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Adaptación de impedancias de un circuito RLC (inductor dibujado macroscópicamente en la placa de circuito impreso)

Contexto: Soy un estudiante graduado de física con conocimientos básicos de circuitos, pero la adaptación de impedancia y el dominio de RF están fuera de mi alcance normal. Mi PCB es en realidad de cobre unido a un sustrato cerámico que va en mi cámara de vacío, por lo que conocer los detalles de lo que este circuito está haciendo realmente es importante para el cálculo de los requisitos de disipación de calor, así como porque no voy a ser capaz de modificarlo después de instalarlo en la cámara. No hay ningún elemento de resistencia, toda la resistencia es de las propias trazas de alambre.

Así que mi objetivo es tener ~ 1 Amp pico de corriente pasando a través de mis trazas de PCB a ~ 5 MHz con el fin de tener los campos magnéticos adecuados para el conjunto de placas para actuar como una trampa. Los únicos componentes que tengo son un condensador de sintonía ( compatible con alta tensión ) y luego lo que decida utilizar para mi adaptación de impedancia. Utilizando diferentes condensadores de sintonía para hacer que el circuito resuene a diferentes frecuencias, creo que mi capacitancia parásita es de aproximadamente 4 pF, mi inductancia es de unos 42 uH, y para conseguir que el circuito resuene a 5 MHz utilizo un condensador de sintonía de 20pF.

Mi puerto de "transmisión" es una bobina captadora bobinada que está en la placa cerca de las bobinas de tracción más grandes. Utilizando un analizador de redes, tengo un par de escenarios diferentes que es donde radica mi confusión. Si conecto el circuito a un transformador toroidal 1:1, mi acoplamiento de potencia es bastante malo, mi caída en la reflexión es de sólo -4 dB. sin embargo, el ancho de la resonancia es de 0,1 MHz a 5 MHz, por lo que mi Q es 50. Utilizando \$Q = \omega L/R \$ eso significa que mi resistencia es de 28 ohmios. Sin embargo, aunque cambie mi relación de vueltas, sigo sin poder obtener una mejor transferencia de potencia que una disminución de ~4 dB en la reflexión. ¿Por qué no puedo conseguir un acoplamiento de potencia mejor que éste? ¿Es la inductancia del transformador toroidal el problema? Sin embargo, si utilizo un circuito de adaptación L (condensador a través del puerto de entrada, inductor en serie con la carga, (los valores son 470 nH y 560 pF) puedo obtener -30 dB en la reflexión, pero mi Q desciende a 25. ¿Qué ocurre aquí? ¿Qué es real aquí? Yo pensaría que toda la potencia acoplada tendría que ser disipado en mi bobina, pero ¿por qué es la resistencia aparente se duplicó mediante el uso de la adaptación de impedancia L partido? ¿O es la caída en Q sólo una función de la fuente de ver ahora un aparente 50 ohmios, pero no realmente la conducción que?

Cualquier ayuda o referencia sería muy apreciada, he estado luchando con esto por un tiempo y todos mis compañeros de laboratorio también son físicos, no EE, así que no tenemos mucha experiencia con esto. Gracias.

Edición: aquí está el esquema para el escenario uno: transformador toroidal y 2: circuito L-match circuit drawing

Otra edición: las bobinas reales en cuestión: coils on boards

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George Herold Puntos 3222

Oh no, yo también soy físico. (Espero que todavía pueda ayudar.) Así que voy a suponer que ambos números son correctos.
La Q de un circuito resonante puede cambiar sin duda a medida que lo cargas con más potencia. (¿Hay algo en esas bobinas?) También habrá alguna pérdida resistiva en la red de adaptación.
Cuando se imputa potencia en RF es necesario saber algo sobre la impedancia de la fuente. (Y quizás algo sobre la conexión (línea de transmisión) entre la fuente y la carga. 5 MHz, es una frecuencia bastante baja, en cuanto a RF, ¿cuán larga es la conexión?

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krgrant Puntos 11

Con respecto al hecho de que Q bajó cuando usaste una red de adaptación de impedancia:

Has utilizado una red de adaptación L simple que consta de sólo dos componentes (un condensador y una inductancia) que están completamente determinados por la impedancia de entrada y salida de tu situación.
Esto no te deja ningún parámetro para controlar Q. Obtienes cualquier Q que sea resultado de los valores de los componentes que necesitas para el emparejamiento.

Así que supongo que lo que necesitas es una red de adaptación más sofisticada que contenga al menos tres componentes (por ejemplo, una red T o Pi) que tenga otro grado de libertad que te permita controlar no sólo la impedancia de entrada y salida, sino también Q.

Como también pides referencias te recomiendo mucho el capítulo sobre adaptación de impedancias y gráficos de Smith en Chris Bowick Diseño de circuitos de RF . Explica y contiene un problema de ejemplo para la adaptación de impedancias al tiempo que se preocupa por Q.

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Joe Kearney Puntos 425

En resonancia, la capacitancia y la inductancia de un circuito sintonizado en serie se anulan, por lo que parece ser una resistencia pura (principalmente la resistencia de la bobina). Para obtener la máxima transferencia de potencia es necesario igualar las impedancias de la fuente y de la carga. Con el generador a 50 ohmios y la carga a 28 ohmios (o menos) no están ni siquiera cerca de coincidir, por lo que una gran cantidad de la potencia se reflejará de nuevo en el generador.

El Q de un circuito resonante en serie es igual a la reactancia inductiva (o capacitiva - son lo mismo) en resonancia, dividida por el total resistencia en el circuito en serie. Esto incluye la resistencia de la fuente. Si la fuente y la carga están correctamente adaptadas y sintonizadas a resonancia, entonces tendrán resistencias iguales, por lo que si la bobina del circuito sintonizado y el condensador suman 28 Ohms, entonces la resistencia total en el circuito en serie debe ser de 56 Ohms, y el Q es (42uH*5Mhz*2pi)/56 Ohms = 24. Este bajo Q no es preocupante a menos que quiera filtrar la señal. Este bajo Q no es una preocupación a menos que desee filtrar las frecuencias fuera de resonancia.

Pero si la resistencia de CC de la bobina es de sólo 2 ohmios, ¿por qué la resistencia calculada es más de 10 veces superior? A 5 MHz, efecto piel hace que la mayor parte de la corriente fluya justo por debajo de la superficie de las trazas de la bobina, lo que aumenta drásticamente su resistencia efectiva. Un revestimiento más grueso no ayudará mucho. Para reducir la resistencia a la corriente alterna hay que aumentar la superficie.

Dices que cambiar las espiras del transformador toroidal no supuso ninguna diferencia, pero con la relación de espiras correcta debería adaptar el generador a la carga. Si el acoplamiento de potencia sigue siendo bajo, es porque el transformador no está diseñado para un funcionamiento eficiente a 5 MHz y 25 W (espiras insuficientes, alambre demasiado fino, pérdidas en el núcleo elevadas ).

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