Dispositifs d'adaptation sur circuits magnétiques en ferrite. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Les problèmes d'adaptation de l'impédance d'entrée de l'antenne à l'impédance d'onde du chargeur, ainsi que d'équilibrage des antennes pour les radioamateurs ont toujours été et restent d'actualité. Ces dernières années, un intérêt particulier a été porté à la transformation et à l'adaptation de dispositifs sur des anneaux de ferrite. Cela est dû au fait que ces appareils peuvent être de petite taille et avoir un rendement élevé (jusqu'à 98%). De plus, ils ne présentent pas de propriétés de résonance lorsque l'intervalle de fréquence est recouvert de plusieurs octaves (par exemple, de 1 à 30 MHz), ce qui est particulièrement pratique lorsque des antennes multibandes sont utilisées ("carrés", "V INVERSÉ" [ 1. 2], "canal d'onde" à trois niveaux à trois éléments [3], etc.).

Dans de tels transformateurs large bande, les bobinages sont réalisés sous la forme de lignes de transmission longues bifilaires (à base de câble coaxial ou homogène), bobinées sur un anneau de ferrite. Cette conception des bobinages permet de supprimer pratiquement l'inductance de fuite et de réduire l'inductance des conducteurs.

Le symbole d'un transformateur sur lignes longues (TDL), adopté dans l'article, avec un enroulement d'une ligne à deux fils est illustré à la fig. 1.a, avec plusieurs (dans ce cas, deux) - sur la fig. 1.b.

Sur la fig. La figure 2 montre l'inclusion de TDL avec un rapport de transformation de n=1.

Ris.2

Le transformateur est constitué d'un enroulement sous la forme d'une longue ligne uniforme enroulée sur un circuit magnétique annulaire en ferrite. Sa longueur électrique est P=2pl/L, où l est la longueur géométrique de la raie, L est la longueur d'onde (lambda). Comme lors de la propagation d'une onde haute fréquence, les courants traversant les conducteurs de la ligne sont égaux en valeur et opposés en sens, le circuit magnétique n'est pas aimanté, ce qui signifie qu'il n'y a pratiquement pas de perte de puissance dans la ferrite. Lorsque l'impédance d'onde de la ligne g est adaptée aux résistances de la source Rg et de la charge Rl, le TDL n'a théoriquement pas de fréquences limites inférieure et supérieure. Dans la pratique, la fréquence maximale de fonctionnement est limitée en raison de l'inductance du plomb et du rayonnement de la ligne.

Il convient de prêter attention à la particularité de TDL. qui consiste en la présence de deux types de tensions : anti-phase U, agissant entre les conducteurs de ligne et déterminée par la puissance du signal, et de mode commun (ou longitudinal) V, due à l'asymétrie de la charge et selon l'option d'enclencher le transformateur.

La formation de la tension de mode commun, agissant entre le générateur et la charge, c'est-à-dire sur l'inductance de ligne Ll, est clairement visible sur la Fig. 3.

Ris.3

Il est évident que les conducteurs d'une longue ligne shuntent la charge et le générateur si des courants de mode commun les traversent. L'introduction d'un circuit magnétique augmente fortement l'inductance de l'enroulement, augmentant ainsi la résistance au courant de mode commun et réduisant fortement leur effet de shunt. Dans le même temps, le circuit magnétique n'affecte pas la propagation de l'onde, car le mode d'onde progressive est fourni

(Rg=g=Ri).

Il existe plusieurs façons de construire un TDL avec un facteur de transformation entier n. Par exemple, on peut adhérer à la règle suivante. Les enroulements (il doit y en avoir n) sont constitués de segments de lignes bifilaires de longueur électrique égale. Chaque enroulement est placé sur un circuit magnétique annulaire séparé du même type. Les entrées des lignes du côté supérieur sont connectées en série, avec le côté inférieur - en parallèle.

En général, le circuit de commutation d'un TDL avec un rapport de transformation entier n est illustré à la Fig. quatre.

Ris.4

Ici les relations

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

Sur la fig. 5 montre différentes possibilités d'activation du TDL.

Il est possible de construire un TDL sur un circuit magnétique, mais les exigences suivantes doivent être respectées. Premièrement, le nombre de spires de chaque ligne doit être proportionnel à la valeur de la tension de mode commun agissant entre les extrémités de cette ligne, puisque les enroulements sont reliés par un flux magnétique commun. Deuxièmement, les longueurs géométriques de toutes les lignes doivent nécessairement être les mêmes. Selon l'option d'enclenchement du TDL, il peut même arriver que certaines lignes partiellement ou totalement doivent être placées hors du circuit magnétique.

Pour déterminer le nombre de spires des enroulements, il faut calculer les tensions de mode commun Vk sur chaque ligne.

En TDL avec entrée et sortie asymétriques (type NN. Fig. 5, a)

Vk \uXNUMXd (n-k) Un;

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

avec entrée symétrique et sortie asymétrique (type SN, Fig. 5, c)

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

avec entrée asymétrique et sortie symétrique (type NS, Fig. 5, d)

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

avec entrée et sortie symétriques (type SS, Fig. 5, e)

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

Dans les formules, n est le rapport de transformation, k est le numéro de série de la ligne, en partant du haut, Un est la tension à la charge.

Ces formules sont celles d'origine. lorsque le rapport du nombre de tours dans les enroulements placés sur le circuit magnétique est déterminé. Si, par exemple, un TDL avec un rapport de transformation de n = 3 est activé selon le schéma illustré à la fig. 5, a, puis V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. Il en résulte que la ligne supérieure de la figure est placée complètement sur le circuit magnétique (w1), la deuxième ligne n'a que la moitié des tours (w2 = w1/2) et la troisième ligne (w3 = 0) doit être complètement sur le circuit magnétique. La longueur géométrique de toutes les lignes est la même.

Lors de l'adaptation d'un "canal d'onde" avec une impédance d'entrée de 18,5 ohms avec un câble coaxial de 75 ohms utilisant un TDL (connecté selon le circuit de la Fig. 5, d) avec un rapport de transformation de 2, le rapport des tours d'enroulement est égal à w1:w2= (2+1 / 2-1: (2 + 1 / 2-2) \u3d 1: XNUMX. Cela signifie que sur le circuit magnétique, l'enroulement supérieur de la figure doit être entièrement et le second - seulement sa troisième partie.

Lorsque la longueur des lignes pour les enroulements est très inférieure à la longueur d'onde de fonctionnement, le TDL peut être simplifié : lignes où les tensions de mode commun sont nulles. remplacé par un cavalier. Dans ce cas, par exemple, un TDL à trois enroulements (Fig. 5, e) est converti en un TDL à deux enroulements (Fig. 6).

Ris.6

Le coefficient de transmission du TDL dépend de l'écart entre l'impédance d'onde et la valeur optimale et du rapport entre la longueur électrique de la ligne et la longueur d'onde. Si, par exemple, c diffère des deux fois requis, alors les pertes dans le TDL sont de 0,45 dB pour la longueur de ligne lambda/8 et de 2,6 dB pour lambda/4. Sur la fig. La figure 7 montre la dépendance du coefficient de transmission d'un TDL avec n=2 sur la longueur de phase de ses lignes pour trois valeurs de g.

Ris.7

Le calcul donné dans [4] montre que si des lignes avec des valeurs y optimales sont utilisées, le taux d'onde stationnaire en TDL ne dépasse pas 1,03 pour la longueur de ligne lambda/16 et 1,2 pour la longueur de ligne lambda/8. On peut en conclure que les paramètres TDL restent satisfaisants lorsque la longueur des lignes bifilaires est inférieure à lambda/8.

Les données initiales pour le calcul du TDL sont le rapport de transformation p, la possibilité d'allumer le TDL, les limites inférieure et supérieure de la plage de fréquence de fonctionnement (en hertz), la puissance maximale Pmax à la charge (en watts), la la résistance de charge Rn (en ohms) et l'impédance d'onde du départ g (en ohms). Le calcul est effectué dans l'ordre suivant.

1. Déterminer l'inductance minimale du conducteur de ligne Ll (en henry) à partir de la condition que

Ld>>Rg/2fn.

En pratique, Ll, vous pouvez prendre 5 ... 10 fois plus que le rapport calculé Rg à 2fn.

2. Trouver le nombre de tours w de la ligne sur l'anneau du circuit magnétique :

où dcp est le diamètre moyen de l'anneau (en

cm), S - section transversale

noyau magnétique (en cm²), ,u - perméabilité magnétique relative du circuit magnétique. 3. Calculer le courant de mode commun Ic ;

(en ampères) circulant dans l'enroulement TDL, à la fréquence de fonctionnement la plus basse :

Ic=Vc/2pfnLl,

où Vc est la tension de mode commun sur la ligne, calculée pour des options de commutation spécifiques conformément aux rapports ci-dessus.

4. Déterminez l'induction magnétique (en Tesla) du circuit magnétique :

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

Le circuit magnétique est choisi en tenant compte du fait qu'il n'est pas saturé en courant de mode commun (ou en courant continu le cas échéant). Pour cela, l'induction magnétique dans le circuit magnétique doit être d'un ordre de grandeur inférieure à l'induction de saturation (extraite d'ouvrages de référence).

5. Trouvez la tension de crête Upeak dans la ligne :

où y est le SWR dans le feeder.

6. Calculer la valeur efficace du courant Ieff (en ampères) :

7. Déterminez le diamètre d des fils (en millimètres) d'une longue ligne :

où J est la densité de courant admissible (en ampères par millimètre carré).

Pour les dispositifs d'adaptation d'antenne TDL, les noyaux magnétiques annulaires (tailles K55X32X9, K65X40X9) en ferrites 300VNS, 200VNS, 90VNS, 50VNS, ainsi que 400NN, 200NN, 100NN conviennent. Si nécessaire, le noyau magnétique peut être constitué de plusieurs anneaux. L'impédance d'onde requise d'une longue ligne est obtenue en tordant uniformément les conducteurs ensemble (avec un certain pas) (voir tableau). Dans le cas d'une connexion en forme de croix de fils, c est inférieur à celui lorsque des conducteurs adjacents sont connectés les uns aux autres. L'impédance d'onde d'une ligne de fils non torsadés d'un diamètre de 1.5 mm était de 86 Ω.

Impédance caractéristique d'une longue ligne en fonction du pas de la torsade et du type de connexions

* Avec un diamètre de fil de 1 mm.
** Avec diamètre de fil 0.33 mm.

Pour améliorer les paramètres (en particulier le facteur d'asymétrie) et en même temps simplifier la conception de l'unité de transformation d'adaptation, une connexion en série de plusieurs TDL de différents types est utilisée.

Par exemple, en utilisant la méthode ci-dessus, nous calculons le TDL composite avec n=2. Il doit correspondre à l'impédance d'entrée d'une antenne symétrique de 12,5 ohms avec le câble coaxial RK-50. La fréquence de fonctionnement inférieure est de 14 MHz. La puissance ne dépasse pas 200 watts. Pour TDL, il est supposé utiliser des noyaux magnétiques de taille K45X28X8 (dcp=3,65 cm, S=0,7 cm²) à partir de ferrite 100NN (son induction spécifique à saturation est de 0,44 T/cm² [5]).

Laissez le premier étage avec le rapport de transformation n = 2 du TDL composite (Fig. 8) être activé selon le schéma de la Fig. 5, a, et le second (avec n = 1) - selon le schéma de la Fig. 5, M.

Ris.8

Nous calculons le premier TDL.

1. Trouver Ll :

Prenons Ll égal à 13,5 μH.

2. Calculez le nombre de tours de l'enroulement :

Un tel nombre de spires de fil double épaisseur peut difficilement être placé dans la fenêtre du circuit magnétique. Par conséquent, il est conseillé d'utiliser deux anneaux. Dans ce cas, le circuit magnétique aura les dimensions K45X 28X16 (S = 1.4 cm²). Nouveau numéro w :

3. Déterminez la tension de crête à la charge :

4. Nous trouvons la tension de mode commun sur les enroulements conformément au circuit de commutation (Fig. 5, a):

V1=(2-1)71=71 V. La tension de mode commun sur le deuxième enroulement étant 0, cet enroulement est remplacé par des cavaliers (Fig. 6).

5. Le courant de mode commun est :

6. On calcule l'induction magnétique dans le circuit magnétique :

H=4*10^-6*100*9*0,06/3,65=59*10^-6 T, qui est bien inférieur à l'induction de saturation.

Impédance d'onde de la ligne g1=50 Ohm.

Dans le deuxième TDL, il est conseillé d'utiliser les mêmes anneaux que dans le premier. Puis Ll \u13,5d 9 μH, w \uXNUMXd XNUMX tours.

7. Tension de mode commun sur l'enroulement V=(2+1/2-1)71=106,5 V.

8. Le courant de mode commun est :

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

9. Induction magnétique

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

Et dans ce cas, elle s'avère inférieure à l'induction de saturation. La résistance d'onde de la ligne d'enroulement est choisie à environ 12 ohms.

Le diamètre des fils pour les lignes TDL est déterminé de la même manière que le diamètre des fils pour l'enroulement des transformateurs conventionnels. Ce calcul n'est pas présenté ici.

Un lecteur attentif peut remarquer une imprécision dans le calcul ci-dessus (due à l'utilisation de TDL composite). Elle réside dans le fait que l'inductance Ll est calculée sans tenir compte du fait que les enroulements TDL des premier et deuxième étages sont connectés, c'est-à-dire avec une certaine marge. Ainsi en pratique, dans le TDL de chaque étage, il est possible de réduire le nombre de spires dans les enroulements et d'utiliser des noyaux de ferrite plus petits.

En utilisant des combinaisons de divers TDL simples, on peut obtenir une large gamme de TDL avec les caractéristiques souhaitées [4].

Pour les TDL fabriqués, l'efficacité et le coefficient d'asymétrie doivent être mesurés [4]. Le schéma d'activation du TDL lors de la détermination du premier paramètre est illustré à la fig. 9, la seconde - sur la Fig. 10. Les pertes a (en décibels) dans le transformateur sont calculées par la formule: a \u20d 1lg (U2 / nUXNUMX).

Ris.9

Ris.10

Plusieurs TDL ont été réalisés par l'auteur. Les données pratiques de certains d'entre eux sont données ci-dessous. L'apparence de deux transformateurs est illustrée à la fig. Onze.

Ris.11

TDL d'équilibrage (type NS) avec un rapport de transformation n = 1, fonctionnant dans la gamme de fréquences de 1,5 ... 30 MHz avec une puissance de sortie jusqu'à 200 W, pour correspondre au chargeur RK-50 avec une impédance d'entrée d'antenne de 50 Ohm, il peut être réalisé sur un circuit magnétique 50VNS avec une taille standard

K65X40X9. Le nombre de tours des enroulements de la ligne (g \u50d 9 Ohm) est de 1. Les enroulements 1-2 ', 2-12' (Fig. 2) sont enroulés en 2 fils PEV-1,4 3 de manière bifilaire, sans torsions. Pour assurer la constance de la distance entre les fils, ceux-ci sont posés sur un tube en fluoroplastique. L'enroulement 3-1' est enroulé séparément sur la partie libre de l'anneau avec le même fil et la même longueur que les enroulements 1-2', 2-98'. L'efficacité du TDL fabriqué était d'environ 300 %. coefficient d'asymétrie - plus de XNUMX.

Ris.12

TDL avec un rapport de transformation n=2 (type NS), conçu pour une puissance jusqu'à 200 W, adaptant l'impédance de la ligne d'alimentation de 75 ohms à une entrée d'antenne symétrique, qui a une impédance d'entrée de 18 ohms. peut être réalisé sur un circuit magnétique 200NN (Fig. 13) de taille K65X40X9. Les enroulements doivent contenir 9 tours de lignes de fils PEV-2.1,0. Le transformateur fabriqué avait un rendement de 97%, un coefficient d'asymétrie à une fréquence de 10 MHz - 20, à une fréquence de 30 MHz - au moins 60.

Ris.13

Sur la fig. La figure 14 montre le schéma de connexion d'un TDL composite (type NS) avec un rapport de transformation de n = 3, adaptant une antenne avec une impédance d'entrée de 9 ohms, à un câble coaxial de 75 ohms. TDL, conçu pour fonctionner dans la gamme de 10 ... 30 MHz à une puissance allant jusqu'à 200 W, est réalisé sur des anneaux (taille K32X20X6) de ferrite 50VNS. Les circuits magnétiques des transformateurs WT1 et WT2 sont constitués de deux anneaux, les enroulements et la bobine L1 doivent contenir 6 spires chacun. De longues lignes et une bobine sont fabriquées avec du fil PEV-2 1,0. Impédance de ligne pour WT1 - 70 Ohm, pour WT2 - 25 Ohm. Le TDL construit avait une efficacité de 97%, le coefficient d'asymétrie était d'au moins 250.

Avant d'utiliser le TDL, des mesures doivent être prises pour les protéger des influences climatiques défavorables. Pour ce faire, les transformateurs sont enveloppés de ruban fluoroplastique, placés dans une boîte et, si possible, remplis de composé KLT.

littérature:

1. Benkovsky 3., Livisky E. Antennes amateurs d'ondes courtes et ultracourtes.- M.; Radio et communications, 1983.
2. Antennes Rothammel K. - M.: Énergie, 1979.
3. Zakharov V. Canal d'onde d'antenne à trois éléments à trois bandes - Radio, 1970. N ° 4.
4. Londres S.E., Tomashevich S.V. - Ouvrage de référence sur les dispositifs transformateurs haute fréquence.- M.; Radio et communications, 1984.
5. Mikhailova M. et al. Ferrites magnétiques douces pour équipements radio-électroniques.- M. : Radio et communication, 1983.

Auteur : V. Zakharov (UA3FU), Moscou ; Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru

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