Impedanciaillesztés

Impedanciaillesztés szerepe a kinyerhető teljesítmény szempontjából

Illesztett kimenetnek nevezzük azt a kimenetet, amely ellenállása megegyezik a terhelés ellenállásával. Ekkor a teljesítmény 50%-a a generátorban fog eldisszipálódni, azonban ekkor jut a legnagyobb teljesítmény a fogyasztóra.

A fenti ábra szerint ha a fogyasztó ellenállása nagyobb, mint a jelforrásé, a hatásfok javul, de a kivehető teljesítmény csökken.

Az elvileg maximálisan levehető teljesítmény a forrásfeszültségből és a generátor belső ellenállásából meghatározható, mivel tudjuk, hogy a maximum akkor áll fenn, ha a belső ellenállás értékével egyezik a terhelőellenállás értéke. Így adott generátor esetén a terhelés teljesítményre optimalizálásával [math] P_{max}=\frac{{U_0}^2}{4 R_b}[/math] watt teljesítmény vehető maximálisan ki, ahol U₀ az üresjárási feszültség, R_b pedig a belső ellenállás. Lásd ábrán a piros színű görbét.

A hatásfok pedig [math]\eta=\frac{R_t}{R_b+R_t}[/math] kifejezéssel számítható ki, ahol R_b a generátor belső ellenállása, az R_t pedig a terhelő ellenállás. Ebből látszik, hogy ha R_t-hez képest eltörpül R_b értéke, akkor a forrásból kivett teljes teljesítmény a terhelésen hasznosul, és nem a generátor belső ellenállását melegítésére pazarlódik el.

Impedanciaillesztés

Egyenáramú körben tehát a terhelés ellenállását és a generátor belső ellenállását azonosra célszerű választani. Ekkor a generátor terheletlen kimenőfeszültségéhez képest fele feszültség jelenik meg a kapcsain, a hatásfok 50% lesz, ellenben ekkor vehető ki belőle a legnagyobb teljesítmény.

Váltakozóáramú körökben a generátor belső impedanciájának konjugáltjára célszerű választani illetve hangolni a terhelés impedanciáját a maximálisan kivehető teljesítmény érdekében.

Példa:

• Ha a generátorunk 50 ohmos kimenőimpedanciával rendelkezik, akkor 50 ohmos terheléssel vehető ki belőle a legnagyobb teljesítmény.
• Ha a generátorunk 50 ohm + j40 ohm impedanciával rendelkezik, akkor 50 ohm -j40 ohmos komplex impedanciával tudjuk levenni belőle a maximális teljesítményt. Ha egyszerűen csak egy 50 ohmos ellenállást kapcsolunk rá, akkor csak 77%-a lenne kivehető az elméleti maximumnak, miközben a hatásfok is csak 43,8%-os lenne az 50% helyett.

Impedanciaillesztés szerepe a hullámhosszal összemérhető tápvonal esetén

Amennyiben a jelforrás és a fogyasztó közt a jel hullámhosszával összemérhető hosszúságú tápvonal van, akkor az impedanciaillesztés a kivehető maximális teljesítmény mellett egy másik fontos tényező miatt is fontos. Ez a tényező az állóhullám.

A tápvonalak esetén beszélünk haladóhullámról, amelyik a jelforrástól a fogyasztó felé halad, illetve reflektált hullámról, amely a fogyasztótól verődik vissza az illesztetlenség miatt a jelforrás felé.

Az állóhullámarány (SWR) kiszámítása:

Vezessük be a reflexiós tényező fogalmát, amelyet a fogyasztó felöli kapcson tapasztalható beeső (+) és visszavert (-) feszültségből származtatunk: [math]r=\frac{{U_2}^-}{{U_2}^+}=\frac{Z-Z_0}{Z+Z_0}[/math]

Ebből az állóhullámarany (SWR): [math]\sigma=\frac{|U|_{max}}{|U|_{min}}=\frac{1+|r|}{1-|r|}[/math].

Példa: Mekkora lesz a maximális állóhullámom, ha egy 75 ohmos koaxkábelen keresztül egy 50 ohmos fogyasztót hajtok meg? Megoldás: [math]r = \frac{Z-Z_0}{Z+Z_0} = \frac{50-75}{50+75}=-0,2[/math]. Ebből az állóhullámarány: [math]\sigma=\frac{1+|r|}{1-|r|} = \frac{1+|-0.2|}{1-|-0.2|} = \frac{1+0.2}{1-0.2}=\frac{1,2}{0,8} = 1,5[/math].

A fenti ábra szemlélteti az állóhullámarány-változást 50 ohmos koaxiális kábelt feltételezve különböző terhelő impedanciák esetén.

Rádióamatőr viszonylatban törekedjünk arra, hogy az SWR 2 alatt maradjon.

Oka: az SWR feszültség abszolutértékes leírásából látszik, hogy a tápvonalon az eredeti feszültség 1-r ... 1+r -szerese lesz megtalálható. Ez annyit jelent, hogy például 2-es SWR-nél, ahol r=0.333, ott a végerősítőre visszajutó jel 33%-kal megemelheti a feszültséget, illetve 33%-kal a normális szint alá "szívhatja" (egész hullámhossztól való távolságtól függően). Az előző hatás túlzott mértéke a félvezető által maximálisan elviselt feszültség miatt okozhat meghibásodást, az utóbbi pedig a többletterhelés miatt felvett nagyobb áramerősség miatt okozhat végfok meghibásodást.

Ezért ezt a 33%-ot ne lépjük túl, azaz 2-esnél magasabb állóhullámarány esetén ne eröltessük a forgalmazást, mert a rádiófrekvenciás végfokozat meghibásodáshoz vezethet.