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阻抗匹配的作用与意义

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发表于 2015-7-7 12:32:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
什么叫阻抗匹配?
在无线电的各种电路中,常常遇到电动势和负载之间的关系问题。例如,天线上有一个信号传输到接收机的输入电路里去,或者,音频放大器的末级有一信号要去推动扬声器发出声音等等……若信号电压的大小是一定的,则传输到这些负载里去的电功率或者其他某些性质将随着负载的大小而有所不同。那么,我们要选用多大的负载来达到预期的目的呢?大致说来,有两种情况:一种是将负载选用得使功率传输为最大,另一种是使负载为某一合适的数值,以满足一些其他的要求,而这时功率的输出并不一定是最大。但在实际中,承受功率的负载器件如扬声器、输送线等,其阻抗不一定恰好与所需的阻抗相等,我们必须设法将阻抗加以变换,才能使用。这种把某一已知负载阻抗转变成所需的某一特定阻抗,来达到上述二种目的之一的要求,就叫做“阻抗匹配”。下面我们分别来谈这两种阻抗匹配的意义。

一、获得最大的功率传输
第一种情况,匹配的目的是要使传输给负载的功率为最大,这种要求在电子管收音机里例子不多,但在晶体管收音机中则常常遇见。因为晶体管的放大作用主要是电流放大,管子的输入阻抗较低,要吸收前级的功率输出,因此,怎样使各级的功率增益为最大,是主要考虑的问题。那么,怎样能使功率传输最大,也即负载阻抗应怎样匹配才行呢?我们先要弄清楚下面的一个普遍规律。

获得最大的功率传输

获得最大的功率传输


如图1,有一个电源其电动势E,内阻为Ri,负载为RL,这时有一电流I,I=E/(Ri+RL),加到RL上的功率是PL=I2RL,将上式I代入,得到PL=E2RL/(Ri+RL)2。我们可从这式子里找出RL变化时,PL变化的规律。我们设E为6伏,Ri为3欧,而用三种不同的RL来试验一下,看各能获得多少功率?

功率计算

功率计算

按照这样的方法用各种不同的RL值代入计算,就可以得到如图2的曲线,说明若电动势一定,则只有当RL=Ri时输出功率为最大。

功率输出曲线

功率输出曲线

如果内阻和负载不是纯电阻而是阻抗,经过数学来证明,只有当负载电阻与电源内电阻相等,并且负载的电抗与电源内电抗数值相等而符号相反(即一个是感抗,而另一个是容抗)时,负载上得到的功率才是最大。所以,如果要使功率传输最大,那么阻抗匹配的条件就应合乎上述的规律。

阻抗匹配

阻抗匹配

从晶体管收音机里举两个例子来说明。如果要想天线输入回路的功率传输最大,则应使天线输入回路的输出阻抗和晶体管的输入阻抗相等,如图3。两箭头表示此处从虚线向左看去的天线输入回路的输出阻抗和从虚线向右看去的晶体管的输入阻抗应该匹配相等,使输入功率最大。又如晶体管收音机中频放大器的考虑方法也和电子管收音机不一样,中频变压器的输出、输入阻抗也应分别和中放晶体管的输入、输出阻抗匹配相等,以获得最大的功率增益。如图4,箭头表示应匹配的两端。

中频变压器阻抗匹配

中频变压器阻抗匹配


二、获得最适当的负载阻抗
这可举电子管收音机中末级功率管要求一定的负载匹配的情况来说明。现在末级放大器一般采用束射管或五极管,它们的内阻很大,我们不可能用和它内阻相等的负载来匹配,同时电子管各电极在一定的工作电压下,负载只有在某一适当数值的时候,才能够使得输出的信号失真最小,这个负载阻抗的数值一般是不等于电子管的内阻的,因此这时电子管输出的功率并不是最大值。不过减小的输出功率可以用增加前级输出信号电压的办法来得到补偿,结果使总的输出功率还是可以达到比较大的要求。例如6П1П束射管,在电子管手册所规定的各极电压运用条件下,最适合的负载是5千欧,这时失真最小而总的功率输出也比较大,如图5,大于和小于这个数值都不好,失真就会增加,输出功率也比较小。6П1П的内阻有50千欧,而所匹配的最佳负载只是它的十分之一,因此,以电子管本身来讲,它输出的功率并不是最大的。

获得最适当的负载阻抗

获得最适当的负载阻抗

上面说过,实际承受功率的负载的阻抗并不恰好等于所需要的阻抗,例如上述6П1П的屏路要求5千欧的负载。但一般低阻扬声器只有几欧,所以不能直接连到6П1П屏路使用,必须经过一种能变换阻抗的网络,来获得所需数值后才行,也就是要达到阻抗匹配。最常见的变换阻抗的器件就是变压器。用来变换扬声器阻抗的变压器一般叫作输出变压器。变压器能传送功率,而其两端的阻抗和初次级的匝数有一定关系。

输出变压器

输出变压器

如图6,设R1为所需的阻抗,R2为负载阻抗,W1和W2各为初次级的匝数,则

公式

公式

例如,要把3.5欧的扬声器阻抗变为5千欧的负载阻抗,则圈数比就是

圈数比

圈数比

如果初级绕线W1=3000匝,次级绕线W2=3000/38=79匝,这样,在次级端接了一个3.5欧,从初级看过去就成为5千欧了。

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