Trong kỹ thuật điện và điện tử, các kỹ sư cần phải ghép đặc tính điện trở đầu vào với đặc tính điện trở đầu ra. Khi đạt được sự cân bằng của điện trở đầu vào và đầu ra từ nguồn đến phụ tải sẽ tạo nên một hệ thống ổn định. Quá trình cân bằng điện trở đầu vào và đầu ra của một hệ thống điện nhất định được chúng ta gọi là ghép trở kháng.

Định nghĩa ghép trở kháng

Trở kháng được định nghĩa là tổng điện trở của một thành phần điện hoặc mạch điện nhất định đối với dòng điện xoay chiều có nguồn gốc từ điện kháng và điện trở của hệ thống nhất định. Không giống như điện trở, chỉ có độ lớn, trở kháng có cả pha và độ lớn trong mạch điện xoay chiều. Đối với dòng điện một chiều, không có sự khác biệt giữa điện trở và trở kháng vì trở kháng có góc pha bằng không, giống như điện trở không có góc pha.

Các kỹ sư định nghĩa khớp trở kháng là quá trình mà trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra của một tải điện nhất định được thiết kế để giảm phản xạ tín hiệu và tối đa hóa công suất truyền đến tải điện. Để hiểu rõ hơn về khớp trở kháng, chúng ta cần chú ý tới định lý truyền công suất cực đại.

Định lý truyền công suất cực đại

Giả sử chúng ta có một hệ thống với nguồn điện áp V có điện trở trong Ri và cấp điện cho tải điện có điện trở RL. Định lý công suất cực đại sẽ được sử dụng để xác định giá trị điện trở tải RL, cho phép truyền công suất cực đại từ nguồn đến tải. Công suất cực đại truyền đến tải phụ thuộc vào kích thước của điện trở tải.

Từ mạch điện trên, công suất được truyền đến điện trở tải là:

Đối với công suất cực đại, chúng ta phân biệt phương trình trên với điện trở tải RL và coi kết quả bằng không. Chúng ta sẽ có:

Lưu ý rằng công suất cực đại chỉ có thể được truyền từ nguồn đến tải khi điện trở trong của nguồn điện áp bằng điện trở của tải. Việc khớp trở kháng đảm bảo rằng điện trở nguồn bằng điện trở tải. Một điều nữa cần lưu ý là điện kháng tải cũng phải bằng giá trị âm của điện kháng nguồn để công suất cực đại được phản xạ ở phía tải điện. Điều này có nghĩa là công suất tải chỉ có thể đạt cực đại khi trở kháng tải bằng liên hợp phức trở kháng nguồn.

Công thức và mạch ghép trở kháng

Đối với điện trở R có sẵn, chúng ta sẽ tìm mạch phù hợp với điện trở R’ ở tần số w₀ nhất định và phát triển thiết kế mạch phù hợp L. Chúng ta hãy bắt đầu bằng cách tìm độ dẫn điện Y_in của mạch ở trên. Lưu ý rằng điện trở R và cuộn cảm L được mắc nối tiếp và sự kết hợp của hai điện trở này được mắc song song với tụ điện C.

Trở kháng sẽ được đưa ra bởi:

Sự cần thiết của việc ghép trở kháng

Việc ghép trở kháng có tác dụng rất lớn trong các thiết bị tần số cao và tốc độ cao. Khi thiết kế các bảng mạch in yêu cầu các đặc điểm như vậy, các kỹ sư cần đảm bảo rằng trở kháng tại nguồn ghép với trở kháng tại tải.

Khi thiết kế các ứng dụng có tần số cực cao, việc ghép trở kháng trở thành một thao tác khó khăn đối với các nhà thiết kế. Thách thức này cũng được phản ánh trong khi thiết kế các mạch vi sóng và tần số vô tuyến. Khi các kỹ sư ghép trở kháng sai, sẽ dẫn đến việc các xung bị méo và phản xạ tín hiệu cao.

Ngoài ra, tăng tần số sẽ làm giảm cửa sổ lỗi. Mạch điện hoạt động tốt nhất khi có ghép kháng khớp hoàn hảo. Nếu không thực hiện khớp trở kháng,  hệ thống hoạt động bất thường do các hiệu ứng như phản xạ tín hiệu. Các sóng phản xạ gây ra độ trễ dữ liệu và độ méo pha và giảm thiểu tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Ứng dụng của việc ghép trở kháng

Mục tiêu của bất kỳ kỹ sư thiết kế điện và điện tử nào là đảm bảo có nguồn điện cung cấp tối đa từ nguồn hệ thống đến tải điện. Trong hầu hết các ứng dụng điện và điện tử, việc khớp trở kháng là điều cần thiết. Các ứng dụng của việc ghép trở kháng được tổng hợp dưới đây.‍

Ghép trở kháng máy biến áp

Máy biến áp là một trong những thành phần được sử dụng để ghép trở kháng của nguồn với tải. Công suất đầu vào của máy biến áp tương tự như công suất đầu ra của nó. Máy biến áp thay đổi mức năng lượng điện voltage và không ảnh hưởng đến mức công suất của hệ thống.

Để ghép trở kháng của cả hai bên, các kỹ sư phải thiết lập tỷ lệ vòng dây cho phù hợp. Điện áp thấp có ít vòng hơn và điều này cho chúng ta biết rằng trở kháng của cuộn dây điện áp thấp thấp hơn khi so sánh với trở kháng của cuộn dây điện áp cao.

Do đó, để đảm bảo rằng ghép trở khÁNG, một máy biến áp có số vòng dây quấn thích hợp được kết nối giữa nguồn và tải. Máy biến áp được gọi là máy biến áp ghép. Tỷ lệ vòng dây của máy biến áp phù hợp là căn bậc hai của tỷ số điện trở của nguồn với điện trở của tải.‍

Ghép trở kháng ở đường dây truyền tải

Việc truyền năng lượng điện từ nguồn đến tải được thực hiện bằng đường dây truyền tải. Trong khi truyền năng lượng này, điều quan trọng là phải làm bằng không hoặc giảm thiểu tổn thất năng lượng xảy ra. Để có thể làm được điều này, các kỹ sư phải ghép kháng nguồn và tải với đường dây truyền tải đang sử dụng.

Trở kháng đặc tính được định nghĩa là tỷ số sóng điện áp và dòng điện tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường dây truyền tải. Nếu là đường dây truyền tải dài, thì chúng ta mong đợi có trở kháng đặc tính khác nhau ở các khoảng cách khác nhau dọc theo đường dây truyền tải này. Nếu các kỹ sư không ghép trở kháng, các dấu hiệu đến tải sẽ được phản ánh ở nguồn gốc, tạo ra sóng dừng.‍

Kết luận

• Ghép trở kháng là sự cân bằng giữa trở kháng nguồn và tải để đảm bảo tải nhận được công suất tối đa.
• Định lý công suất tối đa rất quan trọng trong việc truyền năng lượng từ nguồn đến tải.
• Ghép trở kháng là cần thiết để cho phép truyền công suất tối đa từ nguồn đến tải bằng cách giảm phản xạ.
• Ghép trở kháng có một số ứng dụng, chẳng hạn như phù hợp trở kháng của máy biến áp, tai nghe, đường truyền và ăng-ten.