了解阻抗匹配和变压器的选择

日期:2019-02-21
 
 
 
为了确保最佳性能,系统依赖一个称为阻抗匹配的过程
 
作者:Lazaro Rodriguez,标准产品线经理,Triad Magnetics
 
许多用于音频应用、数据网络、通信和其他领域的电子电路需要将交流信号从电源传输到负载,同时最小化失真和最大化功率传输(图1)。
图1.音频应用照片蒙太奇
为了确保最佳性能,这些系统依赖一个称为“阻抗匹配”的过程。在本文中,我们将研究阻抗匹配为什么如此重要,它是如何工作的,以及如何通过适当的阻抗匹配和变压器选择容易实现系统设计。
什么是阻抗?电阻抗是对电路或电气元件内电流流动的一种测量。它由两部分组成:(1)电阻和(2)电抗。
电阻是由电气元件的物理特性引起的电流流动的对立面。该值与电压和电流成比例。
电抗是电气元件或电路对电流或电压变化的抵抗。它可以分为电容电抗和电感电抗,前者抵抗电压的任何变化,后者抵抗电流的任何变化。电容电抗与施加电压的频率成反比,电感电抗与施加电压的频率成正比。
阻抗是电阻和电抗的结合,是一个复杂的数学数字,意味着它既有实部又有虚部。这在计算阻抗值时很重要。Z = R + jX
Z = 阻抗    R = 电阻(实分量)    X = 电抗(虚分量,用j表示)
直流电路是一种特殊情况,其频率为0,因此电抗为0,使Z = R;阻抗等于电阻。在任何交流电路中,阻抗都是一个因数。
交流电路包括在家里或工厂里插入墙上插座的所有电气设备,以及无线电传输系统、声波传输系统(包括高保真和超声波检测设备),以及远距离的电力传输——人们日常接触的大部分电路。
阻抗如何影响电路中的电力变压器
电源和负载的阻抗比会影响从电源到负载的功率传输。对于最大功率传输(假设为固定源阻抗),源阻抗和负载阻抗的大小必须相等。参见图2。
图2.最大功率定理
对于直流电路,效率本质上是负载消耗的功率,是电源消耗功率的一部分。因此,效率通过图3所示的以下方程式计算。
图3.直流电路效率
图3显示了作为RL/RS函数的效率和功率传递比图。可以看出,当源电阻和负载电阻相等时,功率传递最大。以上功率曲线表明,最大功率传输系统的效率损失为50%。
对于交流电路,需要考虑阻抗。当电源阻抗低于负载阻抗时,功率传输的幅度减小,但传输效率提高。
对于交流电路中的最大功率传输,源阻抗和负载阻抗必须是共轭复数——这意味着源电阻和负载电阻必须相同,而源阻抗和负载阻抗必须大小相等,但相位相反。参见图4。
图4.交流电路最大功率传输
对于大多数电子电路应用,选择最大功率传输超过最大效率。不传递的能量以热的形式消散。
阻抗匹配
很明显,能够匹配负载阻抗对电路的功能至关重要,特别是对于最大功率传输。匹配负载阻抗的最简单方法是使用变压器。
变压器
变压器是一种高效装置(95-98.5%)用于通过电磁感应将电能从一个电路传输到另一个电路(图5)。变压器是通过在铁氧体磁芯周围缠绕两圈电线(线圈)而制成的。当激励电压作用于初级绕组时,磁芯中会产生磁场,从而在次级绕组中产生电流。
图5.变压器工作原理
一次电压与二次/负载电压之比与一次绕组匝数与二次绕组匝数之比相同。这个比率称为“n”。见图6,一次到二次电压负载。
图6.变压器一次到二次电压负载
一次/源阻抗和二次/负载阻抗也通过“n”关联。这通常被称为变压器电路的“阻抗比”(图7)。这表明,通过为所选电路选择正确的变压器规格,可以非常简单地控制负载阻抗,从而实现最大功率传输。
图7.变压器阻抗比
实际阻抗匹配
让我们来看两个问题解决的例子,以更好地了解阻抗匹配在现实世界中的工作方式。
问题1
需要音频放大器以最大可用功率驱动负载。放大器的阻抗为300欧姆,负载的阻抗为75欧姆。直接连接时,信号传输不良。
解决1
源阻抗和负载阻抗之间的差异导致信号传输不良。通过使用阻抗匹配变压器,可以使负载阻抗与源阻抗正确匹配。
问题就变成了:需要什么变压器绕组比来匹配负载阻抗和源阻抗?图8中的计算给出了答案:需要2:1的绕组比。
图8.计算变压器绕组比(例1)
问题2
对于不同型号的音频放大器,75欧姆负载已换成12欧姆负载。在这个电路中,最大功率传输所需的新变压器绕组比是多少?
解决2
图9表明,该型号音频放大器的电路设计需要5:1的绕组比。
图9.计算变压器绕组比(例2)
应用和注意事项
阻抗匹配变压器可用于任何交流电路,但最常用于音频设备、麦克风、放大器、数据网络/数据系统、电话网、电话系统和飞机上的通信——任何必须最大化功率传输和最小化失真的应用。
虽然计算电路的阻抗比很简单,但实际中选择变压器要复杂一些。必须考虑几个因素,包括:
磁芯饱和——磁性材料(如变压器的磁芯)只能吸收一定密度的磁通量。当电磁器件接近磁通饱和时,它开始以高度非线性的方式工作。信号电平越高,变压器的磁通量越大。
当磁芯饱和时,一次信号不能在电路的二次侧忠实地再现,这导致信号在电压和电流峰值下降的情况下发生削波,因为所需的功率输出大于变压器所能提供的功率。
磁芯饱和可以通过选择由相同材料制成的更大的变压器,或使用在更大磁通密度下饱和的磁芯材料来避免。为了这个目的,大量的时间和金钱都花在了研究外来的新材料和配置上!最大功率能力决定了变压器的最小尺寸。
频率——由于类似的非线性效应,变压器只能在有限的频率范围内正常工作。当主电源变压器在50和60Hz的低频下工作时,信号传输变压器必须在更宽的频率范围内工作:例如,音频范围(20Hz到20kHz),或者对于无线电频率范围更高。
将变压器设计成不适合频率范围的电路会导致信号和功率损失,以及过热。精心的制造技术和专门的材料是必需的,以使变压器在广泛的频率范围运行良好。
通常,电路设计人员在对阻抗匹配变压器做出最终决定之前应咨询变压器制造商;这有助于确保为应用做出正确的选择,并达到最佳性能。
结论
通过匹配负载阻抗,阻抗匹配变压器在确保各种不同行业的广泛电路应用的顺利运行中发挥着关键作用。由于源阻抗与负载阻抗之比会影响从源到负载的功率传递,因此电路设计者应仔细检查源阻抗与负载阻抗的大小是否相等。
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