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

More documents

Recommendations

Info

které omezuje dolní kmitoètovou mez, a vzájemnou kapacitu mezi vinutími, která omezuje horní kmitoètovou mez. V praxi je možné zkonstruovat baluny, které kromì symetrizace také transformují impedance v pomìru až 1 : 25. Takové baluny však mohou pracovat pouze v relativnì úzkém kmitoètovém pásmu (pomìr horního a dolního mezního kmitoètu je 1 : 3, nejvýše 1 : 4). 32 Literatura k balunùm [1] Lewallen, R.: The 1 : 1 Current Balun, http://www.eznec.com [2] Maxwell, W.: Some Aspects of the Balun Problem, QST (ARRL), March, 1983, str. 38. [3] Baluns: Chat They Do and How They Do It, ARRL Antenna Compendium, Volume 1, str. 157. Vf širokopásmové transformátory Vf transformátor je tvoøen nìkolika vinutími na feromagnetickém jádru. Jeho úèelem je pøenést energii v širokém kmitoètovém rozsahu s minimálními ztrátami. Používá se tam, kde je nutné transformovat impedanci, napìtí nebo proud nebo stejnosmìrnì nebo vysokofrekvenènì oddìlit zdroj od zátìže. Vf širokopásmové transformátory se navrhují také pro pøenos výkonu, pulsní provoz apod., najdeme je však vìtšinou v zaøízeních, která pracují s malým výkonem. Na obr. 34 je typická kmitoètová charakteristika vf transformátoru, tj. závislost vložného útlumu transformátoru na frekvenci. Šíøka pásma pøedstavuje rozdíl mezi kmitoèty f 2 a f 1 nebo f 2 ’ a f 1 ’ a je funkcí základního vložného útlumu a magnetických parametrù jádra. Je zøejmé, že vìtší šíøku pásma vykazují transformátory s pozvolnìjším prùbìhem kmitoètové charakteristiky. Pøi návrhu se klade dùraz vìtšinou na malý základní vložný útlum ve støedu pásma, na šíøku pásma, danou mezními kmitoèty f 1 a f 2 a na útlum na tìchto kmitoètech. Náhradní schéma širokopásmového transformátoru, vyjádøené prvky se soustøedìnými parametry, je na obr. 35. Obr. 35. Náhradní schéma širokopásmového transformátoru Kromì ideálního transformátoru jsou na obr. 35 zakresleny i parazitní odpory a reaktance: Ua je zdroj elektromotorické síly (EMS), Ra je vnitøní odpor zdroje elektromotorické síly, C1 je kapacita primárního vinutí, R1 je odpor primárního vinutí, L11 je rozptylová indukènost primárního vinutí Lp je indukènost primárního vinutí otevøeného obvodu, Rp je paralelní odpor, pøedstavující ztráty v jádru. Parametry sekundárního vinutí, promítnuté na stranu primárního vinutí: C2 ’ je kapacita sekundárního vinutí, R2 ’ je odpor sekundárního vinutí, L12 ’ je rozptylová indukènost sekundárního vinutí, Rb ’ je zatìžovací odpor. Odpory a reaktance, které se uplatòují na sekundární stranì transformátoru, jsou pøekresleny na jeho pri- Obr. 34. Kmitoètová závislost vložného útlumu širokopásmového transformátoru Konstrukèní elektronika A Radio - 2/2005 mární stranu a jsou oznaèeny indexy s èárkou. Obvod lze dále zjednodušit tak, že se pøíslušné prvky složí (paralelnì, sériovì) a jejich hodnoty pøíslušnì pøepoèítají (obr. 36). Na obr. 36 je: Cd = C1 + C2 ’ , Rc = R1 + R2 ’ , L1 = L11 + L12 ’ , ostatní parametry jsou stejné jako na obr. 35. V pásmu nízkých kmitoètù se vložný útlum zvìtšuje vlivem poklesu impedance paralelnì pøipojené ke zdroji, která je funkcí reaktance X LP . Paralelní odpor, který pøedstavuje ztráty v jádru, k tomuto pøispívá jen nepatrnì. Vložný útlum A i lze pak vyjádøit: A i = 10·log[1 + (R/(ω·L p )) 2 ], [dB] (16) kde: R = Ra ·Rb ’/Ra = Rb ’ . U vìtšiny vf transformátorù vinutých na feromagnetických jádrech se na ztrátách v oblasti støedních kmitoètù nejvìtší mìrou podílí odpor vinutí. Vložný útlum v oblasti støedních kmitoètù je dán vztahem: A i = 10·log[1 + R c /(R a + R b ’)], [dB] (17) kde: Rc = R1 + R2 ’ . V oblasti vysokých kmitoètù je pøenosová charakteristika funkcí pøevážnì rozptylové indukènosti a paralelní kapacity. Vìtšinou je nutné brát v úvahu oba tyto parametry, rozhodující je pøitom impedance pøipojených obvodù. V obvodech s malou impedancí se uplatní nejvíce vliv rozptylové indukènosti: A i = 10·log[1 + (ω·L 1 /(R a + R b ’)) 2 ]. Obr. 36. Zjednodušené náhradní schéma širokopásmového transformátoru [dB] (18) V obvodech s velkou impedancí se naopak uplatní pøevážnì vliv paralelní kapacity: A i = 10·log[1 + (ω·C d ·R b ’) 2 ]. [dB] (19) Vezmeme-li v úvahu vložný útlum ve všech tøech kmitoètových oblastech, bude urèujícím faktorem pøi výbìru feromagnetického materiálu a tvaru jádra co nejvìtší indukènost na jeden závit vi-
100 → Z [Ω] 10 1 10 6 10 7 10 → f [Hz] 8 10 9 Obr. 37. Kmitoètová závislost impedance pro jádra Fair-Rite 28-002302 z materiálu 73, 43 a 61 nutí na nejnižším kmitoètu f 1 . Tím se rovnìž dosáhne minimálního poètu závitù vinutí pro danou indukènost. Co nejmenší poèet závitù je dùležitý pro dosažení minimálních ztrát v pásmu støedních kmitoètù a znamená i menší kapacitu vinutí v oblasti kolem horního mezního kmitoètu f 2 . Výbìr vhodného materiálu Pro širokopásmové transformátory je nejvhodnìjším materiálem takový, který má nejvìtší poèáteèní permeabilitu na dolním mezním kmitoètu f 1 . Pro transformátory, které pracují na nízkých a støedních kmitoètech (desítky až stovky kHz), jsou vhodné feritové materiály 77 a 78. Jak již bylo uvedeno, kritickým parametrem je paralelní reaktance ω·L, která roste s kmitoètem (pokud je permeabilita použitého materiálu konstantní) nebo se zmenšuje v pomìru menším, než je nárùst kmitoètu (napø. pøi zdvojnásobení kmitoètu se nesmí permeabilita zmenšit více než na polovinu). Tato podmínka je splnìna pøi použití manganato-zineènatých feritù, je-li f 1 v horní polovinì ploché èásti køivky, vyjadøující závislost permeability na kmitoètu. Pøenos transformátoru však nebude významnìji ovlivnìn ani v oblasti, ve které se permeabilita zaène zmenšovat. Tvar jádra je tøeba volit tak, aby byl dosažen minimální pomìr stejnosmìrného odporu vinutí k jeho indukènosti. Vhodná jsou napø. hrníèková jádra, pøípadnì jádra EP a PQ. Èasto však bývá rozhodující technika vinutí, rozmìry jádra apod. U transformátorù, jejichž vinutím protéká stejnosmìrný proud, je vhodné použít jádra se vzduchovou mezerou, aby se omezil vliv zmenšování paralelní indukènosti. Pro transformátory, které pracují na vyšších kmitoètech (nad 500 kHz), jsou vhodné nikelnato-zineènaté ferity. Zde se uplatòují komplexní parametry v mnohem vìtší míøe, než jednoduché mate- 1 k → Z [Ω] 100 10 1 10 → f [Hz] 6 10 7 10 8 10 9 Obr. 38. Kmitoètová závislost paralelního odporu RP pro jádra Fair-Rite 28-002302 z materiálu 73, 43 a 61 riálové konstanty, jako napø. èinitel indukènosti A L . Na vyšších kmitoètech se širokopásmové transformátory nejèastìji používají v obvodech s malou impedancí. Stejnosmìrný odpor vinutí již nebývá tak dùležitý s ohledem na skuteènost, že vinutí je zpravidla tvoøeno jen nìkolika závity tlustšího vodièe. Proto již nebývá nutné minimalizovat pomìr stejnosmìrného odporu vinutí k jeho indukènosti. Kritickým parametrem se stává rozptylová indukènost vinutí. Na paralelní impedanci má zásadní vliv permeabilita použitého materiálu a jeho ztráty. Na obr. 37, obr. 38 a obr. 39 jsou uvedeny kmitoètové závislosti impedance Z a jí odpovídající paralelní reaktance X P , platné pro dvouotvorové jádro Fair-Rite 28-002302 z materiálu 73, 43 a 61 s vinutím o jednom závitu, provleèeným obìma otvory. Pro širokopásmové transformátory, pracující na vyšších kmitoètech, jsou rovnìž vhodná toroidní jádra, nìkolik závitù vinutí zde vìtšinou nepøedstavuje technologickou pøekážku pøi vinutí. Rozptylovou indukènost lze minimalizovat tìsnou vazbou mezi primárním a sekundárním vinutím, transformátory proto bývají èasto vinuty bifilárnì (viz obr. 22 na str. 29). Dvouotvorová jádra èasto bývají vhodnìjší než jádra toroidní, nebo lze dosáhnout vìtší indukènosti a menší kapacity na jeden závit a tím i vìtší šíøky pásma. Vhodným materiálem je nikelnato-zineènatý ferit 73, 43 a 61 z produkce Fair-Rite (nabízený pod obchodní znaèkou Amidon), který rovnìž koprodukènì vyrábí øada jiných firem buï pod stejným oznaèením, nebo pod jiným oznaèením, které lze najít v pøevodních tabulkách v katalogové èásti tohoto èasopisu. Èastou otázkou je vhodnost využití feritù z produkce Pramet Šumperk, které byly nabízeny pod obchodní znaèkou FONOX. Nikelnato-zineènaté ferity N01P až N1 s malou permeabilitou mají oproti práškovým materiálùm zahranièní produkce se srovnatelnou permeabilitou vìtší ztráty, zejména na vyšších kmito- Konstrukèní elektronika A Radio - 2/2005 33 1 k → Z [Ω] 100 10 1 10 → f [Hz] 6 10 7 10 8 10 9 Obr. 39. Kmitoètová závislost paralelní reaktance XP pro jádra Fair-Rite 28-002302 z materiálu 73, 43 a 61 ètech v oblasti od 10 do 400 MHz, snesou mnohem menší sycení a mají rovnìž horší teplotní i dlouhodobou stabilitu. Pomìrnì nevýhodné je i použití materiálù N2 a N3 na kmitoètech øádu jednotek MHz. Materiál N7, který by se mohl svými vlastnostmi blížit materiálu Fair-Rite 43, je pomìrnì vzácný, protože nikdy nebyl nasazen do výroby ve velkých sériích. Existují i pøípady, kdy není vhodné a èasto ani možné vinout širokopásmové transformátory zpùsobem, doporuèovaným pro minimalizaci rozptylové indukènosti, tedy s tìsnou vazbou mezi primárním a sekundárním vinutím, popø. bifilárnì. Na závadu mùže být právì tato tìsná vazba a z konstrukèního uspoøádání plynoucí znaèná kapacita mezi obìma vinutími. Typickým pøíkladem jsou zvláštní pøijímací antény typu Flag, Pennant èi Delta, používané k pøíjmu vzdálených stanic na støedních vlnách nebo na krátkovlnných pásmech 160 a 80 m. Situaci kolem antény ilustruje obr. 40. Mùžeme si pøedstavit svod antény jako vertikální záøiè (monopól), u kterého anténa Flag (Pennant, Delta) funguje pouze jako jeho kapacitní zátìž. Taková soustava tedy bude pøijímat nežádoucí signály ze všech smìrù a bude citlivá na lokální rušení, stejnì jako každá jiná vertikální anténa. Zvláš patrné je to u otoèných pøijímacích antén, umístìných na vrcholu stožáru, napø. modifikované antény Flag. Situaci zhoršuje zejména dlouhá vertikální èást koaxiálního svodu, fungující jako velmi efektivní anténa, pøijímající lokální rušení a další nežádoucí signály. Signály vzdálených stanic vybudí ve smyèce (tedy anténì Flag èi Pennant) proudy a úkolem napájecího systému je pøivést takto vzniklý signál ze smyèky k pøijímaèi bez jakýchkoli dalších efektù - je nutné zabránit soustavì Flag + napájeè, aby se chovala jako vertikální monopól. Proto je nutné, aby byla anténa oddìlena od napájeèe, napájeè byl na obou koncích zakonèen charakterickou impedancí, a je tøeba rovnìž zabránit
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 and 28: zátìž napájena nesymetrickým n
Page 29 and 30: pojeno. Pøi vìtších výkonech a
Page 31: Tab.15. Zapojení balunù s rùzný
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)

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?