Dispositivos correspondentes em circuitos magnéticos de ferrite. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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As questões de casamento da impedância de entrada da antena com a impedância de onda do alimentador, bem como o balanceamento de antenas para radioamadores sempre foram e continuam sendo relevantes. Nos últimos anos, um interesse especial tem sido demonstrado em transformar e combinar dispositivos em anéis de ferrite. Isso se deve ao fato de que tais dispositivos podem ser de pequeno porte e ter uma eficiência alta (até 98%). Além disso, eles não apresentam propriedades ressonantes quando o intervalo de frequência é sobreposto por várias oitavas (por exemplo, de 1 a 30 MHz), o que é especialmente conveniente quando são usadas antenas multibanda ("quadrados", "V INVERTIDO" [ 1. 2], 3-elementar "canal de onda" de três faixas [3], etc.).

Nesses transformadores de banda larga, os enrolamentos são feitos na forma de linhas de transmissão longas de dois fios (baseadas em cabo coaxial ou homogêneo), enroladas em um anel de ferrite. Este desenho dos enrolamentos permite praticamente eliminar a indutância de fuga e reduzir a indutância dos condutores.

Na fig. 1.a, com vários (neste caso, dois) - na fig. 1.b.

Na fig. 2 mostra a inclusão de TDL com uma razão de transformação de n=1.

Figura.2

O transformador consiste em um enrolamento na forma de uma longa linha uniforme enrolada em um núcleo magnético de ferrite anular. Seu comprimento elétrico é P=2pl/L, onde l é o comprimento geométrico da linha, L é o comprimento de onda (lambda). Como durante a propagação de uma onda de alta frequência, as correntes que circulam pelos condutores da linha são iguais em valor e opostas em direção, o circuito magnético não é magnetizado, o que significa que praticamente não há perda de energia no ferrite. Quando a impedância de onda da linha g é combinada com as resistências da fonte Rg e da carga Rl, o TDL teoricamente não possui frequências de limite inferior e superior. Na prática, a frequência operacional máxima é limitada devido à indutância do condutor e à radiação da linha.

Atenção deve ser dada à peculiaridade do TDL. que consiste na presença de dois tipos de tensões: antifase U, atuando entre os condutores da linha e determinada pela potência do sinal, e de modo comum (ou longitudinal) V, devido à assimetria da carga e dependendo da opção de ligar o transformador.

Como a tensão de modo comum é formada, atuando entre o gerador e a carga, ou seja, na indutância de linha Ll, é claramente visto na Fig. 3.

Figura.3

É óbvio que os condutores de uma linha longa desviam a carga e o gerador se as correntes de modo comum fluírem através deles. A introdução de um circuito magnético aumenta acentuadamente a indutância do enrolamento, aumentando assim a resistência à corrente de modo comum e reduzindo drasticamente seu efeito de derivação. Ao mesmo tempo, o circuito magnético não afeta a propagação da onda, pois o modo de onda viajante é fornecido

(Rg=g=Ri).

Existem várias maneiras de construir um TDL com um fator de transformação inteiro n. Por exemplo, pode-se seguir a seguinte regra. Os enrolamentos (deve haver n) são feitos de segmentos de linhas de dois fios iguais em comprimento elétrico. Cada enrolamento é colocado em um circuito magnético de anel separado do mesmo tipo. As entradas das linhas do lado superior são conectadas em série, com o lado inferior - em paralelo.

Em uma visão geral, o circuito de comutação de um TDL com uma razão de transformação inteira n é mostrado na Fig. quatro.

Figura.4

Aqui as relações

Rg=n2Rn, U1=nU2, g=nRn.

Na fig. 5 mostra várias opções para ligar o TDL.

É possível construir um TDL em um circuito magnético, mas os seguintes requisitos devem ser observados. Primeiramente, o número de espiras de cada linha deve ser proporcional ao valor da tensão de modo comum atuando entre as extremidades desta linha, pois os enrolamentos são conectados por um fluxo magnético comum. Em segundo lugar, os comprimentos geométricos de todas as linhas devem necessariamente ser os mesmos. Dependendo da opção de ligar o TDL, pode até acontecer que algumas linhas parcial ou totalmente devam ser colocadas fora do núcleo magnético.

Para determinar o número de espiras nos enrolamentos, é necessário calcular as tensões de modo comum Vk em cada linha.

Em TDL com entrada e saída assimétrica (tipo NN. Fig. 5, a)

Vk \uXNUMXd (n-k) Un;

na inversão (tipo NN, Fig. 5, b) Vk \u1d (n-k + XNUMX) Un;

com entrada balanceada e saída não balanceada (tipo SN, Fig. 5, c)

Vk \u2d (n / XNUMX-k) Un;

com entrada não balanceada e saída balanceada (tipo NS, Fig. 5, d)

Vk \u1d (n + 2/XNUMX-k) Un;

com entrada e saída simétrica (tipo SS, Fig. 5, e)

Vk \u2d (n / 2 + t / XNUMX-k) Un.

Nas fórmulas, n é a relação de transformação, k é o número de série da linha, contando a partir de cima, Un é a tensão na carga.

Estas fórmulas são as originais. quando a razão do número de voltas nos enrolamentos colocados no circuito magnético é determinada. Se, por exemplo, um TDL com uma relação de transformação de n=3 for ligado de acordo com o esquema mostrado na fig. 5, a, então V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. Segue-se que a linha superior na figura é colocada completamente no circuito magnético (w1), a segunda linha tem apenas metade das voltas (w2 = w1/2), e a terceira linha (w3 = 0) deve ser completamente no circuito magnético. O comprimento geométrico de todas as linhas é o mesmo.

Ao combinar o "canal de onda", que tem uma impedância de entrada de 18,5 Ohm, com um cabo coaxial de 75 ohm usando um TDL (conectado de acordo com o circuito da Fig. 5, d) com uma relação de transformação de 2, a relação de as voltas do enrolamento são iguais a w1: w2 = (2 + 1 / 2-1: (2 + 1 / 2-2) \u3d 1: XNUMX. Isso significa que no circuito magnético o enrolamento superior da figura deve ser inteiramente, e o segundo - apenas sua terceira parte.

Quando o comprimento das linhas para os enrolamentos é muito menor que o comprimento de onda de operação, o TDL pode ser simplificado: linhas onde as tensões de modo comum são zero. substituído por um jumper. Neste caso, por exemplo, um TDL de três enrolamentos (Fig. 5, e) é convertido em um de dois enrolamentos (Fig. 6).

Figura.6

O coeficiente de transmissão do TDL depende de quanto a impedância da onda difere do valor ótimo e qual é a razão entre o comprimento elétrico da linha e o comprimento de onda. Se, por exemplo, c difere do necessário duas vezes, então as perdas no TDL são 0,45 dB para o comprimento da linha lambda/8 e 2,6 dB para lambda/4. Na fig. A Figura 7 mostra a dependência do coeficiente de transmissão de um TDL com n=2 no comprimento de fase de suas linhas para três valores de g.

Figura.7

O cálculo dado em [4] mostra que se forem usadas linhas com valores ótimos de y, a razão de onda estacionária em TDL não excede 1,03 para comprimento de linha lambda/16 e 1,2 para comprimento de linha lambda/8. A partir disso, podemos concluir que os parâmetros TDL permanecem satisfatórios quando o comprimento das linhas de dois fios é menor que lambda/8.

Os dados iniciais para o cálculo do TDL são a relação de transformação n, a possibilidade de ligar o TDL, os limites inferior e superior da faixa de frequência de operação (em hertz), a potência máxima Pmax na carga (em watts), a carga resistência Rl (em ohms) e a impedância de onda do alimentador g (em ohms). O cálculo é realizado na seguinte sequência.

1. Determine a indutância mínima do condutor de linha Ll (em henry) a partir da condição de que

Ld>>Rg/2fn.

Na prática, Ll, você pode levar 5 ... 10 vezes mais do que a razão calculada Rg para 2fn.

2. Encontre o número de voltas w da linha no anel do circuito magnético:

onde dcp é o diâmetro médio do anel (em

cm), S - área da seção transversal

circuito magnético (em cm²), ,u - permeabilidade magnética relativa do circuito magnético. 3. Calcule a corrente de modo comum Ic;

(em amperes) fluindo através do enrolamento TDL, na frequência de operação mais baixa:

Ic=Vc/2pfnLl,

onde Vc é a tensão de modo comum na linha, calculada para opções de comutação específicas de acordo com as relações acima.

4. Determine a indução magnética (em Tesla) do circuito magnético:

B = 4 * 10^-6.uIC/dcp.

O circuito magnético é escolhido levando em consideração que não está saturado com corrente de modo comum (ou corrente contínua, se houver). Para isso, a indução magnética no circuito magnético deve ser uma ordem de grandeza menor que a indução de saturação (retirada de livros de referência).

5. Encontre a tensão de pico Upeak na linha:

onde y é a ROE no alimentador.

6. Calcule o valor efetivo da corrente Ieff (em amperes):

7. Determine o diâmetro d dos fios (em milímetros) de uma linha longa:

onde J é a densidade de corrente permitida (em amperes por milímetro quadrado).

Para dispositivos de correspondência de antena TDL, núcleos magnéticos de anel (tamanhos K55X32X9, K65X40X9) feitos de ferrites 300VNS, 200VNS, 90VNS, 50VNS, bem como 400NN, 200NN, 100NN são adequados. Se necessário, o núcleo magnético pode ser constituído por vários anéis. A resistência de onda necessária de uma linha longa é obtida torcendo uniformemente os condutores (com um certo passo) (consulte a tabela). No caso de uma conexão de fios em forma de cruz, c é menor do que quando condutores adjacentes são conectados entre si. A impedância de onda de uma linha de fios não torcidos com diâmetro de 1.5 mm foi de 86 Ω.

Impedância característica de uma linha longa dependendo do passo da torção e do tipo de conexões

* Com um diâmetro de fio de 1 mm.
** Com diâmetro de fio de 0.33 mm.

Para melhorar os parâmetros (em particular, o coeficiente de assimetria) e ao mesmo tempo simplificar o projeto da unidade de transformação de correspondência, é usada uma conexão serial de vários TDLs de vários tipos.

Por exemplo, usando o método acima, calculamos o TDL composto com n=2. Deve corresponder à impedância de entrada de uma antena simétrica de 12,5 ohms com o cabo coaxial RK-50. A frequência de operação mais baixa é de 14 MHz. A potência não excede 200 watts. Para TDL, deve-se usar núcleos magnéticos de tamanho K45X28X8 (dcp=3,65 cm, S=0,7 cm²) da ferrita 100NN (sua indução de saturação específica é 0,44 T/cm² [5]).

Deixe o primeiro estágio com a razão de transformação n = 2 do TDL composto (Fig. 8) ser ligado de acordo com o esquema da Fig. 5, a, e o segundo (com n = 1) - de acordo com o esquema da Fig. 5, Sr.

Figura.8

Calculamos o primeiro TDL.

1. Encontre Ll:

Vamos tomar Ll igual a 13,5 μH.

2. Calcule o número de voltas do enrolamento:

Tal número de voltas de fio de espessura dupla dificilmente pode ser colocado na janela do circuito magnético. Portanto, é aconselhável usar dois anéis. Neste caso, o circuito magnético terá dimensões K45X 28X16 (S = 1.4 cm²). Novo número w:

3. Determine a tensão de pico na carga:

4. Encontramos a tensão de modo comum nos enrolamentos de acordo com o circuito de comutação (Fig. 5, a):

V1=(2-1)71=71 V. Como a tensão de modo comum no segundo enrolamento é 0, este enrolamento é substituído por jumpers (Fig. 6).

5. A corrente de modo comum é:

6. Calculamos a indução magnética no circuito magnético:

H=4*10^-6*100*9*0,06/3,65=59*10^-6 T, que é muito menor do que a indução de saturação.

Impedância de onda da linha g1=50 Ohm.

No segundo TDL, é aconselhável usar os mesmos anéis do primeiro. Então Ll \u13,5d 9 μH, w \uXNUMXd XNUMX voltas.

7. Tensão de modo comum no enrolamento V=(2+1/2-1)71=106,5 V.

8. A corrente de modo comum é:

L=106,5/2*3,14*14*10⁶* * 13,5 10^-6\u0,09d XNUMX A.

9. Indução magnética

H = 100*4*10^-6*9*0,09/3,65=89*10^-6 Tl.

E neste caso, acaba sendo menor que a indução de saturação. A resistência de onda da linha de enrolamento é escolhida em cerca de 12 ohms.

O diâmetro dos fios para linhas TDL é determinado da mesma forma que o diâmetro dos fios para enrolamento em transformadores convencionais. Este cálculo não é mostrado aqui.

Um leitor atento pode notar uma imprecisão no cálculo acima (devido ao uso de TDL composto). Está no fato de que a indutância Ll é calculada sem levar em consideração o fato de que os enrolamentos TDL do primeiro e segundo estágios estão conectados, ou seja, com uma certa margem. Assim, na prática, no TDL de cada estágio, é possível reduzir o número de espiras nos enrolamentos e utilizar núcleos de ferrita menores.

Usando combinações de vários TDLs únicos, pode-se obter uma ampla gama de TDLs com as características desejadas [4].

Para TDLs fabricados, a eficiência e o coeficiente de assimetria devem ser medidos [4]. O esquema para ligar o TDL ao determinar o primeiro parâmetro é mostrado na fig. 9, o segundo - na Fig. 10. As perdas a (em decibéis) no transformador são calculadas pela fórmula: a \u20d 1lg (U2 / nUXNUMX).

Figura.9

Figura.10

Vários TDLs foram feitos pelo autor. Os dados práticos de alguns deles são apresentados a seguir. A aparência de dois transformadores é mostrada na fig. onze.

Figura.11

Balanceamento TDL (tipo NS) com relação de transformação n=1, operando na faixa de frequência de 1,5 ... 30 MHz com potência de saída de até 200 W, para combinar com o alimentador RK-50 com impedância de entrada de antena de 50 Ohm, pode ser feito em um circuito magnético 50VNS com tamanho padrão

K65X40X9. O número de voltas dos enrolamentos da linha (g \u50d 9 Ohm) é 1. Os enrolamentos 1-2 ', 2-12' (Fig. 2) são enrolados em 2 fios PEV-1,4 3 bifilares, sem torções. Para garantir a constância da distância entre os fios, eles são colocados em um tubo de fluoroplástico. O enrolamento 3-1' é enrolado separadamente na parte livre do anel com o mesmo fio e o mesmo comprimento dos enrolamentos 1-2', 2-98'. A eficiência do TDL fabricado foi de cerca de 300%. coeficiente de assimetria - mais de XNUMX.

Figura.12

TDL com relação de transformação n=2 (tipo NS), projetado para potências de até 200 W, combinando a impedância do alimentador de 75 ohms com uma entrada de antena simétrica, que possui uma impedância de entrada de 18 ohms. pode ser feito em um circuito magnético 200NN (Fig. 13) com um tamanho K65X40X9. Os enrolamentos devem conter 9 espiras de linhas de fios PEV-2.1,0. O transformador fabricado tinha uma eficiência de 97%, coeficiente de assimetria a uma frequência de 10 MHz - 20, a uma frequência de 30 MHz - pelo menos 60.

Figura.13

Na fig. 14 mostra o diagrama de conexão de um TDL composto (tipo NS) com uma relação de transformação de n=3, combinando uma antena com uma impedância de entrada de 9 ohms, com um cabo coaxial de 75 ohms. O TDL, projetado para operar na faixa de 10 ... 30 MHz com potência de até 200 W, é realizado em anéis (tamanho K32X20X6) de ferrite 50VNS. Os núcleos magnéticos dos transformadores WT1 e WT2 são compostos por dois anéis, os enrolamentos e a bobina L1 devem conter 6 espiras cada. Linhas longas e uma bobina são feitas com fio PEV-2 1,0. Impedância de linha para WT1 - 70 Ohm, para WT2 - 25 Ohm. O TDL construído teve uma eficiência de 97%, o coeficiente de assimetria foi de pelo menos 250.

Antes de operar o TDL, devem ser tomadas medidas para protegê-los de influências climáticas adversas. Para isso, os transformadores são envolvidos com fita fluoroplástica, colocados em uma caixa e, se possível, preenchidos com composto KLT.

Literatura:

1. Benkovsky 3., Livisky E. Antenas amadoras de ondas curtas e ultracurtas - M.; Rádio e comunicações, 1983.
2. Rothammel K. Antenas. - M.: Energia, 1979.
3. Zakharov V. Canal de onda de antena de três elementos de três bandas. - Rádio, 1970. No. 4.
4. London S.E., Tomashevich S.V. - Livro de referência sobre dispositivos transformadores de alta frequência - M.; Rádio e comunicação, 1984.
5. Mikhailova M. et al. Ferritas magnéticas macias para equipamentos radioeletrônicos.- M.: Rádio e comunicação, 1983.

Autor: V. Zakharov (UA3FU), Moscou; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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