Статья написана на основе собствен- ого опыта автора и анализа материалов отечественных и зарубежных источников. Она не претендует на какую- либо новизну и предназначена для радиолюбителей-коротковолновиков, особенно начинающих, занимающихся конструированием широкополосных усилителей мощности. В радиолюбительском эфире и в сети Интернет довольно часто можно услышать и прочитать неверные, а зачастую вредные, но произносимые весьма убедительным тоном суждения о плохой работе в усилителях мощности, устройствах согласования антенн и т. д., ВЧ трансформаторов на ферритах с большой магнитной проницаемостью. Попробуем сделать краткий анализ работы ВЧ трансформаторов различных конструкций . Наиболее распространенный тип трансформатора в радиолюбительских конструкциях - на кольцевом магнито- проводе из феррита или порошкового железа, так называемые трансформаторы на длинных линиях (ТДЛ). Их диапазон рабочих частот может составлять до пяти октав, и одна из главных причин, связанных с частотными ограничениями, - его конструкция. Обычно обмотки трансформатора выполняются тремя свитыми между собой проводами на одном кольце. Такая конструкция влечет за собой, по крайней мере, две проблемы. Первая - смещение фаз на высоких частотах во вторичных обмотках (если их несколько), зависящее от типа применяемой для намотки линии. Рассогласование фаз во вторичных обмотках относительно друг друга влечет за собой несогласованную работу пара- фазного каскада, следующего за трансформатором. И вторая проблема заключается в том, что трансформаторы подобного рода, особенно в радиолюбительских разработках, имеют недостаточную магнитную проницаемость магнитопровода. Это приводит к изменению расчетного активного сопротивления в полосе частот (особенно на низких частотах). Такие трансформаторы имеют, как правило, относительно большое число витков, что приводит к значительной индуктивности рассеяния и появлению межобмоточной емкости. Все вышеуказанные факторы не самым лучшим образом влияют на широкополосные свойства ВЧ трансфор- матора. Поэтому применение конструкции, где обмотки выполнены на одном кольцевом магнитопроводе, в широкополосных трансформаторах является достаточно проблематичным. Однако кольцевые магнитопроводы из феррита или порошкового железа неплохо зарекомендовали себя при изготовлении резонансных (узкополосных) контуров в различного рода фильтрах. Хорошая альтернатива ТДЛ - трансформатор с объемным витком (выполнен в виде "бочонка"). В таких конструкциях межобмоточная емкость и паразитная индуктивность рассеяния сведены к минимуму, так как обмотки намотаны на отдельных ферритовых магнитопроводах и помещены в экранированные друг от друга отсеки, а связь между ними обеспечивает металлический стержень (керн). ВЧ трансформаторы подобного рода имеют большую широ- кополосность (сотни мегагерц), с хорошим постоянством параметров в полосе частот. Однако и здесь есть свои подводные камни. Такие трансформаторы имеют ограниченное применение при передаче сигнала большой мощности, так как в качестве элемента связи между обмотками используется стержень из немагнитного материала, проходящий через магнитопроводы. При передаче через трансформатор мощного (десять и более ватт) сигнала происходит ее ограничение на выходе. И чем больше предаваемая мощность, тем хуже коэффициент передачи. Основная же мощность уходит на нагрев трансформатора. Не берусь судить о причинах этого эффекта. По всей видимости, здесь требуются дополнительные эксперименты с применением различных материалов для трансформаторов. На малых же мощностях такие ВЧ трансформаторы имеют великолепные параметры. Еще одна широко распространенная конструкция ВЧ трансформаторов - это трансформаторы с внешним витком, так называемые "бинокли". Их изготавливают на двухотверстных (трансфлюкторах) или трубчатых ферритовых магнитопроводах. И те и другие можно заменить набором из кольцевых магнитопроводов. Но в среде радиолюбителей-конструкторов до сих пор нет единого мнения о методике изготовления подобных трансформаторов и, самое главное, о выборе магнитной проницаемости его основного материала - феррита. Однако это уже давным-давно определено зарубежными фирмами, специализирующимися на выпуске средств радиосвязи, которые широко используют подобные трансформаторы в своих конструкциях - симметрирующих трансформаторах, антенн (балунах) с различными коэффициентами трансформации, входных и выходных ВЧ трансформаторах усилителей мощности, различных согласователях. Диапазон рабочих частот трансформаторов подобного исполнения при работе на нагрузку с полным сопротивлением до 500 Ом может достигать десяти октав, если реактивное сопротивление обмоток трансформатора на самой низкой рабочей частоте составляет не более четверти от соответствующих нагрузочных импедансов. В противном случае снижается нижняя рабочая частота трансформатора. Попробуем ближе рассмотреть процесс конструирования такого ВЧ трансформатора. Итак, чтобы обеспечить малую индуктивность рассеяния и межобмоточную емкость, обмотки следует стремиться выполнять с малым числом витков. Но тогда не хватит индуктивности на низкочастотном участке рабочего диапазона!? Увеличить ее можно, применив феррит с высокой или очень высокой магнитной проницаемостью. Не 100 и не 400, как часто можно услышать в эфире от "знатоков", и даже не 1000, а еще выше - не менее 2-5 тысяч. Фирменные трансформаторы, работающие в полосе частот 1...500 МГц, выполняются на ферритах с проницаемостью даже 10000. Не верьте "знатокам", утверждающим, что такие ферриты "...не работают на высоких частотах...". И не нужно ему там работать. Его основная задача - обеспечение высокой индуктивности обмоток при минимальном количестве витков в них. Да, есть и в этом случае паразитные межобмоточная емкость и индуктивность рассеяния, но эти величины при таком исполнении пренебрежительно малы, особенно емкость. Компенсировать паразитную индуктивность рассеяния при нагрузочных импедансах до 500...600 Ом просто. Достаточно подключить параллельно обмотке такую же реактивность, но с другим знаком - конденсатор. Компенсировать же паразитную емкость можно, подключив к обмотке тот же конденсатор, но последовательно с ней. Правда, при нашей (радиолюбительской) полосе частот это не основ- Rв х / R в ы х О м 50/50 50/110 50/200 50/300 50/450 50/600 50/800 Число витков первичной обмотки 2 2 2 2 2 2 2 Число витков вторичной обмотки 1+1 1,5+1,5 2+2 2,5+2,5 3+3 3,5+3,5 4+4 ная паразитная реактивность. Поэтому компенсацией межобмоточной емкости, в нашем случае, можно и пожертвовать. Паразитную индуктивность рассеяния с достаточной точностью можно измерить измерителем индуктивнос- тей, пересчитав ее в реактивность. Полученное значение реактивности следует заменить на отрицательное, т. е. на емкость. Или же просто подобрать конденсатор по минимуму КСВ. Найти ферриты с высокой магнитной проницаемостью (несколько тысяч) не сложно. Они в виде трубчатых изделий широко применяются во всевозможных импортных кабелях для защиты от наводок и помех (шнуры питания офисной и домашней техники, соединительные шнуры цифровых фотоаппаратов, мо- ниторные и компьютерные кабели, USB-удлинители и т. д.). "Трубки" оте- чественных производителей отличаются по своим магнитным свойствам не в лучшую сторону. Однако и на них получаются трансформаторы довольно высокого качества. При намотке трансформатора следует стремиться максимально заполнить внутренний объем "бинокля". Это достигается применением провода большого сечения с равномерным заполнением отверстий либо выполнением обмоток коаксиальным кабелем или линией (например, сетевым шнуром от паяльника). Хороший вариант - использовать для намотки жгут, составленный из свитых между собой проводов МГТФ. В таблице приведены ориентировочные намоточные данные ВЧ трансформаторов на трубчатых ферритах с большой магнитной проницаемостью . Как видно, выбор по коэффициенту трансформации сопротивления достаточно широк и соответствует основным значениям, используемым в радиолюбительской практике. Первичную обмотку можно выполнить и из одного витка сохранив при этом пропорции для вторичной обмотки. Вторичную обмотку мотают двойным проводом или коаксиальным кабелем. Конец одного провода вторичной обмотки, соединенный с началом ее другого провода, образует среднюю точку обмотки. Соединив среднюю точку вторичной обмотки с одним из выводов первичной обмотки, кроме трансформации, получим и симметрирование вторичной обмотки. Автором был изготовлен трансформатор на ферритовых трубках от кабелей питания промышленной электроники, проницаемость - более 6000. Первичная обмотка состояла из двух витков монтажного провода сечением 3 мм2. Вторичная - из трех витков сетевого шнура от электропаяльника. Начало одного провода шнура соединено с концом другого провода шнура (3+3 витка вторичной обмотки). Коэффициент трансформации - 1:9. Габаритная мощность трансформатора достаточна для передачи мощности до 1 кВт. Трансформатор с подключенной к вторичной обмотке нагрузкой 510 Ом, при входном сопротивлении 50 Ом, имел КСВ = 1,1 ...1,2 в полосе частот 1,7...26 МГц. КСВ повышался до 1,7 ближе к частоте 38 МГц. При подключении параллельно первичной обмотке трансформатора конденсатора емкостью 52 пФ (компенсация индуктивности рассеяния обмоток) КСВ вы- равнялся до 1...1.2 в полосе частот от 1,7...42 МГц. На фотографиях (рис.1 - 3) показаны результаты измерений, выполненных прибором MFJ-269. На рис. 4 можно наблюдать результат измерения параметров трансформатора с коэффициентом трансформации 1:4, также изготовленного автором . Вторичная обмотка состоит из двух витков коаксиального кабеля, с последующим последовательным соединением центрального провода кабеля и экрана в качестве половин обмоток. Частот- ный диапазон трансформатора без применения компенсирующих емкостей составил 1,8...29 МГц при КСВ = 1,1...1,6. При подключении к первичной обмотке конденсатора емкостью 43 пФ и 10 пФ к вторичной КСВ в полосе частот 3,4...32 МГц был равен единице, а в полосе 1,7. ..47 МГц не превышал 1,2. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что не следует бояться применять ферриты с большой магнитной проницаемостью в своих конструкциях. Кроме того, автор считает ошибочным рекомендации о применении в "биноклях" ферритов смешанных значений проницаемости (например, ВЧ50+1000НН и т.д.). ЛИТЕРАТУРА 1. Бунин С. Г., Яйленко Л. П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - Киев, Техника, 1984, с. 146. 2. Рэд Э. Т. Схемотехника радиоприемников - М.: Мир, 1989.
Трансформаторы на ферритовых трубках выполняют сразу несколько функций: трансформируют сопротивление, симметрируют токи в плечах антенны и подавляют ток на внешней поверхности оплётки коаксиального фидера. Наилучшим отечественным ферритовым материалом для широкополосных трансформаторов (ШПТ) является феррит марки 600НН, но из него не изготавливали трубчатых магнитопроводов...
Сейчас в продаже появились ферритовые трубки зарубежных фирм с хорошими характеристиками, в частности, FRR-4,5 и FRR-9,5 (рис. 1), имеющие размеры dxDxL 4,5x14x27 и 9,5x17,5x35 мм соответственно. Последние трубки использовались в качестве помехоподавляющих дросселей на кабелях, соединяющих системные блоки компьютеров с мониторами на электроннолучевых трубках. Сейчас их массово заменяют на матричные мониторы, а старые выбрасывают вместе с соединительными кабелями.
Рис. 1. Ферритовые трубки
Четыре ферритовые трубки, сложенные рядом по две, образуют эквивалент "бинокля", на котором можно разместить обмотки трансформаторов, перекрывающих все КВ-диапазоны от 160 до 10 метров. Трубки имеют скруглённые грани, что исключает повреждения изоляции проводов обмоток. Их удобно скрепить вместе, обмотав широким скотчем.
Из различных схем широкополосных трансформаторов я использовал простейшую, с раздельными обмотками, витки которых имеют дополнительную связь за счёт плотной скрутки проводников между собой. Это позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и за счёт этого повысить верхнюю границу рабочей полосы частот. Одним витком будем считать провод, продетый через отверстия обеих трубок "бинокля", а "половиной витка" - провод, продетый через отверстие одной трубки "бинокля". В таблице сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках. Здесь N1 - число витков первичной обмотки; N2 - число витков вторичной обмотки; К U - коэффициент трансформации напряжений; K R - коэффициент трансформации сопротивлений; М - соотношение сопротивлений при источнике с выходным сопротивлением 50 Ом.
Таблица
| К U | ||||
Как видим, получается весьма широкий выбор соотношения сопротивлений. Трансформатор с коэффициентом 1:1, подобно дросселю, симметрирует токи в плечах антенны и подавляет ток на внешней поверхности оплётки кабеля питания. Прочие трансформаторы в дополнение к этому ещё и трансформируют сопротивления. Чем руководствоваться при выборе числа витков? При прочих равных условиях трансформаторы с одновитковой первичной обмоткой имеют примерно в четыре раза более высокую нижнюю границу полосы пропускания по сравнению с двухвитковой, но и верхняя частота полосы пропускания у них значительно выше. Поэтому для трансформаторов, используемых от диапазонов 160 и 80 метров, лучше использовать двухвитковые варианты, а от 40 метров и выше - одновитковые. Использовать целочисленные значения числа витков предпочтительно, если желательно сохранить симметрию и разнести выводы обмоток на противоположные стороны "бинокля".
Чем выше коэффициент трансформации, тем труднее получить широкую полосу пропускания, поскольку возрастает индуктивность рассеяния обмоток. Компенсировать её можно путём включения конденсатора параллельно первичной обмотке, подбирая его ёмкость по минимуму КСВ на верхней рабочей частоте.
Для обмоток я обычно использую провод МГТФ-0,5 или более тонкий, если нужное число витков не умещается в отверстии. Заранее рассчитываю нужную длину провода и отрезаю её с некоторым запасом. Провод первичной и вторичной обмоток плотно скручиваю до намотки на магнитопровод. Если отверстие феррита не заполнено обмотками, лучше продевать витки в подходящие по диаметру термоусаживаемые трубки, отрезанные по длине "бинокля", которые после завершения намотки усаживаются с помощью фена. Плотное прижатие витков обмоток друг к другу расширяет полосу трансформатора и часто позволяет исключить компенсирующий конденсатор.
Следует иметь в виду, что повышающий трансформатор может работать и как понижающий, с тем же коэффициентом трансформации, если его "перевернуть". Обмотки, предназначенные для подключения к низкоомным сопротивлениям, нужно выполнять из экранной "плетёнки" или нескольких проводов, соединённых параллельно.
Проверку трансформатора можно проводить измерителем КСВ, нагрузив его выход на безындукционный резистор соответствующего номинала. Границы полосы определяются по допустимому уровню КСВ (обычно 1,1). Измерить потери, вносимые трансформатором, можно путём измерения ослабления, вносимого двумя одинаковыми трансформаторами, включёнными последовательно так, чтобы вход и выход устройства имели сопротивление 50 Ом. Результат не забудьте поделить на два.
Несколько труднее оценить мощностные характеристики трансформатора. Для этого потребуются усилитель и эквивалент нагрузки, способный выдерживать необходимую мощность. Используется та же схема с двумя трансформаторами. Измерение проводится на нижней рабочей частоте. Постепенно поднимая мощность CW и поддерживая её примерно минуту, определяем рукой температуру феррита. Уровень, при котором феррит за минуту начинает чуть заметно нагреваться, можно считать максимально допустимым для данного трансформатора. Дело в том, что при работе не на эквивалент нагрузки, а на реальную антенну, имеющую некоторую реактивную составляющую входного импеданса, трансформатор передаёт ещё и реактивную мощность, которая может насыщать маг-нитопровод и вызывать дополнительный нагрев.
На рис. 2 показана практическая конструкция трансформатора, имеющего два выхода: на 200 Ом и 300 Ом.
Рис. 2. Практическая конструкция трансформатора, имеющего два выхода
Трансформаторы можно разместить на подходящих размеров плате, защитив её от осадков любым практическим способом.
Дата публикации: 07.12.2016
Мнения читателей
- Петя
/ 31.07.2018 - 14:23
Ну и где трубки купить?
Как рассчитать и намотать импульсный трансформатор для полумостового блока питания?
Речь пойдёт о «ленивой намотке». Это когда лень считать витки. https://сайт/
Самые интересные ролики на Youtube
 |
 |
 |
 |
Выбор типа магнитопровода.
Наиболее универсальными магнитопроводами являются Ш-образные и чашкообразные броневые сердечники. Их можно применить в любом импульсном блоке питания, благодаря возможности установки зазора между частями сердечника. Но, мы собираемся мотать импульсный трансформатор для двухтактного полумостового преобразователя, сердечнику которого зазор не нужен и поэтому вполне сгодится кольцевой магнитопровод. https://сайт/
Для кольцевого сердечника не нужно изготавливать каркас и мастерить приспособление для намотки. Единственное, что придётся сделать, так это изготовить простенький челнок.
На картинке изображён ферритовый магнитопровод М2000НМ.
Идентифицировать типоразмер кольцевого магнитопровода можно по следующим параметрам.
D – внешний диаметр кольца.
d – внутренний диаметр кольца.
Получение исходных данных для простого расчёта импульсного трансформатора.
Напряжение питания.
Помню, когда наши электросети ещё не приватизировали иностранцы, я строил импульсный блок питания. Работы затянулись до ночи. Во время проведения последних испытаний, вдруг обнаружилось, что ключевые транзисторы начали сильно греться. Оказалось, что напряжение сети ночью подскочило аж до 256 Вольт!
Конечно, 256 Вольт, это перебор, но ориентироваться на ГОСТ-овские 220 +5% –10% тоже не стоит. Если выбрать за максимальное напряжение сети 220 Вольт +10%, то:
242 * 1,41 = 341,22V (считаем амплитудное значение).
341,22 – 0,8 * 2 ≈ 340V (вычитаем падение на выпрямителе).
Индукция.
Определяем примерную величину индукции по таблице.
Пример: М2000НМ – 0,39Тл.
Частота.
Частота генерации преобразователя с самовозбуждением зависит от многих факторов, в том числе и от величины нагрузки. Если выберите 20-30 кГц, то вряд ли сильно ошибётесь.
Граничные частоты и величины индукции широко распространённых ферритов.
Марганец-цинковые ферриты.
| Параметр | Марка феррита | |||||
| 6000НМ | 4000НМ | 3000НМ | 2000НМ | 1500НМ | 1000НМ | |
| 0,005 | 0,1 | 0,2 | 0,45 | 0,6 | 1,0 | |
| 0,35 | 0,36 | 0,38 | 0,39 | 0,35 | 0,35 | |
Никель-цинкове ферриты.
| Параметр | Марка феррита | |||||
| 200НН | 1000НН | 600НН | 400НН | 200НН | 100НН | |
| Граничная частота при tg δ ≤ 0,1, МГц | 0,02 | 0,4 | 1,2 | 2,0 | 3,0 | 30 |
| Магнитная индукция B при Hм = 800 А / м, Тл | 0,25 | 0,32 | 0,31 | 0,23 | 0,17 | 0,44 |
Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?
Выбрать примерный размер ферритового кольца можно при помощи калькулятора для расчета импульсных трансформаторов и справочника по ферритовым магнитопроводам. И то и другое Вы можете найти в .
Вводим в форму калькулятора данные предполагаемого магнитопровода и данные, полученные в предыдущем параграфе, чтобы определить габаритную мощность срдечника.
Не стоит выбирать габариты кольца впритык к максимальной мощности нагрузки. Маленькие кольца мотать не так удобно, да и витков придётся мотать намного больше.
Если свободного места в корпусе будущей конструкции достаточно, то можно выбрать кольцо с заведомо бо’льшей габаритной мощностью.
В моём распоряжении оказалось кольцо М2000НМ типоразмера К28х16х9мм. Я внёс входные данные в форму калькулятора и получил габаритную мощность 87 Ватт. Этого с лихвой хватит для моего 50-ти Ваттного источника питания.
Запустите программу. Выберете «Pacчёт тpaнcфopмaтopa пoлумocтoвoго пpeoбpaзoвaтeля c зaдaющим гeнepaтopoм».
Чтобы калькулятор не «ругался», заполните нолями окошки, неиспользуемые для расчёта вторичных обмоток.
Как рассчитать число витков первичной обмотки?
Вводим исходные данные, полученные в предыдущих параграфах, в форму калькулятора и получаем количество витков первичной обмотки. Меняя типоразмер кольца, марку феррита и частоту генерации преобразователя, можно изменить число витков первичной обмотки.
Нужно отметить, что это очень-очень упрощённый расчёт импульсного трансформатора.
Но, свойства нашего замечательного блока питания с самовозбуждением таковы, что преобразователь сам адаптируется к параметрам трансформатора и величине нагрузки, путём изменения частоты генерации. Так что, с ростом нагрузки и попытке трансформатора войти в насыщение, частота генерации возрастает и работа нормализуется. Точно также компенсируются и мелкие ошибки в наших вычислениях. Я пробовал менять количество витков одного и того же трансформатора более чем в полтора раза, что и отразил в ниже приведённых примерах, но так и не смог обнаружить никаких существенных изменений в работе БП, кроме изменения частоты генерации.
Как рассчитать диаметр провода для первичных и вторичных обмоток?
Диаметр провода первичных и вторичных обмоток зависит от параметров БП, введённых в форму. Чем больше ток обмотки, тем больший потребуется диаметр провода. Ток первичной обмотки пропорцонален "Используемой мощности трансформатора".
Особенности намотки импульсных трансформаторов.
Намотка импульсных трансформаторов, а особенно трансформаторов на кольцевых и тороидальных магнитопроводах имеет некоторые особенности.
Дело в том, что если какая-либо обмотка трансформатора будет недостаточно равномерно распределена по периметру магнитопровода, то отдельные участки магнитопровода могут войти в насыщение, что может привести к существенному снижению мощности БП и даже привести к выходу его из строя.
Мы же пытаемся мотать «ленивую обмотку». А в этом случае, проще всего намотать однослойную обмотку «виток к витку».
Что для этого нужно?
Нужно подобрать провод такого диаметра, чтобы он уложился «виток к витку», в один слой, в окно имеющегося кольцевого сердечника, да ещё и так, чтобы при этом число витков первичной обмотки не сильно отличалось от расчётного.
Если количество витков, полученное в калькуляторе, не будет отличаться более чем на 10-20% от количества, полученного в формуле для расчёта укладки, то можно смело мотать обмотку, не считая витков.
Правда, для такой намотки, скорее всего, понадобится выбрать магнитопровод с несколько завышенной габаритной мощностью, что я уже советовал выше.
1 – кольцевой сердечник.
2 - прокладка.
3 – витки обмотки.
На картинке видно, что при намотке «виток к витку», расчетный периметр будет намного меньше, чем внутренний диаметр ферритового кольца. Это обусловлено и диаметром самого провода и толщиной прокладки.
На самом же деле, реальный периметр, который будет заполняться проводом, будет ещё меньше. Это связано с тем, что обмоточный провод не прилегает к внутренней поверхности кольца, образуя некоторый зазор. Причём, между диаметром провода и величиной этого зазора существует прямая зависимость.
Не стоит увеличивать натяжение провода при намотке с целью сократить этот зазор, так как при этом можно повредить изоляцию, да и сам провод.
По нижеприведённой эмпирической формуле можно рассчитать количество витков, исходя из диаметра имеющегося провода и диаметра окна сердечника.
Максимальная ошибка вычислений составляет примерно –5%+10% и зависит от плотности укладки провода.
w = π(D – 10S – 4d) / d , где:
w – число витков первичной обмотки,
π – 3,1416,
D – внутренний диаметр кольцевого магнитопровода,
S – толщина изолирующей прокладки,
d – диаметр провода с изоляцией,
/ – дробная черта.
Как измерить диаметр провода и определить толщину изоляции – рассказано .
Для облегчения расчётов, загляните по этой ссылке:
Несколько примеров расчёта реальных трансформаторов.
● Мощность – 50 Ватт.
Магнитопровод – К28 х 16 х 9.
Провод – Ø0,35мм.
w= π (16 – 10*0,1 – 4*0,39) / 0,39 ≈ 108 (витков).
Реально поместилось – 114 витков.
● Мощность – 20 Ватт.
Магнитопровод – К28 х 16 х 9.
Провод – Ø0,23мм.
w = π (16 – 10*0,1 – 4*0,25) / 0,25 ≈ 176 (витков).
Реально поместилось – 176 витков.
● Мощность – 200 Ватт.
Магнитопровод – два кольца К38 х 24 х 7.
Провод – Ø1,0мм.
w = π (24 – 10*0,1 – 4*1,07) / 1,07 ≈ 55 (витков).
Реально поместилось 58 витков.
В практике радиолюбителя нечасто выпадает возможность выбрать диаметр обмоточного провода с необходимой точностью.
Если провод оказался слишком тонким для намотки «виток к витку», а так часто бывает при намотке вторичных обмоток, то всегда можно слегка растянуть обмотку, путём раздвигания витков. А если не хватает сечения провода, то обмотку можно намотать сразу в несколько проводов.
Как намотать импульсный трансформатор?
Вначале нужно подготовить ферритовое кольцо.
Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку, да и не повредился сам, желательно притупить острые кромки ферритового сердечника. Но, делать это не обязательно, особенно если провод тонкий или используется надёжная прокладка. Правда, я почему-то всегда это делаю.
При помощи наждачной бумаги скругляем наружные острые грани.
То же самое проделываем и с внутренними гранями кольца.
Чтобы предотвратить пробой между первичной обмоткой и сердечником, на кольцо следует намотать изоляционную прокладку.
В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, лавсановую плёнку или даже бумагу.
При намотке крупных колец с использованием провода толще 1-2мм удобно использовать киперную ленту.
Иногда, при изготовлении самодельных импульсных трансформаторов, радиолюбители используют фторопластовую ленту – ФУМ, которая применяется в сантехнике.
Работать этой лентой удобно, но фторопласты обладают холодной текучестью, а давление провода в области острых краёв кольца может быть значительным.
Во всяком случае, если Вы собираетесь использовать ленту ФУМ, то проложите по краю кольца полоску электрокартона или обычной бумаги.
При намотке прокладки на кольца небольших размеров очень удобно использовать монтажный крючок.
Монтажный крючок можно изготовить из куска стальной проволоки или велосипедной спицы.
Аккуратно наматываем изолирующую ленту на кольцо так, чтобы каждый очередной виток перехлёстывал предыдущий с наружной стороны кольца. Таким образом, изоляция снаружи кольца становится двухслойной, а внутри – четырёх-пятислойной.
Для намотки первичной обмотки нам понадобится челнок. Его можно легко изготовить из двух отрезков толстой медной проволоки.
Необходимую длину провода обмотки определить совсем просто. Достаточно измерить длину одного витка и перемножить это значение на необходимое количество витков. Небольшой припуск на выводы и погрешность вычисления тоже не помешает.
34 (мм) * 120 (витков) * 1,1 (раз) = 4488 (мм)
Если для обмотки используется провод тоньше, чем 0,1мм, то зачистка изоляции при помощи скальпеля может снизить надёжность трансформатора. Изоляцию такого провода лучше удалить при помощи паяльника и таблетки аспирина (ацетилсалициловой кислоты).
Будьте осторожны! При плавлении ацетилсалициловой кислоты выделяются ядовитые пары!
Если для какой-либо обмотки используется провод диаметром менее 0,5мм, то выводы лучше изготовить из многожильного провода. Припаиваем к началу первичной обмотки отрезок многожильного изолированного провода.
Изолируем место пайки небольшим отрезком электрокартона или обыкновенной бумаги толщиной 0,05… 0,1мм.
Наматываем начало обмотки так, чтобы надёжно закрепить место соединения.
Те же самые операции проделываем и с выводом конца обмотки, только на этот раз закрепляем место соединения х/б нитками. Чтобы натяжение нити не ослабло во время завязывания узла, крепим концы нити каплей расплавленной канифоли.
Если для обмотки используется провод толще 0,5мм, то выводы можно сделать этим же проводом. На концы нужно надеть отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика).
Затем выводы вместе с трубкой нужно закрепить х/б нитью.
Поверх первичной обмотки наматываем два слоя лакоткани или другой изолирующей ленты. Это межобмоточная прокладка необходима для надёжной изоляции вторичных цепей блока питания от осветительной сети. Если используется провод диаметром более 1-го миллиметра, то неплохо в качестве прокладки использовать киперную ленту.
Если предполагается использовать , то можно намотать вторичную обмотку в два провода. Это обеспечит полную симметрию обмоток. Витки вторичных обмоток также должны быть равномерно распределены по периметру сердечника. Особенно это касается наиболее мощных в плане отбора мощности обмоток. Вторичные обмотки, отбирающие небольшую, по сравнению с общей, мощность, можно мотать как попало.
Если под рукой не оказалось провода достаточного сечения, то можно намотать обмотку несколькими проводами, соединёнными параллельно.
На картинке вторичная обмотка, намотанная в четыре провода.
Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.
Конструкция (виды) импульсных трансформаторов
В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:
- стержневом;
- броневом;
- тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);
- бронестержневом;
На рисунках обозначены:
- A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
- В – катушка из изолирующего материала
- С – провода, создающие индуктивную связь.
Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.
Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.
Принцип работы
Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.
Схема: подключение импульсного трансформатора
Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.
На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е (t) , временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t u , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t u).
Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н
Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r
- В max – уровень максимального значения индукции;
- В r –остаточный.
Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.
Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).
Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.
Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:
при этом:
- Ψ – параметр потокосцепления;
- S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.
Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:
в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.
Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t u . В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:
U m x t u =S x W 1 x ∆В
Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.
Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:
Здесь:
- L 0 – перепад индукции;
- µ а – магнитная проницаемость сердечника;
- W 1 – число витков первичной обмотки;
- S – площадь сечения сердечника;
- l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
- В r – величина остаточной индукции;
- В max – уровень максимального значения индукции.
- H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).
Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В r , отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.
Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора
Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.
Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.
Расчет импульсного трансформатора
Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ. Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.
В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р н.
Значение Р н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:
Необходимые для вычисления параметры:
- S c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
- S 0 – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);
- В макс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
- f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.
Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:
(полученный результат округляется в большую сторону)
Величина U I определяется выражением:
U I =U/2-U э (U – питающее преобразователь напряжение; U э – уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).
Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:
Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.
Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:
Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.
2) ШПТЛ должен быть нагружен по входу и выходу на АКТИВНЫЕ нагрузки равные примерно волновому сопротивлению линий из которых он сделан.
Типовой пример: Наш брат — радиолюбитель применяет для “симметрирования” антенн огромные по величине ферритовые кольца возле полотна. Однако описанный выше эксперимент с активными нагрузками показывает, что колечко диаметром в 10…20 мм выдерживает мощность в 100 Вт и не нагревается! Так где же правда? Правда, в том, что антенна (диполь или рамка) имеет низкое активное сопротивление ТОЛЬКО на одной единственной частоте, частоте первой гармоники антенны. Высокие активные сопротивления, которые имеются на четных гармониках, на практике неприменимы. Низкоомные резонансы на нечетных верхних гармониках попадают уже не в радиолюбительские диапазоны. А на остальных частотах ВСЕГДА будут присутствовать значительные реактивности. Они вызывают сильный нагрев кольца и поэтому оно должно иметь большую поверхность охлаждения т.е. быть БОЛЬШИМ. К примеру, в импортных стоваттных трансиверах на выходе ПА стоят микроскопические ферритовые бинокли. И… НИЧЕГО! Это не из-за того, что они сделаны из диковинного материала. Просто одно из требований к выходной нагрузке для таких трансиверов — что бы она была АКТИВНОЙ. (Другое требование – 50 Ом). Следует опасаться тех публикаций, где рекомендуют мотать строго определенное число витков для ВЧ трансформатора. Это признак еще одной “болезни сознания” — квазирезонансного использования ШПТЛ-а. Вот от туда “ростут ноги” у легенды о необходимости применять ВЧ ферриты. Но… Широкополосности то уже НЕТ!
Теперь про упомянутые 1:1 и 1:2… В школьном курсе физики коэффициент трансформации — это соотношение витков первичной и вторичной обмоток. Т.е. соотношение входных и выходных напряжений. Почему же у радиолюбителей этот параметр превратился “по умолчанию” в коэффициент трансформации сопротивлений? Да потому, что трансформация сопротивлений более важна в нашей среде. Но не следует доходить до апсурда! Вот разговор подслушанный в эфире – два радиолюбителя обсуждают как сделать тансформатор с 50 на 75 Ом. Один предлагает мотать его с соотношением витков 1:1,5. И когда им кто-то робко возражает, в ответ слышны только обвинения в технической неграмотности. И подобное случается на каждом шагу! А всего лишь — ТЕРМИНЫ! Получается, что великий закон сохранения энергии для них не действует и можно при напряжении на входной обмотке, предположим 1 Вольт, подавая на 50-ти омный вход трансформатора мощность 20 мВт, на 75-ти оммном выходе снимать уже 30 мВт. Вот такой “вечный двигатель” получается! Здесь всего то лишь надо помнить, что коэффициент трансформации сопротивлений находится в квадратичной зависимости от коэффициента трансформации напряжений. Другими словами трансформатор 1:2 будет трансформировать сопротивление 50 Ом в 200 Ом, а трансформатор 5:6 сопротивление 50 Ом в 75 Ом. Почему я написал 5:6, а не 1:1,2? Вот здесь – один шаг до конструкции. Как уже говорилось, ШПТЛ должен мотаться линией. А линия – это два или несколько сложенных вместе и слегка скрученных провода. Волновое сопротивление такой линии зависит от диаметра проводов, расстояния между их центрами и шага скрутки. Для трансформации 50 Ом в 75 Ом необходимо использовать линию из ШЕСТИ проводов и, если нет требования к симметрированию, соединить эти провода по схеме
Как вы заметили, схема тоже нарисована по-особому, не как обычный трансформатор. Такое изображение лучше отражает суть конструкции. Привычное схемное изображение, Рис.2, и, соответственно, “традиционная” конструкция автотрансформатора с однослойной обмоткой и отводом от 0,83 общего количества витков при практических испытаниях “на столе” показывает гораздо худшие результаты по широкополосности.
По конструктивным и эксплуатационным соображениям нежелательно так же делать ШПТЛ с укороченным участком одной из линий. Рис.3. Несмотря на то, что это позволяет легко делать любые, даже дробные, коэффициенты трансформации. Такое решение приводит к появлению неоднородности в линии, вследствии чего ухудшается широкополосность.
Интересный вопрос: — “Какие предельные коэффициенты трансформации можно получить в ШПТЛ?” Особенно интересно найти ответ на этот вопрос тем, кто “заболел” идеей сделать широкополосный апериодический ламповый усилитель мощности, где необходимо трансформировать сопротивление порядка 1..2 КОм со стороны лампы в сопротивление 50 Ом. Эксперимент “на столе” дает довольно интересный результат. Опять здесь все зависит от конструкции обмоток. К примеру, если сделать “традиционный” трансформатор или автотрансформатор с коэффициентом трансформации, предположим, 1:10, нагрузить его на положенное активное сопротивление, равное 5 КОм и промерить КСВ на пятидесятиоммной стороне, то от результата волосы могут встать дыбом! А если в добавок снять АЧХ, то будет понятно, что от широкополосности ничего не осталось. Имеется один явный, довольно острый резонанс, обусловленный индуктивностью.
Эту больную тему можно было бы еще развивать до бесконечности, но… Все затмила конструкция широкополосного симметрирующего трансформатора на трансфлюксоре (двухдырочном ферритовом сердечнике) Рис.4, которую мне удалось “подсмотреть” в импортной антенне для телевизора типа “усы”. Изображение на рисунку конечно схематическое — на самом деле обмотки состоят из нескольких (3…5) витков. Долго с недоумением я рассматривал его конструкцию, пытаясь понять систему намотки. Наконец удалось нарисовать расположение “обмоток”. Вот уж – пример использования истинных длинных линий!
Если бы я не знал,что это линии, то подумал бы, что я сумасшедший! Особенно эта красная короткозамкнутая обмотка… Но, почему же мы не удивляемся в случае, когда, например в кабельном U-колене, необходимо соединить в одной точке оплетку с двух концов коаксиального кабеля. Тоже, ведь – ЛИНИЯ! При настольном эксперименте на эквивалент нагрузки этот микротрансформатор, предназначенный для работы на частотах в сотни мегагерц, показал великолепные результаты на значительно более низких частотах, вплоть до диапазона 40 м и при полной мощности трансивера.
Попутно разберемся с легендами о симметричности и симметрировании. Выясним, как очень просто определить является ли тот или иной ШПТЛ симметрирующим, или авторы только заявляют об этом свойстве, а симметрии там и в помине нет. Тут нам снова поможет “Его Величество – Эксперимент” и “Его высочество – теоретический анализ результатов эксперимента”. Сперва разберемся, что такое симметричный выход и чем он отличается от несимметричного. Оказывается тут все зависит от конструкции трансформатора. Вот, например, самый простой случай – ШПТЛ с коэффициентом трансформации 1:1. Любой настоящий или мнимый ШПТЛ (Бывают и такие! И не редко!) можно легко проверить с помощью своего домашнего трансивера. Достаточно присоединить к выходу трансформатора активную нагрузку (эквивалент) с сопротивлением, соответствующим к-ту трансформации, и проверить КСВ на 50-ти омном входе при максимальной мощности передатчика (максимальная точность КСВ метра) в заданном диапазоне частот. Если ШПТЛ настоящий, то КСВ должен быть близок к идеалу т.е. 1,0 и в ШИРОКОЙ полосе частот (на то он и ШИРОКОПОЛОСНЫЙ трансформатор!) Желательно иметь открытый на передачу трансивер с непрерывным перекрытием и не в коем случае не включать внутренний антенный тюнер. Свойство симметрии проверяется при приеме с помощью ПАЛЬЦА (не 21-го! Хотя, можно и им!). Симметрия — суть РАВНОПРАВИЕ обеих выводов нагрузки относительно земли (корпуса трансивера). При приеме какой-либо станции (можно вещательной, это удобнее…) при прикосновении ПАЛЬЦЕМ или отверткой к концам нагрузки, присоединенной к СИММЕТРИЧНОМУ выходу ШПТЛ, по показаниям S-метра и на слух все должно быть одинаково. Но уровень сигнала должен быть на один бал (-6 дБ или два раза по U) меньше на каждом несимметричном выходе. (это в случае к-та трансформации 1:1). В качестве нагрузки кратковременно даже для 100 Вт передачи удобно применять резистор МЛТ-2 на 51 Ом. При этом наблюдается интересный эффект — во время приема синала через симметрирующий транс, при проведении ПАЛЬЦЕМ по корпусу этого резистора с одного края будет слышна радиостанция, в центре резистора — ее слышно не будет, а с другого края — будет слышно так же, как с первого. Только при таких условиях трансформатор можно считать симметрирующим. Попробуйте разные конструкции ШПТЛ-ов, которые публикуются в литературе и в интернете. Результаты Вас могут сильно удивить…
Короче! Делайте свой смеситель на любом кольце с НЧ ферритом. Испытаете — напишите! Экспериментируйте смелее!
Сергей Макаркин, RX3AKT