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

More documents

Recommendations

Info

teènì tomu tak je, a mùžeme vypozorovat, že proudy v Z 1 a Z 2 lze vyrovnat tak, že mezi svorku c a zem pøipojíme další impedanci o velikosti Z W ·Z 1 /Z 2 . I když je tato impedance pøipojena stejným zpùsobem jako terciární vinutí napì ového balunu 1 : 1, tuto funkci neplní vzhledem k vazbì s dalšími vinutími. Tuto vyrovnávací impedanci je proto nutné vytvoøit jako separátní èást izolovanou od proudového balunu 1 : 1. Je-li anténa symetrická vùèi zemi, bude pøídavná vyrovnávací impedance rovna Z W a bude možné použít další balun se zkratovanými vstupními a zkratovanými výstupními svorkami. Pøi dostateènì nízké impedanci balunu mùže být taková konfigurace nutná k dosažení symetrie, avšak balunem by tekly velké proudy, což by mohlo zpùsobovat pøehøívání jádra. Rovnice dále ukazují, že k analýze nìkterých dùležitých parametrù je nutné znát Z 1 , Z 2 a Z W , i když pro výpoèet symetrie proudù je nutné znát pouze Z 2 a Z W . Co se stane, je-li balun použit v anténním pøizpùsobovacím èlenu (tuneru)? Chceme-li analyzovat tuto situaci, vytvoøíme model tuneru jako transformátor s vinutími s pomìrem poètu závitù 1 : n (obr. 15). Spoleènou zemnicí svorku tuneru vytvoøíme spojením spodních koncù obou vinutí transformátoru. Model neobsahuje žádnou impedanci vinutí, protože tuner není pøedevším transformátor, ale zcela jiný obvod, který mimo jiné také transformuje impedanci. Tento model byl zvolen proto, aby bylo možné vyšetøit nìkteré základní vlastnosti balunù, které se uplatní bez ohledu na topologii tuneru. Uveïme znovu dvì základní pravidla chování modelu: 28 Uout = n·Uin , (6) Iout = Iin /n . (7) Konfiguraci balunu s tunerem znázoròuje obr. 16. V zapojení není žádná zvláštní zemnicí svorka, spoleèným zemnicím bodem je svorka GND, vzniklá spojením spodních koncù obou vinutí transformátoru. Obr. 15. Model tuneru znázornìný jako transformátor s vinutími s pomìrem poètu závitù 1 : n U s I s Aplikací dvou základních pravidel chování modelu (6), (7) dostáváme následující vztahy: Pomìr proudù tekoucích impedancemi Z 1 a Z 2 je: I 1 /I 2 = (Z 2 + Z W )/Z W . (8) Vstupní impedance systému je: U s /I s = [Z 1 + (Z 2 ||Z W )]/n 2 . (9) Napìtí na vinutí balunu je: U b - U d = n·U s ·(Z 2 ||Z W )/[Z 1 + (Z 2 ||Z W )]. (10) Pomìr proudu, tekoucího vnìjším pláštìm koaxiálního kabelu (popø. soufázových proudù, tekoucích dvoulinkou vinutí) k celkovému proudu pak bude: (I1 - I2 )/(I1 + I2 ) = = (Z2 ||ZW )/[2·ZW - (Z2 ||ZW )] = = Z2 /(Z2 + 2·ZW ) . (11) Jedinými zmìnami oproti zapojení bez tuneru je vstupní impedance Z, která je transformována v pomìru 1 : n 2 , a napìtí na vinutí balunu, které se zvìtší v pomìru 1 : n. Pro dosažení vyhovující symetrie proudù je nutné, aby impedance vinutí Z W byla mnohem vìtší než impedance Z 2 . V mnoha situacích je však vyžadováno, aby tuner pøizpùsoboval velkou impedanci Z 2 , èímž je dosažení vyhovující symetrie proudù velmi obtížné. Nyní pøemístíme balun na vstup tuneru a dostaneme další vztahy. Pomìr proudù tekoucích impedancemi Z 1 a Z 2 je: I 1 /I 2 = (Z 2 + Z W )/Z W . (12) Vstupní impedance systému je: U s /I s = [Z 1 + (Z 2 ||Z W )]/n 2 . (13) Napìtí na vinutí balunu je: U b - U d = n·U s ·(Z 2 ||Z W )/[Z 1 + (Z 2 ||Z W )]. (14) Pomìr proudu, tekoucího vnìjším pláštìm koaxiálního kabelu (popø. soufázových proudù, tekoucích dvoulinkou vinutí) k celkovému proudu pak bude: (I1 - I2 )/(I1 + I2 ) = = (Z2 ||ZW )/[2·ZW - (Z2 ||ZW )] = = Z2 /(Z2 + 2·ZW ) . (15) Z 1 Z 2 I 1 I 2 Obr. 16. Uspoøádání tuneru s balunem na výstupu Konstrukèní elektronika A Radio - 2/2005 Docházíme ke zjištìní, že výsledky jsou naprosto totožné! Stejné je i napìtí na vinutí balunu. Tento závìr je velmi neobvyklý a mnozí experimentátoøi mu na první pohled neuvìøí. Je však skuteèností a byl potvrzen i mìøením. Pomocí tìchto modelù lze analyzovat proudový balun 1 : 1 za rùzných podmínek. Je však nutné pøipomenout, že tento neobvyklý závìr se vztahuje pouze ke zmiòovaným parametrùm, zatímco napø. napìtí mezi jednotlivými závity vinutí, proudy v jednotlivých závitech, vlivy nežádoucích kapacitních vazeb na balun apod. se se zmìnou umístìní balunu mìní. Praktická konstrukce balunù Pøi návrhu balunu použijeme tzv. pravidlo ètyø (obr. 17), které øíká, že dolní kmitoètová mez použitelnosti balunu je kmitoèet, na kterém je induktivní reaktance vinutí 4x vìtší než impedance pøipojená k vinutí. Je-li induktivní reaktance menší než tento ètyønásobek, bude balun nepoužitelný. Je tedy vhodné zmìøit indukènost vinutí a pomocí nomogramu nebo výpoètem stanovit minimální kmitoèet pro uvažovanou impedanci. Horní mezní kmitoèet je takový, pøi kterém kapacitní reaktance parazitní kapacity vinutí (popø. kapacity mezi jednotlivými vinutími - záleží na zapojení balunu) je 4x vìtší než impedance pøipojená k vinutí. Pokud se mohou uplatnit obì tyto reaktance, bereme v úvahu samozøejmì tu nižší. V mnoha pøípadech se však pøi návrhu balunu berou v úvahu jiné faktory. Platí to zejména pro baluny pøenášející výkon. Šíøku pásma použitelnosti balunu ovlivòují zejména ztráty v jádøe, které jsou kmitoètovì závislé. Výkon se na ztrátovém odporu mìní teplo a jádro se zahøívá. Pøi dosažení Curieho teploty (Curieho bodu) materiál pøechází z feromagnetického stavu do paramagnetického. V praxi se Curieho teplota definuje jako teplota, pøi které poèáteèní permeabilita materiálu klesne na polovinu pùvodní hodnoty. Zmìna magnetického stavu jádra je nevratná, nastane-li tato zmìna, je jádro znièené. Dalším limitujícím faktorem je samotná impedance, ke které je vinutí pøi- X L1 > 4·Z Z X L1 Obr. 17. Pravidlo ètyø 4·Z
pojeno. Pøi vìtších výkonech a velkých impedancích (øádu stovek Ω) mohou být mezi vinutími balunu znaèná napìtí a mùže se prorazit dielektrikum vodièù použitých ke konstrukci vinutí. Praktické vlastnosti balunù jsou urèeny vlastnostmi použitého jádra a jeho provedením. Výbìru jádra je nutné vìnovat velkou péèi a je nutné brát v úvahu pøedevším charakteristické vlastnosti materiálu. Vždy bývá vhodné použít materiál s vìtší permeabilitou, nebo tak se dosáhne maximální indukènosti pøi minimálním poètu závitù. Malý poèet závitù znamená menší odpor vinutí i menší parazitní kapacitu. Velkou permeabilitu mùžeme však oèekávat pouze u feritových jader. Jejich nevýhodou je pøedevším 10x až 15x menší pøípustné sycení než u železových jader. V aplikacích, ve kterých se pracuje s malým výkonem, se nemusíme touto otázkou zabývat - materiál jádra je však vždy nutné volit s ohledem na princip funkce balunu. Tlumivkový balun 1 : 1 (tedy takový, ve kterém má cívka plnit funkci tlumivky) bude vhodné navinout na jádøe, které bude mít na pracovním kmitoètu co nejvìtší ztráty. Pro výkonové aplikace bude u tohoto typu balunu jádro zatìžováno pouze výkonem vytváøeným soufázovými proudy. Ty jsou však závislé na charakteru zátìže i na použitých pøizpùsobovacích obvodech. Lze však konstatovat, že vhodným materiálem Obr. 18. U toroidních jader se uplatní jen èást délky závitu (plnou èarou), zatímco zbytek délky vodièe (pøerušovanou èarou) má na výslednou indukènost jen zanedbatelný vliv Obr. 19. U dvouotvorových jader se uplatní vìtší èást délky závitu (plnou èarou) Obr. 20. Praktické provedení balunu na dvouotvorovém jádru bude takový, který výrobce doporuèuje v uvažované kmitoètové oblasti používat ke konstrukci tlumivek. Napø. v oblasti kmitoètù øádu jednotek až desítek MHz to bude feritový materiál s permeabilitou µ i = 300 až 2000. U balunù, které se chovají jako linkový transformátor, bude spíš dùležité sycení. Proto u výkonových aplikací radìji zvolíme práškové jádro. Pro kmitoèty øádu jednotek až desítek MHz a impedance øádu desítek Ω je oblíbený materiál 2 (èervená barva) s µ i = 10. Je nutné znovu pøipomenout, že závit u toroidních jader v praxi znamená prùchod vodièe vnitøkem jádra a jeho zbývající délka se témìø neuplatní. To je pomìrnì nevýhodné - zejména u jader s kruhovým prùøezem se tak uplatní jen menší èást délky vodièe (obr. 18). Právì pro baluny je mnohem výhodnìjší dvouotvorové jádro, u nìhož se pøi vinutí na støední sloupek naopak vìtšina délky vodièe uplatní (obr. 19). Praktické provedení balunu na dvouotvorovém jádru je na obr. 20. Balun je vinut tak, aby se uplatnila vìtšina délky vodièe, nebo jde o dosažení maximální indukènosti - je urèen pro kmitoèty 1 až 2 MHz, na kterých by již mohlo být obtížné splnit pravidlo ètyø. Pro vyšší kmitoèty se baluny èasto vinou tak, aby bylo dosaženo minimální kapacity vinutí a jeho symetrie. Dvouotvorová jádra však bývají hùøe dostupná a nevyskytují se ve vìtších velikostech, vhodných pro výkonové aplikace. V tìchto pøípadech se dvouotvorová jádra nahrazují sestavou trubièkových nebo toroidních jader odpovídajících rozmìrù (obr. 21). V takové sestavì lze použít mìdìné trubièky, procházející vnitøkem jader, které plní nejen funkci nosného prvku, ale slouží rovnìž jako elektrostatické stínìní. Trubièky samozøejmì nemohou být propojeny na obou koncích, nebo by tvoøily závit nakrátko. Péèi je rovnìž nutné vìnovat vinutí balunu. Vinout lze rùzným zpùsobem (obr. 22, 23, 24, 25) ale ne vždy se podaøí splnit všechny požadavky na minimální kapacitu vinutí a impedanci linky. Èasto se baluny vinou zkrouceným dvou, troj èi ètyøvodièem, který lze vyrobit stoèením pøíslušného poètu mìdìných lakovaných drátù pomalobìžnou vrtaèkou. V nìkterých pøípadech bývá použit i obyèejný, tzv. zvonkový drát s rùznobarevnou izolací PVC. Tento zpùsob není pøíliš výhodný, nebo nelze ovlivnit impedanci takto vzniklé linky a v pøípadì použití lakovaného drátu je pøed zapojením nutné Obr. 21. Náhrada dvouotvorového jádra sestavou trubièkových nebo toroidních jader každé vinutí urèit ohmmetrem. Vzniká riziko chyby v zapojení, která se pak velmi tìžko hledá. Navíc se pøi zkrucování vodièù nebo pøi vlastním vinutí mùže laková izolace porušit, èímž vzniknou mezizávitové zkraty. Tento zpùsob vinutí je rovnìž nevhodný pro výkonové aplikace, pøi kterých se pracuje s tlustšími vodièi. Výhodou je však velmi snadná výroba i v pøípadì, kdy je potøeba troj èi ètyøvodiè. Z obecného hlediska vhodnìjším zpùsobem je použít dvoulinku. Vyskytují se speciální dvoulinky s pøesnì definovanou impedancí, èasto s teflonovou izolací. Ty jsou ovšem drahé a obtížnì dostupné, proto se èasto používá dvoulinka vlastní konstrukce (obr. 23). Dva paralelnì natažené vodièe jsou spojeny v pravidelných vzdálenostech kapkami tavného lepidla tak, že dvoulinka tvoøí miniaturní žebøíèek. Výslednou impedanci dvoulinky je možné pomìrnì pøesnì urèit, tímto zpùsobem lze pracovat i s tlustšími vodièi a riziko Obr. 22. Balun navinutý zkroucenýmdvouvodièem Obr. 23. Dvoulinka vlastní konstrukce - dva lakované dráty jsou mechanicky spojeny kapkami tavného lepidla Obr. 24. Balun navinutý dvoulinkou vlastní konstrukce Konstrukèní elektronika A Radio - 2/2005 29
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 and 26: Tab. 14 (3. pokraèování). Želez
Page 27: zátìž napájena nesymetrickým n
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?