Иногда допускаются ошибки в выборе сердечника. Это особенно касается балунов, где порой всплывают весьма странные идеи. Одна довольно необычная, но довольно популярная идея заключается в том что использование смеси сердечников для высокой мощности и сопротивления дросселя за счёт снижения тока.

Другие вводящие в заблуждение утверждения заключаются в том, что экстремальные значения магнитной проницаемости сердечника, например, значения в диапазоне 10 000 или выше, необходимы для частот 1,8 МГц и выше. Другие идеи склоняются к использованию сердечников с чрезмерно низкой магнитной проницаемостью для того же применения.

Грамотная же рекомендация того или иного сердечника, выбор его материала, всегда основывается на фактических измерениях с использованием соответствующего испытательного оборудования на стенде, а также в реальном конечном применении.

Материал сердцевины

Автор в основном использует материал 73 для приёма сигналов в маломощных приложениях в диапазоне от 0,1 до 30 МГц. Материал 73 и аналогичные сердечники обычно позволяют минимизировать количество витков, не вызывая при этом чрезмерных потерь. Один из лучших показателей правильного выбора сердечника — это количество необходимых витков. Вы заметите, что большинство трансформаторов, которые им используются, имеют всего один или два витка на каждые 100 Ом импеданса. Например, его трансформаторы Beverage на 75 Ом требуют всего два витка в первичной обмотке и пять витков во вторичной. Низкое количество витков — хороший показатель того, что используются правильный размер и материал сердечника.

Для высокочастотных устройств с высокой мощностью часто необходимо использовать сердечники с низкой магнитной проницаемостью. На это есть две причины:

• Сердечники с низкой магнитной проницаемостью обычно имеют более высокую температуру Кюри. Они работают при высоких температурах, не теряя своих магнитных свойств.
• Сердечники с низкой магнитной проницаемостью имеют более высокую добротность (меньший тангенс угла потерь) при заданной частоте. Это означает, что большая часть импеданса связана с без потерь реактивным сопротивлением, а не с диссипативным активным сопротивлением. Они преобразуют в тепло меньший процент мощности, что очень важно при высоких уровнях мощности.

Магнитная проницаемость меняется в зависимости от частоты. При увеличении частоты от нуля импеданс сердечника достигает максимума. При частоте выше максимума импеданс сердечника (и эффективная магнитная проницаемость) фактически уменьшаются.

Понижение магнитной проницаемости с увеличением частоты полезно для контроля импеданса в широкополосных трансформаторах, но следует избегать слишком резкого снижения. Слишком высокая начальная магнитная проницаемость может привести к тому, что рабочая область сместится слишком далеко в сторону пониженного импеданса.

Трансформатор или катушка индуктивности, работающие на нисходящем участке характеристики сердечника с высоким коэффициентом заполнения, требуют дополнительных витков для поддержания критического импеданса и часто имеют больше витков, чем сердечники с более низким коэффициентом заполнения. Верхний предел частоты будет снижаться, что может уменьшить полезную полосу пропускания в желаемом диапазоне частот.

Использование чрезмерной начальной магнитной проницаемости приводит к тому, что намотка становится более трудоёмкой (требуется больше витков). Чтобы провод поместился в заданное окно сердечника, он должен быть тоньше и хрупче. Часто снижается температурная стабильность, а потери возрастают по сравнению с оптимальным выбором материала сердечника. Кроме того, без необходимости увеличивается паразитная ёмкость, что снижает полосу пропускания и увеличивает нежелательную паразитную связь.

НЕ выбирайте сердечники, ориентируясь только на начальное значение магнитной проницаемости, поскольку оно измеряется при постоянном токе. Следует учитывать характеристики, измеренные на рабочей частоте!

Всегда помните об этом общем правиле. Чем меньше длина провода (при условии, что сопротивление обмотки достаточное), тем выше пропускная способность трансформатора. В лучших конструкциях максимальная длина проводника находится ВНУТРИ окна магнитопровода, а минимальная — СНАРУЖИ.

Нагрев

При более высоких уровнях мощности необходимо использовать материалы с меньшим тангенсом угла диэлектрических потерь и более высокой температурой Кюри, например материалы 65, 61 или (в крайних случаях) 43. Даже потери в доли децибела приводят к значительному нагреву небольших сердечников при уровне мощности в киловаттном диапазоне. Разница в потерях в нерезонансных схемах между ферритовыми сердечниками с низким и высоким удельным магнитным сопротивлением незначительна, но нагрев может быть гораздо меньше!

Мы часто думаем, что высокая температура означает, что сердечник сильно нагревается или «насыщается», но точно не всегда так. Нужно учитывать уровень мощности, скважность импульсов и способность сердечника рассеивать тепло, а также смотреть на ситуацию в целом.

Очень маленькие сердечники, например тонкие сердечники диаметром 1,25 см, используемые в дроссельных балунах, могут рассеивать на открытом воздухе лишь малую часть ватта. Чтобы понять, насколько это мало, представьте, насколько сильно нагревается 60-ваттная лампочка при обычной работе. Если учесть размер сердечника, то его площадь поверхности обычно значительно меньше, чем у лампочки. Кроме того, сердечник обладает плохой теплопроводностью и часто находится в контейнере, препятствующем циркуляции воздуха.

Рассмотрим конструкцию обычного балуна из шариков, помещённых в ПВХ-трубку и термоусадочную трубку. Всего 20 ватт из 1500 ватт рассеиваемой мощности могут привести к перегреву крошечных шариков, помещённых в ПВХ-трубку. 20 ватт из 1500 — это потери менее 0,1 дБ, но они приводят к перегреву сердечника!

Проблема почти всегда связана с нагревом, а не с потерями в сердечнике. Сердечник почти никогда не насыщается, если только на него не подаётся очень низкая средняя мощность при очень высоких пиковых значениях. При выборе сердечника лучше всего обращать внимание на нагрев и количество витков, а не на фактические потери мощности.

Основной стиль

Магнитомягкие сердечники (с низкой магнитной проницаемостью) увеличивают индуктивность, поскольку повышают плотность магнитного потока вблизи проводника при заданном токе. При небольшой «концентрации» магнитного потока индуктивность или импеданс не могут значительно возрасти. Для значительного увеличения импеданса требуется значительное увеличение магнитного потока.

Область за пределами сердечника НЕ имеет замкнутого магнитного контура, окружающего проводник. Наличие сердечника оказывает минимальное влияние на импеданс любой области проводника за пределами сердечника. Большая часть магнитного потока от внешних проводов проходит в воздухе, а не в сердечнике. Поскольку лишь часть магнитного потока, окружающего внешние проводники, пересекает внешние слои сердечника, полезный вклад импеданса проводов за пределами сердечника в импеданс системы минимален. Длина проводника за пределами сердечника в основном приводит к нежелательному реактивному сопротивлению и потоку рассеяния. Если мы СВЕДЁМ К МИНИМУМУ длину провода, выступающего за пределы сердечника, то получим более эффективный дроссель, катушку индуктивности или трансформатор.

Этот эффект можно легко продемонстрировать с помощью простого эксперимента с анализатором антенн. Подключите короткий провод к выходу анализатора и измерьте импеданс. Приложите сердечник к проводу и обратите внимание на незначительное увеличение импеданса. Теперь пропустите тот же провод через центр сердечника и обратите внимание на значительное изменение импеданса. Это наглядно демонстрирует, почему длина провода обмотки за пределами сердечника не используется, а в основном приводит к нежелательным эффектам.

Размеры сердечника

Область внутри окна намотки магнитомягкого (в магнитном, а не в физическом смысле) сердечника пронизывается всеми силовыми линиями, и эта область оказывает очень большое влияние на импеданс. Сердечник концентрирует магнитный поток, окружающий проводящий ток элемент, на очень небольшой площади, и толщина сердечника, быстро уменьшающаяся по мере удаления от проводника, оказывает меньшее влияние.

• Дополнительное сопротивление, возникающее при установке сердечника над проводником или проводниками, почти полностью зависит от внутренней длины сердечника (глубины окна), параллельной проводнику или проводникам и окружающей их.
• Диаметр сердечника или его радиальная толщина оказывают лишь незначительное влияние на сопротивление.

При удвоении площади сердечника параллельно с проводником сопротивление обмотки увеличивается примерно в два раза. То же самое НЕ относится к увеличению толщины стенки сердечника: толщина сердечника почти не влияет на сопротивление.

Для большинства устройств с низким энергопотреблением автор предпочитает бинокулярные сердечники, а для устройств с высоким энергопотреблением и широким диапазоном частот — многослойные бинокулярные сердечники (один большой «бинокулярный сердечник»). Такое расположение сердечников почти всегда позволяет свести к минимуму количество проводников, выступающих «за пределы окна».

При минимальном количестве проводников, выступающих «за пределы» окна сердечника, уменьшается количество «лишних» проводов, которые создают нежелательную паразитную ёмкость и последовательное сопротивление. При заданном материале сердечника и импедансе длина проводника часто может быть уменьшена примерно на треть по сравнению с дросселем (или трансформатором) с аналогичным импедансом, использующим обычный однозаходный сердечник или однослойный сердечник!

Измерения при низкой мощности

Инвертирование фазы и дроссели-промежутки

В некоторых приёмных системах используются трансформаторы с фазоинверсией. Трансформаторы с фазоинверсией идентичны (и взаимозаменяемы) дроссельным балунам или трансформаторам с линейной изоляцией. Для приёма на КВ-диапазоне бинокулярные сердечники из материала 73 наматываются шестью витками эмалированного провода № 26. Используются сердечники Fair Rite Products 2873000202 (сечением около 1/2 дюйма и толщиной 1/3 дюйма из материала 73).

Вот результаты измерений инверторного трансформатора на частоте 2,5 МГц с использованием точного (и довольно нового) коммерческого оборудования:

Это говорит о том, что конструкция инвертирующего трансформатора удачна, поскольку он хорошо работает даже при нагрузке в 10 Ом!

Трансформатор для согласования Beverage

Автор пишет:

«Иногда я использую схемы в течение длительного времени и забываю, почему решил, что они подходят. Недавно я получил электронное письмо с вопросом о количестве витков в моей схеме трансформатора Beverage, и мне показалось, что сейчас самое время ещё раз её проверить.

Я повторно протестировал трансформатор с соотношением витков 2:5, используя один сердечник FairRite Products 2873000202 (площадью около 1/2 дюйма и толщиной 1/3 дюйма из материала 73) двумя разными способами на генераторе, сетевом анализаторе и векторном измерительном приборе.

Суммарные потери двух последовательно соединённых трансформаторов составляли 0,84 дБ на частоте 1 МГц и линейно увеличивались, а не уменьшались, до 0,98 дБ на частоте 30 МГц. Фактические потери трансформатора составляли 0,42 дБ на частоте 1 МГц и увеличивались до 0,49 дБ на частоте 30 МГц.

Удвоение витков увеличило крутизну спада затухания. Если на частоте 1 МГц потери снизились до 0,69 дБ на пару, то на частоте 30 МГц они увеличились до 1,21 дБ. Это для ПАРЫ трансформаторов, соединённых последовательно в трансформатор 1:1. Это, конечно, устраняет потери из-за рассогласования, так что потери в два раза превышают реальные потери трансформатора. Фактические потери составляют 0,35 дБ на частоте 1 МГц и увеличиваются до 0,61 дБ на частоте 30 МГц.

Для второго измерения я закоротил трансформатор на 470 Ом. При учёте потерь из-за рассогласования потери составили 0,65 дБ на частоте 1 МГц. Поскольку приёмники имеют широкий диапазон входного сопротивления, любая погрешность из-за рассогласования может как увеличить, так и уменьшить реальные потери в системе. С учётом потерь из-за рассогласования второе измерение показало потери около 0,53 дБ на частоте 1 МГц при использовании трансформатора с 2-5 витками и 0,43 дБ при использовании трансформатора с вдвое большим количеством витков.

У каждого измерения есть допустимые отклонения, и два разных метода дают разные значения потерь, поскольку погрешности измерений по-разному влияют на результаты. Тем не менее можно с уверенностью сказать, что удвоение количества витков оказывает незначительное влияние на потери на частоте 1 МГц (около 0,45 дБ)».

W8JI