Добротность катушки на ферритовом или карбонильном (из распылённого железа) сердечнике

Борьба за добротность катушки индуктивности.
Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце или на тороидальном
магнитопроводе из карбонильного (распылённого) железа?


Продолжаем тему ожесточённой борьбы за параметр добротности катушек индуктивности.
В центральной завязке сюжета давайте сделаем весьма вольное, но не оскорбительное допущение - ферритами мы будем называть как, собственно, сами ферриты, так и сердечники из карбонильного (распылённого) железа. Так просто удобней и доступнее для восприятия.

В первом приближении можно считать, что однослойная тороидальная катушка - это ничем не примечательное моточное цилиндрическое изделие, свёрнутое в бублик.

Как добиться максимальной добротности от такой катушки без ферритовых излишеств, мы порассуждали на прошлой странице.

Ясен хулахуп, что добавление ферритового кольца внутрь нашего бублика в определённое количество раз увеличит индуктивность катушки. Для того, чтобы понять, сколько это выйдет в попугаях, приведу упрощённую формулу, описывающую зависимость необходимого количества витков катушки W от значения индуктивности L и магнитной проницаемости µ ферритового кольца, на которое нанесена обмотка : W=K*√L/μ, где
K - это в нашем случае совершенно малоинтересный коэффициент, зависящий от габаритных размеров ферромагнитного сердечника.

Что даёт нам эта формула? А даёт она нам наглядное понимание того, что для получения значения индуктивности на феррите, такой же, как и в катушке без сердечника нам потребуется в µ меньшее количество витков. Т.е. для катушек, намотанных на радиочастотных магнитопроводах с начальной магнитной проницаемостью 5 - 75, экономия на длине провода составит величину ≈ 2 - 9 раз.

Казалось бы, здорово: тёплая ночь, красота за окном, девки поют, пазлы складываются в изящную картинку - примерно в такое же количество раз должна возрасти и добротность нашего изделия.
А вот и нет! Необратимые потери в сердечнике на вихревые токи, перемагничивание (гистерезис), поглощение в веществе изрядно подпортят так хорошо начинавшуюся песню.
Потери эти обычно характеризуются понятием тангенса угла магнитных потерь tanδ вещества.
Эта безразмерная величина может быть представлена в следующем виде: tanδ = μ"/μ', где
μ' - является начальной магнитной проницаемостью феррита в привычном понимании этого слова, а μ" - некая величина, называемая мнимой частью магнитной проницаемости, определяет потери феррита.

А решив покопаться в архивах старинных справочников, есть шанс наткнуться и на до боли простую формулу Q=1/tanδ, что выдаёт нам в сухом остатке значение добротности, определяемое влиянием потерь в ферритовом сердечнике: Q = μ'/μ".

По-хорошему, совсем не лишним было бы учесть потери, которые возникают на ВЧ и в проводах катушек (см. предыдущую страницу). Однако, учитывая уменьшившееся в несколько раз активное сопротивление провода, можно сделать робкий вывод, что основной вклад в добротность будут вносить всё ж таки именно потери ферромагнитного сердечника.

Параметр μ" иногда публикуется производителями в виде графика зависимости от частоты, называемого магнитным спектром феррита... А иногда не публикуется...

Фирма TDK, к примеру, радует глаз радиолюбителя разнообразием цветов и полнотой информации.



А вот, казалось бы - известный американский производитель Amidon™ Inc., весьма почитаемый в кругах отечественных богомольцев, для своих ферритов публикует магнитные спектры, а для сердечников на распылённом железе отправляет пытливый ум разработчика в полный игнор.





Полную информацию по всему ассортименту Amidon-овских ферритов можно найти на официальном сайте на странице http://www.amidoncorp.com/specs/.

И "куда деваться бедному еврею?" при желании намотать высокодобротную катушку на карбониле?

И бедному еврею, и богатому, и даже вообще не еврею - придётся сделать выбор:
- либо для приложений с малым уровнем сигнала мотать изделие на феррите с нормированным уровнем магнитных потерь,
- либо для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности, остановить свой выбор на сердечнике из распылённого железа, выбирая его габариты, исходя из принципа гарантированной работы, далёкой от области насыщения материала, а номер смеси - исходя из частот, рекомендованных производителем.

Ниже приведу список ферритовых колец Amidon, отлично себя зарекомендовавших, при использовании в высокодобротных резонансных схемах.

 Тип материала   Начальная проницаемость   Частоты для резонансного применения, МГц 
 33   800   0.01 to 1 MHz 
 43   850   0.01 to 1 MHz 
 61   125   0.2 to 10 MHz 
 64   250   0.5 to 4 MHz 
 67   40   10 to 80 MHz 
 68   20   80 to 180 MHz 
 73   2500   0.001 to 1 MHz 
 77   2000   0.001 to 2 MHz 
 83   300   0.001 to 5 MHz 
 F   3000   0.001 to 1 MHz 
 J   5000   0.001 to 1 MHz 
 K   290   0.1 to 5 MHz 
 W   10000   0.001 to 0.25 MHz 
 H   15000   0.001 to 0.15 MHz 


Делаем выдох и наклон в сторону карбонильных сердечников.

По большому счёту - сердечники из распылённого железа ассоциируются производителем в качестве оптимального материала для применения в силовых устройствах (сглаживающих дросселях, дифференциальных сетевых фильтрах, высокочастотных преобразователях и т.д.). Поэтому данные, приводимые в документации, связаны в основном с мощностными, т. е. малоинтересными для данной темы характеристиками.
А поскольку мы знаем, что катушки, намотанные на подобных магнитопроводах, обладают вполне себе приличными значениями добротности, то исходить придётся из значений магнитной проницаемости материалов и частотных характеристик, приведённых ниже.



При выборе рабочего частотного диапазона материала следует задаваться величиной допустимого отклонения магнитной кривой - ± 10%.

Ну и на основании приведённого графика давайте нарисуем доморощенную таблицу, описывающую частотные характеристики сердечников из распылённого железа.

 Номер смеси   Начальная проницаемость   Диапазон частот, МГц   Цветовая маркировка 
 -2   10   0.1 to 100 MHz   Красный 
 -8   35   0.1 to 100 MHz   Жёлтый/красный 
 -14   14   0.1 to 100 MHz   Чёрный/красный 
 -18   55   0.1 to 20 MHz   Салатовый/красный 
 -19   55   0.1 to 10 MHz   Красный/салатовый 
 -26   75   0.1 to 0.4 MHz   Жёлтый/белый 
 -30   22   0.1 to 10 MHz   салатовый/серый 
 -34   33   0.1 to 6 MHz   Серый/голубой 
 -35   33   0.1 to 4 MHz   Жёлтый/серый 
 -40   60   0.1 to 0.4 MHz   Салатовый/жёлтый 
 -45   100   0.1 to 1 MHz   Чёрный 
 -52   75   0.1 to 1 MHz   Салатовый/голубой 


А теперь для нашего друга из солнечного Биробиджана прозвучит ритмически захватывающая поп-композиция "Частотные диапазоны работы карбонилов, не вошедших в предыдущую таблицу". Основным критерием выбора данных диапазонов является достижение максимального значения добротности намоточного изделия.





Ну и хватит о грустном. Подведём итог вышерассказанной истории: "Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце?".

1. Обмотка должна быть однорядной, как можно более толстым (в пределах разумного) проводом.
2. Для цепей с малым уровнем сигнала лучшим выбором являются ферритовые кольца, так как имеют в данном режиме нормированный уровень магнитных потерь.
Кстати, отечественные кольца 50ВЧ2, 30ВЧ2 прекрасно работают во всём КВ диапазоне, и мало чем уступают Амидоновским ферритам.
3. Для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности - ничего не остаётся, как использовать сердечники из распылённого железа, чутко подбирая типоразмеры колец. Чем дальше будет режим работы магнитопровода от области насыщения материала - тем выше будет добротность катушки!

Ну и напоследок, с благодарностью автору, ознакомимся с весьма полезной для широкого круга радиолюбителей информацией от уважаемого постояльца форума cqham.ru - LY1SD:

«Иногда возникают вопросы по Qxx (добротность в режиме холостого хода) контуров на карбонильных кольцах от AMIDON.

При проверке на Q-метре выяснено, что на тороидальных карбонильных сердечниках от amidon или советских ферритовых торах 20-50ВЧ Qхх очень мало зависит от диаметра провода, поэтому достаточно использовать провод толщиной не более 0,5мм.

Пример:
Кольцо Т50-6 (жёлтое, μ=8, D=12,7мм), провод ПЭЛШО 0,35, W=24 витка, L=2,82мкГн. С проводом ПЭВ-2 0,5 добротность несколько выше, но не на много.
Результат измерений:

 Ёмкость конденсатора   Добротность контура Qxx   Резонансная частота 
 25 пФ   170   18,5 Мгц 
 50 пФ   205   13,3 Мгц 
 100 пФ   220   9,42 Мгц 
 150 пФ   220   7,72 Мгц 
 200 пФ   210   6,73 Мгц 
 250 пФ   205   6,05 Мгц 
 300 пФ   200   5,54 Мгц 
 350 пФ   200   5,14 Мгц 
 400 пФ   195   4,82 Мгц 
 450 пФ   190   4,56 Мгц 


Зато на кольце Т106-6 (жёлтое, D=27мм) пробная обмотка L=3,96мкГн (17 витков) проводом ПЭВ-2 1,0мм дала добротность более 400 при ёмкостях 100-400пФ!

 Ёмкость конденсатора   Добротность контура Qxx   Резонансная частота 
 25 пФ   240   15,7 Мгц 
 50 пФ   325   11,4 Мгц 
 100 пФ   400   8,25 Мгц 
 150 пФ   415   6,65 Мгц 
 200 пФ   420   5,6 Мгц 
 250 пФ   420   5,25 Мгц 
 300 пФ   415   4,78 Мгц 
 350 пФ   410   4,44 Мгц 
 400 пФ   400   4,16 Мгц 
 450 пФ   395   3,94 Мгц 


Как видим, изменение Qxx от изменения ёмкости переменника выглядит совершенно иначе, чем с простой соленоидной (в виде пружины) катушкой без сердечника. Сразу бросается в глаза то, что Qxx максимальна не при минимальной ёмкости, как у простой катушки. И также видно, что Qxx сохраняется высокой при максимальной ёмкости переменника.

Из вышесказанного можно сделать вывод 1, что если использовать маленький переменник с небольшой максимальной ёмкостью (например, 10/50пФ, или 10/100пФ), то поддиапазоны можно переключать постоянными конденсаторами, не трогая катушки и запросто перекрыть без потерь Qxx весь КВ-бенд, переключая эти конденсаторы.
Маленький переменник в пределах поддиапазонов обеспечит плавную и точную настройку.

Вывод 2 - можно не стремиться к маленьким ёмкостям контура, так как Qxx катушек на карбонильных кольцах максимальна не при малых контурных ёмкостях. Это значит, что при таких больших ёмкостях контура изменение ёмкости переходов транзистора (а также других паразитных ёмкостей) при изменении его режимов будет мало сказываться на стабильности частоты, так как ёмкость контура на 1-2 порядка больше, чем все указанные ёмкости».




 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved