Согласующие устройства: назначение и принцип построения. Все о согласующем трансформаторе Симметрирующие антенные трансформаторы схемы и расчет

Последние мои публикации, посвященные КВ антеннам, вызвали у многих читателей ряд вопросов о конструкции используемых в них трансформаторов и дросселей.

Этот вопрос хорошо освещен в радиолюбительской литературе и многочисленных статьях и, казалось бы, не требует дальнейших комментариев.

Ферритовые трансформаторы на ферритовых трубках выполняют сразу несколько функций: трансформируют сопротивление, симметрируют токи в плечах антенны и подавляют синфазный ток в оплетке коаксиального фидера. Наилучшим отечественным ферритовым материалом для широкополосных трансформаторов является феррит марки 600НН, но из него не изготавливали трубчатых сердечников...

Сейчас в продаже появились ферритовые трубки зарубежных фирм с хорошими характеристиками,
в частности FRR-4,5 и FRR-9,5 , имеющие размеры dxDxL 4,5x14x27 и 9,5х17,5х35 соответственно. Последние трубки использовались в качестве помехо-подавляющих дросселей на кабелях, соединяющих системные блоки компьютеров с мониторами на электронно-лучевых трубках. Сейчас их массово заменяют на матричные мониторы, а старые выбрасывают вместе с ферритами.

Рис.1. Ферритовые трубки FRR-9,5

Четыре таких трубки, сложенные рядом по две, образуют эквивалент «бинокля», на котором можно разместить обмотки трансформаторов, перекрывающих все КВ диапазоны от 160 до 10 м. Трубки имеют скругленные грани, что исключает повреждения изоляции проводов обмоток. Трубки удобно скрепить вместе, обмотав широким скотчем.

Из различных схем широкополосных трансформаторов я использовал простейшую, с раздельными обмотками, витки которых имеют дополнительную связь за счет плотной скрутки проводников между собой, что позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и за счет этого повысить верхнюю границу рабочей полосы частот. Одним витком будем считать провод, продетый через отверстия обеих трубок «бинокля». Половиной витка - провод, продетый через отверстие одной трубки «бинокля». В таблицу
сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках.

В таблицу сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках.

Как видим, получается весьма широкий выбор соотношения сопротивлений. Трансформатор с коэффициентом 1:1 - подобно дросселю симметрирует токи в плечах антенны и подавляет синфазный ток в оплетке кабеля питания. Прочие трансформаторы в дополнение к этому еще и трансформируют сопротивления. Чем руководствоваться при выборе числа витков? При прочих равных условиях трансформаторы с одновитковой первичной обмоткой имеют примерно в четыре раза более высокую нижнюю границу полосы пропускания по сравнению с двухвитковой, но и верхняя частота полосы пропускания и них значительно выше. Поэтому для трансформаторов, используемых от диапазонов 160 м и 80 м лучше использовать двухвитковые варианты, а от 40 м и выше - одновитковые. Использовать целочисленные значения числа витков предпочтительно, если желательно сохранить симметрию и разнести выводы обмоток на противоположные стороны «бинокля».

Чем выше коэффициент трансформации, тем труднее получить широкую полосу пропускания, поскольку возрастает индуктивность рассеяния обмоток. Компенсировать ее можно путем включения конденсатора параллельно первичной обмотке, подбирая его емкость по минимуму КСВ на верхней рабочей частоте.

Для обмоток я обычно использую провод МГТФ-0,5 или более тонкий, если нужное число витков не умещается в отверстии. Заранее рассчитываю нужную длину провода и отрезаю ее некоторым запасом. Провод первичной и вторичной обмоток плотно скручиваю до намотки на сердечник. Если отверстие феррита не заполнено обмотками, лучше продевать витки в подходящие по диаметру термоусаживаемые трубки, отрезанные по длине «бинокля», которые после завершения намотки усаживаются с помощью фена. Плотное прижатие витков обмоток друг к другу расширяет полосу трансформатора и часто позволяет исключить компенсирующий конденсатор.

Следует иметь в виду, что повышающий трансформатор может работать и как понижающий, с тем же коэффициентом трансформации, если его перевернуть. Обмотки, предназначенные для подключения к низкоомным сопротивлениям, нужно выполнять из экранной «плетёнки» или нескольких проводов, соединенных параллельно.

Проверку трансформатора можно проводить с помощью измерителя КСВ, нагрузив его выход на безиндуктивный резистор соответствующего номинала. Границы полосы определяются по допустимому уровню КСВ, например 1,1. Измерить потери, вносимые трансформатором, можно путем измерения ослабления, вносимого двумя одинаковыми трансформаторами, включенными последовательно, так, чтобы вход и выход имели сопротивление 50 Ом. Результат не забудьте поделить на 2.

Несколько труднее оценить мощностные характеристики трансформатора. Для этого потребуется усилитель и эквивалент нагрузки, способный выдерживать необходимую мощность. Используется та же схема с двумя трансформаторами. Измерение проводится на нижней рабочей частоте. Постепенно поднимая мощность CW и поддерживая ее примерно с минуту, определяем рукой температуру феррита. Уровень, при котором феррит за минуту начинает чуть заметно нагреваться, можно считать максимально допустимым для данного трансформатора. Дело в том, что при работе не на эквивалент нагрузки, а на реальную антенну, имеющую реактивную составляющую входного импеданса, трансформатор передает еще и реактивную мощность, которая может насыщать магнитный сердечник и вызывать дополнительный нагрев.

На рисунках показаны примеры практических конструкций. На рис.5 - трансформатор, имеющий два выхода: на 200 и 300 Ом.

Рис.2. Трансформатор 50:110

Рис.3. Трансформатор 50:200

Рис.4. Трансформатор 50:300

Рис.5. Трансформатор 50:200/300

Трансформаторы можно разместить на подходящего размера печатной плате,
защитив ее от осадков любым практическим способом.

Владислав Щербаков, RU3ARJ

info - http://cqmrk.ru

Приветствую, дорогие друзья. С вами Тимур Гаранин, и сегодня мы поговорим про согласующие устройства, точнее про балуны и трансформаторы сопротивления.

Но сначала разберемся в том, какие существуют типы линий. Линии бывают симметричные и несимметричные. Симметричная линия — это такая линия, проводники которой одинаковы.

Соответственно, несимметричная линия состоит из проводников, разных по форме и характеристикам.

Прекрасным примером симметричной линии является витая пара. А вот коаксиальный кабель — это классический пример несимметричной линии.

Что представляют собой в линиях полезный сигнал и помеха? Полезный сигнал, если описывать его самыми простыми словами, это ток, текущий в противоположных направлениях в проводниках линии. Так как он течёт в противоположных направлениях, то при замыкании цепи на нагрузке он без проблем в ней выделяется.

Помеха в линии представляет собой ток, текущий в одном направлении в обоих проводниках. При замыкании цепи на нагрузке, токи из этих проводников вычитаются, и на нагрузке не выделяются.

Теоретически всё красиво, но на практике есть нюансы.

Оба типа линии, и симметричная и несимметричная, достаточно хорошо устойчивы к магнитной составляющей помех, падающих на эти линии. Силовые линии магнитного поля, пересекая оба проводника линии, возбуждают в них токи одинаковой силы, текущие в одном направлении. Поэтому на нагрузке они вычитаются.

С электрической составляющей помехи всё гораздо интересней. Если линия симметричная, то внешнее электрическое поле действует одновременно на оба проводника практически одинаково. Следовательно, возбуждает токи в обоих проводниках одинаковой силы и направления. Симметричная линия, например витая пара, весьма устойчива к внешнему электрическому полю.

С несимметричной линией ситуация обстоит кардинальным образом иначе. Рассмотрим внимательно устройство коаксиального кабеля. Оплетка кабеля, внешний проводник, фактически представляет собой клетку Фарадея. Это означает, что внешнее электрическое поле никак не может подействовать на центральной проводник коаксиального кабеля. То есть внешнее электрическое поле не возбуждает ток в центральном проводнике кабеля. Зато в самой оплетке, то есть во внешнем проводнике кабеля, под действием внешнего электрического поля заряды распределяются так как и следовало ожидать. Внешнее переменное электрическое поле возбуждает в оплетке коаксиального кабеля самое настоящее эшельме бешельме. Оплетка кабеля работает как полотно антенны.

В результате мы получаем ситуацию, когда помеха вызывает ток только в одном проводнике линии. А значит этот сигнал не вычитается на нагрузке, а выделяется.

Вот и подъехала главная задача. Как отделить полезный сигнал от помехи?

На помощь к нам придут балуны. Balun — это сокращение от английского языка balanced/unbalanced. Что по сути и раскрывает предназначение этого устройства, подключать симметричную нагрузку к несимметричной линии.

Простейший балун — это дроссель, индуктивный фильтр. Он может представлять собой ферритовый тороид, на который намотано несколько витков кабеля, либо ферритовые защелки, одеваемые поверх кабеля.

Принцип его действия прост, как у любого индуктивного фильтра. Полезный сигнал, амплитуда которого в обоих проводниках кабеля одинакова, магнитного поля не создает, так как ток течет в проводниках в противоположных направлениях. А раз он не создает магнитного поля, то индуктивный фильтр не является для него препятствием, и полезный сигнал спокойно проходит сквозь фильтр.

Но если сигнал поступает только с одного проводника кабеля, а во втором проводнике нету сигнала противоположного по направлению и равного по амплитуде, то этот сигнал в одном проводе создает магнитное поле. Индуктивное сопротивление фильтра будет представлять для помехи большую преграду, и помеха не сможет пройти сквозь балун.

Где нужно располагать балун на кабеле? Если мы работаем на передачу, фильтр нужно располагать прямо перед антенной, чтобы помехи, наведенные на кабель, не излучались антенной. Если мы работаем на приём, то балун нужно располагать перед входом приемника, чтобы блокировать прохождение помех на усилительный каскад.

В любом случае балун стабилизирует параметры уже настроенной системы, и не даёт им изменяться под влиянием внешних факторов.

Ещё один популярный тип согласующих устройств, похожих на балуны — это трансформаторы сопротивления. В простейшем случае они устроены точно также как трансформаторы напряжения. Но обратите внимание, что коэффициент трансформации сопротивления равен квадрату коэффициента трансформации напряжения. Трансформаторов сопротивления существует огромное множество, с гальванической развязкой и без, на ферритах и на воздухе. Но цель у всех трансформаторов сопротивления одинакова — согласовать волновое сопротивление линии с сопротивлением антенны.

Когда вы покупаете антенну, то часто можете встретить небольшую коробочку в ее составе. Как вы думаете, что это такое, и что находится внутри этой коробочки? Это ничто иное как простое согласующее устройство. Иногда внутри него находится ферритовый балун, а иногда и просто печатные трансформаторы, то есть трансформаторы из плоских дорожек. Трансформаторы сопротивления встречаются достаточно часто. Плоские печатные трансформаторы работают точно также как и обычные ферритовые трансформаторы. Так как частота у антенн относительно высокая, то даже две дорожки, расположенные на плате друг рядом с другом, уже работают как трансформатор.

Давайте сделаем выводы:

1. Несимметричные линии потенциально подвержены помехам со стороны источников переменного электрического поля

2. Для отделения полезного сигнала от помехи используются балуны, простые индуктивные фильтры

3. Для согласования волнового сопротивления линии с волновым сопротивлением антенны часто используются трансформаторы сопротивления

4. Балуны и трансформаторы сопротивления могут быть выполнены как на ферритовом сердечнике, так и на воздухе или даже на печатной плате

На сегодня всё. Если считаете, что ролик был полезен, ставьте лайк и делитесь с друзьями. Вопросы и предложения пишите в комментариях. Всем удачи!

Трансформатором называют приспособление, задача которого заключается в изменении напряжения переменного тока на переменный ток другого напряжения. Такие преобразователи являются неотъемлемыми элементами различных электрических систем таких как:

сварочные аппараты;
нагревательные аппараты;
выпрямительные устройства.

В данной статье речь пойдет о такой разновидности преобразующих устройств, как – согласующий трансформатор.

Сущность и принцип действия

Согласующий трансформатор (далее СТ) использует согласование импедансов различных частей электрической цепи во время трансформации и передачи электросигналов. Трансформаторные устройства согласовывают источник поступаемого сигнала с входным импедансом каскада в усилителях с низкими частотами (УНЧ).

Усилители низкой частоты – приспособления, увеличивающие частоты электрических волн до диапазона частот слышимых человеком (20 Гц – 20 кГц). Такие усилители используют как отдельное устройство либо применяют, как часть более сложного.

Примеры приборов с наличием усилителя:

микрофон;
телевизор;
радиоприемник и т.п.

Сущность СТ заключается в следующем – устройство содержит подложку, выполненную из диэлектрического материала и ферритную пластину, имеющую в рабочих частотах дисперсную магнитную проницаемость. Со стороны подложки, обращенной к пластине, располагаются 1-й, 2-й, 3-й проводники, имеющие П-образную форму. С обратной стороны подложки наносится металлизация, имеющая два зазора в виде «П».

СТ состоит из:

1. Подложки диэлектрической; 2-4. Проводников; 5. Полоскового проводника; 6. Металлизации; 7. Контура щелевого; 8. Пластины ферритной; 9. Металлизации; 10–11. Зазоров; 12-13. Вспомогательных щелевых участков.

Рис. 1 Чертеж согласованного трансформатора

Принцип работы заключается:

Первичная обмотка 4 получает входной сигнал. Пластина 8 и металлизация 6 играют роль связующего звена между проводниками 2-4.
Затем вводятся новые элементы:
1. с одной стороны проводник 4 диэлектрической подложки;
2. с обратной – металлизация.

Коммутация проводников 2-4 обеспечивает уменьшение частоты в 2 раза. Данный вариант конфигурации СТ становится проще, отсутствует контакт между слоями. Согласующее устройство может быть исполнено как фрагмент печатной платы более усложненной схемы.

Конструкция

Устройства данного типа в своих конфигурациях используют ряд базовых элементов такие как:

магнитный проводник;
корпус для витков;
сами обмотки;
прочие вспомогательные элементы (крепежные фрагменты, средства защиты трансформатора).

СТ изготавливаются из магнитных проводников высокого качества. Существуют разновидности малых и больших размеров.

Конструктивные особенности СТ малых габаритов:
1. пластины сердечника не нуждаются в дополнительной изоляции;
2. каждая пластина имеет оксидную пленку, которая и образует изоляцию.
СТ больших размеров:
1. пластины сердечника изолируются, путем покрытия с одной стороны изолирующего лака;
2. устройства такой конфигурации используются при напряжениях на виток порядка менее десятых Вольта либо выше.

Рис 2. Согласующий трансформатор

Обмотки вокруг магнитопровода, как правило, наматывают из медной изолированной проволоки круглого сечения. Проводник прямоугольного сечения применяется в случае использования большого сечения, около 5-10 мм2.

Корпус такого трансформатора зачастую выполняется цилиндрическим. Такая конструкция более проста в изготовлении и имеет меньшую величину индуктивности рассеяния.

Сердечник отбирается по 2-м критериям:

конструкционная постоянная характеристика нижних частот, которая определяет частотный показатель устройства на низких частотах;
конструкционная постоянная магнитной индукции, которая определяет амплитуду составляющей магнитной индукции на самой низкой частоте.

Величину сердечника выбирают, учитывая конструкционную постоянную нижних величин частот, а также постоянную величину магнитной индукции в сердечнике.

Материал сердечника выбирают исходя из типа трансформатора, учитывая его рабочую среду, степень износа, а также конструкционные особенности и экономические затраты.

Типы согласующих сигнальных трансформаторов

В зависимости от области применения, внешних факторов и требований к аппаратуре существует большое множество разновидностей электрических преобразователей. Рассмотрим примеры моделей ТОТ, ТОЛ и ТВТ.

Трансформаторные устройства типа ТОТ

Расшифровка аббревиатуры:

Т- «трансформатор»;

О – «оконечный»;

Т- «транзисторный».

Предназначаются для работы в холодных климатических условиях при температуре (-60… +90 °С), с высокой вероятностью износа и относительной влажностью ~93 – 96%.

Рис. 3 Вид трансформаторов ТОТ-типа

Рис. 3. демонстрирует технические особенности устройства, с обозначение основных конструктивных параметров.

Конструктивные размеры указаны в таблице 1. Производство данных разновидностей трансформаторных устройств использует современную технологию производства на печатных платах с заливкой, кроме того, использование лакирования позволяет противодействовать погодным и механическим воздействиям.

Таблица 1. Конструкционные размеры преобразователей вида ТОТ.

Трансформаторные устройства типа ТОЛ

Расшифровка аббревиатуры:

Т- «трансформатор»;

О – «оконечный»;

Л- «ламповый».

Устройства данного типа применимы для работы в относительно холодных, тропических климатических условиях, с высокой вероятностью износа при температуре (-50… +130 °С) и относительной влажностью ~96 – 100%.

Рис. 4 Вид трансформаторов ТОЛ-типа

На рис. 4. представлены изображения устройства с разных видов и обозначения основных конструктивных параметров.

Таблица 2. Допустимые значения преобразователей вида ТОЛ.

Производство приборов ТОЛ – обеспечивает работу не повреждая обмотки, а также исключает возникновения коррозии на стальных деталях. Кроме того, такие приборы обладают высокой стойкостью к высоким температурам, механическим воздействиям и длительным периодом службы.

Трансформаторные устройства типа ТВТ

Расшифровка аббревиатуры:

Т- «трансформатор»;

В – «входной»;

Т- «транзисторный».

Такие СТ изготавливаются малогабаритными, и используются в умеренно-холодных климатических условиях. Рабочая температура колеблется (-60… +85°С), влажность менее 95%. В таких перепадах температуры имеет место вероятность частичного износа трансформатора.

Рис. 5 Вид трансформаторов ТВТ-типа

Таблица 3. Конструкционные размеры преобразователей вида ТВТ

Конструкционная особенность каркаса обеспечивает дополнительную жесткость посредством монтажных выводов. Участок между отводами рекомендуется выдерживать около 2,5 – 3,0 мм. При изготовлении применяются магнитные проводники в виде стержней с высокой магнитной проницаемостью (марки сталей – 79НМА и 50Н), а также высоким показателем индукции технического насыщения.

В конце стоит отметить, что устройства с согласующим трансформатором, перед тем как будут запущены в эксплуатацию, должны пройти необходимые испытания и быть гарантированными для дальнейшей службы. Условием, необходимым для обеспечения соответствующей степени надежности, является реализация ограничений перенапряжения, поскольку при работе СТ может подвергаться более серьезным нагрузкам и иметь большую вероятность износа, нежели при тех, которые проводились на предварительных испытаниях.

Видео о согласующем трансформаторе

Самодельные широкополосные симметрирующие дроссели и трансформаторы на ферритовых трубках

Сейчас в продаже появились ферритовые трубки зарубежных фирм с хорошими характеристиками,
в частности FRR-4,5 и FRR-9,5, имеющие размеры dxDxL 4,5x14x27 и 9,5х17,5х35 соответственно. Последние трубки использовались в качестве помехо-подавляющих дросселей на кабелях, соединяющих системные блоки компьютеров с мониторами на электронно-лучевых трубках. Сейчас их массово заменяют на матричные мониторы, а старые выбрасывают вместе с ферритами.

Рис.1. Ферритовые трубки FRR-9,5

В таблицу сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках.

Число витков первичной обмотки	Число витков вторичной обмотки	Коэффициент трансформации напряжений	Коэффициент трансформации сопротивлений	Соотношения сопротивлений при источнике 50 Ом
1	1	1:1	1:1	50:50
1	1,5	1:1.5	1:2.25	50:112.5
1	2	1:2	1:4	50:200
1	2.5	1:2.5	1:6.25	50:312.5
1	3	1:3	1:9	50:450
1	3.5	1:3.5	1:12.5	50:625
2	1	1:0.5	1:0.25	50:12.5
2	1,5	1:0.75	1:0.56	50:28
2	2	1:1	1:1	50:50
2	2,5	1:1.25	1:1.56	50:78
2	3	1:1,5	1:2,25	50:112,5
2	3,5	1:1,75	1:3	50:150
2	4	1:2	1:4	50:200
2	4,5	1:2,25	1:5	50:250
2	5	1:2,5	1:6,25	50:312.5
2	5,5	1:2,75	1:7,56	50:378
2	6	1:3	1:9	50:450
2	6,5	1:3,25	1:10,56	50:528
2	7	1:3,5	1:12,5	50:625

Рис.2. Трансформатор 50:110

Рис.3. Трансформатор 50:200

Рис.4. Трансформатор 50:300

Рис.5. Трансформатор 50:200/300

Владислав Щербаков, RU3ARJ