Teorie VF transformátorů, materiály, výpočty (2.15MB formát *pdf)

More documents

Recommendations

Info

26 Obr. 11. Pøímé napájení dipólu koaxiálním kabelem zpùsobovací obvody, které jsou nesymetrické. Výsledkem je vznik asymetrických soufázových proudù, které zpùsobují vyzaøování napájeèe, zhoršení pøizpùsobení (èinitele stojatých vln, ÈSV) a zkreslení vyzaøovacího diagramu antény. Pøímé napájení dipólu koaxiálním kabelem Pøedpokládejme, že platí tzv. teorém reciprocity, tedy vysílací a pøijímací anténa se chová z hlediska vyzaøování, napájení a pøizpùsobení stejnì. Pro pøehlednìjší výklad tedy mùžeme použít anténu vysílací, tedy anténu, chovající se jako zátìž. Je-li pùlvlnný dipól napájen koaxiálním kabelem pøímo, bez jakékoli symetrizace, nastává situace, naznaèená na obr. 11. Symetrická anténa je uprostøed napájena nesymetrickým napájeèem, který je umístìn kolmo k záøièi. Díky symetrii indukuje jedno rameno dipólu v napájeèi proud, který je úplnì vyrušen proudem, vyvolávaným druhým ramenem antény. Proudy I 1 a I 2 teèou od vysílaèe koaxiálním kabelem. Díky skinefektu teèe I 1 po vnìjším povrchu støedního vodièe a I 2 po vnitøním povrchu opletení. Vnìjší pole, obklopující koaxiální napájeè, je tedy nulové, protože I 1 a I 2 mají stejnou amplitudu a jsou vzájemnì fázovì posunuty o 180 °. Proudy, tekoucí anténou, jsou oznaèeny I 1 a I 4 a oba teèou v daném okamžiku stejným smìrem. V rameni 1 teèe v tomtéž okamžiku proud I 1 pøímo do støedního vodièe koaxiálního kabelu. Na druhé stranì dipólu je však situace rozdílná. Dosáhne-li I 2 konce koaxiálního napájeèe, rozdìlí se na dvì èásti - na I 4 , tekoucí pøímo do ramene 2, a na I 3 , tekoucí po vnìjším povrchu opletení kabelu. Díky skin efektu je I 3 oddìlen od I 2 , tekoucímu po vnitøním povrchu. Proud, tekoucí ramenem 2, je tedy rovný rozdílu I 2 - I 3 . Velikost proudu I 3 je úmìrná relativním impedancím v obou cestách pøed rozdìlením. Impedance v napájecím Obr. 12. Zkreslení vyzaøovacího diagramu pùlvlnného dipólu pøi jeho pøímém napájení koaxiálním kabelem bez symetrizace. bodì dipólu se pohybuje mezi 50 až 75 Ω v závislosti na jeho výšce nad zemí. Impedance, promítnutá do poloviny dipólu je polovièní, tedy 25 až 37,5 Ω. Impedance, promítnutá z vnìjšího povrchu stínicího opletení koaxiálního kabelu k zemi bývá oznaèována jako tzv. soufázová nebo asymetrická impedance (anglicky common-mode impedance), a I 3 proto bývá nazýván jako soufázový nebo asymetrický proud (angl. common-mode current). Toto oznaèení lze snadno vysvìtlit, pokud si místo koaxiálního kabelu pøedstavíme dvoulinku (dva paralelní vodièe). Proud, indukovaný do obou vodièù dvoulinky je tedy soufázový proud, nebo teèe obìma vodièi tímtéž smìrem, zatímco proud, tekoucí do antény by tekl obìma vodièi v daném okamžiku vzájemnì opaènými smìry. Vnìjší opletení kabelu stíní vnitøní vodiè a tím brání indukování soufázového proudu v nìm, avšak opletením soufázový proud skuteènì teèe. Soufázová impedance je ovlivnìna celou øadou faktorù, napø. délkou a prùmìrem napájecího koaxiálního kabelu, zpùsobem jeho vedení i jeho umístìním a vlastnostmi vf zemì v místì pøijímaèe (vysílaèe). Nejménì pøíznivá situace nastane v pøípadì, kdy je délka napájecího kabelu spolu s délkou vodièù, tvoøících vf zem, lichým násobkem λ/2 (poloviny vlnové délky). Vedení v tomto pøípadì pøedstavuje opakovaè impedance a nízká impedance v místì pøipojení k zemi je pøenášena do napájecího bodu dipólu. Proud I 3 se stává významnou souèástí proudu I 2 a zpùsobuje nejen nesymetrii celého systému, ale také vyzaøování napájeèe, následkem èehož je zkreslen vyzaøovací diagram antény (obr. 12) a ovlivnìna polarizace. Toto zkreslení se mùže projevit zvláš významnì u smìrových antén, u kterých zpùsobuje známé „šilhání” vyzaøovacího diagramu a anténa se v pøípadì pøíjmu stává citlivá na lokální prùmyslové rušení, pøicházející zpravidla s vertikální polarizací atd. Konstrukèní elektronika A Radio - 2/2005 Na obr. 12 jsou porovnávány vyzaøovací diagramy správnì napájeného referenèního pùlvlnného dipólu, umístìného λ/2 nad prùmìrnou zemí, a dipólu, napájeného bez symetrizace. Oba diagramy byly vypoèítány pro elevaèní úhel 28 °, tedy maximum vyzaøování dipólu ve výšce λ/2 nad zemí. Vyzaøovací diagram referenèního dipólu je znázornìn plnou èarou a má známý osmièkový tvar s typickým poklesem 12 dB ve smìru vodièe dipólu. Pøerušovanou èarou je znázornìn vyzaøovací diagram dipólu, napájeného bez symetrizace kabelem o délce λ/2, který je zavìšen vertikálnì, kolmo k dipólu. Z obrázku je patrná nesymetrie vyzaøovacího diagramu a jeho pootoèení smìrem doprava. Rozdíl v maximu vyzaøování je pouhých 0,1 dB, což se zdá být zanedbatelné. Je však tøeba mít na pamìti, že uvažujeme dipól, napájený kabelem, umístìným pøesnì kolmo na záøiè. V praxi tomu zpravidla bývá jinak a celková situace je tedy mnohem horší a je tøeba poèítat s rozdíly 0,5 dB i vìtšími. Rozdíl v maximu vyzaøování pøedstavuje energii, vyzáøenou napájeèem, která v pøípadì vysílací antény zpùsobuje rušení ostatních zaøízení v místì antény, v pøípadì pøíjmu pøedstavuje citlivost antény na lokální rušení. Podobným zpùsobem se rovnìž ovlivòuje i ÈSV antény. I když se negativní úèinky chybìjící symetrizace zdají na první pohled málo významné, bývá skuteènost vždy mnohem horší, a proto se nevyplácí tyto úèinky podceòovat. U antén mohou nastávat skokové zmìny ÈSV, zpùsobené pohybem napájeèe ve vìtru, vilvy poèasí apod. Bezvýznamný není ani vliv na koncový stupeò vysílaèe. V pøípadì pøíjmu se projevuje nejen zmínìné lokální prùmyslové rušení, ale mohou se uplatnit i rùzné nežádoucí odrazy, které jsou napø. pøi pøíjmu TV pøíèinou „duchù” apod. I když je pøíklad antény typický, mohou se vlivy chybìjící symetrizace projevovat všude tam, kde je symetrická
zátìž napájena nesymetrickým napájeèem èi nesymetrickým zdrojem a obrácenì. Proto se setkáváme s používáním balunù velmi èasto. Balun lze konstruovat mnoha rùznými zpùsoby jako ètyøpól s rozloženými i soustøedìnými parametry. Každé øešení má své typické výhody i nevýhody. Je-li nutné balun øešit, a již z rozmìrových dùvodù nebo z dùvodù širokopásmovosti jako ètyøpól se soustøedìnými parametry, používají se vìtšinou cívky, vinuté na feromagnetických jádrech. Jejich úkolem je vnutit symetrii systému tím, že do cesty nežádoucích soufázových proudù je postavena impedance tak velká, že brání jejich toku. Samozøejmì tím není možné dosáhnout naprosto dokonalé symetrie, ale nežádoucí vlivy soufázových proudù jsou tím omezeny na zanedbatelnou míru. Ve zmínìném pøípadì antén tak lze považovat napájeè do znaèné míry za neutrální a nikoli za vyzaøující souèást antény. Balun mùže zároveò plnit úlohu impedanèního transformátoru, který transformuje impedance v prakticky libovolném pomìru až do 1 : 16. Z hlediska funkce lze baluny rozdìlit na napì ové a proudové. Napì ový balun • Napìtí na jeho výstupu jsou shodná, avšak v protifázi (symetrická vùèi zemi). • Pøesná symetrie nastává jen v pøípadì, když je zátìž symetrická vùèi zemi. • Konstrukce napì ových balunù je snadná, a proto bývají levnìjší a používají se èastìji než baluny proudové. Není však možné dosáhnout pøesné napì ové symetrie. Proudový balun • Jeho výstupní proudy jsou shodné, avšak v protifázi (symetrické vùèi zemi). • S výjimkou proudového balunu 1 : 1 bývá konstrukce nároènìjší a baluny bývají dražší, proto se používají ménì èasto. Analýza proudového balunu 1 : 1 (lit. [1]) • Analytický rozbor obvodového modelu proudového balunu 1 : 1 s koneènou impedancí. • Odvození rovnic, popisujících nejdùležitìjší charakteristické vlastnosti proudového balunu 1 : 1 v typických aplikacích. • Analýza použití proudového balunu 1 : 1 v anténním pøizpùsobovacím èlenu (tuneru), je-li zapojen na jeho vstupu nebo výstupu. Proudový balun 1 : 1 lze zkonstruovat navinutím dvouvodièového vedení (napø. zkrouceného dvouvodièe) nebo koaxiálního kabelu na toroidní jádro nebo feritovou tyèku, popø. navleèením nìkolika feritových jader na dvouvodièové vedení nebo koaxiální kabel. Další možností je navinout nìkolik závitù koaxiálního kabelu a svázat je do formy cívky, èímž vznikne rezonanèní obvod s malým Q, tlumící soufázové proudy, tekoucí pláštìm kabelu. Pro všechny tyto pøípady lze použít jeden a tentýž model, který je na obr. 13. Následující rozbor platí za pøedpokladu, že délka linky, navinuté na feromagnetickém jádru, je malá ve srovnání s vlnovou délkou, takže je možné ji reprezentovat pomocí soustøedìných parametrù. Není-li tento pøedpoklad splnìn, analýza neplatí. Z W je impedance vinutí. Je to impedance, kterou by mìlo vinutí tvoøené jedním vodièem. Je-li použito jádro vhodné pro nižší frekvence nebo je-li balun tvoøen jádry, navleèenými na vodiè, má Z W pøevážnì reálný charakter, pøi použití jádra, vhodného pro vyšší frekvence, bude mít Z W pøevážnì indukèní charakter. Ve skuteènosti mùže mít Z W libovolný charakter. Bez jádra nebo cívky je Z W tzv. délková impedance - impedance samotného vodièe. Pro koaxiální kabel pøedstavuje Z W impedanci, ovlivòující proudy, tekoucí pláštìm kabelu, zatímco ideální transformátor vzniká uvnitø kabelu. Funkce ideálního transformátoru je dosaženo díky úplné vazbì polí, vznikajících prùtokem proudu pláštìm i vnitøním vodièem kabelu. Není-li linka tvoøena koaxiálním kabelem, pøedpokládá se opìt úplná vazba polí, vznikajících prùtokem proudu obìma vodièi. Tento pøedpoklad lze splnit, pokud je linka tvoøena dvìma vodièi ve velmi tìsné blízkosti. Impedance vinutí Z W v modelu ovlivòuje soufázové proudy (tj. proudy, tekoucí obìma vodièi v daném okamžiku stejným smìrem, nìkdy oznaèované jako asymetrické proudy), které si lze pøedstavit buï rovnomìrnì rozložené mezi oba vodièe nebo tekoucí pouze jedním z vodièù, zatímco druhým vodièem teèe nulový proud. Oba tyto pohledy lze považovat za rovnocenné díky úèinkùm ideálního transformátoru. Transformátor lze považovat za ideální, pokud platí: U a - U c = U b - U d (1) a proudy v obou vinutích jsou stejné a jsou v protifázi. Z rovnice (1) lze odvodit, že také: U a - U b = U c - U d . Zjednodušený model balunu je znázornìn na obr. 14. Velmi dùležité je spojení zemí (GND) do jednoho spoleèného bodu. Pøedstavují-li Z 1 a Z 2 impedance antény nebo antény/napájeèe, musí v sobì zahrnovat i vlastnosti pøipojení antény èi napájeèe k balunu. Jinými slovy, Z 1 je impedance, mìøená mezi svorkami c a b a Obr. 13. Náhradní schéma proudového balunu 1 : 1 Z 2 je impedance mezi svorkami d a b pøi odpojeném balunu. Oznaèíme-li hodnotu Z 2 , k níž je paralelnì pøipojena Z W , jako Z 2 ||Z W , mùžeme vyjádøit pomìr proudù, tekoucích impedancemi Z 1 a Z 2 , jako: Obr. 14. Zjednodušený model balunu Konstrukèní elektronika A Radio - 2/2005 27 U s I s I 1 /I 2 = (Z 2 + Z W )/Z W . (2) Vstupní impedance balunu je: U s /I s = Z 1 + (Z 2 ||Z W ) . (3) Napìtí na vinutí balunu je: U b - U d = U s ·(Z 2 ||Z W )/[Z 1 + (Z 2 ||Z W )]. (4) Pomìr proudu, tekoucího vnìjším pláštìm kabelu (nebo asymetrického proudu dvoulinky) k celkovému proudu je dán výrazem: (I1 - I2 )/(I1 + I2 ) = = (Z2 ||ZW )/[2·ZW - (Z2 ||ZW )] = = Z2 /(Z2 + 2·ZW ) . (5) Tyto rovnice ukazují nìkolik zajímavých souvislostí. První z nich je skuteènost, že pokud je Z W znaènì velká, budou proudy I 1 a I 2 stejné a asymetrický proud se zmenší na nulu. To pøedstavuje dokonalý proudový balun a ukazuje, proè má význam se snažit o maximální impedanci vinutí Z W . Další zajímavou skuteèností je, že vyváženost proudù je závislá pouze na Z 2 a Z W a je zcela nezávislá na Z 1 . Bude-li Z 2 nulová, bude vyváženost proudù dokonalá bez ohledu na Z W . Pøedstavují-li Z 1 a Z 2 impedanci antény nebo antény a napájeèe, je velmi nepravdìpodobné, že tento stav nastane - pamatujme, že Z 2 je impedance, mìøená mezi svorkou d pøes zem ke svorce b. I kdyby byl jeden konec vnìjšího pláštì kabelu pøipojen ke svorce d a druhý konec pøipojen k zemi, stále by byla mezi tìmito body pomìrnì znaèná impedance. Je-li délka kabelu srovnatelná s vlnovou délkou (mùžeme uvažovat délku ≥ 0,1·λ), mùže být tato impedance relativnì velká. Pamatujme, že Z 2 se objevuje pouze jako paralelnì pøipojená k Z W . Sku- Z 1 Z 2 I 1 I 2
Page 1 and 2: ROÈNÍK X/2005. ÈÍSLO 2 ROÈNÍK
Page 3 and 4: FEROMAGNETICKÉ Úvod Pøi prùchod
Page 5 and 6: o délce le a prùøezu Ae , impeda
Page 7 and 8: povrch materiálu nanesena speciál
Page 9 and 10: Materiál 67 (µ = 40) - je podobn
Page 11 and 12: Tab. 3 (dokonèení). Rozmìry feri
Page 13 and 14: Tab. 4f. Materiál K, permeabilita
Page 15 and 16: Tab. 7. Pøehled sortimentu feritov
Page 17 and 18: Tab. 12. Magnetické vlastnosti fer
Page 19 and 20: Tab. 13b. Železová prášková to
Page 21 and 22: Tab. 13g. Železová prášková to
Page 23 and 24: Tab. 14 (1. pokraèování). Želez
Page 25: Tab. 14 (3. pokraèování). Želez
Page 29 and 30: pojeno. Pøi vìtších výkonech a
Page 31 and 32: Tab.15. Zapojení balunù s rùzný
Page 33 and 34: 100 → Z [Ω] 10 1 10 6 10 7 10
Page 35 and 36: Obr. 44. Vliv rozprostøení vinut
Page 37 and 38: Obr. 51. Modifikovaný Nortonùv ze
Page 39 and 40: Obr. 59. Kmitoètová závislost ú
Page 41: Krátký pøehled nejdùležitìjš

Teorie VF transformátorů, materiály, výpočty (2.15MB formát *pdf)

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?