Introduction à l'adaptation d'impédance et comment utiliser un transformateur d'adaptation d'impédance pour votre conception

Si vous êtes un ingénieur de conception RF ou quiconque a travaillé avec des radios sans fil, le terme « correspondance d'impédance » devrait vous avoir frappé plus d'une fois. Le terme est crucial car il affecte directement la puissance d'émission et donc la portée de nos modules Radio. Cet article vise à vous aider à comprendre ce qu'est la correspondance d'impédance à partir des bases et vous aidera également à concevoir vos propres circuits d'adaptation d'impédance à l'aide d'un transformateur de correspondance d'impédance, qui est la méthode la plus courante. Alors, plongeons-nous.

Qu'est-ce que l'adaptation d'impédance?

En bref, la correspondance d'impédance garantit que l' impédance de sortie d'un étage, appelé source, est égale à l'impédance d'entrée de l'étage suivant, appelé charge. Cette correspondance permet un transfert de puissance maximal et une perte minimale. Vous pouvez facilement comprendre ce concept en le considérant comme des ampoules en série avec une source d'alimentation. La première ampoule est l'impédance de sortie de l'étage un (un émetteur radio, par exemple) et la deuxième ampoule est la charge, ou en d'autres termes, l'impédance d'entrée de la deuxième ampoule (une antenne, par exemple). Nous voulons nous assurer que la plus grande quantité d'énergie est fournie à la charge, dans notre cas, cela signifierait que la plus grande quantité d'énergie est transmise dans l'air afin qu'une station de radio puisse être entendue de plus loin. Ce maximum le transfert de puissance se produit lorsque l'impédance de sortie de la source est égale à l'impédance d'entrée de la charge car si l'impédance de sortie est plus grande que la charge, plus de puissance est perdue dans la source (la première ampoule brille plus fort).

Rapport d'onde stationnaire - Mesure de l'adaptation d'impédance

Une mesure utilisée pour définir dans quelle mesure deux étages sont appariés est appelée SWR (Standing Wave Ratio). C'est le rapport de la plus grande impédance par rapport à la plus petite, un émetteur de 50 Ω dans une antenne de 200 Ω donne 4 SWR, une antenne de 75 Ω alimentant un mélangeur NE612 (l'impédance d'entrée est de 1500 Ω) directement un SWR de 20. A correspondance parfaite, disons une antenne de 50 Ω et un récepteur de 50 Ω donne un SWR de 1.

Dans les émetteurs radio, les SWR inférieurs à 1,5 sont considérés comme décents et le fonctionnement lorsque le SWR est supérieur à 3 peut entraîner des dommages dus à la surchauffe des dispositifs d'étage de sortie de puissance (tubes à vide ou transistors). Dans les applications de réception, un SWR élevé ne causera pas de dommages, mais rendra le récepteur moins sensible car le signal reçu sera atténué en raison de la discordance et de la perte de puissance qui en résulte.

Puisque la plupart des récepteurs utilisent une certaine forme de filtre passe-bande d'entrée, le filtre d'entrée peut être conçu pour faire correspondre l'antenne à l'étage d'entrée du récepteur. Tous les émetteurs radio ont des filtres de sortie qui sont utilisés pour adapter l'étage de sortie de puissance à l'impédance spécifique (généralement 50 Ω). Certains émetteurs ont des syntoniseurs d'antenne intégrés qui peuvent être utilisés pour faire correspondre l'émetteur à l'antenne si l'impédance de l'antenne est différente de l'impédance de sortie de l'émetteur spécifié. S'il n'y a pas de syntoniseur d'antenne, un circuit d'adaptation externe doit être utilisé. La perte de puissance due à une discordance est difficile à calculer, c'est pourquoi des calculateurs spéciaux ou des tableaux de perte SWR sont utilisés. Un tableau de perte de SWR typique est présenté ci-dessous

En utilisant le tableau SWR ci-dessus, nous pouvons calculer la perte de puissance et également la perte de tension. La tension est perdue en raison d'une discordance lorsque l'impédance de charge est inférieure à l'impédance de la source et le courant est perdu lorsque l'impédance de charge est supérieure à la source.

Notre émetteur de 50 Ω avec une antenne de 200 Ω avec 4 SWR perdra environ 36% de sa puissance, ce qui signifie que 36% de puissance en moins sera fournie à l'antenne par rapport à si l'antenne avait une impédance de 50 Ω. La puissance perdue sera principalement dissipée dans la source, ce qui signifie que si notre émetteur émettait 100W, 36W y seront également dissipés sous forme de chaleur. Si notre émetteur de 50 Ω était efficace à 60%, il dissiperait 66 W lors de la transmission de 100 W dans une antenne de 50 Ω. Lorsqu'il est connecté à l'antenne de 200 Ω, il dissipera 36 W supplémentaires de sorte que la puissance totale perdue sous forme de chaleur dans l'émetteur est de 102 W. L'augmentation de la puissance dissipée dans l'émetteur signifie non seulement que la pleine puissance n'est pas émise par l'antenne. mais risque également d'endommager notre émetteur car il dissipe 102 W au lieu de 66W, il a été conçu pour fonctionner avec.

Dans le cas d'une antenne 75Ω, alimentant l'entrée 1500Ω du CI NE612, nous ne sommes pas concernés par la perte de puissance sous forme de chaleur, mais par l'augmentation du niveau de signal qui peut être atteint par l'utilisation de l'adaptation d'impédance. Disons que 13nW de RF sont induits dans l'antenne. Avec une impédance de 75 Ω, 13 nW donne 1 mV - nous voulons faire correspondre cela à notre charge de 1500 Ω. Pour calculer la tension de sortie après le circuit d'adaptation, nous devons connaître le rapport d'impédance, dans notre cas, 1500 Ω / 75 Ω = 20. Le rapport de tension (comme le rapport de tours dans les transformateurs) est égal à la racine carrée du rapport d'impédance, donc √20≈8,7. Cela signifie que la tension de sortie sera 8,7 fois plus grande, donc elle sera égale à 8,7 mV. Les circuits d'adaptation agissent comme des transformateurs.

Puisque la puissance entrant dans le circuit d'adaptation et la puissance sortante est la même (moins la perte), le courant de sortie sera inférieur à celui d'entrée d'un facteur de 8,7, mais la tension de sortie sera plus grande. Si nous adaptions une impédance élevée à une impédance basse, nous obtiendrions une tension plus basse mais un courant plus élevé.

Transformateurs d'adaptation d'impédance

Des transformateurs spéciaux appelés transformateurs d'adaptation d'impédance peuvent être utilisés pour faire correspondre l'impédance. Le principal avantage des transformateurs en tant que dispositifs d'adaptation d'impédance est qu'ils ont une large bande, ce qui signifie qu'ils peuvent fonctionner avec une large gamme de fréquences. Les transformateurs audio utilisant des noyaux en tôle d'acier, tels que ceux utilisés dans les circuits d'amplification à tube à vide pour faire correspondre la haute impédance du tube à la faible impédance du haut-parleur, ont une bande passante de 20 Hz à 20 kHz, les transformateurs RF fabriqués à l'aide de ferrite ou même des noyaux d'air peuvent ont des bandes passantes de 1 MHz à 30 MHz.

Les transformateurs peuvent être utilisés comme dispositifs d'adaptation d'impédance, en raison de leur rapport de rotation qui change l'impédance que la source «voit». Vous pouvez également consulter cette base de l'article sur les transformateurs si vous êtes complètement nouveau dans les transformateurs. Si nous avons un transformateur avec un rapport de 1: 4 tours, cela signifie que si 1V de courant alternatif était appliqué au primaire, nous aurions 4V de courant alternatif sur la sortie. Si nous ajoutons une résistance de 4Ω à la sortie, 1A de courant circulera dans le secondaire, le courant dans le primaire est égal au courant secondaire multiplié par le rapport de rotation (divisé si le transformateur était de type abaisseur, comme le secteur transformateurs), donc 1A * 4 = 4A. Si nous utilisons la loi de Ω pour déterminer l'impédance que le transformateur présente au circuit, nous avons 1V / 4A = 0,25Ω, tandis que nous avons connecté une charge de 4Ω après le transformateur correspondant. Le rapport d'impédance est de 0,25Ω à 4Ω ou également 1:16. Il peut également être calculé avec ceFormule du rapport d'impédance:

(n _A / n _B) ² = r _i

où n _A est le nombre de tours primaires sur l'enroulement avec plus de tours, n _B est le nombre de tours sur l'enroulement avec moins de tours, et r _i est le rapport d'impédance. C'est ainsi que se produit l'adaptation d'impédance.

Si nous utilisions à nouveau la loi d'Ohm, mais maintenant pour calculer la puissance qui coule dans le primaire, nous aurions 1V * 4A = 4W, dans le secondaire, nous aurions 4V * 1A = 4W. Cela signifie que nos calculs sont corrects, que les transformateurs et autres circuits d'adaptation d'impédance ne donnent pas plus de puissance qu'ils n'en sont alimentés. Pas d'énergie gratuite ici.

Comment sélectionner un transformateur d'adaptation d'impédance

Le circuit d'adaptation de transformateur peut être utilisé lorsqu'un filtrage passe-bande est nécessaire, il doit résonner avec l'inductance du secondaire à la fréquence d'utilisation. Les principaux paramètres des transformateurs en tant que dispositifs d'adaptation d'impédance sont:

• Rapport d'impédance ou rapport de tours plus communément déclaré (n)
• Inductance primaire
• Inductance secondaire
• Impédance primaire
• Impédance secondaire
• Fréquence auto-résonnante
• Fréquence minimale de fonctionnement
• Fréquence maximale de fonctionnement
• Configuration d'enroulement
• Présence d'entrefer et max. courant DC
• Max. Puissance

Le nombre de tours primaires doit être suffisant, de sorte que l'enroulement primaire du transformateur a une réactance (c'est une bobine) quatre fois l'impédance de sortie de la source à la fréquence de fonctionnement la plus basse.

Le nombre de tours secondaires est égal au nombre de tours sur le primaire, divisé par la racine carrée du rapport d'impédance.

Nous devons également savoir quel type de noyau et quelle taille utiliser, différents noyaux fonctionnent bien dans différentes fréquences, en dehors desquelles ils présentent des pertes.

La taille du noyau dépend de la puissance circulant à travers le noyau, car chaque noyau présente des pertes et des noyaux plus gros peuvent mieux dissiper ces pertes et ne pas présenter aussi facilement de saturation magnétique et d'autres choses indésirables.

Un entrefer est nécessaire lorsqu'un courant continu circule dans n'importe quel enroulement du transformateur si le noyau utilisé est constitué de tôles d'acier, comme dans un transformateur secteur.

Circuits de correspondance de transformateur - Exemple

Par exemple, nous avons besoin d'un transformateur pour faire correspondre une source de 50 Ω à une charge de 1500 Ω dans la gamme de fréquences de 3 MHz à 30 MHz dans un récepteur. Nous devons d'abord savoir de quel noyau nous aurions besoin car il s'agit d'un récepteur, très peu d'énergie circulera à travers le transformateur, donc la taille du noyau peut être petite. Un bon noyau dans cette application serait le FT50-75. Selon le fabricant, sa plage de fréquences en tant que transformateur large bande est de 1 MHz à 50 MHz, ce qui est suffisant pour cette application.

Maintenant, nous devons calculer les spires primaires, nous avons besoin de la réactance primaire de 4 fois plus élevée que l'impédance de sortie de la source, donc 200 Ω. À la fréquence de fonctionnement minimale de 3MHz, une inductance de 10,6uH a 200 Ω de réactance. En utilisant une calculatrice en ligne, nous calculons que nous avons besoin de 2 tours de fil sur le noyau pour obtenir 16uH, un peu au-dessus de 10,6uH, mais dans ce cas, il vaut mieux qu'il soit plus grand que plus petit. 50 Ω à 1500 Ω donne un rapport d'impédance de 30. Puisque le rapport de spires est la racine carrée du rapport d'impédance, nous obtenons environ 5,5, donc pour chaque tour primaire nous avons besoin de 5,5 spires secondaires pour que le 1500Ω au secondaire ressemble à 50Ω la source. Puisque nous avons 2 tours sur le primaire, nous avons besoin de 2 * 5,5 tours sur le secondaire, soit 11 tours. Le diamètre du fil doit suivre le 3A / 1mm ² règle (maximum de 3A circulant par millimètre carré de section de fil).

L'adaptation de transformateur est souvent utilisée dans les filtres passe-bande, pour faire correspondre les circuits résonnants aux faibles impédances des antennes et des mélangeurs. Plus l'impédance chargeant le circuit est élevée, plus la bande passante est faible et plus le Q. Si nous connectons un circuit résonnant directement à une faible impédance, la bande passante est très souvent trop grande pour être utile. Le circuit résonnant est constitué du secondaire de L1 et du premier condensateur de 220 pF et du primaire de L2 et du deuxième condensateur de 220 pF.

L'image ci-dessus montre une correspondance de transformateur utilisée dans un amplificateur de puissance audio à tube à vide pour faire correspondre l'impédance de sortie de 3000 Ω du tube PL841 à un haut-parleur de 4 Ω. 1000 pF C67 empêche la sonnerie à des fréquences audio plus élevées.

Adaptation de l'autotransformateur pour l'équilibre d'impédance

Le circuit d'adaptation d'autotransformateur est une variante du circuit d'adaptation de transformateur, où les deux enroulements sont connectés ensemble l'un sur l'autre. Il est couramment utilisé dans les inductances de filtre IF, avec le transformateur correspondant à la base, où il est utilisé pour faire correspondre l'impédance inférieure du transistor à une impédance élevée qui charge moins le circuit d'accord et permet une bande passante plus petite et donc une plus grande sélectivité. Le processus de conception est pratiquement le même, le nombre de tours sur le primaire étant égal au nombre de tours entre la prise de la bobine et l'extrémité «froide» ou mise à la terre et le nombre de tours sur le secondaire étant égal à le nombre de tours entre le robinet et l'extrémité «chaude» ou l'extrémité qui est connectée à la charge.

L'image ci-dessus montre un circuit d'adaptation d'autotransformateur. C est facultatif s'il est utilisé, il doit résonner avec l'inductance de L à la fréquence d'utilisation. De cette façon, le circuit assure également le filtrage.

Cette image illustre un autotransformateur et une correspondance de transformateur utilisés dans un transformateur IF. La haute impédance de l'autotransformateur se connecte à C17, ce condensateur forme un circuit résonnant avec tout l'enroulement. Puisque ce condensateur se connecte à l'extrémité haute impédance de l'autotransformateur, la résistance chargeant le circuit accordé est plus élevée, par conséquent le circuit Q est plus grand et la bande passante IF est réduite, améliorant la sélectivité et la sensibilité. L'adaptation du transformateur couple le signal amplifié à la diode.

Autotransformateur correspondant utilisé dans un amplificateur de puissance à transistor, il correspond à l'impédance de sortie 12 Ω du transistor à l'antenne 75 Ω. C55 est connecté en parallèle à l'extrémité haute impédance de l'autotransformateur forme un circuit résonnant qui filtre les harmoniques.