200 Ω, ele dissipará 36 W adicionais, de modo que a potência total perdida com o calor no transmissor é de 102 W. O aumento da potência dissipada no transmissor não significa apenas que a potência total não está sendo emitida pela antena mas também há risco de danos ao nosso transmissor porque ele dissipa 102 W em vez de 66 W, com o qual foi projetado para funcionar.

No caso de uma antena de 75Ω, alimentando a entrada de 1500Ω do NE612 IC, não estamos preocupados com a perda de energia na forma de calor, mas com o nível de sinal aumentado que pode ser alcançado pelo uso do casamento de impedância. Digamos que 13nW de RF seja induzido na antena. Com uma impedância de 75 Ω, 13nW dá 1 mV - queremos igualar isso à nossa carga de 1500 Ω. Para calcular a tensão de saída após o circuito de casamento, precisamos saber a razão da impedância, em nosso caso, 1500 Ω / 75 Ω = 20. A relação de tensão (como a relação de espiras em transformadores) é igual à raiz quadrada da relação de impedância, então √20≈8,7. Isso significa que a tensão de saída será 8,7 vezes maior, então será igual a 8,7 mV. Os circuitos correspondentes agem como transformadores.

Como a energia que entra no circuito de casamento e a energia que sai é a mesma (menos perda), a corrente de saída será menor do que a de entrada por um fator de 8,7, mas a tensão de saída será maior. Se casássemos uma impedância alta com uma baixa, obteríamos uma tensão mais baixa, mas uma corrente mais alta.

Transformadores de combinação de impedância

Transformadores especiais chamados de transformadores de casamento de impedância podem ser usados ​​para casar a impedância. A principal vantagem dos transformadores como dispositivos de casamento de impedância é que eles têm banda larga, o que significa que podem trabalhar com uma ampla faixa de frequências. Transformadores de áudio usando núcleos de chapa de aço, como aqueles usados ​​em circuitos amplificadores de tubo de vácuo para combinar a alta impedância do tubo com a baixa impedância do alto-falante, têm uma largura de banda de 20 Hz a 20 kHz, transformadores de RF feitos de ferrite ou mesmo núcleos de ar podem têm larguras de banda de 1MHz-30MHz.

Os transformadores podem ser usados ​​como dispositivos de casamento de impedância, por causa de sua relação de espiras que altera a impedância que a fonte “vê”. Você também pode verificar este básico do artigo sobre transformadores se for completamente novo em transformadores. Se tivermos um transformador com relação de espiras de 1: 4, isso significa que se 1 V de CA fosse aplicado ao primário, teríamos 4 V de CA na saída. Se adicionarmos um resistor de 4Ω à saída, 1A de corrente fluirá no secundário, a corrente no primário é igual à corrente secundária multiplicada pela relação de volta (dividido se o transformador era do tipo abaixador, como rede transformadores), então 1A * 4 = 4A. Se usarmos a lei de Ω para determinar a impedância que o transformador apresenta ao circuito teremos 1V / 4A = 0,25Ω, enquanto conectamos uma carga de 4Ω após o transformador casamento. A relação de impedância é de 0,25Ω a 4Ω ou também 1:16. Também pode ser calculado com esteFórmula da relação de impedância:

(n _A / n _B) ² = r _i

onde n _A é o número de espiras primárias no enrolamento com mais espiras, n _B é o número de espiras no enrolamento com menos espiras er _i é a relação de impedância. É assim que o casamento de impedância acontece.

Se usássemos a lei de Ohms novamente, mas agora para calcular a potência que flui para o primário teríamos 1V * 4A = 4W, no secundário, teríamos 4V * 1A = 4W. Isso significa que nossos cálculos estão corretos, que os transformadores e outros circuitos de casamento de impedância não fornecem mais potência do que são alimentados. Sem energia livre aqui.

Como selecionar um transformador de combinação de impedância

O circuito de casamento do transformador pode ser usado quando a filtragem passa-banda é necessária e deve ser ressonante com a indutância do secundário na frequência de uso. Os principais parâmetros de transformadores como dispositivos de combinação de impedância são:

• Taxa de impedância ou taxa de espiras mais comumente indicada (n)
• Indutância primária
• Indutância secundária
• Impedância primária
• Impedância secundária
• Freqüência auto-ressonante
• Frequência mínima de operação
• Frequência máxima de operação
• Configuração de enrolamento
• Presença de entreferro e máx. corrente contínua
• Máx. poder

O número de espiras do primário deve ser suficiente, de forma que o enrolamento primário do transformador tenha reatância (é uma bobina) quatro vezes a impedância de saída da fonte na frequência mais baixa de operação.

O número de espiras do secundário é igual ao número de espiras do primário, dividido pela raiz quadrada da relação de impedância.

Também precisamos saber que tipo e tamanho de núcleo usar, diferentes núcleos funcionam bem em diferentes frequências, fora dos quais eles exibem perdas.

O tamanho do núcleo depende da energia que flui através do núcleo, já que cada núcleo exibe perdas e núcleos maiores podem dissipar melhor essas perdas e não exibir saturação magnética e outras coisas indesejáveis ​​com tanta facilidade.

Um entreferro é necessário quando uma corrente DC fluirá através de qualquer enrolamento do transformador se o núcleo usado for feito de laminações de aço, como em um transformador de rede elétrica.

Circuitos de correspondência de transformador - exemplo

Por exemplo, precisamos de um transformador para combinar uma fonte de 50 Ω a uma carga de 1500 Ω na faixa de frequência de 3 MHz a 30 MHz em um receptor. Primeiro precisamos saber de qual núcleo precisaríamos, já que é um receptor, muito pouca energia fluirá através do transformador, então o tamanho do núcleo pode ser pequeno. Um bom núcleo nesta aplicação seria o FT50-75. De acordo com o fabricante, sua faixa de frequência como um transformador de banda larga é de 1 MHz a 50 MHz, bom o suficiente para esta aplicação.

Agora precisamos calcular as espiras primárias, precisamos que a reatância primária seja 4 vezes maior do que a impedância de saída da fonte, então 200 Ω. Na frequência de operação mínima de 3 MHz, um indutor de 10,6uH tem 200 Ω de reatância. Usando uma calculadora online, calculamos que precisamos de 2 voltas de fio no núcleo para obter 16uH, um pouco acima de 10,6uH, mas neste caso é melhor ser maior do que menor. 50 Ω a 1500 Ω dá uma relação de impedância de 30. Uma vez que a relação de espiras é a raiz quadrada da relação de impedância, obtemos cerca de 5,5, então para cada volta primária precisamos de 5,5 voltas secundárias para fazer com que 1500Ω no secundário pareça 50 like para a fonte. Como temos 2 voltas no primário, precisamos de 2 * 5,5 voltas na secundária, ou seja, 11 voltas. O diâmetro do fio deve seguir os 3A / 1mm ² regra (fluxo máximo de 3A por cada milímetro quadrado de área da seção transversal do fio).

A correspondência de transformador é freqüentemente usada em filtros de banda, para combinar circuitos ressonantes com baixas impedâncias de antenas e mixers. Quanto mais alta a impedância que carrega o circuito, menor a largura de banda e maior o Q. Se conectássemos um circuito ressonante diretamente a uma impedância baixa, a largura de banda seria frequentemente grande demais para ser útil. O circuito ressonante consiste no secundário de L1 e no primeiro capacitor de 220 pF e no primário de L2 e no segundo capacitor de 220 pF.

A imagem acima mostra um Transformer matching usado em um amplificador de potência de áudio de válvula de vácuo para combinar a impedância de saída de 3000 Ω da válvula PL841 para um alto-falante de 4 Ω. 1000 pF C67 impede o toque em freqüências de áudio mais altas.

Correspondência de autotransformador para equilíbrio de impedância

O circuito de casamento do autotransformador é uma variante do circuito de casamento do transformador, em que os dois enrolamentos são conectados um em cima do outro. É comumente usado em indutores de filtro IF, junto com o casamento do transformador à base, onde é usado para casar a impedância mais baixa do transistor com uma impedância alta que carrega menos o circuito de sintonia e permite menor largura de banda e, portanto, maior seletividade. O processo para projetá-los é praticamente o mesmo, com o número de voltas no primário sendo igual ao número de voltas da torneira da bobina para a ponta “fria” ou aterrada e o número de voltas no secundário sendo igual a o número de voltas entre a torneira e a extremidade “quente” ou a extremidade que está conectada à carga.

A imagem acima mostra um circuito de correspondência do Autotransformador. C é opcional se usado, deve ser ressonante com a indutância de L na frequência de uso. Dessa forma, o circuito também fornece filtragem.

Esta imagem ilustra uma combinação de autotransformador e transformador usada em um transformador IF. A alta impedância do autotransformador se conecta ao C17, este capacitor forma um circuito ressonante com todo o enrolamento. Uma vez que esse capacitor se conecta à extremidade de alta impedância do autotransformador, a resistência que carrega o circuito sintonizado é maior, portanto, o circuito Q é maior e a largura de banda IF é reduzida, melhorando a seletividade e a sensibilidade. O casamento do transformador acopla o sinal amplificado ao diodo.

Correspondência de autotransformador usada em um amplificador de potência de transistor, ela combina a impedância de saída de 12 Ω do transistor com a antena de 75 Ω. C55 é conectado em paralelo à extremidade de alta impedância do autotransformador forma um circuito ressonante que filtra os harmônicos.