Широкосмуговий трансформатор
Чому трансформатор широкосмуговий?
Як перевірити чи справді він симетрує?
Пише мені один радіоаматор: “Питання в мене конкретне. Задумав я в саморобний трансівер ввести діапазон 144мгц. Начебто все "клацає", перемикається. Тепер хочу дізнатися - чи життєздатна моя витівка? Питання у кільцях. Згідно з довідником 50 ВЧ працюють до 30 МГц. 20 ВЧ – трохи більше. А, ось на 144 МГц – питання! Так от, на цих кільцях трансформатори чи потягнуть?”
У цих кількох рядках укладено питання, відповіді куди, начебто, очевидні більшість радіоаматорів. Бери обручку, та мотай! Однак, не все так просто у розумінні роботи широкосмугових трансформаторів. Довелося зібрати в умі все те, чому мене вчили, свій практичний досвід і дати відповідь.
З приводу феритових кілець в змішувачі в даному випадку, і взагалі про широкосмугові трансформатори на довгих лініях (ШПТЛ), існує безліч глибоких і стійких помилок. Тут саме одне з них! Хоча, якщо "потягнути ниточку", то зрештою в цьому "клубочку" помилок виявиться дуже багато.
Яких умов повинні дотримуватися для того, щоб трансформатор був саме на довгих лініях?
1)Його обмотки повинні являти собою довгі лінії з відомим хвильовим опором. Простіше кажучи - всі "обмотки" трансформатора повинні бути зроблені з паралельних або трохи скручених проводів з однаковими відстанями між ними. Конструкції трансформаторів, які виконані "традиційним" способом (первинна обмотка на одній частині кільця, вторинна на іншій) НЕ ПРАЦЮВАЛЬНІ! У цьому можна переконатись, зробивши простий експеримент. Намотайтетрансформатор на кільці з коефіцієнтом трансформації 1:1 або 1:2 (ці цифри є ще одним приводом для обговорення) і навантажте на відповідний еквівалент навантаження, зроблений, наприклад, з резистора МЛТ-2. У першому випадку – це 50 Ом, а у другому – 200 Ом. Подайте на трансформатор постійний сигнал невеликої потужності з будь-якого сучасного трансівера, використовуючи його як ГСС. Так от, коли трансформатор намотаний "традиційним" способом, то він дає КСВ на вході, рівний БЕЗКІНЕЧНОСТІ! А коли ваш трансформатор за конструкцією - справжній ШПТЛ, то КСВ буде близько 1 і в широкому діапазоні частот. Досвід можна повторити з різними феритами. Такий експеримент дуже показовий, його можна зробити не виходячи з дому, на своєму робочому столі,
2)ШПТЛ повинен бути навантажений по входу та виходу на АКТИВНІ навантаження рівні приблизно хвильовому опору ліній з яких він зроблений.
Типовий приклад: Наш брат - радіоаматор застосовує для "симетрування" антен величезні за величиною феритові кільця біля полотна. Однак описаний вище експеримент з активними навантаженнями показує, що колечко діаметром 10. 20 мм витримує потужність 100 Вт і не нагрівається! То де ж правда? Правда, в тому, що антена (диполь або рамка) має низький активний опір ТІЛЬКИ на єдиній єдиній частоті, частоті першої гармоніки антени. Високі активні опори, які є на парних гармоніках, практично непридатні. Низькоомні резонанси на непарних верхніх гармоніках потрапляють не в радіоаматорські діапазони. А на решті частот ЗАВЖДИ будуть присутні значні реактивності. Вони викликають сильне нагрівання кільця і тому воно повинно мати велику поверхню охолодження. бути ВЕЛИКИМ. Наприклад, в імпортних стоватних трансіверах на виході ПАстоять мікроскопічні феритові біноклі. І НІЧОГО! Це не через те, що вони виготовлені з дивовижного матеріалу. Просто одна з вимог до вихідного навантаження для таких трансіверів - щоб вона була АКТИВНОЇ. (Інша вимога – 50 Ом). Слід побоюватися тих публікацій, де рекомендують мотати певну кількість витків для ВЧ трансформатора. Це ознака ще однієї "хвороби свідомості" - квазірезонансного використання ШПТЛ-а. Ось від туди "ростуть ноги" у легенди про необхідність застосовувати ВЧ ферити. Але ... Широкополосності то вже НІ!
Тепер про згадані 1:1 та 1:2. У шкільному курсі фізики коефіцієнт трансформації - це співвідношення витків первинної та вторинної обмоток. Тобто. співвідношення вхідних та вихідних напруг. Чому ж у радіоаматорів цей параметр перетворився "за умовчанням" на коефіцієнт трансформації опорів? Та тому, що трансформація опорів більш важлива у нашому середовищі. Але не слід доходити до апсурду! Ось розмова підслухана в ефірі – два радіоаматори обговорюють як зробити тансформатор із 50 на 75 Ом. Один пропонує мотати його із співвідношенням витків 1:1,5. І коли їм хтось несміливо заперечує, у відповідь чути лише звинувачення у технічній неписьменності. І таке трапляється на кожному кроці! А лише - ТЕРМІНИ! Виходить, що великий закон збереження енергії для них не діє і можна при напрузі на вхідній обмотці, припустимо 1 Вольт, подаючи на 50-ти омний вхід трансформатора потужність 20 мВт, на 75-ти оммному виході знімати вже 30 мВт. Ось такий "вічний двигун" виходить! Тут всього лише треба пам'ятати, що коефіцієнт трансформації опорів знаходиться в квадратичній залежності від коефіцієнта трансформації напруг. Тобто трансформатор 1:2 трансформуватиме опір 50 Ом в 200 Ом, атрансформатор 5:6 опір 50 Ом у 75 Ом. Чому я написав 5:6, а не 1:1,2? Ось тут один крок до конструкції. Як уже говорилося, ШПТЛ має мотатися лінією. А лінія - це два або кілька складених разом і злегка скручених дротів. Хвильовий опір такої лінії залежить від діаметра проводів, відстані між їхніми центрами та кроку скручування. Для трансформації 50 Ом у 75 Ом необхідно використовувати лінію із ШЕСТИ дротів і, якщо немає вимоги до симетрування, з'єднати ці дроти за схемоюРис.1
Як ви помітили, схема теж намальована по-особливому не як звичайний трансформатор. Таке зображення краще відбиває суть конструкції. Звичне схемне зображення,Рис.2, і, відповідно, "традиційна" конструкція автотрансформатора з одношаровою обмоткою і відведенням від 0,83 загальної кількості витків при практичних випробуваннях "на столі" показує набагато гірші результати широкосмугового.
З конструктивних та експлуатаційних міркувань небажано так само робити ШПТЛ з укороченою ділянкою однієї з ліній.Мал.3. Незважаючи на те, що це дозволяє легко робити будь-які, навіть подрібнені, коефіцієнти трансформації. Таке рішення призводить до появи неоднорідності лінії, внаслідок чого погіршується широкосмуговість.
Цікаве питання: -"Які граничні коефіцієнти трансформації можна отримати в ШПТЛ?" 2 КІМ з боку лампи в опір 50 Ом. Експеримент "на столі" дає досить цікавий результат. Знову все залежить від конструкції обмоток. Наприклад, якщо зробити "традиційний" трансформатор абоавтотрансформатор з коефіцієнтом трансформації, припустимо, 1:10, навантажити його на належний активний опір, що дорівнює 5 КОМ і проміряти КСВ на п'ятдесятиоммній стороні, то від результату волосся може стати дибки! А якщо на додаток зняти АЧХ, то буде зрозуміло, що від широкосмугового зв'язку нічого не залишилося. Є один очевидний, досить гострий резонанс, зумовлений індуктивністю.
Цю хвору тему можна було б ще розвивати до нескінченності, але… Все затьмарила конструкція широкосмугового симетруючого трансформатора на трансфлюксорі (двохдірковому феритовому сердечнику)Рис.4, яку мені вдалося "піддивитися" в імпортній антені для телевізора типу "вуса ”. Зображення на малюнку звичайно схематичне - насправді обмотки складаються з кількох (3.5) витків. Довго з подивом я розглядав його конструкцію, намагаючись зрозуміти систему намотування. Нарешті вдалося намалювати розташування "обмоток". Ось вже приклад використання справжніх довгих ліній!
Якби я не знав, що це лінії, то подумав би, що я божевільний! Особливо ця червона короткозамкнена обмотка… Але чому ж ми не дивуємося у випадку, коли, наприклад, у кабельному U-коліні, необхідно з'єднати в одній точці обплетення з двох кінців коаксіального кабелю. Теж, адже – ЛІНІЯ! При настільному експерименті на еквівалент навантаження цей мікротрансформатор, призначений для роботи на частотах сотні мегагерц, показав чудові результати на значно нижчих частотах, аж до діапазону 40 м і при повній потужності трансівера.
Коротше! Робіть свій змішувач на будь-якому кільці з НЧ-феритом. Випробуєте - напишіть! Експериментуйте сміливіше!