Синий график – целое кольцо

Зеленый график – с удаленным сектором кольца

            Обратите внимание, что кривые отклика практически одинаковы, за исключением низкочастотного конца графика. Синяя линия показывает потери с целым сердечником, зеленая линия показывает потери с удаленной секцией, что составляет разницу только в 0.2dB на частоте 2 МГц.

      Я считаю, что это ясно демонстрирует, что поток не циркулирует внутри сердечника. Очевидно, что этот эффект будет более заметным при использовании сердечников небольшого размера, т.к. большая доля от сечения сердечника будет в поле потока, через который проходит поток вокруг обмоток.

       Есть несколько других факторов, касающихся сердечников с низкой проницаемостью, во-первых, ограниченная индуктивность-это означает, что работоспособность можно повысить путем намотки соседних витков рядом друг с другом, а не равномерно распределять обмотки по всему периметру сердечника. Это имеет положительный эффект слегка увеличивая общее сопротивление.

      Еще одной проблемой с использованием сердечника с низкой проницаемостью является то, что форма обмотки дополнительно уменьшает индуктивность близко расположенных обмоток.Когда обмотки намотаны на кольцевом сердечнике, части обмотки на внешней стороне кольца сердечника находятся дальше друг от друга, чем на внутренней стороне сердечника. Чтобы продемонстрировать это, я провел измерения трансформатора 1:1 , изготовленного на бифилярной паре проводов с воздушным сердечником при двух условиях.

Красный график – обмотки виток к витку.

Синий график - катушка сложена по форме кольцевого сердечника.Эффект более заметен в конце низких частот, где снижение связи между витками увеличил потери на 5 дБ

     Другим интересным аспект сердечников с низкой проницаемостью является концентрация потока в направлении центра обмоток. Это вызывает локализованный нагрев материала сердцевины, который можно наблюдать с помощью тепловизора. На следующей картинке 4:1 трансформатор с обмотками из коаксиального кабеля и при мощности 100 Вт в течение около 5 минут, показывает этот эффект, где видна разница температур в 10° в разных частях сердечника.

Этого не происходит при более высоких проницаемостях материала сердечника и нагревание равномерно распределяется по всему диаметру сердечника.

Другие факторы

 

       В дополнение к связи между парами проводов потери, возникающие вдоль transmission line образованной обмотками также должны быть рассмотрены.

        Одним из способов минимизации этих потерь на высоких частотах уменьшить любую дополнительную утечки из transmission line. Это может быть достигнуто с помощью витой бифилярной или trifilar обмотки, как показано здесь ...Или, как уже указывалось ранее, хорошие результаты могут быть также получены путем намотки трансформатора коаксиальным кабелем.

    «Ruthroff» предполагает, что волновое сопротивление линии передачи должны быть выбраны в соответствии с желаемым коэффициентом трансформации импеданса. Таким образом, для 4:1 трансформатора сопротивление transmission line должно быть 100 Ом.

       Однако ни один из моих экспериментов не показал, что нужно использовать линию передачи, имеющую точное волновое сопротивление. Чтобы проиллюстрировать этот факт я сделал три различных «Ruthroff» 4:1 трансформатора с использованием коаксиального кабеля с разным волновым сопротивлением, все трансформаторы были намотаны на FT180 -43 ферритовых сердечниках. Следующий график показывает потери, измеренные на 4:1 трансформаторе, намотанном на сердечнике FT200 - 61 .

Синий график - 50 Ом коаксиальный кабель

Зеленый график - 75 Ом коаксиальный кабель

Красный график - 95 Ом коаксиальный кабель

Следующий график показывает выходное сопротивление, измеренное при  50 Ом-ном входе.

Синий график - 50 Ом коаксиальный кабель

Зеленый график - 75 Ом коаксиальный кабель

Красный график - 95 Ом коаксиальный кабель

        Помимо небольшого пика импеданса на частоте, где коаксиальный кабель имеет электрическую длину ¼ длины волны, нет большой разницы между графиками.

      Я считаю, что обмотки трансформатора из коаксиального кабеля, в частности с PTFE изоляцией, дают более предсказуемые результаты, меньшие потери, быстрее в изготовлении и имеет лучшее сопротивление изоляции, чем проекты с использованием акустического кабеля или провода от силовых кабелей. Однако для больших мощностей лучше использовать Thermaleze (термо) изолированный медный провод, с дополнительным слоем из ПТФЭ изолирующей гильзой.

         Трансформатор может быть намотан и без кольцевого сердечника. Для того чтобы проиллюстрировать это, я сделал версии с использованием кабелей для динамиков и ферритовыми сердечниками в виде трубки. Это наглядно демонстрирует эволюцию от узкополосного ¼ трансформатора длинной линии до широкополосного трансформатора с сердечником из ферритовых рукавов. Это увеличивает реактивное сопротивление обмотки, подключенной через источник, а также подавляет токи синфазных помех, которые могут течь вдоль обеих обмоток.

      Первый трансформатор изготовлен из акустического кабеля (измеряется как имеющий импеданс Zо 126 Ом), при электрической длине ¼ волны на частоте 40 МГц подключенный как 4: 1 «Ruthroff»

Красный график – акустический кабель

Зеленый график - акустический кабель 4:01 Ruthroff без сердечника

Желтый график - акустический кабель 4:01 Ruthroff намотан на ферритовой трубке поверху

Синий график - акустический кабель 4:01 Ruthroff продет через ферритовые трубки внутри

       Хорошо виден переход от 1/4 длинно волнового трансформатора длинной линии к широкополосному трансформатору, при увеличении индуктивности.

    Два других фактора заметны. Первый фактор - пик импеданса на частоте где обмотки имеют электрическую длину ¼ длины волны. Второй фактор - появляется небольшое смещение частоты в провале на уровне около 80 МГц, где обмотки электрически равны ½ длины волны.

    Вот еще один график, но на этот раз я использовал 50ohm коаксиальный кабель. Конфигурации и цветовая схема те же, что и раньше, и я укоротил коаксиальный кабель с тем, чтобы его электрическая длина была ¼ длины волны на частоте 40МГц, поэтому графики должны быть очень похожи.

     Однако есть некоторые различия. Пик сопротивление уменьшается, и на более низкой частоте. Я считаю, что это из-за фактора скорости распространения волны в коаксиальном кабеле. Трансформатор из коаксиального кабеля без сердечника бывший (зеленая линия), кажется, не имеют достаточного удушья сопротивления choking impedance. При добавлении ферритового сердечника (желтый след), сопротивление на низких частотах заметно увеличивается, в результате чего мы видим намного лучшую кривую импеданса. На самом деле можно перейти от зеленого графика к желтому, постепенно вставляя феррит в трансформатор из коаксиальному кабеля.

         При использовании сердечников с более высокой магнитной проницаемости можно значительно укоротить «длинную линию», чтобы компенсировать снижения верхнего предела частоты.

          Обратите внимание, как этот вариант теперь похож на широкополосный трансформатор, изготовленный из феррита с бинокулярным сердечником.

Сравнение с ферритовыми материалами.

 

      В качестве дополнительных экспериментов я сделал серию измерений с использованием 4:1 и 9:1 «Ruthroff» UnUn намотанных на сердечниках из порошкового железа и ферритов. В обоих случаях я оптимизировал обмотки для того, чтобы обеспечить как можно большую широкополостность и наименьшие потери.

        Первый график, показывающий сопротивление на вторичной обмотке при входном 50 Ом. Для 4:1 трансформатора импеданс должен быть 200 Ом, для 9:1 импеданс должен быть 450 Ом.

Красный график - T200A -2 9:1

Оранжевый график - FT240 -61 9:1

Синий график - T200A – 2 4:1

Зеленый график - FT240 -61 4:01

       Следующий рисунок измерение потерь, это было измерено путем соединения двух идентичных трансформаторов спина к спине и измеренное значение поделено на 2 для получения потерь одного устройства.

Красный график - T200A -2 9:1

Оранжевый график - FT240 -61 9:1

Синий график - T200A – 2 4:1

Зеленый график - FT240 -61 4:01

      Отсюда можно видеть, что более высокая проницаемость феррита гораздо больше подходит для этого приложения. Это особенно заметно на примере с 9:1 UnUn, где сердечник из ​​железного порошка дает значительно более узкую рабочую полосу. Некоторые компании продают 9: 1 UnUn балуны намотанные на сердечнике из порошкового железа для использования с короткими вертикальными антеннами, потому что включение Unun балуна обеспечивают намного более низкий КСВ в точке питания антенны. Однако я думаю, что эти графики показывают, что любое улучшение КСВ частично связано с добавлением больших потерь в системе, а не с обеспечением более точного согласования.

 

Расчетные параметры

 

        Основным фактором, конструкции балуна будет требуемый верхний предел частоты, так как это определяет максимальную длину провода обмотки, которые могут быть использованы. После того, как определились с верхней границей рабочей частоты, необходимо определиться с нижней границей.

         Нижний предел рабочей частоты устанавливается исходя из магнитной проницаемости материала сердечника. Тип 2 и Тип 6 сердечники из порошкового железа больше подходят для высокодобротных контуров, чем для широкополосных трансформаторов. Ферритовые сердечники имеют более высокую магнитную проницаемость и более низкие потери, но они менее популярны для высоких уровней мощности, потому что они могут непоправимо пострадать из-за нагрева при несогласованной нагрузке.

           Большое количество витков обмотки могут, в сочетании с емкостным сопротивлением между обмоткой и сердечником, вызвать паразитный резонанс на рабочей или вблизи рабочей частоты. Это особенно проблематично при применении с большим μ сердечника.

       Конструкция обмотки особенно важна для хорошей работоспособности на высокой частоте и низких потерях. Потери можно свести к минимуму с помощью обмотки, выполненной из витой бифилярной, или трифилярной обмотки используя ее вместо изолированного провода. Обмотки должны быть электрически намного короче, чем ¼ длины волны (учитывая фактор укорочения кабеля) на самой высокой требуемой рабочей частоте. Некоторую маржу (скажем +20 % от расчетной ) следует добавить для того, чтобы любое изменение в качестве намотки были учтены. Дальнейшие эксперименты требуются для определения оптимального материала для широкополосной конструкции, но минимальная цифра магнитной проницаемости около 100 необходимо для использования в сердечнике для балуна.

 

Выводы

 

         В этом документе я надеюсь, что продемонстрировал некоторые из проблем и ограничений разработок, связанных со строительством трансформаторов напряжения «Ruthroff», особенно тех, что наматывается на сердечники из порошкового железа.

     Широко рекомендованные тип 2 и тип 6 сердечника из железного порошка имеют слишком низкую проницаемость и не обеспечивают достаточной индуктивности для заданного числа витков, чтобы обеспечить приемлемые характеристики балуна в полосе частот от 1 до 30 МГц.

        Основная проблема с этими сердечниками в следующем: ограниченная широкополосность, плохое преобразование сопротивления или высокие потери, с непредсказуемым характером саморезонансов при подключении реактивных нагрузок, таких как антенны.

      Это может привести к очень разным результатам, особенно при использовании в основании коротких вертикалов с питанием через дистанционный тюнер.

    Мои измерения показывают, что тип 61 или тип К феррита гораздо больше подходит для этой цели. Нижний предел частоты определяется проницаемостью сердечника и числом витков, а верхний предел частоты определяется максимальной длиной провода использованного в качестве обмотки.

     Волновое сопротивление (при использовании в качестве длинной линии) провода или коаксиального кабеля, используемого в качестве обмоток трансформатора, кажется, не сильно влияют на широкополосность.

        Однако скрученные бифилярные или трифилярные обеспечивают лучшее сцепление между наборами обмоток и уменьшают потери.

    Очень небольшой магнитный поток циркулирует через сердечник вне площади сердечника непосредственно под обмотками трансформатора. Так большой кольцевой сердечник столь же вероятно, войдет в область насыщения, что и сердечник в виде стержня. Существуют четыре основных рекомендации:

1 . Использовать материал сердечника с достаточно высокой проницаемостью, чтобы обеспечить достаточную реактивность, особенно на низкочастотном конце нужного диапазона. Материал должен имеют высокое объемное сопротивление и низкие диэлектрические потери с тем, чтобы свести к минимуму нагрев сердечника.

2 . Обмотки должны быть как можно короче, желательно меньше чем 1/4 длины волны на самой высокой рабочей частоте. Это соответствует примерно 140 см для 30 МГц верхнего предела частоты (около 20 витков на 2 "сердечнике) и 70см для 50 МГц верхнего предела частоты (около 8 витков на 2" сердечнике), исходя из того, если используется коаксиальный кабель с PTFE изоляцией и коэффициентом укорочения где-то между 0,6 до 0,7.

3 . Использовать обмотки, которые имеют как можно более низкие потери. Витая бифилярная или трифилярная обмотка или коаксиальный кабель могут быть использованы для этой цели. Существует очень мало разницы в широкополосности между трансформаторами Ruthroff построенными с использованием обмоток с волновым сопротивлением 50, 75, 95 или 120 Ом.

4 . Улучшение широкополосности может быть достигнуто с помощью наименьшего возможного диаметра сердечника для требуемой мощности, так как это способствует лучшему сцепление потока через сердечник, уменьшая возможность насыщения в области низких частот, также это минимизирует длину провода, требуемую для обмоток.

 Мой электронный адрес в комментариях является martinmail2007-balun@yahoo.com Моя благодарность Оуэн Даффи - VK1OD Тим Хант - VK3IM Клеменс Пол - DL4RAJ Для их помощью и настойчивости во время моего исследования.

© Martin Ehrenfried - G8JNJ1.0 - 20/06/2008 - начальная документ, созданный

V3.0 - 28-07/2008 - майор переписать, чтобы исправить многочисленные точки и удаление недействительных данных.

V3.1 - 08/-2/2010 - Дополнительные исправления и новые ноты, связанные с ферритовыми материалами и 9:01 ununs

 Прошу простить за неточности и качество перевода, Некоторые мысли автора я не смог перевести на русский язык в понятном виде. Такие места в тексте выделены желтым.

Перевод:                  Саломатов Александр R0SAL

Редакция и рецензирование: Кагарманов Рауф Гарифулович UA0SH