Как сделать широкополосный трансформатор

Как сделать широкополосный трансформатор

Последние мои публикации, посвященные КВ антеннам, вызвали у многих читателей ряд вопросов о конструкции используемых в них трансформаторов и дросселей.

Этот вопрос хорошо освещен в радиолюбительской литературе и многочисленных статьях и, казалось бы, не требует дальнейших комментариев.

Но то ли наш народ разучился искать нужные сведения в море Интернета, то ли ему лень проводить самые простые расчеты по формулам из книг. короче, руководство Московского городского радиоклуба попросило меня поделиться своим опытом изготовления этих изделий.

Самодельные широкополосные симметрирующие дроссели и трансформаторы на ферритовых трубках

Ферритовые трансформаторы на ферритовых трубках выполняют сразу несколько функций: трансформируют сопротивление, симметрируют токи в плечах антенны и подавляют синфазный ток в оплетке коаксиального фидера. Наилучшим отечественным ферритовым материалом для широкополосных трансформаторов является феррит марки 600НН, но из него не изготавливали трубчатых сердечников.

Сейчас в продаже появились ферритовые трубки зарубежных фирм с хорошими характеристиками,
в частности FRR-4,5 и FRR-9,5, имеющие размеры dxDxL 4,5x14x27 и 9,5х17,5х35 соответственно. Последние трубки использовались в качестве помехо-подавляющих дросселей на кабелях, соединяющих системные блоки компьютеров с мониторами на электронно-лучевых трубках. Сейчас их массово заменяют на матричные мониторы, а старые выбрасывают вместе с ферритами.

Четыре таких трубки, сложенные рядом по две, образуют эквивалент «бинокля», на котором можно разместить обмотки трансформаторов, перекрывающих все КВ диапазоны от 160 до 10 м. Трубки имеют скругленные грани, что исключает повреждения изоляции проводов обмоток. Трубки удобно скрепить вместе, обмотав широким скотчем.

Из различных схем широкополосных трансформаторов я использовал простейшую, с раздельными обмотками, витки которых имеют дополнительную связь за счет плотной скрутки проводников между собой, что позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и за счет этого повысить верхнюю границу рабочей полосы частот. Одним витком будем считать провод, продетый через отверстия обеих трубок «бинокля». Половиной витка – провод, продетый через отверстие одной трубки «бинокля». В таблицу
сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках.

Как видим, получается весьма широкий выбор соотношения сопротивлений. Трансформатор с коэффициентом 1:1 – подобно дросселю симметрирует токи в плечах антенны и подавляет синфазный ток в оплетке кабеля питания. Прочие трансформаторы в дополнение к этому еще и трансформируют сопротивления. Чем руководствоваться при выборе числа витков? При прочих равных условиях трансформаторы с одновитковой первичной обмоткой имеют примерно в четыре раза более высокую нижнюю границу полосы пропускания по сравнению с двухвитковой, но и верхняя частота полосы пропускания и них значительно выше. Поэтому для трансформаторов, используемых от диапазонов 160 м и 80 м лучше использовать двухвитковые варианты, а от 40 м и выше – одновитковые. Использовать целочисленные значения числа витков предпочтительно, если желательно сохранить симметрию и разнести выводы обмоток на противоположные стороны «бинокля».

Чем выше коэффициент трансформации, тем труднее получить широкую полосу пропускания, поскольку возрастает индуктивность рассеяния обмоток. Компенсировать ее можно путем включения конденсатора параллельно первичной обмотке, подбирая его емкость по минимуму КСВ на верхней рабочей частоте.

Для обмоток я обычно использую провод МГТФ-0,5 или более тонкий, если нужное число витков не умещается в отверстии. Заранее рассчитываю нужную длину провода и отрезаю ее некоторым запасом. Провод первичной и вторичной обмоток плотно скручиваю до намотки на сердечник. Если отверстие феррита не заполнено обмотками, лучше продевать витки в подходящие по диаметру термоусаживаемые трубки, отрезанные по длине «бинокля», которые после завершения намотки усаживаются с помощью фена. Плотное прижатие витков обмоток друг к другу расширяет полосу трансформатора и часто позволяет исключить компенсирующий конденсатор.

Следует иметь в виду, что повышающий трансформатор может работать и как понижающий, с тем же коэффициентом трансформации, если его перевернуть. Обмотки, предназначенные для подключения к низкоомным сопротивлениям, нужно выполнять из экранной «плетёнки» или нескольких проводов, соединенных параллельно.

Проверку трансформатора можно проводить с помощью измерителя КСВ, нагрузив его выход на безиндуктивный резистор соответствующего номинала. Границы полосы определяются по допустимому уровню КСВ, например 1,1. Измерить потери, вносимые трансформатором, можно путем измерения ослабления, вносимого двумя одинаковыми трансформаторами, включенными последовательно, так, чтобы вход и выход имели сопротивление 50 Ом. Результат не забудьте поделить на 2.

Несколько труднее оценить мощностные характеристики трансформатора. Для этого потребуется усилитель и эквивалент нагрузки, способный выдерживать необходимую мощность. Используется та же схема с двумя трансформаторами. Измерение проводится на нижней рабочей частоте. Постепенно поднимая мощность CW и поддерживая ее примерно с минуту, определяем рукой температуру феррита. Уровень, при котором феррит за минуту начинает чуть заметно нагреваться, можно считать максимально допустимым для данного трансформатора. Дело в том, что при работе не на эквивалент нагрузки, а на реальную антенну, имеющую реактивную составляющую входного импеданса, трансформатор передает еще и реактивную мощность, которая может насыщать магнитный сердечник и вызывать дополнительный нагрев.

На рисунках показаны примеры практических конструкций. На рис.5 – трансформатор, имеющий два выхода: на 200 и 300 Ом.

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

Применение широкополосных трансформаторов в радиоэлектронной аппаратуре

Ковалев Николай

В аппаратуре и системах связи, передачи данных, в усилительной, радиоприемной и радиопередающей технике часто возникает необходимость согласования источника сигнала и нагрузки. При этом желательно передать сигнал с минимальными потерями мощности, частотными и нелинейными искажениями, с минимальными отражениями. Наиболее удобным и универсальным способом решения этой задачи, максимально удовлетворяющим предъявляемым требованиям, является применение широкополосных трансформаторов. Рассмотрим некоторые наиболее типичные случаи их применения и задачи, которые решаются с помощью широкополосных трансформаторов.

Широкополосные трансформаторы, в отличие от изделий, работающих на фиксированной частоте с относительно небольшими отклонениями, например в пределах ±20%, работают в широком диапазоне частот — от одной до нескольких (и даже многих) октав. Они могут выполнять следующие функции:

• согласовывать сопротивления нагрузки (как сосредоточенной, так и линии с распределенными параметрами) с выходным сопротивлением источника сигнала;
• осуществлять гальваническую развязку в цепи сигнала;
• согласовывать несимметричный выход источника сигнала с симметричной линией или нагрузкой, или симметричный выход источника сигнала с несимметричной линией и нагрузкой и т. п.

Широкополосные трансформаторы классифицируются:

• по выполняемой функции:
  – согласующие;
  – развязывающие;
  – симметрирующие
• по назначению: – потоковые (для передачи цифровых потоков, например E1);
  – стыковые;
  – интерфейсные;
  – линейные (предназначенные для работы с линией связи);
  – трансформаторы ISDN, SHDSL, ADSL и т. д. (предназначенные для работы в составе соответствующей аппаратуры)
• по месту использования в устройстве, например:
  – входные;
  – выходные;
  –межкаскадные
• по диапазону частот: – низкочастотные;
  – звуковые;
  – ультразвуковые;
  – высокочастотные.

Классификация трансформаторов достаточно условна, так как одно и то же изделие может выполнять или одну, или сразу несколько функций, например согласовывать выходное сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки и в то же время осуществлять гальваническую развязку и симметрирование. Классификация по другим признакам также условна. Один и тот же трансформатор может применяться в различной аппаратуре, использоваться на входе и на выходе и т. д.

Широкополосные трансформаторы могут быть маломощными, предназначенными для передачи сигналов небольших уровней (сигнальные трансформаторы). Они могут быть и мощными, используемыми для передачи относительно больших уровней мощности (например, выходные трансформаторы усилителей мощности звуковой частоты, выходных каскадов мощных широкодиапазонных радиопередатчиков, ультразвуковых генераторов).

Трансформаторы могут работать как без подмагничивания, так и с подмагничиванием постоянной составляющей тока. В первом случае трансформатор выполнить проще, его магнитопровод не имеет немагнитного зазора, легче получить заданные параметры. Постоянная составляющая тока появляется либо из-за наличия ее в поступающем на первичную обмотку сигнале, либо в случае передачи через обмотки трансформатора тока дистанционного питания. Ток дистанционного питания (ДП) может подаваться несколькими способами. Если ток ДП подается в среднюю точку обмотки (рис. 1 для двухпроводной линии и рис. 2 для четырехпроводной линии), то он не создает поля, подмагничивающего сердечник, так как при симметрии обеих половин обмотки поля от тока ДП взаимно компенсируются. Этот ток лишь нагревает обмотку, что учитывается при выборе диаметра провода. При фантомном подключении ДП в двухпроводную линию (рис. 3) ток ДП, проходя по обеим половинам обмотки, создает магнитные поля, которые складываются, так как по отношению к этому току обе половины обмотки включены согласно. Для предотвращения насыщения сердечника и появления нелинейных искажений он должен быть выполнен с немаг- нитным зазором.

Рассмотрим влияние параметров трансформатора на его работу.

Эквивалентная схема трансформатора с подключенным источником сигнала и нагрузкой приведена на рис. 4.

• R_r — внутреннее (выходное) сопротивление источника сигнала (генератора);
• R₁ — активное сопротивление первичной обмотки;
• R_П — сопротивление, эквивалентное потерям в магнитопроводе;
• R’₂=R₂/n 2 — приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмотки, где n=W 2/W₁ — коэффициент трансформации;
• R’_H=R_H/n₂ — приведенное сопротивление нагрузки;
• С₁ — собственная емкость первичной обмотки;
• C’₂=n 2 C₂ — приведенная собственная емкость вторичной обмотки;
• C₃ — межобмоточная емкость;
• C’_H=n 2 C_H — приведенная емкость нагрузки;
• L₁ — индуктивность первичной обмотки (индуктивность намагничивания);
• L_S1 — индуктивность рассеяния первичной обмотки;
• L’_S2=L_S2/n 2 — приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Единственным принципиально необходимым элементом схемы, кроме генератора с его внутренним сопротивлением и нагрузкой с ее параметрами, является индуктивность намагничивания трансформатора, все остальные его параметры (элементы эквивалентной схемы) являются паразитными.

Идеальный трансформатор, в котором индуктивность намагничивания L₁ и сопротивление потерь RП равны бесконечности, а сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток, а также их собственные емкости и межобмоточная емкость равны нулю, пере- дает сигнал от источника в нагрузку без потерь мощности и без искажений в частотном диапазоне, охватывающем весь спектр сигнала. Для максимальной передачи мощности сигнала в нагрузку и для исключения отражений идеальный трансформатор должен иметь такой коэффициент трансформации, чтобы выполнялось условие:

откуда можно рассчитать коэффициент трансформации:

Реальный трансформатор не обеспечивает идеальной передачи сигнала из-за неизбежного наличия потерь и паразитных параметров. Для максимального приближения к идеалу необходимо стремиться к их минимизации, однако в разумных пределах, чтобы не увеличивать стоимость и габариты изделий. Кроме того, необходимо учитывать, что улучшение одних характеристик может привести к ухудшению других. Поэтому трансформатор, разработанный для конкретных технических требований, является компромиссным решени- ем, оптимальным для данного применения.

Потери в магнитопроводе складываются из потерь на гистерезис, потерь на вихревые токи и дополнительных потерь. Снижение потерь на гистерезис достигается выбором материала магнитопровода с узкой петлей гистерезиса. Снижение потерь на вихревые токи достигается выбором материала с высоким сопротивлением или тонколистового материала. В широкополосных трансформаторах широкое применение находят ферриты (особенно высокопроницаемые), тонколистовая электротехническая сталь и аморфные сплавы.

Увеличение индуктивности первичной обмотки (индуктивности намагничивания) улучшает передачу сигнала на нижних частотах ди- апазона, однако ее невозможно сделать бесконечно большой. Кроме того, при увеличении индуктивности за счет увеличения числа витков возрастает активное сопротивление и собственная емкость обмотки, а также пропорционально растут сопротивления и емкости вторичных обмоток и индуктивности рассеяния. Это снижает резонансные частоты трансформатора и приводит к сужению полосы пропускания в области верхних частот. Поэтому выбор индуктивности намагничивания является компромиссом. Как видно из эквивалентной схемы, индуктивность первичной обмотки образует с выходным сопротивлением источника сигнала частотно-зависимый делитель напряжения, поэтому в зависимости от заданной величины рабочего затухания и рабочего диапазона частот она выбирается из соотношения:

где ƒ_H — нижняя частота рабочего диапазона.

Причем значение 10 берется для более низких частот, например звуковых, а 4— для более высоких, например для частот радиодиапазона при R_r=(50. 75) Ом.

Допустимые сопротивления обмоток определяются исходя из допустимой величины рабочего затухания на средней частоте рабочего диапазона.

Индуктивности рассеяния, емкости обмоток и межобмоточная емкость влияют на параметры трансформатора на верхней частоте рабочего диапазона частот. При разработке они обычно не рассчитываются, так как точность расчетов невысока и проще изготовить макет и на нем снять реальные амплитудночастотные характеристики.

При работе трансформатора в звуковом диапазоне частот с не очень широкой полосой пропускания (около одной декады) специальные меры по снижению индуктивности рассеяния, собственных и межобмоточных емкостей не применяются. Так выполнен широко известный трансформатор ТРС2-1. С расширением рабочего диапазона частот и смещением его в высокочастотную область приходится применять сложные методы намотки, позволяющие уменьшить индуктивности рассеяния и паразитные емкости. При этом трудоемкость изготовления и стоимость трансформатора, естественно, возрастают, но зато получаются требуемые параметры.

При достаточно широкой полосе частот и высоких частотах с успехом могут применяться трансформаторы на длинных линиях с распределенными параметрами. Пример такого согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации по напряжению 2:1, а по сопротивлению 4:1, выполненного в двух вариантах: на длинной линии в виде витой пары, намотанной на ферритовое кольцо, и на коаксиальной линии, — представлен на рис. 5а и5б соответственно, а укладка обмотки и соединение выводов показаны (условно) на рис. 5в.

При необходимости расширения диапазона в области высоких частот дополнительно могут применяться цепи частотной компенсации на входе и выходе трансформатора.

Исходными данными для разработки широкополосных трансформаторов являются следующие параметры:

• диапазон рабочих частот (f_H. f_B) и затухание на краях диапазона;
• выходное сопротивление источника сигнала (или волновое сопротивление линии);
• сопротивление нагрузки (или волновое сопротивление линии при работе на линию);
• может быть задан коэффициент трансформации;
• затухание асимметрии (для симметрирующих трансформаторов);
• затухание нелинейности или коэффициент гармоник (при необходимости);
• электрическая прочность изоляции;
• сопротивление обмоток или рабочее затухание;
• индуктивность первичной обмотки или любой из обмоток (при необходимости);
• собственные емкости обмоток и межобмоточные емкости.

Таким образом, широкополосные трансформаторы являются почти идеальными (и почти единственными) элементами, позволяющими согласовывать источники сигналов и нагрузки, аппаратуру и соединительные линии; они используются как на входах, так и на выходах, широко применяются в самых различных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Литература

1. ОСТ4.ГО.012.013. Трансформаторы для аппаратуры проводной связи. Типовой расчет.
2. ОСТ4.473.002. Трансформаторы сигнальные и дроссели аппаратуры связи. Методы измерения основных параметров.
3. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: схемы, блоки, 50-омная техника. Пер. с нем. М. «Мир». 1990.

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Как сделать широкополосный трансформатор

Пишет мне один радиолюбитель: “Вопрос у меня конкретный. Задумал я в самодельный трансивер ввести диапазон 144мгц. Смеситель типовой – трансформаторы на колечках, диоды… Логику – проверил. Вроде бы все “щелкает”, переключается. Теперь хочу узнать – жизнеспособна ли моя затея? Вопрос в кольцах. Согласно справочнику 50 ВЧ работают до 30 МГц. 20 ВЧ – немного более. А, вот на 144 МГц – вопрос! Так вот, на этих кольцах трансформаторы потянут ли?”

В этих нескольких строчках заключены вопросы, ответы на которые, казалось бы, очевидны для большинства радиолюбителей. Бери кольцо, да мотай! Однако, не все так просто в понимании работы широкополосных трансформаторов. Пришлось собрать в уме все то, чему меня учили , свой практический опыт и, дать ответ…

По поводу ферритовых колец в смесителе в данном случае , и вобще о широкополосных трансформаторах на длинных линиях (ШПТЛ) , существует множество глубоких и устойчивых заблуждений. Здесь как раз одно из них! Хотя, если “потянуть ниточку”, то концов в этом “клубочке” заблуждений окажется очень много .

Известно, что в старых распространенных радиолюбительских конструкциях всегда рекомендовались ферриты с проницаемостью 2000. 600. А они ведь очень низкочастотные! Однако же в каком ни будь “Радио-76” они стоят и на входе и во всех смесителях. Что, авторы этих конструкций, известные радиолюбители, совершили ошибку? Отнюдь! Они то помнили и понимали, что энергия в ШПТЛ-ах передается не через перемагничивание сердечника, а непосредственно от элемента линии к элементу. Феррит здесь нужен для того, что бы повысить сопротивление линии для синфазных токов и в качестве “сборщика” полей рассеивания. Т.е. поглотителя энергии, которая паразитно наводится вокруг линии. Я, например, в своих конструкциях на КВ часто использую ферритовые кольца НМ2000. Это не значит, что надо применять только такие ферриты. Я хочу сказать, что и с такими магнитопроводами трансформаторы вполне нормально работают в широкой полосе радиочастот.

Какие же условия должны соблюдаться для того, что бы трансформатор был именно на длинных линиях?

1) Его обмотки должны представлять собой длинные линии с известным волновым сопротивлением. Проще говоря – все “обмотки” трансформатора должны быть сделаны из параллельных или слегка скрученных проводов с одинаковыми расстояниями между ними. Конструкции трансформаторов, которые выполнены “традиционным” способом (первичная обмотка на одной части кольца, вторичная на другой) НЕ РАБОТОСПОСОБНЫ! В этом можно убедиться, сделав простой эксперимент. Намотайте трансформатор на кольце с коэффициентом трансформации 1:1 или 1:2 (эти цифры еще один повод для обсуждения) и нагрузите на соответственный эквивалент нагрузки, сделанный, например, из резистора МЛТ-2. В первом случае – это 50 Ом, а во втором – 200 Ом. Подайте на трансформатор постоянный сигнал небольшой мощности с любого современного трансивера, используя его, как ГСС. Так вот, когда трансформатор намотан “традиционным” способом, то он дает КСВ на входе, равный БЕСКОНЕЧНОСТИ! А когда ваш трансформатор по конструкции – истинный ШПТЛ, то КСВ будет около 1 и в широком диапазоне частот. Опыт можно повторить с различными ферритами. Такой эксперимент очень показателен, его можно проделать не выходя из дома, на своем рабочем столе,

2) ШПТЛ должен быть нагружен по входу и выходу на АКТИВНЫЕ нагрузки равные примерно волновому сопротивлению линий из которых он сделан.

Типовой пример: Наш брат – радиолюбитель применяет для “симметрирования” антенн огромные по величине ферритовые кольца возле полотна. Однако описанный выше эксперимент с активными нагрузками показывает, что колечко диаметром в 10. 20 мм выдерживает мощность в 100 Вт и не нагревается! Так где же правда? Правда , в том, что антенна (диполь или рамка) имеет низкое активное сопротивление ТОЛЬКО на одной единственной частоте, частоте первой гармоники антенны. Высокие активные сопротивления, которые имеются на четных гармониках, на практике неприменимы. Низкоомные резонансы на нечетных верхних гармониках попадают уже не в радиолюбительские диапазоны. А на остальных частотах ВСЕГДА будут присутствовать значительные реактивности. Они вызывают сильный нагрев кольца и поэтому оно должно иметь большую поверхность охлаждения т.е. быть БОЛЬШИМ. К примеру , в импортных стоваттных трансиверах на выходе ПА стоят микроскопические ферритовые бинокли. И. НИЧЕГО! Это не из-за того, что они сделаны из диковинного материала. Просто одно из требований к выходной нагрузке для таких трансиверов – что бы она была АКТИВНОЙ. (Другое требование – 50 Ом). Следует опасаться тех публикаций, где рекомендуют мотать строго определенное число витков для ВЧ трансформатора. Это признак еще одной “болезни сознания” – квазирезонансного использования ШПТЛ-а. Вот от туда “ростут ноги” у легенды о необходимости применять ВЧ ферриты. Но… Широкополосности то уже НЕТ!

Теперь про упомянутые 1:1 и 1:2. В школьном курсе физики коэффициент трансформации – это соотношение витков первичной и вторичной обмоток. Т.е. соотношение входных и выходных напряжений. Почему же у радиолюбителей этот параметр превратился “по умолчанию” в коэффициент трансформации сопротивлений? Да потому, что трансформация сопротивлений более важна в нашей среде. Но не следует доходить до апсурда! Вот разговор подслушанный в эфире – два радиолюбителя обсуждают как сделать тансформатор с 50 на 75 Ом. Один предлагает мотать его с соотношением витков 1:1,5. И когда им кто-то робко возражает, в ответ слышны только обвинения в технической неграмотности. И подобное случается на каждом шагу! А всего лишь – ТЕРМИНЫ! Получается, что великий закон сохранения энергии для них не действует и можно при напряжении на входной обмотке, предположим 1 Вольт, подавая на 50-ти омный вход трансформатора мощность 20 мВт, на 75-ти оммном выходе снимать уже 30 мВт. Вот такой “вечный двигатель” получается! Здесь всего то лишь надо помнить, что коэффициент трансформации сопротивлений находится в квадратичной зависимости от коэффициента трансформации напряжений. Другими словами трансформатор 1:2 будет трансформировать сопротивление 50 Ом в 200 Ом, а трансформатор 5:6 сопротивление 50 Ом в 75 Ом. Почему я написал 5:6, а не 1:1,2? Вот здесь – один шаг до конструкции. Как уже говорилось, ШПТЛ должен мотаться линией. А линия – это два или несколько сложенных вместе и слегка скрученных провода. Волновое сопротивление такой линии зависит от диаметра проводов, расстояния между их центрами и шага скрутки. Для трансформации 50 Ом в 75 Ом необходимо использовать линию из ШЕСТИ проводов и, если нет требования к симметрированию, соединить эти провода по схеме Рис.1

Как вы заметили, схема тоже нарисована по-особому, не как обычный трансформатор. Такое изображение лучше отражает суть конструкции. Привычное схемное изображение, Рис.2, и, соответственно, “традиционная” конструкция автотрансформатора с однослойной обмоткой и отводом от 0,83 общего количества витков при практических испытаниях “на столе” показывает гораздо худшие результаты по широкополосности.

По конструктивным и эксплуатационным соображениям нежелательно так же делать ШПТЛ с укороченным участком одной из линий. Рис.3. Несмотря на то, что это позволяет легко делать любые, даже дробные, коэффициенты трансформации. Такое решение приводит к появлению неоднородности в линии, вследствии чего ухудшается широкополосность.

Интересный вопрос: – “Какие предельные коэффициенты трансформации можно получить в ШПТЛ?” Особенно интересно найти ответ на этот вопрос тем, кто “заболел” идеей сделать широкополосный апериодический ламповый усилитель мощности, где необходимо трансформировать сопротивление порядка 1..2 КОм со стороны лампы в сопротивление 50 Ом. Эксперимент “на столе” дает довольно интересный результат. Опять здесь все зависит от конструкции обмоток. К примеру, если сделать “традиционный” трансформатор или автотрансформатор с коэффициентом трансформации, предположим, 1:10, нагрузить его на положенное активное сопротивление, равное 5 КОм и промерить КСВ на пятидесятиоммной стороне, то от результата волосы могут встать дыбом! А если в добавок снять АЧХ, то будет понятно, что от широкополосности ничего не осталось. Имеется один явный, довольно острый резонанс, обусловленный индуктивностью.

Эту больную тему можно было бы еще развивать до бесконечности, но… Все затмила конструкция широкополосного симметрирующего трансформатора на трансфлюксоре (двухдырочном ферритовом сердечнике) Рис.4, которую мне удалось “подсмотреть” в импортной антенне для телевизора типа “усы”. Изображение на рисунку конечно схематическое – на самом деле обмотки состоят из нескольких (3. 5) витков. Долго с недоумением я рассматривал его конструкцию, пытаясь понять систему намотки. Наконец удалось нарисовать расположение “обмоток”. Вот уж – пример использования истинных длинных линий!

Если бы я не знал,что это линии, то подумал бы, что я сумасшедший! Особенно эта красная короткозамкнутая обмотка… Но, почему же мы не удивляемся в случае, когда, например в кабельном U-колене, необходимо соединить в одной точке оплетку с двух концов коаксиального кабеля. Тоже, ведь – ЛИНИЯ! При настольном эксперименте на эквивалент нагрузки этот микротрансформатор, предназначенный для работы на частотах в сотни мегагерц, показал великолепные результаты на значительно более низких частотах, вплоть до диапазона 40 м и при полной мощности трансивера.

Попутно разберемся с легендами о симметричности и симметрировании. Выясним, как очень просто определить является ли тот или иной ШПТЛ симметрирующим, или авторы только заявляют об этом свойстве, а симметрии там и в помине нет. Тут нам снова поможет “Его Величество – Эксперимент” и “Его высочество – теоретический анализ результатов эксперимента ”.

Сперва разберемся, что такое симметричный выход и чем он отличается от несимметричного. Оказывается тут все зависит от конструкции трансформатора. Вот, например, самый простой случай – ШПТЛ с коэффициентом трансформации 1:1. Любой настоящий или мнимый ШПТЛ (Бывают и такие! И не редко!) можно легко проверить с помощью своего домашнего трансивера. Достаточно присоединить к выходу трансформатора активную нагрузку (эквивалент) с сопротивлением, соответствующим к-ту трансформации, и проверить КСВ на 50-ти омном входе при максимальной мощности передатчика (максимальная точность КСВ метра) в заданном диапазоне частот. Если ШПТЛ настоящий, то КСВ должен быть близок к идеалу т.е. 1,0 и в ШИРОКОЙ полосе частот (на то он и ШИРОКОПОЛОСНЫЙ трансформатор!) Желательно иметь открытый на передачу трансивер с непрерывным перекрытием и не в коем случае не включать внутренний антенный тюнер. Свойство симметрии проверяется при приеме с помощью ПАЛЬЦА (не 21-го! Хотя, можно и им!). Симметрия – суть РАВНОПРАВИЕ обеих выводов нагрузки относительно земли (корпуса трансивера). При приеме какой-либо станции (можно вещательной, это удобнее. ) при прикосновении ПАЛЬЦЕМ или отверткой к концам нагрузки, присоединенной к СИММЕТРИЧНОМУ выходу ШПТЛ, по показаниям S-метра и на слух все должно быть одинаково. Но уровень сигнала должен быть на один бал (-6 дБ или два раза по U) меньше на каждом несимметричном выходе. (это в случае к-та трансформации 1:1). В качестве нагрузки кратковременно даже для 100 Вт передачи удобно применять резистор МЛТ-2 на 51 Ом. При этом наблюдается интересный эффект – во время приема синала через симметрирующий транс, при проведении ПАЛЬЦЕМ по корпусу этого резистора с одного края будет слышна радиостанция, в центре резистора – ее слышно не будет, а с другого края – будет слышно так же, как с первого. Только при таких условиях трансформатор можно считать симметрирующим. Попробуйте разные конструкции ШПТЛ-ов, которые публикуются в литературе и в интернете. Результаты Вас могут сильно удивить.

Короче! Делайте свой смеситель на любом кольце с НЧ ферритом. Испытаете – напишите! Экспериментируйте смелее!

Согласующие устройства на ферритовых магнитопроводах

Вопросы согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением фидера, а также симметрирование антенн для радиолюбителей всегда были и остаются актуальными. В последние годы особый интерес проявляется к трансформирующим и согласующим устройствам на ферритовых кольцах. Это связано с тем, что такие устройства могут быть малогабаритными, иметь высокий (до 98 %) КПД. Кроме того, в них не проявляются резонансные свойства при перекрытии частотного интервала в несколько октав (например, от 1 до 30 МГц) что особенно удобно, когда используются многодиапазонные антенны (“квадраты”, “INVERTED V” [1. 2], 3-элементный трехдиапазонный “волновой канал” [3] и т. д.).

В таких широкополосных трансформаторах обмотки выполняют в виде двухпроводных длинных линий передачи (на основе коаксиального кабеля или однородных), намотанных на ферритовое кольцо. Такое выполнение обмоток позволяет практически устранить индуктивность рассеивания и уменьшить индуктивность выводов.

Условное обозначение трансформатора на длинных линиях (ТДЛ), принятое в статье, с одной обмоткой из двухпроводной линии приведено на рис. 1.а, с несколькими (в данном случае с двумя) – на рис. 1.б.

Рис.1

На рис. 2 показано включение ТДЛ с коэффициентом трансформации n=1.

Рис.2

Трансформатор состоит из обмотки в виде однородной длинной линии, намотанной на кольцевой ферритовый магнитопровод. Ее электрическая длина P=2пl/L, где l – геометрическая длина линии, L – длина волны (лямбда). Так как при распространении высокочастотной волны токи, протекающие по проводникам линии, равны по значению и противоположны по направлению, то магнитопровод не намагничивается, а это значит, что мощность в феррите практически не теряется. При согласовании вол нового сопротивления линии g с сопротивлениями источника Rг и нагрузки Rн ТДЛ теоретически не имеет нижней и верхней граничных -частот. На практике же максимальная рабочая частота ограничивается из-за индуктивности выводов и излучения линии.

Следует обратить внимание на особенность ТДЛ. которая заключается в наличии двух видов напряжений: противофазного U, действующего между проводниками линии и определяемого мощностью сигнала, и синфазного (или продольного) V, обусловленного асимметрией нагрузки и зависящего от варианта включения трансформатора.

Как образуется синфазное напряжение, действующее между генератором и нагрузкой, т. е. на индуктивности линии Lл, хорошо видно из рис, 3.

Рис.3

Очевидно, что проводники длинной линии шунтируют нагрузку и генератор, если по ним протекают синфазные токи. Введение магнитопровода резко увеличивает индуктивность обмотки, тем самым повышает сопротивление синфазному току и резко уменьшает их шунтирующее действие. В тоже время на распространение волны магнитопровод не оказывает влияния, так как обеспечивается режим бегущей волны (Rг=g=Rи).

Существует несколько способов построения ТДЛ с целочисленным коэффициентом трансформации п. Можно, например, придерживаться следующего правила. Обмотки (их должно быть n) выполняют из равных по электрической длине отрезков двухпроводных линий. Каждую обмотку размещают на отдельном кольцевом магнитопроводе одного типа. Входы линий с повышающей стороны соединяют последовательно, с понижающей — параллельно.

В общем виде схема включения ТДЛ с целочисленным коэффициентом трансформации п показана на рис. 4.

Рис.4

Здесь справедливы соотношения Rг=n2Rн, U1=nU2, g=nRн.

На рис. 5 изображены различные варианты включения ТДЛ.

Рис.5

Можно построить ТДЛ и на одном магнитопроводе, но при этом обязательно соблюдают следующие требования. Во-первых, число витков каждой линии должно быть пропорционально значению синфазного напряжения, действующего между концами этой линии, поскольку обмотки связаны общим магнитным потоком. Во-вторых, геометрические длины всех линий обязательно должны быть одинаковыми. В зависимости от варианта включения ТДЛ может даже случиться, что некоторые линии частично или полностью должны быть размещены не на магнитопроводе.

Чтобы определить число витков в обмотках, необходимо вычислить значения синфазных напряжений Vк на каждой линии.

В ТДЛ с несимметричными входом и выходом (тип НН. рис. 5, а)

в инвертирующем (тип НН, рис. 5, б) Vк=(n-к+1)Uн;

с симметричным входом и несимметричным выходом (тип СН, рис. 5, в)

с несимметричным входом и симметричным выходом (тип НС, рис. 5, г)

с симметричными входом и выходом (тип СС, рис. 5, д)

В формулах n – коэффициент трансформации, к – порядковый номер линии, считая сверху, Uн – напряжение на нагрузке.

Эти же формулы являются исходными. когда определяют отношение числа витков в обмотках, размещаемых на магнитопроводе. Если, например, ТДЛ с коэффициентом трансформации n=3 включают по схеме, изображенной на рис. 5, а, то V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. Из этого следует, что верхнюю по рисунку линию размещают на магни-топроводе полностью (w1), у второй –только половину витков (w2=w1/2), а третья целиком (w3=0) должна находиться пне магнитопровода. Геометрическая длина всех линий одинакова.

При согласовании “волнового канала”, имеющего входное сопротивление 18,5 Ом, с 75-омным коаксиальным кабелем с помощью ТДЛ (включен по схеме рис. 5, г) с коэффициентом трансформации 2 соотношение витков обмоток равно w1_w2= (2+1/2-1:(2+1/2-2)=3:1. Это означает, что на магнитопроводе верхняя по рисунку обмотка должна находиться целиком, а у второй – только ее третья часть.

Когда длина линий для обмоток много меньше длины рабочей волны, ТДЛ могут быть упрощены: линии, где синфазные напряжения равны нулю. заменяют перемычкой. В этом случае, например, трехобмоточный ТДЛ (рис. 5, д) преобразуется в двухобмоточный (рис. 6).

Рис.6

Коэффициент передачи ТДЛ зависит от того, насколько волновое сопротивление отлично от оптимального значения и каково при этом соотношение электрической длины линии и длины волны. Если, например, с отличается от требуемого в два раза, то потери в ТДЛ равны 0,45 дБ при длине линии лямбда/8 и 2,6 дБ при лямбда/4. На рис. 7 приведена зависимость коэффициента передачи ТДЛ с n=2 от фазовой длины его линий для трех значений g.

Рис.7

Расчет, приведенный в [4], показывает, что, если используются линии с оптимальными значениями у, коэффициент стоячей волны в ТДЛ не превышает 1,03 при длине линии лямбда/16 и 1,2 при длине лямбда/8. Отсюда можно сделать вывод, что параметры ТДЛ остаются удовлетворительными при длине двухпроводных линий меньше лямбда/8.

Исходными данными при расчете ТДЛ являются коэффициент трансформации п, вариант включения ТДЛ, нижняя и верхняя границы рабочего диапазона частот (в герцах), максимальная мощность Рmax на нагрузке (в ваттах), сопротивление нагрузки Rн (в омах) и волновое сопротивление фидера g (в омах). Расчет ведут в такой последовательности.

1. Определяют минимальную индуктивность проводника линии Lл (в генри) из условия, что

На практике Lл, можно брать в 5. 10 раз больше вычисленного отношения Rг к 2fн.

2. Находят число витков w линии на кольце магнитопровода:

где dcp – средний диаметр кольца (в см), S – площадь поперечного сечения магнитопровода (в см 2 ), ,u – относительная магнитная проницаемость магнитопровода. 3. Рассчитывают синфазный ток Ic; (в амперах), протекающий по обмотке ТДЛ, на низшей рабочей частоте:

где Vc – синфазное напряжение на линии, вычисляемое для конкретных вариантов включения в соответствии с вышеприведенными соотношениями.

4. Определяют магнитную индукцию (в теслах) Магнитопровода:

Магнитопровод выбирают с учетом, чтобы он не насыщался синфазным током (или постоянным, если он есть). Для этого магнитная индукция в магнитопроводе должна быть на порядок меньше индукции насыщения (берут из справочников).

5. Находят Пиковое напряжение Uпик в линии:

где у – КСВ в фидере.

6. Вычисляют эффективное значение тока Iэфф (в амперах):

7. Определяют диаметр d проводов (в миллиметрах) длинной линии:

где J – допустимая плотность тока (в амперах на миллиметр квадратный).

Для ТДЛ антенных согласующих устройств подходят кольцевые (типоразмерами К55Х32Х9, К65Х40Х9) магнитопроводы из ферритов 300ВНС, 200ВНС, 90ВНС, 50ВНС, а также 400НН, 200НН, 100НН. При необходимости магнитопровод может быть составлен из нескольких колец. Нужное волновое сопротивление длинной линии получают, равномерно скручивая между собой (с определенным шагом) проводники (см. таблицу). В случае крестообразного соединения проводов с оказывается ниже, чем когда соединены между собой соседние проводники. Волновое сопротивление линии из нескрученных проводов диаметром 1.5 мм равнялось 86 Ом.

Волновое сопротивление длинной линии в зависимости от шага скрутки и вида соединений