Согласующий трансформатор с 300 на 75 ом своими руками
Добавил пользователь Morpheus Обновлено: 19.09.2024
Я спрошу у вас, что может быть более интересное для изучения, чем переменный ток?
Николо Тесла.
Всевозможные схемы согласования и симметрирования при соединении антенны и коаксиального фидера достаточно подробно описаны в любом букваре по антеннам. Однако не только неискушенный аноним, но и посетители достаточно серьезных форумов, часто впадают в шоковое состояние, увидев, например, схему согласования вибратора Пистолькорса с помощью полуволнового U-колена. "Это какой то бред!" - пишут они - "Как может работать схема, в которой один конец подключен к антенне, а второй висит в воздухе? Цепь то не замкнута!" Это не бред, дорогой аноним, это переменный ток, текущий по "длинной линии". Вернее будет сказать - электромагнитная волна, распространяющаяся по длинной линии. Давайте разберемся в этом.
Для начала определимся зачем вообще городить этот огород с петлями, шлейфами, стаканами и т.д. Если у антенны входное сопротивление 50(75) Ом, можно ли непосредственно соединить ее с фидером? Можно, но не всегда. Из-за скин-эффекта ВЧ ток протекает в тонком поверхностном слое проводника толщиной в несколько микрометров. В результате коаксиальный кабель можно представить как систему из трех проводников - центрального, внутренней поверхности оплетки и совершенно независимой от нее внешней поверхности оплетки. Если коаксиальный кабель соединить напрямую с симметричным вибратором, то последний нагрузится несимметрично, диаграмма направленности его исказится, причем этот эффект еще усугубится подключением к вибратору внешней стороны оплетки, которая при этом становится частью антенны. В итоге мы можем прийти к ситуации, когда антенна с таким подключением становится эквивалентна куску провода, заброшенному на дерево. Так что, чтобы "посадить оплетку на ноль", придется мудрить петли, уважаемый аноним. Этот процесс называется симметрированием.
У симметричного вибратора Пистолькорса входное сопротивление около 300 Ом и его придется не только симметрировать, но и одновременно трансформировать это сопротивление к сопротивлению фидера. Этот процессс называется согласованием. У петлевого вибратора точка нулевого потенциала находится на его геометрическом центре. При этом он представляется состоящим из двух одинаковых половин ("0-a" и "0-b") с противофазными источниками напряжения и сопротивлениями по 150 Ом. Соединяем "0-a" с "0-b" с помощью полуволновой петли. Петля не изменяет сопротивление, но переворачивает фазу на 180°. В результате на входе коаксиального кабеля оказываются два синфазных параллельных источника с сопротивлениями по 150 Ом. Напряжения суммируются, сопротивление из-за параллельного соединения, делится пополам и 75-омный фидер оказывается согласованным с источником. В сложных антеннах, например Uda-Yagi, варьируя размерами, прежде всего расстоянием до рефлектора, можно сделать входное сопротивление вибратора равным 200 Ом. Тогда "половинки" вибратора будут по 100 Ом и он согласуется по той же схеме с фидером 50 Ом. Поскольку свойства полуволновой петли не зависят от ее волнового сопротивления, возникает вопрос, какое сопротивление выбрать. Обычно используют тот же кабель, что и для фидера или пигтейла. Полоса пропускания такой системы получается около 30% от центральной частоты, что в большинстве случаев достаточно. Однако, если использовать петлю с волновым сопротивлением равным сопротивлению половинок вибратора (150 или 100 Ом), то она будет работать в режиме бегущей волны и не будет ограничивать полосу пропускания антенно-фидерной системы в целом. Так что если вам попался в руки кусок коаксиала с волновым сопротивлением 150 (100) Ом, приберегите его для U-колена.
Мы не зря в начале статьи привели цитату Н.Тесла, который стоял у истоков современной системы электроснабжения. Как известно, при симметричной нагрузке в трехфазной сети можно отказаться от использования нейтрали, поскольку сумма токов от всех фаз в ней равна нулю. В нашем случае, на концах петли присутствует противофазное напряжение и на участке 0-0` сумма токов равна нулю, поэтому этот кусок провода можно выбросить и схема останется работоспособной. Многие специалисты советуют оставить это соединение. Действительно, на метровых и дециметровых волнах в таком случае антенна работает лучше. Однако иногда, как у антенны Бабочка или Amos, нулевая точка находится "в воздухе" и подключаться просто некуда. На СВЧ лишний кусок провода - уже сам длинная линия, поэтому там лучше использовать минимально короткие выводы без лишних соединений. На следующем рисунке слева можно видеть как надо соединять петлю и фидер на частотах 3G, а справа - как не надо.
В случае разрезного вибратора, имеющего сопротивление около 75 (50) Ом, как у антенны Uda-Yagi конструкции DL6WU, можно также применять для симметрирования полуволновую петлю с небольшим дополнением. Вибратор также представляется состоящим из двух противофазных половинок с сопротивлениями 37,5 (25) Ом. К каждой половинке подключается четвертьволновый трансформатор, который трансформирует его в величину 150 (100) Ом в точки a и b (см. формулу для четвертьволнового трансформатора в статье о длинных линиях), после которых работает уже та же схема с полуволновой петлей. Конечно же нет необходимости делать разрыв в точке a, это сделано только для лучшего понимания механизма работы. Реально практическая конструкция петли для 75(50)-омного вибратора состоит из двух кусков с электрической длиной 3λ/4 и λ/4 такого же волнового сопротивления.
Поскольку волновое сопротивление фидера практически совпадает с входным сопротивлением разрезного вибратора, то хорошо было бы подключить его напрямую, отрезав при этом протекание тока по внешней стороне оплетки. Такие схемы симметрирования существуют и называются схемами с отсечкой тока. Одна из них - схема с четвертьволновым стаканом. Идея заключается в том, что ток на внешней стороне оплетки попадает в дополнительный короткозамкнутый четвертьволновый отрезок линии с бесконечным сопротивлением (к сожалению только в теории бесконечным), отсекается ним, и дальше этого стакана не течет. Сложность заключается в некоторой геморройности конструктивного исполнения такого стакана, поскольку он висит на фидере. Как упростить эту задачу хорошо описано здесь .
Другим способом отсечки паразитного тока на внешней стороне оплетки фидера, с меньшими конструктивными сложностями, является применение четвертьволнового шлейфа. В принципе - это тот же четвертьволновый короткозамкнутый отрезок, только выполненный не в виде стакана, а в виде двухпроводной длинной линии. Иначе можно сказать, что параллельно основному фидеру, вернее его внешней стороне оплетки, подключается такой же провод с противофазным током от другой половинки вибратора и эти противофазные токи потом взаимно компенсируются в точке замыкания. Такая схема в свое время широко популяризировалась для антенны Тройной квадрат. Шлейф можно сделать из таких же трубок, как и вибратор, так и из коаксиального кабеля, такого же как и фидер. Еще один способ симметрирования называется коаксиально-щелевым. Во внешней трубке коаксиальной линии делают два λ/4 пропила. Верхние половинки трубки подключаются к вибратору, а центральный проводник замыкается на одну из половинок. Данную схему можно упростить, сделав полукруглые половинки плоскими.
Шлейфы и стаканы являются резонансными цепями и ограничивают полосу пропускания, однако они достаточно широкополосны, с полосой до 60% от центральной частоты. В тоже время, для таких антенн, как антенна Харченко для цифрового телевидения - этого недостаточно. Выходом из положения является применение широкополосных трансформаторов на длинных линиях с ферритовыми сердечниками, ШПТЛ - в нашей литературе, TLT - в зарубежной. Теоретически такие ШПТЛ в режиме бегущей волны не имеют частотных ограничений, однако на практике их полоса ограничена сверху и снизу . Такие трансформаторы используются во всех польских усилителях и симметризаторах с коэффициентом трансформации 4:1. Они намотаны на ферритовое кольцо или на "бинокль" и неплохо работают как в режиме 300:75, так и 200:50, имея полосу пропускания, охватывающую почти весь ДМВ диапазон. Для согласования (симметрирования) антенн с входным сопротивлением 75(50) Ом также можно использовать ШПТЛ, но с коэффициентом трансформации 1:1. С этой целью можно переделать "польский" трансформатор, удалив из него одну из линий и произведя соединения по схеме на последнем рисунке под буквой д). Иногда можно встретить такие же ШПТЛ, но реализованные в виде полосковых линий на печатной плате. На частотах выше 1 ГГц можно просто надеть несколько ферритовых колец на фидер, получив суррогат ШПТЛ. Хотя ввиду сильной частотной зависимости магнитной проницаемости феррита и ограниченности его работоспособности на СВЧ такое решение выглядит довольно сомнительно, можно для надежности отсечки тока комбинировать это решение с четвертьволновым стаканом, как это сделано в конструкции коллинеарной антенны.
В зарубежной литературе схемы согласования и симметрирования называются одним словом балун. Это понятие в последнее время получило распространение и у нас. Балуны делятся на два класса: Voltage balun и Current balun. Для полного понимания их отличий следует всегда нагрузку рассматривать не как двухполюсник, а как трехполюсник с "нейтралью". Даже если "нейтраль" не задана явно, как в примере с вибратором Пистолькорса, ее нужно представлять виртуально. Однако это уже тема отдельной большой статьи, которую можно прочитать здесь на английском. Если же, как принято у нас на сайте, подойти к вопросу упрощенно, то отличие Voltage и Current балунов легко видно из следующей схемы:Мы видим, что токовый балун является по сути дросселем для синфазного тока, в то время как Voltage balun осуществляет трансформацию напряжения. Упомянутые выше ферритовые ШПТЛ по схемам а) - д) являются классическими токовыми балунами или, по имени автора, балунами Гуанеллы (Guanella current balun). Стакан и шлейф также можно отнести к классу Current balun, а вот полуволновая петля относится к классу Voltage balun. К классу балунов напряжения относятся также ШПТЛ балуны Рутрофа (Ruthroff voltage balun):Чем выше частота, тем выше вредное влияние паразитных индуктивностей и емкостей выводов. Кроме того популярные ферритовые материалы (например 67-ой) перестают работать на СВЧ. Поэтому применение ферритовых ШПТЛ на частотах выше 1000 МГц представляется нецелесообразным. Но ведь линия передачи прекрасно работает и без феррита. Например коаксиально-щелевой балун на самом деле является модификацией 1:1 балуна напряжения Рутрофа. Чтобы убедиться в этом, посмотрите внимательно на схемы подключения.
Вообще, конструирование эффективных балунов на СВЧ довольно непростая задача. По этой причине многие отказываются от применения специальных симметрирующих устройств, некоторые вполне сознательно (зачем мне заморачиваться этой вашей теорией, оно и так нормально работает!), а некоторые и по незнанию, как например сделал проф. Маршалл. Однако наилучшим способом решения проблемы согласования и симметрирования является применение антенн не требующих ни того ни другого. Такие антенны разработаны специально для СВЧ диапазона, например патч-антенна.
В любительской практике крайне редко используются антенны, входное сопротивление которых равно волновому сопротивлению фидера, и в свою очередь, выходному сопротивлению передатчика (идеальный вариант согласования). Чаще всего такого соответствия нет и приходится применять специальные согласующие устройства. Антенну, фидер и выход передатчика следует рассматривать как единую систему, в которой передача энергии должна осуществляться без потерь.
Реализация этой непростой задачи потребует согласования в двух местах: в точке соединения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика. Наиболее популярны различного рода трансформирующие устройства: от резонансных колебательных контуров до коаксиальных трансформаторов в виде отрезков коаксиального кабеля требуемой длины. Все они нужны для согласования сопротивлений, что в конечном итоге и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.
Как правило, стандартное выходное сопротивление современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 500м. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 750м. Антенны в зависимости от типа и конструкции могут иметь входное сопротивление в очень широком интервале величин: от нескольких Ом до сотен Ом и больше.
Известно, что входное сопротивление одноэлементных антенн на резонансной частоте носит практически активный характер. И чем больше частота передатчика отличается от резонансной* частоты антенны в ту или другую сторону, тем больше во входном сопротивлении антенны появляется реактивная составляющая емкостного или индуктивного характера. В многоэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте имеет комплексный характер, так как свою лепту в образование реактивной составляющей вносят пассивные элементы.
В том случае, когда входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер, согласовать его с сопротивлением фидера несложно с помощью любого из подходящих трансформирующих устройств. При этом потери совсем незначительны. Но, как только во входном сопротивлении образуется реактивная составляющая, то согласование усложняется, и требуется более сложное согласующее устройство, способное скомпенсировать нежелательную реактивность. И это устройство должно находиться в точке питания антенны. Не скомпенсированная реактивность ухудшает КСВ в фидере и увеличивает потери.
Попытка полной компенсации реактивности на нижнем конце фидера (у передатчика) безуспешна, так как ограничена параметрами самого фидера. Перестройка частоты передатчика в пределах узких участков любительских диапазонов не приводит к появлению значительной реактивной составляющей, поэтому в большинстве случаев нет необходимости компенсировать реактивность. Правильно спроектированные многоэлементные антенны также не имеют большой реактивной составляющей входного сопротивления, и обычно ее компенсации не требуется.
В эфире часто возникают споры о роли и назначении антенного согласующего устройства (антенного тюнера) при согласовании передатчика с антенной. Одни возлагают на него большие надежды, другие считают его ненужной игрушкой. Чем же на самом деле (на практике) может и чем не может помочь антенный тюнер?
В первую очередь тюнер — это высокочастотный трансформатор сопротивлений, способный при необходимости скомпенсировать реактивность емкостного или индуктивного характера.
Рассмотрим простой пример:
Разрезной вибратор (диполь), имеющий на резонансной частоте входное сопротивление активного характера около 700м, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 500м. Тюнер установлен на выходе передатчика и в данном случае выполняет роль согласующего узла между фидером и передатчиком, с чем он легко справляется.
Если передатчик перестроить на частоту отличную от резонансной частоты антенны, то во входном сопротивлении антенны возникнет реактивность, которая тут же проявится на нижнем конце фидера. Тюнер также способен ее скомпенсировать, и передатчик опять будет согласован с фидером антенны.
Что будет на выходе фидера, в точке его соединения с антенной?
Используя тюнер только на выходе передатчика, полную компенсацию обеспечить не удастся, и в фидере возникнут потери из-за неточного согласования с антенной. В этом случае понадобится еще один тюнер, который придется подключить между фидером и антенной, тогда он исправит положение и скомпенсирует реактивность. В зтом примере фидер выполняет роль согласованной линии передачи произвольной длины.
Еще один пример:
Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 1100м, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 500м. Здесь потребуется согласующее устройство, установленное в точке подключения фиДера к антенне. Обычно многие любители используют ВЧ трансформаторы разных типов с ферритовыми сердечниками, но удобнее изготовить четвертьволновый коаксиальный трансформатор из 75-омного кабеля.
Длина отрезка кабеля А/4 х 0.66, где
Я — длина волны,
0.66 — коэффициент укорочения для большинства известных коаксиальных кабелей.
Коаксиальный трансформатор включается между входом антенны и 50-омным фидером.
Если его свернуть в бухту диаметром 15…20см, то он будет выполнять и функцию симметрирующего устройства. Фидер с передатчиком согласуется автоматически, при равенстве их сопротивлений. В этом случае от услуг антенного тюнера можно вообще отказаться.
В более сложных случаях, когда входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению фидера, а сопротивление фидера не соответствует выходному сопротивлению передатчика, необходимы два согласующих устройства. Одно вверху для согласования антенны с фидером, другое внизу — для согласования фидера с передатчиком. И обойтись только одним антенным фидером для согласования всей цепи: антенна — фидер — передатчик не представляется возможным.
Наличие реактивности еще больше осложняет ситуацию. Антенный тюнер в этом случае значительно улучшит согласование передатчика с фидером, облегчив тем самым работу оконечного каскада, но не более того. Из-за рассогласования фидера с антенной будут иметь место потери, и эффективность работы самой антенны будет пониженной. Включенный КСВ-метр между передатчиком и тюнером зафиксирует КСВ=1, а между тюнером и фидером этого не произойдет по причине рассогласоаания фидера с антенной.
Напрашивается вполне справедливый вывод: тюнер полезен тем, что поддерживает нормальный режим передатчика при работе на несогласованную нагрузку, но при этом не способен улучшить эффективность работы антенны при ее рассогласовании с фидером.
П-контур, используемый в выходном каскаде передатчика, также может выполнять роль антенного тюнера, но при условии оперативного изменения индуктивности и обеих емкостей.
Как правило, антенные тюнеры и ручные и автоматические — это резонансные контурные перестраиваемые устройства. Ручные имеют два- три регулирующих элемента и не оперативны в работе. Автоматические — дороги, а для работы на больших мощностях — очень дороги.
Давайте рассмотрим довольно простое широкополосное согласующее устройство (тюнер) на рис 1, удовлетворяющее большинству вариаций при согласовании передатчика с антенной. :
Он очень эффективен при работе с антеннами (рамки, диполи), используемыми на гармониках, когда фидер является полуволновым повторителем. В данном случае входное сопротивление антенны на разных диапазонах различно, но с помощью согласующего устройства легко согласуется с передатчиком. Предлагаемый тюнер может работать при мощностях передатчика до 1,5кВт в полосе частот от 1.5 до 30МГц.
Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на феррито- вом кольце от отклоняющей системы телевизора УНТ-35 и переключатель на 17 положений. Возможно применение конусных колец от телевизоров УНТ-47/59 или других.
Обмотка содержит 12 витков, намотанных в два провода. Начало одной обмотки соединяется с концом другой. В таблице и на схеме нумерация витков сквозная. Сам провод — многожильный во фторопластовой изоляции. Диаметр провода 2,5мм по изоляции. Отводы сделаны от каждого витка, начиная с восьмого от заземленного конца.
Переключатель — керамический, галетного типа на 17 положений.
Автотрансформатор располагается максимально близко к переключателю, а соединительные проводники между ними должны быть минимальной длины. Возможно применение переключателя на 11 положений при сохранении конструкции трансформатора с меньшим количеством отводов, например, с 10 по 20 виток. Но в этом случае уменьшится и интервал трансформации сопротивлений.
Зная входное сопротивление антенны, можно воспользоваться таким трансформатором для согласовании антенны с фидером 50 или 750м, сделав только необходимые отводы. В этом случае он помещается во влагонепроницаемую коробку, заливается парафином и устанавливается в точке питания антенны.
Также это согласующее устройство может быть выполнено как самостоятельная конструкция или входить в состав антенно-коммутационного блока радиостанции.
Для наглядности метка на ручке переключателя (на лицевой панели) указывает на величину сопротивления, соответствующую данному положению. Для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера возможно подключение переменного конденсатора С1, рис.2.
Зависимость сопротивления от количества витков приводится в таблице 1. Расчет производился исходя из соотношения сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от количества витков.
Валерий Тетерюк -->
Схема подключения обмоток трансформатора, причём направление намотки первичной обмотки не имеет значения:
И получил подобную частотную характеристику:
Реально, характеристика получается ещё красивее, так как мой измерительный мост-приставка к NWT-502 показывает во всём диапазоне измерений КСВ=1.1 при нагрузке его резистором 51 Ом. Поэтому, график можно смело сдвинуть на эти 0.1 единицы КСВ вниз.
Была поставлена задача, получить приёмлемые параметры трансформатора и на 6 метровом диапазоне, что, как видим, неплохо удалось.
Данные обмоток трансформатора 2 + 2 + 2 витка провода ПЭВ 1.0. Номинал ёмкости, компенсирующей индуктивность рассеивания вторичной обмотки, получился равным 10 пФ.
Мотается трансформатор тремя сложенными проводами.
Концы обмоток соединятся согласно приложенному рисунку:
Увеличение количества витков, для снижения КСВ на 160 метровом диапазоне, приводит к повышению КСВ на 6 метровом диапазоне, поэтому было решено остановиться на подобной частотной характеристике. Важнее полное согласование на ВЧ диапазонах, а не на НЧ, где потери в кабеле мизерные.
Чем хороша именно эта схема согласующего трансформатора - полное симметрирование нагрузки, что уменьшает симфазные токи по оболочке питающего кабеля и что, в свою очередь, уменьшает его антенный эффект + точка заземления трансформатора для стекания статического и наведённого напряжения на землю! Что не раз поможет спасти ваш трансивер или приёмник во время грозы или сухого снегопада, песчаной бури.
Габаритная мощность подобного исполнения трансформатора - не менее 200 Вт.
Замеры асимметрии подобного трансформатора показали, что асимметрия возрастает с увеличением частоты и достигает 15% на частоте 51 мГц.
По замерам, уровни на вторичных обмотках трансформатора составили 100 мВ и 118 мВ на 51 мГц.
Асимметрию можно уменьшить, если намотать трансформатор одновременно тремя проводами (возможно скрученными) - у меня, в измеряемом трансформаторе, обмотки наматывались раздельно.
И ещё - ни в коем случае нельзя мотать обмотки согласующих трансформаторов жилами в изоляции от сетевых кабелей, как советуют некоторые умельцы! Поведение низкочастотной изоляции на ВЧ частотах предсказуемо - повышаются потери и появляется дополнительное рассогласование. Необходимо использовать провод в хорошей ВЧ изоляции - лаковой или фторопластовой, если планируете, что трансформатор не будет нагреваться - в полиэтиленовой.
После скрутки обмоток, ассиметрия уменьшилась: 110 мВ и 116 мВ (5%), АЧХ приняла вид (компенсирующая ёмкость не понадобилась):
Для улучшения согласования получившегося трансформатора в области низких частот, можно увеличить длину линии ШТПЛ, что равносильно увеличению количества витков трансформатора.
При 3 + 3 + 3 витка, вместо 2 + 2 + 2, получим такую АЧХ:
Пришлось отказаться от использования феррита и перейти на симметрирующе-согласующие устройства без феррита. Была некоторая опаска, что на НЧ диапазонах такое устройство работать не будет, однако, дальнейшие эсперименты это опровергли. Всё получилось!
Вес трансформатора настолько мал, что позволяет подвешивать его непосредственно на полотно антенны, без дополнительного усиления её конструкции.
Для изготовления симметрирующего трансформатора с коэффициентом трансформации 1 : 4 были использованы две пластиковых трубки диаметром 40 мм из сантехнического магазина, длиной около 25. 30 см . Диаметр не критичен, может быть и 30. 50 мм. Затем, был резделан электрический кабель с сечением монолитных медных жил 2.5 мм 2 , длиной около 7 метров (по 3.5 метра для каждой катушки, с учётом длины выводов). Из него взяты две жилы в полихлорвиниловой изоляции (хотя я и не сторонник использования полихлорвинила в ВЧ конструкциях), которыми на каждой трубке было намотано около 23 витков. Количество витков не критично, главное получить индуктивность катушек не менее 8 мкГн для низшей рабочей частоты, начиная от 80 метрового диапазона и не менее 16 мкГн для использования трансформатора начиная от 160 метрового диапазона.
Прикидочный рассчёт очень прост - на каждый метр длины волны нужно 0.1 мкГн индуктивности катушки.
Витки на второй трубке мотаем встречно направлению намотки на первой трубке. Закрепляем витки и соединяем обмотки со стороны подключения трансивера - параллельно, со стороны антенны - последовательно.
Трансформатор готов! Затраты копеечные, а эффект от его применения - положительный!
Пример исполнения симметрирующего трансформатора 1:4 (на стадии изготовления и распайки):
При необходимости понизить нижнюю частотную границу работы подобного трансформатора, можно поместить в трубки катушек ферритовые сердечники от магнитных антенн радиовещательных приёмников с проницаемостью 400. 600 НН, что увеличит их индуктивность.
Для компенсации реактивной составляющей самого трансформатора, потребовалось включить параллельно его выходу ёмкость около 30 пФ (точное значение не подбиралось).
При проверке этого трансформатора нагруженного на безиндукционный резистор 200 Ом, КСВ на 160 метрах составил 1.025, а на 10 метровом диапазоне 1.36, что очень даже неплохо для такой примитивной конструкции!
Не совсем понятно присутствие на правой катушке (по схеме), короткозамкнутой перемычки, соединяющей оплётку кабеля в начале катушки с её концом.
В варианте, описанном в предыдущем посте, подобной перемычки нет, хотя эквивалентная схема одна и та же.
Согласующий трансформатор
Задача нагрузки обычно состоит в том, чтобы сделать что-то продуктивное с рассеиваемой мощностью. В случае с резистивным нагревательным элементом практическая цель рассеиваемой мощности состоит в том, чтобы нагреть что-либо. Все нагрузки рассчитываются на безопасное рассеивание определенного максимального количества энергии, но, две нагрузки с одинаковой номинальной мощностью не обязательно должны быть идентичными. Давайте рассмотрим два резистивных нагревательных элемента мощностью 1000 Вт каждый:
Оба нагревателя рассеивают по 1000 ватт мощности, но делают это при разных уровнях напряжения и тока (250 вольт 4 ампера, и 125 вольт 8 ампер). Применив закон Ома (R = U / I) для определения необходимого сопротивления этих нагревательных элементов, мы получим 62,5 Ом и 15,625 Ом соответственно. Поскольку обе нагрузки находятся в цепях переменного тока, мы можем говорить не о простом их сопротивлении току, а об импедансе (хотя в нашем случае простое сопротивление - это всё, из чего они состоят, и у них нет реактивного сопротивления). Нагреватель на 250 вольт считается нагрузкой с более высоким импедансом, чем нагреватель на 125 вольт.
Если мы возьмем нагревательный элемент рассчитанный на 250 В (из первой схемы), и подключим его к схеме с источником питания на 125 В (ко второй схеме), то нас ждет большое разочарование. При импедансе (сопротивлении) 62,5 Ом ток в схеме будет составлять всего 2 А (I = U / R; 125 / 62,5), а мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе, будет составлять всего 250 Вт (P = IU; 125 x 2) или четвертую часть от его номинальной мощности. Сопротивление нагревательного элемента и напряжение источника в этом случае будут несогласованными, и мы не получим полного рассеивания мощности от нагревателя.
Однако, не все так плохо. У нас получится использовать нагревательный элемент на 250 вольт в схеме с питанием 125 вольт, если мы воспользуемся повышающим трансформатором:
Правильное соотношение обмоток трансформатора обеспечивает повышение напряжения и понижение тока до таких значений, которые необходимы для нормальной работы нагрузки, не соответствующей данному источнику питания. Давайте внимательно посмотрим на параметры первичной цепи этой схемы: напряжение в ней составляет 125 вольт, а ток - 8 ампер. При таких значениях напряжения и тока источник питания "знает", что он питает нагрузку с импедансом 15,625 Ом (R = E / I). Однако, во вторичной цепи прекрасно себя "чувствует" нагрузка с импедансом 62,5 Ом. Отсюда можно сделать вывод, что наш повышающий трансформатор преобразовал не только напряжение и ток, но и импеданс.
Коэффициенты преобразования напряжения, тока и импеданса можно рассчитать по следующим формулам:
Все это согласуется с рассмотренным ранее примером повышающего трансформатора 2:1 и коэффициентом преобразования импеданса от 62,5 Ом до 15,625 Ом (коэффициент 4:1 - это 2:1 в квадрате). Преобразование импеданса - это очень полезная особенность трансформаторов, позволяющая нагрузке рассеивать свою полную номинальную мощность даже в том случае, если система питания не обдадает необходимым напряжением, чтобы сделать это напрямую.
При внутреннем импедансе 500 Ом усилитель сможет отдать полную мощность только на нагрузку (динамик), также имеющую импеданс 500 Ом. Такая нагрузка будет понижать более высокое напряжение и потреблять меньше тока, чем потреблял бы динамик с импедансом 8 Ом, рассеивая при этом такое же количество энергии. Если динамик на 8 Ом подключить непосредственно к усилителю с импедансом 500 Ом, как показано на рисунке, то несоответствие импедансов приведет к значительному ухудшению характеристик (понижению пиковой мощности). Кроме того, пытаясь управлять динамиком с низким импедансом, усилитель значительное количество энергии будет рассеивать в виде тепла.
Чтобы наша система работала лучше, можно использовать трансформатор, который будет согласовывать разные импедансы. Поскольку мы переходим от источника питания с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) к нагрузке с низким импедансом (низкое напряжение, большой ток), нам необходимо использовать понижающий трансформатор:
Согласующий трансформатор согласовывает импеданс усилителя (500 Ом) с импедансом динамика (8 Ом) с целью достижения максимальной эффективности.
Чтобы получить коэффициент преобразования импеданса 500 : 8, нам понадобится соотношение витков первичной и вторичной обмоток равное квадратному корню из 500 : 8 (или квадратному корню из 62,5 : 1 или 7,906 : 1). При наличии такого трансформатора динамик будет нагружать усилитель до необходимого предела, потребляя при этом мощность на нужных уровнях напряжения и тока (чтобы соблюсти Теорему о максимуме передаваемой мощности и обеспечить наиболее эффективную подачу мощности в нагрузку). Трансформатор в данном случае будет называться согласующим.
Согласующие трансформаторы п о конструкции или внешнему виду принципиально не отличаются от трансформаторов любого другого типа. На следующей фотографии вы можете увидеть небольшой согласующий трансформатор (шириной около двух сантиметров), использующийся в аудиоусилителях:
Читайте также: