Привет, друзья!
Использование карбонильных сердечников компании Амидон (Micrometals) стало для коротковолновиков-конструкторов обыденностью. Немудрено! Сердечники из распыленного (карбонильного) железа обладают отменными характеристиками как по уровню потерь, так и по току насыщения. Одна беда - оригинальные колечки стоят дороговато! Что поделать - импорт (made in USA)! А какие есть еще варианты? Прежде всего, набирающая обороты в радиолюбительской практике отечественная компания из Дзержинска - Синтез-ПКЖ. О ее достойнейшей продукции я уже упоминал в статье "Простой диапазонный полосовой фильтр для самодельного трансивера". Сердечники, которые выпускает Синтез сейчас широко доступны в любом сетевом магазине, а по характеристикам не уступают Амидоновским. Ходят даже слухи, что Амидон покупает карбонильное железо именно у Синтеза! Цена? Цена вполне приемлема - раза в два дешевле оригинального Амидона. Все равно, смотришь на такое маленькое колечко и думаешь, ну как оно может 50 рублей стоить! Естественно, начинаешь искать дешевле. Ищешь и находишь! Где? Конечно на Китай-маркете. Такое, например объявление:
Вот, пожалуйста! Меньше 20 рублей за сердечник (с учетом доставки)! В три раза дешевле Синтеза! Надо брать! Тем более, отзывы, в основном, положительные! ОК, пробуем, берем. Посмотрим, что за зверь! Сравним с оригинальными...
А еще есть недорогие ферритовые сердечники. Например, от хорошо известной Питерской компании Ферроприбор. Ферриты, по-идее, должны уступать карбонильному железу по току насыщения, но превосходить по магнитной проницаемости. А вот что с потерями? Попробуем это тоже выяснить.
Таким образом, в сегодняшней статье я постараюсь сравнить несколько сердечников одинакового размера на предмет возможности их использования в радиолюбительских конструкциях и прежде всего, в диапазонных входных фильтрах. Проверим магнитную проницаемость, добротность, а также посмотрим, как ведут себя эти сердечники в условиях резонанса.
Да, тут такое дело... Изначально статья не планировалась в таком виде. Думал сравню Синтез-ПКЖ и Китай. Но, аппетит приходит во время еды! Получилось так, что в сравнении приняли участие не только сердечники из карбонильного железа и феррит, но и различные китайские дроссельки и даже катушки без сердечника вообще! Предупреждаю, материала много! Хотя больше фотографий, чем текста! Надеюсь будет полезно.
Вопросы геометрии и эстетики
Для экспериментов я приобрел китайские колечки прямо по объявлению указанному на скриншоте выше, а также еще в одном магазине Али, но с ценой в 2 раза выше. Колечки отечественного производителя Синтез-ПКЖ я купил в магазине компании на Озоне. И в том и в другом случае приобретались кольца типоразмера 37-2. Это значит, что их внешний диаметр составляет 0,37 дюйма или 9,4 миллиметра, а при производстве использовалась смесь №2. Начальная магнитная проницаемость такой смеси составляет 10 единиц и предназначена она для работы в резонансных схемах на частотах от 2 до 30 МГц. То есть колечки потенциально перекрывают практически весь коротковолновый диапазон. Исследовать их свойства я решил в диапазоне от 1 до 30 МГц.
Поставка от Синтез-ПКЖ достойна всяческого восхищения. Посылка представляет собой коробочку из плотного картона внутри которой на жестком основании под вакуумом находятся сами колечки.
Внутри также есть сертификат с полной спецификацией характеристик, из которого видно, что добротность катушки на частоте 8 МГц при намотке 25 витков провода 0,4 составляет не менее 180.
В общем, все очень солидно! В отличие, от более бюджетных китайских колечек. Эти поставляются в обычном конверте, внутри которого находятся целлофановые пакетики с кольцами, расфасованными по 5 штук.
Оно, конечно не страшно! Главное, характеристики были бы хорошими! Проверим...
Ферритовые колечки от Ферроприбора типа М20ВН, размером 10х6х3 я покупал в Чип-е. Там они продаются поштучно, без всякой упаковки. Цена, около 25 рублей.
Таким образом, изделия, которые мы будем сравнивать выглядят так:
Чисто эстетически кольца из Китая выше всяких похвал! Краска яркая, нанесена толстым слоем без изъянов. Острых краев нет. Мотать катушечки одно удовольствие! По сравнению с китайской продукцией колечки Синтеза покрашены не так плотно. Почти на всех есть изъяны в виде подтеков краски. Кое-где выступают острые грани.
Ферритовые кольца от Ферроприбор, естественно, не покрашены и имеют острые грани. Перед намоткой я всегда скругляю острые грани при помощи бормашинки с алмазной фрезой. Получается очень быстро.
Даже визуально заметно, что размер Китайских колечек и колечек Синтеза отличается. Видимо, за счет краски. Я попробовал грубо оценить отличия.
Диаметр китайского кольца - 9,95 мм. Диаметр кольца Синтез-ПКЖ - 9,55. Отличие - 0,4 мм. Шкала нониуса на фото не влезла, но, оценка произведена по нему. По толщине тоже есть отличия.
Китай - 3,5 мм, Синтез - 3,2. Разница - 0,2 мм. При одинаковом количестве витков и прочих равных условиях, индуктивность катушек на китайских сердечниках должна быть выше из за большего диаметра витка.
Измерения ферритовых колец не привожу - там все без сюрпризов.
Мотаем и исследуем катушки
Перво-наперво надо оценить, что за катушки получаются на основе выбранных мною сердечников. Прямо все замерло в ожидании! А вдруг, дешево и качественно в природе существует!
Я решил сделать катушки для контуров на диапазон 14 МГц. Это примерно середина изучаемого диапазона. Идеальный контур на эту частоту должен иметь следующие параметры. Индуктивность L = 2,3 мкГн, емкость С = 56 пФ. С такими параметрами модуль комплексного сопротивления индуктивности и емкости будет одинаковый XL = XC = 2*Pi*F*L = 1/(2*Pi*F*C), а добротность контура максимальной. Точно, конечно же не получится, но будем к этой цифре стремиться!
Для достижения целевой индуктивности я намотал на каждое колечко по 23 витка эмалированного провода диаметром 0,4 мм. Забегая вперед, скажу, что можно было бы и 24 намотать, но ничего совершенного в природе не бывает. Будем работать с этим.
Начнем изучение с катушки на кольце Синтез-ПКЖ (среднее на фото). Его паспортные характеристики нам известны. Попробуем подтвердить их или опровергнуть. Дальше будет много фото и мало текста.
Изучение свойств катушек я буду проводить при помощи NanoVNA. Кольца буду подключать при помощи термоусадочной трубки, надетой на гнездо порта 1.
На фото к NanoVNA подключено китайское колечко, но это лишь для примера.
Итак, подключаем колечко на сердечнике Синтез-ПКЖ и смотрим индуктивность вкупе с диаграммой Смита.
Прежде всего, обращает на себя внимание хорошая форма диаграммы Смита. График идет практически точно по ее периметру. Это говорит о том, что активное сопротивление катушки мало на всем диапазоне измерений. Меняется, как и положено у идеальной катушки лишь реактивная составляющая. На 1 МГц активная часть (RL) составляет 38,4 мОм (миллиом, не мегаом - МОм)! Реактивная же (XL) равна 15,32 Ома. Зная активную и реактивную компоненты можно уже прикинуть добротность катушки. На частоте 1 МГц она составляет Q = XL/RL = 15,32/0,0384 = 399! Замечательно! Индуктивность катушки на этой частоте равна 2,438 мкГн.
Идем на другой конец диапазона.
Индуктивность уменьшилась до 2 мкГн, а добротность Q = 378,2/2,378 = 159. Великолепно! Теперь на середине диапазона. Частота 14 МГц.
Индуктивность - 1,962 мкГн, Добротность Q = 173,2/0,668 = 259. Без комментариев. Все параметры, указанные в паспорте перекрываются с большим запасом!
А теперь воспользуемся свойством NanoVNA самостоятельно оценивать добротность катушек и выведем график добротности по всему диапазону частот.
Желтый график - добротность. На нем отмечены четыре основных точки замеров 1, 7, 14 и 30 МГц. Значения добротности в этих точках указаны сверху. К сожалению, на сколько я понял, NanoVNA не очень хорошо оценивает добротность в диапазоне больших значений. График получился "дышаший". Тем не менее, значения на графике совпадают с расчетными с точностью, примерно 20%. На графике получились ниже. Буду об этом помнить.
Что ж, колечко от Синтез-ПКЖ показало себя с самой лучшей стороны! Приступаем к замерам китайского "Амидона". Перво-наперво взгляд на диаграмму Смита.
Ну что-ж, даже на первый взгляд видно, что что-то с этими колечками не так. Обратите внимание, насколько отклоняется зеленая кривая от окружности нулевого активного сопротивления. Отклонение заметно даже на самой низкой частоте - 1 МГц. Индуктивность явно далека от идеальной. Считаем добротность на частоте 1 МГц. Q = 16,6 / 0,348 = 47,7. Такая добротность примерно соответствует добротности обычного китайского дросселя в DIP-исполнении и это явно не то, чего мы могли бы ожидать от продукции, продающейся под брендом Амидон! Хотя индуктивность катушки (2,649 мкГн) позволяет говорить о примерно соответствующей Амидону магнитной проницаемости. Кстати, в положительных отзывах на Али отмечался именно факт соответствия индуктивности, но не добротности! Увеличиваем частоту до 14 МГц.
Добротность Q = 174,5 / 28,89 = 6. Если на частоте в 1 МГц применение таких катушек еще как-то можно оправдать, то на середине КВ-диапазона невольно возникает вопрос - а ЭТО из чего сделано? И какое отношение ЭТО вообще имеет к марке Амидон? Тащим ползунок на 30 МГц...
Очень легко разделить 350 на 90. Да, вы не ошиблись - добротность менее 4-х единиц. А теперь посмотрим на график добротности в целом, по диапазону.
Тут график стабилен, а, главное, полностью соответствует сделанным ранее расчетам. Добротность на частотах выше 6 МГц спускается ниже 10. Да, размерность вертикальной шкалы здесь другая, как вы поняли. Но по цифрам все видно.
Послушайте, но может быть это только одно колечко! Может быть все остальные нормальные! Быстро мотаем еще два кольца...
Второе:
И третье:
Чуда не случилось! Наоборот, первое колечко попало практически в середину разброса. Ловить от китайского "Амидона" нечего! Хотя, я все же попробую его в реальном контуре. Чуть ниже. А пока переходим к классике. Высокочастотный ферритовый сердечник от Ферроприбор - М20ВН. Смотрим на Смита.
Ну вот! Совсем другое дело! Видно, что график лежит практически на окружности нулевого активного сопротивления. Добротность на 1 МГц: 29,71 / 0,0869 = 342. Во! Зачет! Правда, индуктивность получилась великовата! Раза в 2 выше. Но это вполне объяснимо, ведь и магнитная проницаемость катушки тоже выше в два раза. Отмотаем немного витков. Оставим только 15. А лучше, перемотаю-ка я всю катушку заново.
Добротность Q = 14,91 / 0,0233 = 640! Вот это результат! Не хуже чем у Синтеза! Поднимаемся до 14 МГц.
Q = 169,9 / 1,406 = 121. Добротность ухудшилась. Хотя, 120 - вполне приличное значение, но, напомню, что катушка на сердечнике от Синтез-ПКЖ показывала на этой частоте добротность в 2 раза выше. Движемся к концу диапазона.
Q = 389,5 / 29,15 = 13,36. А вот это уже плохо. А как все хорошо начиналось. Смотрим общий график...
Такая высокая добротность в нижней частотной области и такой крутой спад... По сути, частотный диапазон 20 метров (14 МГц) это наиболее высокочастотный участок, на котором феррит М20ВН еще показывает приличный результат. Выше уже можно и китайские дроссельки применять...
Ремарка. Статья уже была дописана до этой фразы, когда я понял, что если я не приведу замеры для этих самых китайских дроссельков, то исследование может оказаться неполным. Пошел искать дроссель на 2,2 мкГн...
Нашел! И даже два! Один DIP и один SMD.
Сначала проверим голубенький, или зелененький - кому как больше нравится. Не буду приводить отдельно диаграмму Смита. Давайте сразу глянем на график добротности. Хотя и Смита там тоже можно разглядеть.
На удивление, параметры дросселька оказались отнюдь не плохими! Даже на краях диапазона 1...30 МГц добротность катушки не падает ниже 50. Более того, начиная с 3-х МГц она вплотную приближается к 90. А выше 10 МГц начинается устойчивый подъем, который к 20 МГц достигает максимального значения - 130. На 14 МГц добротность составляет примерно 115. К сожалению, вместо 14 МГц я установил метку 3 на 21 МГц. Для оценки: вертикальная шкала от 0 до 200. Шаг - 25. Вот такой сюрприз!
Теперь SMD-вариант. Серия CD43.
Тут все печально! Использовать такие дроссели в резонансных схемах особого смысла нет. Добротность очень низка.
Еще ремарка. Когда статья была дописана до этой точки, я вдруг понял, что для полноты картины не хватает и анализа бескаркасной катушки. Надо быстро сделать...
Взял жилку от витой пары Ethernet-кабеля и намотал 20 витков на сверло, диаметром 10 мм. Потом обмотка чуть размоталась и получилось 19 витков. Зафиксировал ее при помощи небольшого кусочка слепыша. Раньше я такие катушки делал. Должно получиться около 2,3 мкГн.
Вот ее диаграмма Смита:
На 1 МГц добротность не слишком высока. Около 75. А вот дальше пошел рост. На 14 МГц уже 324.
А на 30 МГц около 400.
А вот общий график NanoVNA выдать затруднился. Судите сами.
График получился сильно дышащим. Верхний предел - 3000 и его не хватает! Но даже если его сгладить, то в верхней части диапазона получаются значения более 1500. Это противоречит оценке по диаграмме Смита. А в нижней части графика (до 15 МГц) значения более-менее правдоподобные. Но в целом вывод очень простой - на высоких частотах нет ничего лучше катушки с воздушным сердечником. Только вот громоздко получается... Если только на УКВ, или места много...
Для удобства я свел все полученные данные в одну таблицу. Местами округлил для удобства чтения.
Общие выводы таковы. Синтез-ПКЖ рулит на всех КВ-частотах, показывая замечательные уровни добротности! До 14 МГц неплохо ведет себя и ферритовый сердечник М20ВН. А если нужно быстро, дешево и сердито, и неохота мотать, да еще и во всем диапазоне, то китайские DIP-дроссели будут не самым плохим решением. А вот от использования китайского "Амидона" и SMD-катушечек в резонансных цепях я бы рекомендовал отказаться!
Дабы подкрепить сделанные выводы попробуем-ка мы реализовать резонансную цепь на практике и посмотреть характеристики реальных контуров.
Исследуем резонансные цепи
В качестве объекта исследований я буду использовать обычный параллельный колебательный контур. Исследовать его характеристики будем при помощи все той же NanoVNA. Однако, не следует забывать, что входное и выходное сопротивления этой полезной приставочки составляют 50 Ом. Это значит, что ежели мы хотим получить адекватное представление о частотных свойствах контура, то нужно обеспечить минимальное влияние приставки на объект измерений. Сделать это можно разными способами. Я решил использовать слабую индуктивную связь как по входу, так и по выходу. Вот так будет выглядеть схема измерений:
В качестве конденсатора использую обычный керамический DIP-конденсатор, емкостью 47 пФ. Неплохо было бы найти 56 пФ, в соответствии с расчетами из начала статьи, но не суть. Ничего идеального все равно не бывает! Характеристики конденсатора я решил проверить до монтажа, чтобы убедиться, что он сам имеет приемлемую добротность.
Добротность конденсатора на частоте вблизи резонанса (14 МГц): Qc = 233,5 / 0,542 = 430. Хорошее значение, хотя хотелось бы больше!
Контур смонтирую на обыкновенной макетке-слепыше.
Шина земли проходит снизу, вдоль всего ряда нижних пятачков. В качестве входной и выходной петель связи использован такой же провод, что и для намотки катушки. По одному витку по входу и выходу. Самая, что ни на есть, слабая связь.
Прежде всего, оценим, как будет работать катушка K37-2 от Синтез-ПКЖ. Для этого выведем на экран график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
Виден характерный острый резонанс. В таком масштабе оценить добротность контура довольно трудно, поэтому попробуем растянуть область резонанса.
Затухание в точке резонанса составляет всего 3,62 дБ. В общем-то это мало о чем говорит, хотя можно сказать, что согласование с 50-омными входами почти идеальное, но мы не его измеряем, а характеристики контура. Просто запомним это значение. Теперь определяем границы участка, на котором уровень АЧХ снижается на 3 дБ по отношению к точке резонанса. Я поставил в эти точки две метки: 2-ю и 3-ю. Метка же 1 как раз указывает на точку резонанса. Видно, что полоса пропускания контура получилась равной 371 кГц. Это дает нам возможность оценить добротность контура: Qк = Fр / dF = 16094 / 371 = 43,3. Возьмем эту цифру в качестве некоторой опоры для сравнения.
Теперь подключаем катушку намотанную на китайском "Амидоне". Я выбрал второй экземпляр, для которого были получены максимальные значения добротности.
На метки 2 и 3 можно не обращать внимания, а метка 1 указывает на точку резонанса. Сразу бросается в глаза, что коэффициент передачи в этой точке примерно на 17 дБ (около 8 раз) меньше чем для случая катушки Синтез-ПКЖ. Ничем иным, кроме как более высокими потерями в сердечнике я объяснить этот факт не могу. Видно, что и сам резонанс стал более "тупым". Уровень активного сопротивления контура по диаграмме Смита очень мал. То есть контур совсем далек от идеального. Растягиваем область резонанса для анализа полосы пропускания.
Вот так! Ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ составила ровно 3 МГц. Почти в 10 раз хуже чем для кольца Синтез-ПКЖ. Соответственно, добротность: Qк = 16120 / 3000 = 5,4. Всего лишь! Как видно, низкая добротность катушки это не только слабая избирательность контура, это еще и потери при передаче сигнала.
Перепаиваем колечко на феррит М20ВН. Картинка получается вот такая:
Не так хорошо, как для кольца от Синтез-ПКЖ, но, по-крайней мере затухание в точке резонанса не хуже! Увеличиваем область резонанса.
Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 795 кГц. Соответственно, добротность: Q = 16265 / 795 = 20,5. Примерно в 2 раза хуже, чем с кольцом Синтеза. Это и немудрено, ведь ранее мы показали, что и добротность феррита 20ВН на частоте 14 МГц, примерно в два раза хуже карбонильного железа.
Моделировать контура с китайскими дросселями я не стал. Все необходимые выводы, я полагаю, читатели смогут сделать самостоятельно. Я же заканчиваю изложение нынешнего материала и приношу свои извинения за его объем! К сожалению, пока не вышло проанализировать свойства колечек с точки зрения тока насыщения, поэтому все сделанные выводы можно считать применимыми лишь к слаботочным резонансным цепям. Например, при построении диапазонных полосовых фильтров. Что касается применения наших колечек в усилителях мощности, этот вопрос пока остается открытым в силу отсутствия у меня необходимого оборудования. Возможно, несколько позже... Хотя, у меня на 5 Ваттном передатчике Синтез-овские колечки отлично работают!
Спасибо, что читаете-смотрите Terrabyte! Подписывайтесь, если вам интересна радиолюбительская тематика, микроконтроллеры, мини-ПК, необычные компьютерные решения и инновационные разработки! Спасибо всем, кто поддерживает меня своими советами, комментариями и лайками!
Группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Канал на VK-Video: https://vk.com/video/@terrabyte/all