Немного о ферритовых кольцах и трансформаторах ШПТЛ.

Так как в своем приемнике на TDA7083 (174ХА10) я предполагаю использовать на выходе УПЧ микросхемы трансформатор на ферритовом кольце, то читатели начали обсуждать достоинства и недостатки такого решения. Несколько лет тому назад я писал статью на эту тему, но, видимо, пришло время вновь поднять эту тему.

В радиотехнике широко применяются трансформаторы ШПТЛ - широкополосные трансформаторы на длинных линиях. Они представляют собой ферритовое кольцо, намотка на которое выполняется свитыми в жгут проводниками, которые и представляет собой линию с определенным сопротивлением. Ключевое слово в аббревиатуре - широкополосные. Т.е. этот трансформатор может работать в широкой полосе частот, например, от 1 до 30 МГц. Обычные трансформаторы на таком же кольце этим похвастаться не могут.

За счет чего же имеет место такая широкополосность? За счет особого способа передачи энергии между обмотками. В традиционном трансформаторе связь обмоток осуществляется через магнитное поле в сердечнике. В ШПТЛ энергия передается между проводниками в линии, которые должны быть расположены вплотную параллельно или слегка скручены (обычно 1-2 скрутки на 1 см), а сердечник нужен для концентрации энергии в обмотках. Поэтому его проницаемость не критична, но должна быть достаточно большой. Длина проводников линии может быть не одинакова, т.е. обмотки будут иметь разное число витков. Об этом нам рассказывает Э. Рэд.

Рис. 1.

Главное назначение ШПТЛ - не повышение и понижение напряжения, а согласование сопротивлений различных узлов приемников, передатчиков, антенн. При согласовании сопротивлений потери в трансформаторе и рассеиваемая мощность в сердечниках минимальна. Основное требование к нагрузке трансформатора - она должна быть активной. При реактивной нагрузке резко возрастает рассеивание энергии в сердечнике, его нагрев, что требует увеличения площади сердечника для лучшего теплообмена.

ШПТЛ применяются ив балансных смесителях для симметрирования. Таки ШПТЛ применялись еще в Радио-76 и Электроника Контур-80. Эти трансформаторы наматывались тремя скрученными проводниками.

Теперь от теории - к практике. Первым делом - о сердечниках. В ШПТЛ применяют как кольца, так и "бинокли" из феррита. Основное требование к ферриту - минимум потерь и достаточно большая проницаемость. Отечественные ферриты имеют маркировку НМ, НН, ВН и ВЧ. Для ШПТЛ лучше всего подходит феррит НН (а на высоких частотах ВН и ВЧ). Отличить НМ от всех остальных очень просто. Для этого понадобится только омметр.

Рис. 2.

Эти кольца имеют низкое сопротивление (единицы кОм - сотни Ом). Такое же сопротивление имеет феррит, из которых изготавливают Ш-образные сердечники импульсных трансформаторов.

Рис. 3.

А вот ферриты НН, ВН и ВЧ имеют очень высокое сопротивление (десятки МОм).

Рис. 4.

Отсюда вытекает тот факт, что скруглять грани отечественных ферритов марок НН. ВН и ВЧ не имеет смысла, так как даже, если острая грань повредит изоляцию провода, то замыкания не будет. У импортных колец грани скруглены, но это делается для боле плотного прилегания провода к сердечнику. Самому так опилить грани отечественного кольца весьма затруднительно :)

Если отличить НМ от НН легко, то вот для определения проницаемости феррита нужен измеритель индуктивности и программа Coil64. У меня нашлись несколько колечек с неизвестной проницаемостью. Для ее расчета нужно намотать на кольцо обмотку. Так как маленькие индуктивности измеряются обычно с низкой точностью, то намотать нужно побольше провода. Я вот поленился и намотал всего 30 витков. И возник конфликт измерений :).

Рис. 5.

Универсальнейший прибор от дядюшки Ху показал 10 мкГн. А вот прибор для измерения индуктивности - нечто другое.

Рис. 6.

Как видите, отличие ровно в два раза. Я верю специализированному прибору. Теперь запускаю Coil64 (бесплатная отличная программа). Выбираю в меню пункт Дополнительный расчет, а там - Катушка на ферритовом кольце.

Рис. 7.

Ввожу требуемые данные и получаю результат (справа).

Рис. 8.

Скорее всего у меня кольца из феррита 30ВН. Имейте в виду, что у отечественных ферритов отклонение от номинальной проницаемости у ферритов НН очень велика:

Рис. 9.

Попробовал определить проницаемость зеленого кольца от дядюшки Ху.

Рис. 10.

Рис. 11.

А в этом случае разница всего около 16%. Ввожу данные в программу ...

Рис. 12.

Получилось около 3500, а дядюшка Ху обещает от 5000 до 10000. Ах, какой он шалунишка!

Теперь переходим к трансформаторам. Я намотал 7 трансформаторов на различных кольцах.

Рис. 13.

Все, кроме на маленьком зеленом кольце, намотаны двумя скрученными проводами ПЭЛ 0,33, а маленькое кольцо - скрученными проводами ПЭЛ 0,15. Количество витков - 12.

Рис. 14.

Теперь беру NanoVNA, подключаю к компу и запускаю NanoVNA Saver 0.3.9. Подключаю трансформатор на бинокле (№1).

Рис. 15.

Потери во всем диапазоне от 1 до 30 МГц - менее 1,5 Дб. Обратите внимание на полярность включения обмоток, подключать нужно именно так. А если наоборот?

Рис. 16.

В этом случае потери возрастают до 2,1 дБ на высоких частотах. Поэтому во всех остальных случаях включение обмоток как на рис. 15.

Следующий трансформатор на желтом кольце.

Рис. 17.

Потери менее 2 дБ в диапазоне от 3,5 до 20 МГц.

Рис. 18.

У трансформатора на красном кольце потери еще больше, но очень небольшая неравномерность в диапазоне от 8 до 30 МГц.

Рис. 19.

Черное кольцо от дядюшки Ху имеет такую же проницаемость, как и бинокль, но неравномерность у него больше. Кроме того, есть небольшой провальчик на частоте около 6,5 МГц.

Рис. 20.

У трансформатора на отечественном феррите 600НН неравномерность меньше.

Рис. 21.

А это трансформатор на зеленом кольце диаметром 6 мм.

Рис. 22.

У трансформатора на зеленом кольце диаметром 10 мм потери чуть меньше, чем у кольца диаметром 6 мм и практически одинаковые с биноклем.

Вот такие результаты и пища для размышлений.

Всем здоровья и успехов!