Исследование конструкций широкополосного трансформаторов сопротивления - М. Ehrenfried - G8JNJ

Оригинал статьи на английском языке находится по адресу:

http://g8jnj.webs.com/Balun%20construction.pdf

     Я начал исследование конструкции согласующих трансформаторов (балуна) во время строительства КВ антенн. Эти проблемы были особенно очевидны, когда трансформатор был установлен в основание короткого вертикала, с тем чтобы облегчить использование дистанционно управляемого тюнера. Я хотел достичь широкой (1 - 55MHz) полосы пропускания и при этом оптимизируя антенны обнаружил, что очень трудно получить широкополосный трансформатор, который работает хорошо, особенно на основе опубликованных схем с использованием сердечника с низкой проницаемостью (тип 2 или 6- сердечники из порошкового железа).Проблемы включают ограниченную полосу пропускания, плохие коэффициенты трансформации сопротивления, высокие собственные потери и большие колебания сопротивления из-за собственного резонанса, особенно при подключении к реактивным нагрузкам как антенны. Многие из этих проблем, кажется, непосредственно связаны с распространенной практикой использования сердечников с низкой проницаемостью которые, как я думаю, не подходят для этой цели.

BulUn трансформатор

UnUn трансформатор

Эти заметки, прежде всего относятся к конструкции трансформатора 4:1 с несбалансированным питанием и несбалансированной нагрузкой «Ruthroff» трансформатор напряженя ( UnUn ), где одни выводы обмоток подключены к земле, а центр соединения используется в качестве точки подачи 50 Ом-ного входа. Эта конфигурация имеет пониженный верхний предел частоты по сравнению с таким же трансформатором, где земля подключается к центу обмоток, а концы обмоток используется для подключения сбалансированной нагрузки. Причина этого будет объяснена позже. Однако многие из основных принципов изложенного будет в равной степени применимо для конструкций использующих другие отношения импеданса (не 4:1) или для трансформаторов типа - сбалансированная нагрузка несбалансированное питание (BalUn).

      Ниже привожу полученные мной выводы и обобщенные факторы, влияющие на общую работоспособность.

     Чтобы проиллюстрировать некоторые из проблем, которые я наблюдал, были построены и проведены измерения трех трансформаторов намотанных на сердечнике T200A - 2.

Последовательность графиков относятся к следующим трансформаторам:- Красный график – трансформатор намотан 1мм эмалированным проводом близко расположенных бифилярными обмотками (в этом примере сердечник обмотан тефлоновой лентой, чтобы предотвратить повреждение изоляционного слоя провода).Я провёл эксперименты с этой конкретной конструкцией для того, чтобы оптимизировать работоспособность и получить хорошую ровную частотную характеристику. На рисунке видно, что обмотки неравномерно распределены вокруг кольцевого сердечника. Я прокомментирую это позже.

-Синий график - сдвоенный акустический кабель, характерен для многих опубликованных конструкций.

-Зеленый график - сдвоенный акустический кабель, но с близко расположенными обмотками, я сделал это для того, чтобы продемонстрировать, как изменения в конструкции могут влиять на работоспособность.

Первый график показывает общие потери каждой конструкции, схема измерений выполнена в виде широкополосного 1:1 трансформатора. Отметим, что это не трансформатор на длинных линиях, а трансформатор с сильной связью между обмотками. Цель этого эксперимента заключается в демонстрации того, как различные виды обмоток влияют на коэффициент связи

Схема измерений

-Красный график -1мм эмалированные провода с близко расположенными бифилярными обмотками

-Синий график - двухжильный акустический кабель

-Зеленый график -двухжильный акустический кабель близко расположенными витками

На следующем графике показаны те же обмотки, но подключен как «Ruthroff» трансформатор 4:1 с нагрузкой 200 Ом по схеме:

-Красный график -1мм эмалированные провода с близко расположенными бифилярными обмотками

-Синий график - двухжильный акустический кабель

-Зеленый график -двухжильный акустический кабель близко расположенными витками

      Обратите внимание, как низкая проницаемость сердечника ограничивает работоспособность на низких частотах, а длина провода обмоток ограничивает работоспособность на высоких частотах. Существует пик на отметке 40МГц, где электрическая длина «длинной линии» ровняется ¼ длины волны и провал вблизи частоты 80 МГц, где электрическая длина «длинной линии» ровняется ½ длины волны.

        Из этого очевидно, что тип 2 материала сердечника не имеет достаточно высокую магнитную проницаемость для использования в качестве ВЧ трансформатора(тип 6 еще хуже) с таким же количеством витков обмотки.

          Как уже говорилось ранее, я обнаружил, что могу влиять на работоспособность.трансформаторов намоткой соседних витки ближе друг к другу, что надоумило меня провести дальнейшее исследование. Прежде всего, давайте рассмотрим, как работает «длинная линия» в трансформаторе «Ruthroff» . В конфигурации UnUn, один вывод «длинной линии» подключен к источнику сигнала. Конец первой обмотки соединен с началом второй обмотки, который образует«длинную линию» (transmission line). Нагрузка подключена к началу первой обмотки и к концу второй обмотки.

           The second wire has a voltage induced into it which is equivalent to that across the first wire.This adds in phase with the source voltage to create a voltage across the load, which is twice theinput voltage. Because product of the input current and voltage has to equal the product of theoutput current and voltage (minus any losses)Вторая обмотка имеет напряжение, индуцированное в него, эквивалентно напряжению первой обмотки. Оно добавляется в фазе с напряжением источника, что обеспечивает на нагрузке напряжение вдвое выше входного. Это соответствует выходному импедансу в четыре раза больше входному сопротивлению.

      Основная проблема заключается в том, что первая обмотка подключена непосредственно параллельно источнику, поэтому она должна иметь достаточно высокое реактивное сопротивление, чтобы предотвратить замыкание входного сигнала на землю.

         Вторая проблема заключается в том, что фазовые сдвиги в обмотках встречные, и в результате чего, когда провод имеет ½ длины волны, выходное напряжение становится равным нулю. Это ограничивает верхнюю рабочую частоту до точки, в которой обмотка равна ¼ длины волны (что соответствует сдвигу фаз на 90˚). Помимо этой частоте упасть в performance becomes much more rapid.

     Обратите внимание, что любой общий текущий режим будет проявляться в качестве общего режима импеданса шунтирующего вход, снижая широкополостность. Так что этот параметр очень важен при осуществлении удачного дизайна. Note that any common mode current will manifest itself as a common mode impedance shuntingthe input, reducing performance. So this parameter is very important in the implementation of asuccessful design.

          Можно намотать трансформатор «Ruthroff» с применением коаксиального кабеля вместо бифилярной обмотки. В этом случае синфазные токи будет течь на внешней стороне экрана коаксиального кабеля. Внутренняя сторона экрана коаксиального кабеля и поверхность центральной жилы образуют симметричную transmission line «длинную линию». Как и в случае с «Ruthroff» трансформатором с обмоткой из витой пары TL, поддерживать высокий общий режим сопротивления одинаково важно, как мы увидим позже. As is the case with a Ruthrofftransformer wound with a twin wire TL, maintaining a high common mode impedance is equallyimportant, as we will see later.

 

Работоспособность на высоких частотах.

 

            Следующий набор графиков для трансформаторов импеданса 4:1 намотанных на различных сердечниках при 50 Ом-ном входе первичной обмотки. Во всех случаях обмотки были оптимизированы для работы на частоте от 2 до 52MHz . Различная проницаемость материала сердечника потребовала разное количество витков обмоток и, следовательно, разные длина провода для обмоток.

Обратите внимание на впадины у кривых в пределах от 110 до 150 МГц .

Они соответствуют длине волны ½ кабеля, при измерении в виде transmission line. Это хорошо видно на следующем графике, который показывает сопротивление кабеля, используемого для намотки трансформатора при открытом дальнем конце (open circuit) .

     Так на практике верхний предел частоты эксплуатации «Ruthroff» трансформатора 4:1 определяется электрической длиной волны провода, используемого для намотки, которая должна быть меньше, чем ¼ длина волны в самой высокой требуемой рабочей частоте. До точки, при которой происходит переворот фазы вдоль одной из обмоток (это 90˚), когда он равен ¼ длины волны. This to the point at which a 90 degreephase reversal occurring along one of the windings when it is electrically ¼ wavelength long.

          Это подчеркивает главное различие между трансформатором Ruthroff, используемого в качестве UnUn или как BalUn. При работе в режиме BalUn точка «земли» находится в центре трансформатора. Нагрузку можно считать разделенной с его центральной точкой также являющуюся «земляным» потенциалом (даже если это " виртуальная земля»). Поэтому фазовый сдвиг происходит в обоих обмотках, так нет наложения фаз, когда электрическая длина transmission line становится ½ длины волны. На следующем графике часть предыдущего графика, показывающий трансформатор в Unun конфигурации. График показывает частоты, с различным количеством витков обмоток, где электрическая длина волны равна ¼.

          Это имеет серьезные последствия, если вы хотите, чтобы трансформатор «Ruthroff» 4:1 работал в широком диапазоне частот от 1,9 до 52MHz. Верхний предел частоты устанавливает максимальную длину провода обмотки и, следовательно, максимальное число витков, которые могут быть размещены на заданном размере кольцевого сердечника.Для того чтобы получить хорошую работоспособность на нижней частоте диапазона нужно применять более высокую проницаемость материала сердечника, либо использовать меньший типоразмер кольца.Увеличение индуктивности, используя большее сечение кольцевого сердечника, например, двойной высоты (тип А), не улучшает ситуацию, потому что снижение числа витков компенсируется увеличением длина провода, необходимого для каждого витка. На самом деле, длина провода остается почти постоянной для получения данного значения индуктивности.Многие популярные широкополосные трансформаторы используют кольцевые сердечники около 2 " диаметра, это приравнивается к максимальному числу витков, которые могут быть использованы для того, чтобы обеспечить достаточную работоспособность на верхней частоте диапазона. Для верхней частоты до 50 Мгц - это от 8 до 10 витков,а до 30 Мгц - это около 20 витков. Кольца Тип 2 и 6 из порошкового железа не имеют достаточно высокой магнитной проницаемости, чтобы нормально работать на низких частотах с таким количеством витков.К сожалению другой побочный эффект добавления витков, помимо сужения полосы пропускания, в том, что это приводит к довольно непредсказуемым паразитным резонансам трансформатора, в частности, когда используется реактивные нагрузки, такие как антенны.

 

Работоспособность на низких частотах.

 

        Для того чтобы исследовать влияние сердечника на низких частотах я попытался измерить влияние между катушками, установленными при различных положениях на кольце T200A - 2 из железного порошка. Сигнал подают на белую обмотку, а показания снимают в обмотке другого цвета.

Красный график - бифилярная с входной обмотки

Оранжевый график - обмотка укладывается поверх входной обмотки

Желтый график - обмотка рядом с входной

Зеленый график - обмотка на расстоянии ¼ от входной

Синий график - обмотка на расстоянии ½ от входной

     Как видно из графика красно - белая бифилярная обмотка имеет лучшую полосу пропускания. Происходит постепенное увеличение уровня потерь, вследствие перемещения катушек относительно друг друга на сердечнике. Чем больше диаметр сердечника, тем выше потери. Я видел несколько примеров трансформаторов намотанных с отдельными катушками на противоположных сторонах кольцевого сердечника.

       Я думаю, что этот график наглядно показывает, почему это не очень хорошая идея.Низкая магнитная проницаемость сердечника T200A - 2 ограничивает его широкополосность и стоит сравнить эти результаты с аналогичного размера катушками намотанными на пластиковый стержень на аналогичных расстояниях.

Красный график - бифилярная с входной обмотки

Оранжевый график - обмотка укладывается поверх входной обмотки

Желтый график - обмотка рядом с входной

Зеленый график - обмотка на расстоянии ¼ от входной

Синий график - обмотка на расстоянии ½ от входной

      Сравнивая эти два набора графиков можно видеть, как мало сердечник влияет на работоспособность в зависимости от частоты. Эти измерения также показывают, что существует малая связь магнитного потока через материал сердечника, при уменьшении магнитной связи обмоток. В целях дальнейшей демонстрации этих наблюдений, здесь представлен график связи между двумя катушками, намотанных на противоположных сторонах сердечника с гораздо более высокой магнитной проницаемостью. В этих измерениях использовались два различных типа ферритового материала.

       Небольшая магнитная связь с сердечником заметна только в нижнем конце частотного диапазона. Я вернусь к этой теме позже.

Синий график - FT 240-61

Красный график - FT180 -43

      Меня поразило то, что использование кольцевого сердечника для строительства трансформатора не так важно, как многие люди, возможно, думают. Главный аргумент в том, что трансформатор, намотанный на кольцевом сердечнике, является менее восприимчивым к насыщению, чем на стержне, изготовленным из того же материала.

     Из этих измерений я пришел к выводу, что очень небольшое количество магнитного потока проходит через сердечник, и что это заметно лишь на низкочастотном конце спектра.

     Для того чтобы продемонстрировать эту теорию я намотал 4:1 «Ruthroff» трансформатор на сердечнике из железного порошка и провел измерения. Затем вырезал секцию из активной зоны сердечника и повторил то же измерение. Вот график, показывающий разницу в потере как до, так и после модификации.

"Байкальская Аварийная Радиолюбительская Служба БАРС", не коммерческое, не правительственное объединение радиолюбителей Иркутской области, целью которых является популяризация радиолюбительства в Байкальском регионе, а так же спасение жизни человека при чрезвычайных ситуациях, катастрофах и бедствиях.