Dispositivos de emparejamiento en circuitos magnéticos de ferrita. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

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Los problemas de hacer coincidir la impedancia de entrada de la antena con la impedancia de onda del alimentador, así como el equilibrio de antenas para radioaficionados, siempre han sido y siguen siendo relevantes. En los últimos años se ha mostrado especial interés en la transformación y emparejamiento de dispositivos sobre anillos de ferrita. Esto se debe al hecho de que dichos dispositivos pueden ser de pequeño tamaño y tener una alta eficiencia (hasta el 98%). Además, no presentan propiedades resonantes cuando el intervalo de frecuencia se superpone en varias octavas (por ejemplo, de 1 a 30 MHz), lo que es especialmente conveniente cuando se utilizan antenas multibanda ("cuadrados", "V INVERTIDA" [ 1. 2], 3- "canal de onda" elemental de tres rangos [3], etc.).

En tales transformadores de banda ancha, los devanados se realizan en forma de líneas de transmisión largas de dos hilos (basadas en cable coaxial u homogéneo), enrolladas en un anillo de ferrita. Este diseño de los devanados permite eliminar prácticamente la inductancia de fuga y reducir la inductancia de los conductores.

El símbolo de un transformador en líneas largas (TDL), adoptado en el artículo, con un devanado de una línea de dos hilos se muestra en la fig. 1.a, con varios (en este caso, dos) - en la fig. 1.b.

En la fig. 2 muestra la inclusión de TDL con una relación de transformación de n=1.

Ris.2

El transformador consta de un devanado en forma de una línea larga y uniforme enrollada en un núcleo magnético anular de ferrita. Su longitud eléctrica es P=2pl/L, donde l es la longitud geométrica de la línea, L es la longitud de onda (lambda). Dado que durante la propagación de una onda de alta frecuencia, las corrientes que fluyen a través de los conductores de la línea son iguales en valor y de dirección opuesta, el circuito magnético no está magnetizado, lo que significa que prácticamente no se pierde energía en la ferrita. Al hacer coincidir la resistencia de onda de la línea g con las resistencias de la fuente Rg y la carga Rn, el TDL teóricamente no tiene frecuencias límite superior e inferior. En la práctica, la frecuencia operativa máxima está limitada debido a la inductancia del cable y la radiación de la línea.

Se debe prestar atención a la peculiaridad de TDL. que consiste en la presencia de dos tipos de tensiones: la antifase U, actuando entre los conductores de línea y determinada por la potencia de la señal, y la V de modo común (o longitudinal), debido a la asimetría de la carga y según la opción de encender el transformador.

Cómo se forma el voltaje de modo común, actuando entre el generador y la carga, es decir, en la inductancia de línea Ll, se ve claramente en la Fig. 3.

Ris.3

Es obvio que los conductores de una línea larga derivan la carga y el generador si las corrientes de modo común fluyen a través de ellos. La introducción de un circuito magnético aumenta considerablemente la inductancia del devanado, lo que aumenta la resistencia a la corriente de modo común y reduce considerablemente su efecto de derivación. Al mismo tiempo, el circuito magnético no afecta la propagación de la onda, ya que se proporciona el modo de onda viajera.

(Rg=g=Ri).

Hay varias formas de construir una TDL con un factor de transformación de enteros n.Por ejemplo, uno puede adherirse a la siguiente regla. Los devanados (debe haber n) están hechos de segmentos de líneas de dos hilos de igual longitud eléctrica. Cada devanado se coloca en un circuito magnético de anillo separado del mismo tipo. Las entradas de las líneas del lado superior están conectadas en serie, con el lado inferior, en paralelo.

En general, el circuito de conmutación de un TDL con una relación de transformación entera n se muestra en la Fig. cuatro

Ris.4

Aquí las relaciones

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

En la fig. 5 muestra varias opciones para encender el TDL.

Es posible construir un TDL en un circuito magnético, pero se deben observar los siguientes requisitos. Primero, el número de vueltas de cada línea debe ser proporcional al valor del voltaje de modo común que actúa entre los extremos de esta línea, ya que los devanados están conectados por un flujo magnético común. En segundo lugar, las longitudes geométricas de todas las líneas deben ser necesariamente las mismas. Dependiendo de la opción de encendido del TDL, puede incluso ocurrir que algunas líneas deban colocarse parcial o totalmente fuera del circuito magnético.

Para determinar el número de vueltas en los devanados, es necesario calcular los voltajes de modo común Vk en cada línea.

En TDL con entrada y salida asimétrica (tipo NN. Fig. 5, a)

Vk \uXNUMXd (nk) Un;

en inversión (tipo NN, Fig. 5, b) Vk \u1d (n-k + XNUMX) Un;

con entrada balanceada y salida no balanceada (tipo SN, Fig. 5, c)

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

con entrada no balanceada y salida balanceada (tipo NS, Fig. 5, d)

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

con entrada y salida simétrica (tipo SS, Fig. 5, e)

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

En las fórmulas, n es la relación de transformación, k es el número de serie de la línea, contando desde arriba, Un es el voltaje en la carga.

Estas fórmulas son las originales. cuando se determina la relación del número de vueltas en los devanados colocados en el circuito magnético. Si, por ejemplo, se enciende un TDL con una relación de transformación de n=3 de acuerdo con el esquema que se muestra en la fig. 5, a, luego V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. De esto se deduce que la línea superior en la figura se coloca completamente en el circuito magnético (w1), la segunda línea tiene solo la mitad de las vueltas (w2 = w1/2) y la tercera línea (w3 = 0) debe ser completamente en el circuito magnético. La longitud geométrica de todas las líneas es la misma.

Al hacer coincidir un "canal de onda" con una impedancia de entrada de 18,5 ohmios con un cable coaxial de 75 ohmios usando un TDL (conectado de acuerdo con el circuito en la Fig. 5, d) con una relación de transformación de 2, la relación de vueltas de bobinado es igual a w1:w2= (2+1 / 2-1: (2 + 1 / 2-2) \u3d 1: XNUMX. Esto significa que en el circuito magnético el devanado superior en la figura debe estar completamente, y el segundo - sólo su tercera parte.

Cuando la longitud de las líneas para los devanados es mucho menor que la longitud de onda operativa, TDL se puede simplificar: líneas donde los voltajes de modo común son cero. reemplazado con un puente. En este caso, por ejemplo, un TDL de tres devanados (Fig. 5, e) se convierte en uno de dos devanados (Fig. 6).

Ris.6

El coeficiente de transmisión del TDL depende de cuánto difiere la impedancia de onda del valor óptimo y cuál es la relación entre la longitud eléctrica de la línea y la longitud de onda. Si, por ejemplo, c difiere dos veces del requerido, entonces las pérdidas en el TDL son 0,45 dB para la longitud de línea lambda/8 y 2,6 dB para lambda/4. En la fig. La Figura 7 muestra la dependencia del coeficiente de transmisión de un TDL con n=2 de la longitud de fase de sus líneas para tres valores de g.

Ris.7

El cálculo dado en [4] muestra que si se utilizan líneas con valores óptimos de y, la relación de onda estacionaria en TDL no supera 1,03 para la longitud de línea lambda/16 y 1,2 para la longitud de línea lambda/8. De esto podemos concluir que los parámetros TDL siguen siendo satisfactorios cuando la longitud de las líneas de dos hilos es inferior a lambda/8.

Los datos iniciales para calcular el TDL son la relación de transformación n, la opción de encender el TDL, los límites inferior y superior del rango de frecuencia de operación (en hercios), la potencia máxima Pmax en la carga (en vatios), la carga resistencia Rn (en ohmios) y la impedancia de onda del alimentador g (en ohmios). El cálculo se realiza en la siguiente secuencia.

1. Determine la inductancia mínima del conductor de línea Ll (en Henry) a partir de la condición de que

Ld>>Rg/2fn.

En la práctica, Ll, puede tomar 5 ... 10 veces más que la relación calculada Rg a 2fn.

2. Encuentra el número de vueltas w de la línea en el anillo del circuito magnético:

donde dcp es el diámetro promedio del anillo (en

cm), S - área de la sección transversal

núcleo magnético (en cm²), ,u - permeabilidad magnética relativa del circuito magnético. 3. Calcular la corriente de modo común Ic;

(en amperios) que fluye a través del devanado TDL, a la frecuencia de operación más baja:

Ic=Vc/2pfnLl,

donde Vc es el voltaje de modo común en la línea, calculado para opciones de conmutación específicas de acuerdo con las relaciones anteriores.

4. Determine la inducción magnética (en Tesla) del circuito magnético:

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

El circuito magnético se elige teniendo en cuenta que no está saturado con corriente de modo común (o corriente continua, si la hay). Para esto, la inducción magnética en el circuito magnético debe ser un orden de magnitud menor que la inducción de saturación (tomado de libros de referencia).

5. Encuentre el voltaje pico Upico en la línea:

donde y es la ROE en el alimentador.

6. Calcular el valor efectivo de la corriente Ieff (en amperios):

7. Determine el diámetro d de los alambres (en milímetros) de una línea larga:

donde J es la densidad de corriente permitida (en amperios por milímetro cuadrado).

Para dispositivos de adaptación de antena TDL, son adecuados núcleos magnéticos de anillo (tamaños K55X32X9, K65X40X9) hechos de ferritas 300VNS, 200VNS, 90VNS, 50VNS, así como 400NN, 200NN, 100NN. Si es necesario, el núcleo magnético puede estar formado por varios anillos. La impedancia de onda requerida de una línea larga se obtiene retorciendo uniformemente los conductores (con un cierto paso) (ver tabla). En el caso de una conexión de cables en forma de cruz, c es menor que cuando los conductores adyacentes están conectados entre sí. La impedancia de onda de una línea de cables no trenzados con un diámetro de 1.5 mm fue de 86 Ω.

Impedancia característica de una línea larga en función del paso del trenzado y del tipo de conexiones

* Con un diámetro de alambre de 1 mm.
** Con diámetro de hilo 0.33 mm.

Para mejorar los parámetros (en particular, el factor de asimetría) y al mismo tiempo simplificar el diseño de la unidad de transformación de adaptación, se utiliza una conexión en serie de varios TDL de varios tipos.

Por ejemplo, utilizando el método anterior, calculamos el TDL compuesto con n=2. Debe coincidir con la impedancia de entrada de una antena simétrica de 12,5 ohmios con el cable coaxial RK-50. La frecuencia operativa más baja es de 14 MHz. La potencia no supera los 200 vatios. Para TDL, se supone que se utilizan núcleos magnéticos de tamaño K45X28X8 (dcp=3,65 cm, S=0,7 cm²) de ferrita 100NN (su inducción de saturación específica es de 0,44 T/cm² [5]).

Deje que la primera etapa con la relación de transformación n = 2 del TDL compuesto (Fig. 8) se encienda de acuerdo con el esquema de la Fig. 5, a, y el segundo (con n = 1) - según el esquema de la Fig. 5, Sr.

Ris.8

Calculamos el primer TDL.

1. Encuentra Ll:

Tomemos Ll igual a 13,5 μH.

2. Calcule el número de vueltas del devanado:

Tal número de vueltas de alambre de doble grosor difícilmente puede colocarse en la ventana del circuito magnético. Por lo tanto, es recomendable utilizar dos anillos. En este caso, el circuito magnético tendrá unas dimensiones K45X 28X16 (S = 1.4 cm²). Nuevo número w:

3. Determine el voltaje pico en la carga:

4. Encontramos el voltaje de modo común en los devanados de acuerdo con el circuito de conmutación (Fig. 5, a):

V1=(2-1)71=71 V. Dado que el voltaje de modo común en el segundo devanado es 0, este devanado se reemplaza por puentes (Fig. 6).

5. La corriente de modo común es:

6. Calculamos la inducción magnética en el circuito magnético:

alto=4*10^-6*100*9*0,06/3,65=59*10^-6 T, que es mucho menor que la inducción de saturación.

Impedancia de onda de la línea g1=50 Ohm.

En el segundo TDL, es recomendable utilizar los mismos anillos que en el primero. Luego Ll \u13,5d 9 μH, w \uXNUMXd XNUMX vueltas.

7. Tensión de modo común en el devanado V=(2+1/2-1)71=106,5 V.

8. La corriente de modo común es:

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

9. Inducción magnética

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

Y en este caso, resulta ser menor que la inducción de saturación. La resistencia de onda de la línea de bobinado se elige alrededor de 12 ohmios.

El diámetro de los hilos para líneas TDL se determina de la misma forma que el diámetro de los hilos para bobinado en transformadores convencionales. Este cálculo no se muestra aquí.

Un lector atento puede notar una imprecisión en el cálculo anterior (debido al uso de TDL compuesto). Se encuentra en el hecho de que la inductancia Ll se calcula sin tener en cuenta el hecho de que los devanados TDL de la primera y segunda etapa están conectados, es decir, con un cierto margen. Entonces, en la práctica, en el TDL de cada etapa, es posible reducir el número de vueltas en los devanados y utilizar núcleos de ferrita más pequeños.

Usando combinaciones de varios TDL individuales, se puede obtener una amplia gama de TDL con las características deseadas [4].

Para los TDL fabricados, se debe medir la eficiencia y el coeficiente de asimetría [4]. El esquema para encender el TDL al determinar el primer parámetro se muestra en la fig. 9, el segundo - en la Fig. 10. Las pérdidas a (en decibelios) en el transformador se calculan mediante la fórmula: a \u20d 1lg (U2 / nUXNUMX).

Ris.9

Ris.10

El autor hizo varios TDL. Los datos prácticos de algunos de ellos se dan a continuación. La apariencia de dos transformadores se muestra en la fig. once.

Ris.11

Balanceador TDL (tipo NS) con relación de transformación n = 1, operando en el rango de frecuencia 1,5 ... 30 MHz con una potencia de salida de hasta 200 W, para emparejar el alimentador RK-50 con una impedancia de entrada de antena de 50 Ohm , se puede hacer en un circuito magnético de 50VNS con un tamaño estándar

K65X40X9. El número de vueltas de los devanados de la línea (g \u50d 9 Ohm) es 1. Los devanados 1-2 ', 2-12' (Fig. 2) se enrollan en 2 cables PEV-1,4 3 bifilarmente, sin giros. Para garantizar la constancia de la distancia entre los cables, se colocan en un tubo de fluoroplástico. El devanado 3-1' se enrolla por separado en la parte libre del anillo con el mismo hilo y la misma longitud que los devanados 1-2', 2-98'. La eficiencia del TDL fabricado fue de alrededor del 300%. coeficiente de asimetría - más de XNUMX.

Ris.12

TDL con relación de transformación n=2 (tipo NS), diseñado para potencias de hasta 200 W, emparejando la impedancia del alimentador de 75 ohmios con una entrada de antena simétrica, que tiene una impedancia de entrada de 18 ohmios. se puede hacer en un circuito magnético de 200NN (Fig. 13) con un tamaño K65X40X9. Los devanados deben contener 9 vueltas de líneas de cables PEV-2.1,0. El transformador fabricado tenía una eficiencia del 97%, coeficiente de asimetría a una frecuencia de 10 MHz - 20, a una frecuencia de 30 MHz - al menos 60.

Ris.13

En la fig. La figura 14 muestra el esquema de conexión de un TDL compuesto (tipo NS) con relación de transformación n=3, acoplando una antena con una impedancia de entrada de 9 ohmios, con un cable coaxial de 75 ohmios. TDL, diseñado para operar en el rango de 10 ... 30 MHz a una potencia de hasta 200 W, se realiza en anillos (tamaño K32X20X6) de ferrita 50VNS. Los circuitos magnéticos de los transformadores WT1 y WT2 están formados por dos anillos, los devanados y la bobina L1 deben contener 6 espiras cada uno. Las líneas largas y una bobina están hechas con alambre PEV-2 1,0. Impedancia de línea para WT1 - 70 Ohm, para WT2 - 25 Ohm. El TDL construido tuvo una eficiencia del 97%, el coeficiente de asimetría fue de al menos 250.

Antes de operar el TDL, se deben tomar medidas para protegerlos de las influencias climáticas adversas. Para ello, los transformadores se envuelven con cinta fluoroplástica, se colocan en una caja y, si es posible, se rellenan con compuesto KLT.

Literatura:

1. Benkovsky 3., Livisky E. Antenas de aficionados de ondas cortas y ultracortas.- M .; Radio y comunicaciones, 1983.
2. Rothammel K. Antenas.- M.: Energía, 1979.
3. Zakharov V. Canal de onda de antena de tres elementos de tres bandas - Radio, 1970. No. 4.
4. Londres S.E., Tomashevich S.V. - Libro de referencia sobre dispositivos transformadores de alta frecuencia.- M.; Radio y comunicaciones, 1984.
5. Mikhailova M. et al. Ferritas magnéticas blandas para equipos radioelectrónicos.- M.: Radio and communication, 1983.

Autor: V. Zakharov (UA3FU), Moscú; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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