У таких широкосмугових трансформаторах обмотки виконують у вигляді двопровідних довгих ліній передачі (на основі коаксіального кабелю або однорідних), намотаних на феритове кільце. Таке виконання обмоток дозволяє практично усунути індуктивність розсіювання і зменшити індуктивність виводів.
Умовне позначення трансформатора на довгих лініях (ТДЛ), прийняте у статті, з однією обмоткою з двопровідної лінії наведено на рис. 1.а, з кількома (в даному випадку з двома) - на рис. 1.б.
На рис. 2 показано включення ТДЛ з коефіцієнтом трансформації n=1.
Рис.2
Трансформатор складається з обмотки у вигляді однорідної довгій лінії, намотаної на кільцевій феритовий магнітопровід. Її електрична довжина P=2пl/L, де l - геометрична довжина лінії, L - довжина хвилі (лямбда). Так як при поширенні високочастотної хвилі струми, що протікають по провідникам лінії, рівні за значенням і протилежні за напрямком, то магнітопровід не намагнічується, а це означає, що потужність у фериті практично не втрачається. При узгодженні вол нового опору лінії g з опорами джерела Rг і навантаження Rн ТДЛ теоретично не має нижній і верхній граничних частот. На практиці ж максимальна робоча частота обмежується через індуктивності висновків і випромінювання лінії.
Слід звернути увагу на особливість ТДЛ. яка полягає в наявності двох видів напруг: протифазного U, чинного між провідниками лінії і визначається потужністю сигналу, і синфазного (або поздовжнього) V, обумовленого асиметрією навантаження і залежить від варіанту включення трансформатора.
Як утворюється синфазное напругу, що діє між генератором і навантаженням, тобто на індуктивності лінії Lл, добре видно з рис, 3.
Рис.3
Очевидно, що провідники довгій лінії шунтують навантаження і генератор, якщо за них протікають синфазні струми. Введення магнітопровода різко збільшує індуктивність обмотки, тим самим підвищує опір синфазному струму і різко зменшує їх шунтирующее дію. У теж час на поширення хвилі магнітопровід не впливає, так як забезпечується режим біжучої хвилі
(Rг=g=Rв).
Існує кілька способів побудови ТДЛ з цілочисельним коефіцієнтом трансформації п. Можна, наприклад, дотримуватися наступного правила. Обмотки (їх повинно бути n) виконують з рівних по електричній довжині відрізків двопровідних ліній. Кожну обмотку розміщують на окремому кільцевому магнітопроводі одного типу. Входи ліній з підвищувальною боку з'єднують послідовно, із заниженою -- паралельно.
У загальному вигляді схема включення ТДЛ з цілочисельним коефіцієнтом трансформації п показана на рис. 4.
Рис.4
Тут справедливі співвідношення
Rг=n2Rн, U1=nU2, g=nRн.
На рис. 5 зображені різні варіанти включення ТДЛ.
Можна побудувати ТДЛ і на одному магнітопроводі, але при цьому обов'язково дотримуються наступні вимоги. По-перше, число витків кожної лінії має бути пропорційно значенню синфазної напруги, чинного між кінцями цієї лінії, оскільки обмотки пов'язані загальним магнітним потоком. По-друге, геометричні довжини всіх ліній обов'язково повинні бути однаковими. В залежності від варіанту включення ТДЛ може навіть статися, що деякі лінії частково або повністю повинні бути розміщені не на магнітопроводі.
Щоб визначити число витків в обмотках, необхідно обчислити значення синфазних напруг Vк на кожній лінії.
У ТДЛ з несиметричними входом і виходом (тип ПН. рис. 5, а)
Vк=(n-до)Uн;
в інвертуючому (тип ПН, рис. 5, б) Vк=(n-до+1)Uн;
з симетричним входом і несиметричним виходом (тип СН, рис. 5, в)
Vк=(n/2)Uн;
з несиметричним симетричним входом і виходом (тип НС, рис. 5, г)
Vк=(n+1/2)Uн;
з симетричними входом і виходом (тип СС, рис. 5, д)
Vк=(n/2+t/2)Uн.
У формулах n - коефіцієнт трансформації, к - порядковий номер лінії, вважаючи зверху, Uн - напруга на навантаженні.
Ці формули є вихідними. коли визначають відношення числа витків в обмотках, розміщених на магнітопроводі. Якщо, наприклад, ТДЛ з коефіцієнтом трансформації n=3 включають за схемою, зображеною на рис. 5, а, то V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. З цього випливає, що верхню по малюнку лінію розміщують на магнітопроводі повністю (w1), у другої-тільки половину витків (w2=w1/2), а третя (w3=0) повинна знаходитися пні магнітопровода. Геометрична довжина всіх ліній однакова.
При узгодженні "хвильового каналу", що має вхідний опір 18,5 Ом, з 75-омних коаксіальним кабелем з допомогою ТДЛ (включений за схемою рис. 5, г) з коефіцієнтом трансформації 2 співвідношення витків обмоток одно w1:w2= (2+1/2-1:(2+1/2-2)=3:1. Це означає, що на магнітопроводі верхня по малюнку обмотка має перебувати цілком, а у другої - тільки її третя частина.
Коли довжина ліній для обмоток багато менше довжини робочої хвилі, ТДЛ можуть бути спрощені: лінії, де синфазні напруги дорівнюють нулю. замінюють перемичкою. У цьому випадку, наприклад, трехобмоточный ТДЛ (рис. 5, д) перетворюється в двохобмотувальний (рис. 6).
Рис.6
Коефіцієнт передачі ТДЛ залежить від того, наскільки хвильовий опір відмінно від оптимального значення і яке при цьому співвідношення електричної довжини лінії і довжини хвилі. Якщо, наприклад, відрізняється від необхідного в два рази, то втрати в ТДЛ рівні 0,45 дБ при довжині лінії лямбда/8 і 2,6 дБ при лямбда/4. На рис. 7 наведена залежність коефіцієнта передачі ТДЛ з n=2 від фазової його довжини ліній для трьох значень g.
Рис.7
Розрахунок, наведений в [4], показує, що, якщо використовуються лінії з оптимальними значеннями в, коефіцієнт стоячої хвилі в ТДЛ не перевищує 1,03 при довжині лінії лямбда/16 і 1,2 при довжині лямбда/8. Звідси можна зробити висновок, що параметри ТДЛ залишаються задовільними при довжині двопровідних ліній менше лямбда/8.
Вихідними даними при розрахунку ТДЛ є коефіцієнт трансформації п, варіант включення ТДЛ, нижня і верхня межі робочого діапазону частот (у герцах), максимальна потужність Рмах на навантаженні (у ватах), опір навантаження Rн (в омах) і хвильовий опір фідера g (в омах). Розрахунок ведуть в такій послідовності.
1. Визначають мінімальну індуктивність провідника лінії Lл (генрі) з умови, що
Lд>>Rг/2fн.
На практиці Lл, можна брати в 5...10 разів більше обчисленого відносини Rг до 2fн.
2. Знаходять число витків w лінії на кільці магнітопровода:
де dcp - середній діаметр кільця (в
см), S - площа поперечного перерізу
магнітопровода (у см2), ,u - відносна магнітна проникність магнітопровода. 3. Розраховують синфазно струм Ic;
(в амперах), що протікає по обмотці ТДЛ, на нижчої робочої частоти:
Ic=Vc/2пfнLл,
де Vc - синфазное напруга на лінії, обчислюване для конкретних варіантів включення у відповідності з вищенаведеними співвідношеннями.
4. Визначають магнітну індукцію (в теслах) магнітопровода:
B=4*10-6.uIc/dcp.
Магнітопровід вибирають з урахуванням, щоб він не насичувався синфазным струмом (або постійним, якщо він є). Для цього магнітна індукція в магнітопроводі повинна бути на порядок менше індукції насичення (беруть із довідників).
5. Знаходять Пікова напруга Uпик в лінії:
де у - КСВ в фідері.
6. Обчислюють ефективне значення струму Іэфф (в амперах):
7. Визначають діаметр d проводів (в міліметрах) довгій лінії:
де J - допустима щільність струму (в амперах на квадратний міліметр).
Для ТДЛ узгоджуючих антенних пристроїв підходять кільцеві (типорозмірами К55Х32Х9, К65Х40Х9) магнітопроводи з феритів 300ВНС, 200ВНС, 90ВНС, 50ВНС, а також 400НН, 200НН, 100НН. При необхідності магнітопровід може бути складений з декількох кілець. Потрібне хвильовий опір довгій лінії отримують, рівномірно скручуючи між собою (з певним кроком) провідники (див. таблицю). У разі хрестоподібного з'єднання проводів з виявляється нижче, ніж коли з'єднані між собою сусідні провідники. Хвильовий опір лінії нескрученных проводів діаметром 1.5 мм дорівнювало 86 Ом.
Хвильовий опір довгій лінії в залежності від кроку скрутки і види з'єднань
Вид
Крок скрутки, см
4
3
2
1
0.67
0.25
:
70
60
56
44
36
-
I I
45
43
40
33 (32)*
-
-
X
23
22
20
18 (19)*
-
10**
* При діаметрі проводів 1 мм.
** При діаметрі проводів 0.33 мм
Щоб покращити параметри (зокрема, коефіцієнт асиметрії) і одночасно спростити конструкцію согласующе-трансформівного вузла, застосовують послідовне з'єднання декількох ТДЛ різного типу.
Для прикладу за наведеною методикою розрахуємо складовою ТДЛ з n=2. Він повинен узгодити вхідний опір 12,5 Ом симетричної антени з коаксіальним кабелем РК-50. Нижня робоча частота - 14 МГц. Потужність не перевищує 200 Вт. Для ТДЛ передбачається використовувати магнітопроводи типорозміром К45Х28Х8 (dcp=3,65 см, S=0,7 см2) з фериту 100НН (його питома індукція насичення - 0,44 Тл/см2 [5]).
Нехай перша щабель з коефіцієнтом трансформації n=2 складеного ТДЛ (рис. 8) буде включена за схемою рис. 5, а, а друга (n=1) -за схемою рис. 5, р.
Рис.8
Розраховуємо перший ТДЛ.
1. Знаходимо Lл:
Приймемо Lл дорівнює 13,5 мкГн.
2. Обчислюємо число витків обмотки:
Таке число витків подвійного товстого дроту з працею можна розмістити у вікні магнітопровода. Тому доцільно використовувати два кільця. У цьому випадку магнітопровід буде мати розміри К45Х 28Х16 (S=1.4 см2). Нове число w:
3. Визначаємо пікова напруга на навантаженні:
4. Знаходимо синфазное напруга на обмотках у відповідності зі схемою включення (рис. 5, а):
V1=(2-1)71=71 Ст. Оскільки синфазное напругу на другій обмотці дорівнює 0, то ця обмотка замінюється перемичками (рис. 6).
5. Синфазно струм дорівнює:
6. Обчислюємо магнітну індукцію в магнітопроводі:
В=4*10-6*100*9*0,06/3,65=59*10-6 Тл, що значно менше індукції насичення.
Хвильовий опір лінії g1=50 Ом.
У другому ТДЛ доцільно застосовувати такі ж кільця, як і в першому. Тоді Lл=13,5 мкГн, w=9 витків.
7. Синфазное напруга на обмотці V=(2+1/2-1)71=106,5 Ст.
8. Синфазно струм дорівнює:
L=106,5/2*3,14*14*106*13,5*10-6=0,09 А.
9. Магнітна індукція
В=100*4*10-6*9*0,09/3,65=89*10-6 Тл.
І в даному випадку вона виходить менше індукції насичення. Хвильовий опір лінії обмотки вибирають близько 12 Ом.
Діаметр проводів для ліній ТДЛ визначають так само, як і діаметр проводів для обмотки у звичайних трансформаторах. Цей розрахунок тут не наводиться.
Уважний читач може помітити неточність у наведеному розрахунку (пов'язана із застосуванням складових ТДЛ). Вона полягає в тому, що індуктивність Lл обчислюється без урахування того, що обмотки ТДЛ першої та другої щаблі з'єднані, тобто з деяким запасом. Так що на практиці в ТДЛ кожному ступені можна зменшити число витків в обмотках і застосувати феритові магнітопроводи менших розмірів.
Використовуючи комбінації різних одиночних ТДЛ, можна отримати широку гамму ТДЛ з заданими характеристиками [4].
У виготовлених ТДЛ слід вимірювати ККД і коефіцієнт асиметрії [4]. Схема включення ТДЛ при визначенні першого параметра показана на рис. 9, другого - на рис. 10. Втрати а (в децибелах) в трансформаторі розраховують за формулою: а=20lg(U1/nU2).
Рис.9
Рис.10
Автором було зроблено кілька ТДЛ. Практичні дані деяких з них наводяться нижче. Зовнішній вигляд двох трансформаторів показаний на рис. 11.
Рис.11
Сімметрірующій ТДЛ (тип НС) з коефіцієнтом трансформації n=1, що працює в діапазоні частот 1,5... 30 МГц при вихідний потужності до 200 Вт, для узгодження фідера РК-50 з вхідним опором антени 50 Ом можна виготовити на магнітопроводі 50ВНС типорозміром
К65Х40Х9. Число витків обмоток лінії (g=50 Ом) - 9. Обмотки 1-1', 2-2' (рис. 12) мотають в 2 дроту ПЕВ-2 1,4 біфілярно, без скруток. Щоб забезпечити сталість відстані між проводами, на них надягають фторопластову трубку. Обмотку 3-3' намотують окремо на вільній частині кільця тим же дротом і тією ж довжиною, що обмотки 1-1', 2-2'. ККД виготовленого ТДЛ був близько 98%. коефіцієнт асиметрії - понад 300.
Рис.12
ТДЛ з коефіцієнтом трансформації n=2 (тип НС), розрахований на потужність до 200 Вт, узгоджувальний 75-омное хвильовий опір фідера з симетричним входом антени, у якій вхідний опір 18 Ом. можна виготовити на магнітопроводі 200НН (рис. 13) типорозміром К65Х40Х9. Обмотки повинні містити 9 витків ліній з проводів ПЕВ-2.1,0. Виготовлений трансформатор мав ККД 97 %, коефіцієнт асиметрії на частоті 10 МГц - 20, на частоті 30 МГц - не менше 60.
Рис.13
На рис. 14 наведена схема включення складеного ТДЛ (типу НС) з коефіцієнтом трансформації n=3, узгоджувального антену, що має вхідний опір 9 Ом, з 75-омних коаксіальним кабелем. ТДЛ, розрахований на роботу в діапазоні 10...30 МГц-при потужності до 200 Вт, виконують на кільцях (типорозмір К32Х20Х6) з фериту 50ВНС. Магнітопроводи трансформаторів WT1 і WT2 складають з двох кілець, обмотки і котушка L1 повинні містити по 6 витків. Довгі лінії і котушку виконують проводом ПЕВ-2 1,0. Хвильовий опір лінії для WT1 - 70 Ом, для WT2 - 25 Ом. Побудований ТДЛ мав ККД 97 %, коефіцієнт асиметрії - не менше 250.
Перед експлуатацією ТДЛ слід прийняти заходи по захисту їх від несприятливих кліматичних впливів. Для цього трансформатори обмотують фторопластовою стрічкою, поміщають в коробку і, якщо є можливість, заливають компаундом КЛТ.
Література:
1. Беньковския 3., Лівійський Е. Аматорські антени коротких і ультракоротких хвиль.- М.; Радіо і зв'язок, 1983.
2. Ротхаммель К. Антени.- М: Енергія, 1979.
3. Захаров Ст. Трехдиапазонная трьохелементна антена хвильовий канал.- Радіо, 1970. № 4.
4. Лондон С. Е., Томашевич С. В. - Довідник з високочастотним трансформаторних пристроїв.- М.; Радіо і зв'язок, 1984.
5. Михайлова М. та ін Магнитом'які ферити для радіоелектронної апаратури.- М: Радіо і зв'язок, 1983.
Автор: Ст. Захаров (UA3FU), р. Москва; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru