Особенности трансформаторов на ферритовых кольцах.

Понадобился мне тут широкополосный симметрирующий трансформатор для балансного смесителя.Я его, конечно, сделал и хочу поделиться своим опытом.

Если уж в НЧ технике приходиться ухищряться при изготовлении трансформаторов, то, наверное, для изготовления ВЧ трансформатора с полосой 1 - 30 МГц все гораздо сложнее. Оказалось, что это все не совсем так.

Обратился я к очень хорошей книге "Справочник радиолюбителя - коротковолновика." С.Г Бунин и Л.П. Яйленко, издательство Наука, Киев, 1984 г (http://www.radioscanner.ru/files/antennas/file1440/, http://www.cqham.ru/lib.htm). Прекрасная книга, читайте - не пожалеете. В этой книге есть раздел, посвященный широкополосным трансформаторам.

В широкополосных усилителях и смесителях используют чаще всего широкополосные трансформаторы двух видов: с индуктивной связью между обмотками и трансформаторы на основе длинных линий (ШПТЛ).

С первым типом трансформаторов все понятно.

Рис. 1 Трансформатор с магнитной связью между обмотками.

Энергия из первичной обмотки передается во вторичную через магнитный поток Ф. Поэтому в этом типе трансформаторов большую роль играет правильный выбор марки феррита, от чего зависят потери.

Но старые радиолюбители на своем опыте убедились, что трансформатор на кольце 600НН на входе смесителей в “Радио-76” прекрасно работает в полосе 1,8-30 МГц. Секрет в том, что это трансформаторы на длинных линиях. Не буду вдаваться в теорию (кому нужно - посмотрите в справочнике), но секрет этих трансформаторов в том, что все обмотки трансформатора должны быть сделаны из параллельных или слегка скрученных проводов с одинаковыми расстояниями между ними. Передача энергии происходит не через сердечник, а через емкость между проводниками.

В некоторых статьях в сети, посвященных этой теме, а также в еще более многочисленных описаниях приемников, часто прослеживается мысль о том, что в ШПТЛ марка феррита не имеет значение - можно брать от 1000 до 100. Я решил проверить так ли все обстоит на самом деле, благо наличие NanoVNA делает это исследование очень доступным.

Для исследования я взял несколько типов колец, основным из которых были купленные на Али кольца зеленого цвета (10х6х5). С помощью измерителя индуктивности и программы Coil32 я рассчитал их проницаемость - получилось около 2000. Также у меня были наши кольца из феррита 2000НН (10х6х3), кольца черного цвета с Али (проницаемость около 800 18х10х8) и красные кольца с проницаемостью 10 (14х8х4). Вот что у меня получилось.

Первым я намотал "магнитный" трансформатор на зеленом кольце проводом ПЭЛ 0,33.

Рис. 1. "Магнитный" трансформатор.

Вот его АЧХ в диапазоне от 1 до 35 мГц.

Рис. 2. АЧХ "магнитного" трансформатора.

Как видно, АЧХ имеет спад почти на 25 дБ.

Теперь берем два провода 0,33 складываем их параллельно (я взял провода разного цвета), а в другом случае скручиваем их между собой (примерно 2 скрутки на см). И мотаем по 16 витков.

Рис. 3. Трансформаторы с параллельной укладкой проводов и со скруткой

Рис. 4. АЧХ трансформатора с параллельной укладкой проводников.

Почувствуйте разницу! Неравномерность около 25 дБ и около 2дБ, а в диапазоне частот 1-20 МГц - чуть более 1 дБ.

Рис. 5. АЧХ трансформатора со скрученными проводниками.

Скрученные проводники дают тот же результат. что и параллельные. Попробую уменьшить число витков до 7.

Рис. 6. АЧХ трансформатора с 7-ю витками скрученного провода.

Кажется, что при уменьшении числа витков должен появиться завал на низких частотах и уменьшение потерь на высоких. На практике оказывается наоборот - увеличился завал на высоких частотах.

Возвращаюсь к 16 виткам, но делаю их скрученными проводами ПЭЛ 0,15.

Рис. 7. АЧХ трансформатора с 16-ю витками скрученного провода ПЭЛ 0,15

Вот это то, что надо! Неравномерность во всем диапазоне менее 1 дБ!

Теперь возьмем высокочастотное кольцо.

Рис. 8. Трансформатор на кольце из высокочастотного феррита.

Рис. 9. АЧХ трансформатора на кольце из высокочастотного феррита.

В этом случае имеем сильный завал на частотах ниже 3,5 МГц и бОльшие потери, чем на рис. 7.

А теперь черные кольца.

Рис. 10. Трансформатор на кольце черного цвета и поэкспериментирую с количеством витков.

Рис. 11. АЧХ трансформатора на кольце черного цвета (15 витков скрученного ПЭЛ 0,33).

Рис. 12. АЧХ трансформатора на кольце черного цвета (8 витков скрученного ПЭЛ 0,33).

Рис. 13. АЧХ трансформатора на кольце черного цвета (8 витков скрученного ПЭЛ 0,33).

При большом количестве витков (рис.11) на АЧХ появился резонансный провал, обусловленный видимо собственной емкостью обмотки. При уменьшении числа витков до восьми (рис. 12) этот провал исчезает и неравномерность АЧХ составляет около 2 дБ на частотах выше 100 кГц. При дальнейшем уменьшении числа витков неравномерность увеличивается.

Как я прочитал в сети, в качестве сердечника можно использовать не только кольцевые, но и стержневые сердечники, учитывая при этом, что поле рассеивания сильно увеличивается.

Рис. 14. Трансформаторы на ферритовых стержнях (вверху стержень 600НН, внизу - 150ВН).

Я намотал по 11 витков скрученным проводом ПЭЛ 0,33.

Рис. 15. АЧХ трансформатора на ферритовом стержне 600НН.

Рис. 16. АЧХ трансформатора на ферритовом стержне 150 ВН.

На высокочастотном стержне АЧХ весьма пристойная, а на стержне 600НН наверное можно оптимизировать АЧХ подбором числа витков.

Кроме колец и стержней есть еще бинокли и магнитные защелки. Биноклей у меня не оказалось, а вот защелки были.

Рис. 17. Трансформатор на магнитной защелке.

Рис. 18. АЧХ трансформатора на магнитной защелке.

Несмотря на неряшливую намотку, видно. что такой трансформатор вполне работоспособен.

Для двухтактных усилителей мощности и в антеннах используют трансформатор на двух защелках, изображающих бинокль. Часто вместо защелок используют трубки, набранные из ферритовых колец. У меня нашелся понижающий трансформатор, который я использовал для согласования антенны с кабелем.

Рис. 19. Согласующий трансформатор.

Рис. 20. АЧХ согласующего трансформатора.

АЧХ согласующего трансформатора повторяет рис. 18, только потери больше. Это объясняется тем, что во всех трансформаторах, кроме согласующего, КСВ не превышал 1,8. В согласующем трансформаторе КСВ был больше 3-х.

Вот таковы результаты моих экспериментов. Они говорят о том, что если вы хотите получить минимальные потери и малую неравномерность АЧХ в широкой полосе частот, вам возможно нужно будет подобрать число витков (от их числа зависит не только неравномерность АЧХ, но и входное и выходное сопротивление).

Обращаю внимание, что я проводил свои эксперименты с сигналами малой мощности. При большой мощности все будет сложнее.

Всем здоровья и успехов!