Passende Geräte für Ferrit-Magnetkreise. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Amateurfunk Berechnungen

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Die Frage der Anpassung der Eingangsimpedanz der Antenne an die Wellenimpedanz des Feeders, sowie der Antennenabgleich für Funkamateure war und ist immer noch relevant. In den letzten Jahren wurde ein besonderes Interesse an Transformatoren und Anpassvorrichtungen auf Ferritringen gezeigt. Dies liegt daran, dass solche Geräte klein sein können und einen hohen (bis zu 98%) Wirkungsgrad haben. Außerdem weisen sie bei einer Überlappung des Frequenzintervalls um mehrere Oktaven (z. B. von 1 bis 30 MHz) keine Resonanzeigenschaften auf, was besonders bei Verwendung von Mehrbandantennen von Vorteil ist ("Quadrate", "INVERTED V" [ 1. 2], 3-elementarer Dreibereichs-"Wellenkanal" [3] usw.).

Bei solchen Breitbandtransformatoren werden die Wicklungen in Form von zweiadrigen langen Übertragungsleitungen (auf Koaxialkabelbasis oder homogen) ausgeführt, die auf einen Ferritring gewickelt sind. Diese Auslegung der Wicklungen ermöglicht es, die Streuinduktivität praktisch zu eliminieren und die Induktivität der Zuleitungen zu reduzieren.

Das im Artikel übernommene Symbol eines Transformators auf langen Leitungen (TDL) mit einer Wicklung aus einer Zweidrahtleitung ist in Abb. 1.a, mit mehreren (in diesem Fall zwei) - in Abb. 1.b.

Auf Abb. 2 zeigt die Einbeziehung von TDL mit einem Übersetzungsverhältnis von n = 1.

Ris.2

Der Transformator besteht aus einer Wicklung in Form einer gleichmäßig langen Leitung, die auf einen ringförmigen Ferrit-Magnetkreis gewickelt ist. Seine elektrische Länge beträgt P=2pl/L, wobei l die geometrische Länge der Leitung und L die Wellenlänge (Lambda) ist. Da bei der Ausbreitung einer Hochfrequenzwelle die durch die Leiter der Leitung fließenden Ströme gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, ist der Magnetkreis nicht magnetisiert, was bedeutet, dass im Ferrit praktisch keine Energie verloren geht. Wenn die Wellenimpedanz der Leitung g an die Widerstände der Quelle Rg und der Last Rl angepasst ist, hat der TDL theoretisch keine unteren und oberen Grenzfrequenzen. In der Praxis ist die maximale Betriebsfrequenz aufgrund der Leitungsinduktivität und der Leitungsstrahlung begrenzt.

Zu beachten ist die Besonderheit von TDL. die aus zwei Arten von Spannungen besteht: Gegenphase U, die zwischen den Außenleitern wirkt und durch die Signalleistung bestimmt wird, und Gleichtakt- (oder Längs-) V aufgrund der Asymmetrie der Last und je nach Option den Trafo einzuschalten.

Wie sich die zwischen Generator und Last, also an der Leitungsinduktivität Ll, wirkende Gleichtaktspannung ausbildet, ist deutlich aus Bild 3 ersichtlich.

Ris.3

Es ist offensichtlich, dass die Leiter einer langen Leitung die Last und den Generator überbrücken, wenn Gleichtaktströme durch sie fließen. Die Einführung eines Magnetkreises erhöht die Induktivität der Wicklung stark, wodurch der Widerstand gegen Gleichtaktstrom erhöht und deren Nebenschlusswirkung stark verringert wird. Gleichzeitig beeinflusst der Magnetkreis die Ausbreitung der Welle nicht, da der Wanderwellenmodus vorgesehen ist

(Rg=g=Ri).

Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine TDL mit einem ganzzahligen Transformationsfaktor n zu konstruieren. Beispielsweise kann man sich an die folgende Regel halten. Die Wicklungen (es müssen n sein) bestehen aus Segmenten von Zweidrahtleitungen mit gleicher elektrischer Länge. Jede Wicklung ist auf einem separaten Ringmagnetkreis des gleichen Typs angeordnet. Die Eingänge der Leitungen von der oberen Seite sind in Reihe geschaltet, mit der unteren Seite - parallel.

Allgemein ist der Schaltkreis eines TDL mit einem ganzzahligen Übersetzungsverhältnis n in Abb. vier.

Ris.4

Hier die Relationen

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

Auf Abb. 5 zeigt verschiedene Optionen zum Einschalten des TDL.

Es ist möglich, einen TDL auf einem Magnetkreis aufzubauen, aber die folgenden Anforderungen müssen beachtet werden. Erstens muss die Anzahl der Windungen jeder Leitung proportional zum Wert der Gleichtaktspannung sein, die zwischen den Enden dieser Leitung wirkt, da die Wicklungen durch einen gemeinsamen magnetischen Fluss verbunden sind. Zweitens müssen die geometrischen Längen aller Linien zwangsläufig gleich sein. Je nach Einschaltmöglichkeit des TDL kann es sogar vorkommen, dass einige Leitungen teilweise oder komplett nicht auf den Magnetkern gelegt werden müssen.

Um die Anzahl der Windungen in den Wicklungen zu bestimmen, müssen die Gleichtaktspannungen Vk auf jeder Leitung berechnet werden.

In TDL mit asymmetrischem Eingang und Ausgang (Typ NN. Abb. 5, a)

Vk \uXNUMXd (n-k) Un;

beim Invertieren (Typ NN, Abb. 5, b) Vk \u1d (n-k + XNUMX) Un;

mit symmetrischem Eingang und unsymmetrischem Ausgang (Typ SN, Abb. 5, c)

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

mit unsymmetrischem Eingang und symmetrischem Ausgang (NS-Typ, Abb. 5, d)

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

mit symmetrischem Ein- und Ausgang (Typ SS, Bild 5, e)

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

In den Formeln ist n das Übersetzungsverhältnis, k die Seriennummer der Leitung, von oben gezählt, Un die Spannung am Verbraucher.

Diese Formeln sind die ursprünglichen. wenn das Verhältnis der Anzahl der Windungen in den Wicklungen des Magnetkreises bestimmt wird. Wird beispielsweise ein TDL mit einem Übersetzungsverhältnis von n=3 nach dem in Abb. 5, a, dann V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. Daraus folgt, dass die obere Linie in der Abbildung vollständig auf den Magnetkreis gelegt wird (w1), die zweite Linie nur die Hälfte der Windungen hat (w2 = w1/2) und die dritte Linie (w3 = 0) sein sollte vollständig auf dem Magnetkreis. Die geometrische Länge aller Linien ist gleich.

Bei der Anpassung eines "Wellenkanals" mit einer Eingangsimpedanz von 18,5 Ohm an ein 75-Ohm-Koaxialkabel unter Verwendung eines TDL (angeschlossen gemäß der Schaltung in Abb. 5, d) mit einem Übersetzungsverhältnis von 2 beträgt das Verhältnis der Wicklungswindungen gleich w1:w2= (2+1 / 2-1: (2 + 1 / 2-2) \u3d 1: XNUMX. Dies bedeutet, dass auf dem Magnetkreis die obere Wicklung in der Abbildung vollständig und die zweite sein sollte - nur der dritte Teil.

Wenn die Länge der Leitungen für die Wicklungen viel kleiner als die Betriebswellenlänge ist, kann TDL vereinfacht werden: Leitungen, bei denen die Gleichtaktspannungen Null sind. durch einen Jumper ersetzt. In diesem Fall wird beispielsweise ein TDL mit drei Wicklungen (Bild 5, e) in einen TDL mit zwei Wicklungen (Bild 6) umgewandelt.

Ris.6

Der Transmissionsgrad der TDL hängt davon ab, wie stark die Wellenimpedanz vom optimalen Wert abweicht und in welchem ​​Verhältnis die elektrische Länge der Leitung zur Wellenlänge steht. Weicht beispielsweise c von den geforderten zwei Zeiten ab, so betragen die Verluste in der TDL 0,45 dB für die Leitungslänge Lambda/8 und 2,6 dB für Lambda/4. Auf Abb. Abbildung 7 zeigt die Abhängigkeit des Transmissionskoeffizienten eines TDL mit n=2 von der Phasenlänge seiner Linien für drei Werte von g.

Ris.7

Die in [4] angegebene Berechnung zeigt, dass bei Verwendung von Leitungen mit optimalen y-Werten das Stehwellenverhältnis in TDL 1,03 bei Leitungslänge Lambda/16 und 1,2 bei Leitungslänge Lambda/8 nicht überschreitet. Daraus können wir schließen, dass die TDL-Parameter zufriedenstellend bleiben, wenn die Länge der Zweidrahtleitungen kleiner als Lambda/8 ist.

Ausgangsdaten für die Berechnung von TDL sind das Übersetzungsverhältnis p, die Zuschaltmöglichkeit von TDL, die untere und obere Grenze des Betriebsfrequenzbereichs (in Hertz), die maximale Leistung Pmax an der Last (in Watt), die Lastwiderstand Rn (in Ohm) und dem Wellenwiderstand der Zuleitung g (in Ohm). Die Berechnung wird in der folgenden Reihenfolge durchgeführt.

1. Bestimmen Sie die Mindestinduktivität des Außenleiters Ll (in Henry) aus der Bedingung, dass

Ld>>Rg/2fn.

In der Praxis kann Ll das 5 ... 10-fache des berechneten Verhältnisses Rg zu 2fn betragen.

2. Finden Sie die Anzahl der Windungen w der Linie auf dem Ring des Magnetkreises:

wobei dcp der durchschnittliche Durchmesser des Rings ist (in

cm), S - Querschnittsfläche

Magnetkern (in cm²), ,u - relative magnetische Permeabilität des Magnetkreises. 3. Berechnen Sie den Gleichtaktstrom Ic;

(in Ampere) fließt durch die TDL-Wicklung bei der niedrigsten Betriebsfrequenz:

Ic=Vc/2pfnLl,

wobei Vc die Gleichtaktspannung auf der Leitung ist, berechnet für bestimmte Schaltoptionen gemäß den obigen Verhältnissen.

4. Bestimmen Sie die magnetische Induktion (in Tesla) des Magnetkreises:

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

Der Magnetkreis wird unter Berücksichtigung dessen ausgewählt, dass er nicht mit Gleichtaktstrom (oder Gleichstrom, falls vorhanden) gesättigt ist. Dazu muss die magnetische Induktion im Magnetkreis um eine Größenordnung kleiner sein als die Sättigungsinduktion (aus Nachschlagewerken entnommen).

5. Finden Sie die Spitzenspannung Upeak in der Zeile:

wobei y das SWR in der Zuleitung ist.

6. Berechnen Sie den Effektivwert des Stroms Ieff (in Ampere):

7. Bestimmen Sie den Durchmesser d der Drähte (in Millimetern) einer langen Leitung:

wobei J die zulässige Stromdichte ist (in Ampere pro Quadratmillimeter).

Für TDL-Antennenanpassgeräte sind Ringmagnetkerne (Größen K55X32X9, K65X40X9) aus Ferriten 300VNS, 200VNS, 90VNS, 50VNS, sowie 400NN, 200NN, 100NN geeignet. Bei Bedarf kann der Magnetkern aus mehreren Ringen bestehen. Den erforderlichen Wellenwiderstand einer langen Leitung erhält man durch gleichmäßiges Verdrillen der Leiter (mit einem bestimmten Schritt) (siehe Tabelle). Bei einer kreuzförmigen Verbindung von Drähten ist c kleiner als wenn benachbarte Leiter miteinander verbunden sind. Der Wellenwiderstand einer Leitung aus unverdrillten Drähten mit einem Durchmesser von 1.5 mm betrug 86 Ω.

Wellenwiderstand einer langen Leitung in Abhängigkeit von der Steigung der Verdrillung und der Art der Verbindungen

* Bei einem Drahtdurchmesser von 1 mm.
** Bei Drahtdurchmesser 0.33 mm.

Um die Parameter (insbesondere den Asymmetriefaktor) zu verbessern und gleichzeitig den Aufbau der Anpass-Transformationseinheit zu vereinfachen, wird eine Reihenschaltung mehrerer TDLs unterschiedlichen Typs verwendet.

Zum Beispiel berechnen wir mit der obigen Methode die zusammengesetzte TDL mit n = 2. Es muss der Eingangsimpedanz einer symmetrischen 12,5-Ohm-Antenne mit dem Koaxialkabel RK-50 entsprechen. Die untere Betriebsfrequenz beträgt 14 MHz. Die Leistung überschreitet 200 Watt nicht. Für TDL sollen Magnetkerne der Größe K45X28X8 (dcp=3,65 cm, S=0,7 cm²) aus Ferrit 100NN (seine spezifische Sättigungsinduktion beträgt 0,44 T/cm² [5]).

Die erste Stufe mit dem Übersetzungsverhältnis n=2 des zusammengesetzten TDL (Bild 8) sei nach dem Schema von Bild 5 eingeschaltet. 1, a, und die zweite (mit n = 5) - nach dem Schema von Abb. XNUMX, Hr.

Ris.8

Wir berechnen die erste TDL.

1. Finden Sie Ll:

Nehmen wir Ll gleich 13,5 μH.

2. Berechnen Sie die Anzahl der Windungen der Wicklung:

Eine solche Anzahl von Windungen aus doppelt dickem Draht kann kaum im Fenster des Magnetkreises platziert werden. Daher ist es ratsam, zwei Ringe zu verwenden. In diesem Fall hat der Magnetkreis die Abmessungen K45X 28X16 (S = 1.4 cm²). Neue Nummer w:

3. Ermitteln Sie die Spitzenspannung am Verbraucher:

4. Wir finden die Gleichtaktspannung an den Wicklungen gemäß dem Schaltkreis (Abb. 5, a):

V1=(2-1)71=71 V. Da die Gleichtaktspannung an der zweiten Wicklung 0 ist, wird diese Wicklung durch Brücken ersetzt (Abb. 6).

5. Gleichtaktstrom ist:

6. Wir berechnen die magnetische Induktion im Magnetkreis:

H=4*10^-6*100*9*0,06/3,65=59*10^-6 T, die viel kleiner als die Sättigungsinduktion ist.

Wellenwiderstand der Leitung g1=50 Ohm.

In der zweiten TDL empfiehlt es sich, die gleichen Ringe wie in der ersten zu verwenden. Dann Ll \u13,5d 9 μH, w \uXNUMXd XNUMX Umdrehungen.

7. Gleichtaktspannung an der Wicklung V=(2+1/2-1)71=106,5 V.

8. Gleichtaktstrom ist:

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

9. Magnetische Induktion

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

Und in diesem Fall stellt sich heraus, dass sie kleiner als die Sättigungsinduktion ist. Der Wellenwiderstand der Wicklungsleitung wird mit etwa 12 Ohm gewählt.

Der Durchmesser von Drähten für TDL-Leitungen wird auf die gleiche Weise bestimmt wie der Durchmesser von Drähten zum Wickeln in herkömmlichen Transformatoren. Diese Berechnung ist hier nicht dargestellt.

Ein aufmerksamer Leser kann eine Ungenauigkeit in der obigen Berechnung bemerken (aufgrund der Verwendung von zusammengesetztem TDL). Dies liegt daran, dass die Induktivität LXNUMX berechnet wird, ohne die Tatsache zu berücksichtigen, dass die TDL-Wicklungen der ersten und zweiten Stufe verbunden sind, dh mit einem gewissen Spielraum. In der Praxis ist es also in der TDL jeder Stufe möglich, die Anzahl der Windungen in den Wicklungen zu reduzieren und kleinere Ferritkerne zu verwenden.

Unter Verwendung von Kombinationen verschiedener einzelner TDLs kann man eine breite Palette von TDLs mit gewünschten Eigenschaften erhalten [4].

Für fabrizierte TDLs sollten der Wirkungsgrad und der Asymmetriekoeffizient gemessen werden [4]. Das Schema zum Einschalten des TDL bei der Bestimmung des ersten Parameters ist in Abb. 9 dargestellt. 10, die zweite - in Abb. 20. Verluste a (in Dezibel) im Transformator werden nach folgender Formel berechnet: a \u1d 2lg (UXNUMX / nUXNUMX).

Ris.9

Ris.10

Mehrere TDLs wurden vom Autor erstellt. Die praktischen Daten einiger von ihnen sind unten angegeben. Das Aussehen von zwei Transformatoren ist in Abb. 11 dargestellt. elf.

Ris.11

Symmetrischer TDL (Typ NS) mit einem Übersetzungsverhältnis n = 1, der im Frequenzbereich von 1,5 ... 30 MHz mit einer Ausgangsleistung von bis zu 200 W arbeitet, um den RK-50-Feeder mit einer Antennen-Eingangsimpedanz von 50 anzupassen Ohm, es kann auf einem 50-VNS-Magnetkreis mit Standardgröße hergestellt werden

K65X40X9. Die Anzahl der Windungen der Wicklungen der Leitung (g \u50d 9 Ohm) beträgt 1. Die Wicklungen 1-2 ', 2-12' (Abb. 2) werden in 2 Drähte PEV-1,4 3 bifilar ohne Verdrehungen gewickelt. Um die Konstanz des Abstands zwischen den Drähten zu gewährleisten, werden sie auf einen Fluorkunststoffschlauch gelegt. Die Wicklung 3-1' ist separat auf den freien Teil des Rings mit dem gleichen Draht und der gleichen Länge wie die Wicklungen 1-2', 2-98' gewickelt. Der Wirkungsgrad des hergestellten TDL betrug etwa 300 %. Asymmetriekoeffizient - mehr als XNUMX.

Ris.12

TDL mit Übersetzungsverhältnis n=2 (Typ NS), ausgelegt für Leistungen bis 200 W, Anpassung an die 75-Ohm-Feeder-Impedanz mit einem symmetrischen Antenneneingang, der eine Eingangsimpedanz von 18 Ohm hat. kann auf einem 200-NN-Magnetkreis (Abb. 13) mit einer Größe von K65X40X9 hergestellt werden. Die Wicklungen müssen 9 Leitungswindungen aus PEV-2.1,0-Drähten enthalten. Der hergestellte Transformator hatte einen Wirkungsgrad von 97%, einen Asymmetriekoeffizienten bei einer Frequenz von 10 MHz - 20, bei einer Frequenz von 30 MHz - mindestens 60.

Ris.13

Auf Abb. 14 zeigt das Anschlussdiagramm eines zusammengesetzten TDL (NS-Typ) mit einem Übersetzungsverhältnis von n = 3, angepasst an eine Antenne mit einer Eingangsimpedanz von 9 Ohm, mit einem 75-Ohm-Koaxialkabel. TDL, das für den Betrieb im Bereich von 10 ... 30 MHz bei einer Leistung von bis zu 200 W ausgelegt ist, wird an Ringen (Größe K32X20X6) aus 50VNS-Ferrit ausgeführt. Die Magnetkreise der Transformatoren WT1 und WT2 bestehen aus zwei Ringen, die Wicklungen und die Spule L1 müssen jeweils 6 Windungen enthalten. Lange Leitungen und eine Spule werden mit PEV-2 1,0-Draht hergestellt. Leitungsimpedanz für WT1 - 70 Ohm, für WT2 - 25 Ohm. Der konstruierte TDL hatte einen Wirkungsgrad von 97 %, der Asymmetriekoeffizient lag bei mindestens 250.

Vor dem Betrieb des TDL sind Maßnahmen zum Schutz vor ungünstigen Witterungseinflüssen zu treffen. Dazu werden Transformatoren mit Fluorkunststoffband umwickelt, in eine Kiste gelegt und wenn möglich mit KLT-Masse gefüllt.

Literatur:

1. Benkovsky 3., Libyer E. Amateurantennen für kurze und ultrakurze Wellen - M .; Radio und Kommunikation, 1983.
2. Rothammel K. Antennen.- M.: Energie, 1979.
3. Zakharov V. Dreiband-Antennenwellenkanal mit drei Elementen - Radio, 1970. Nr. 4.
4. London S. E., Tomashevich S. V. - Nachschlagewerk über Hochfrequenz-Transformatorgeräte - M.; Radio und Kommunikation, 1984.
5. Mikhailova M. et al.Weichmagnetische Ferrite für radioelektronische Geräte.- M.: Radio and communication, 1983.

Autor: V. Zakharov (UA3FU), Moskau; Veröffentlichung: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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