Transformere og andet godt, mest til HF

Blandt de passive komponenter, man bruger i radio-sammenhæng, er de induktive komponenter, spoler og transformere, nok de, der volder flest kvaler for radioamatører, misforståelserne kan være mange.

Jeg vil i det følgende se på nogle principielle ting omkring transformere samt på specielle forhold omkring HF-transformere med jernkerner. Dernæst vil jeg se på nogle enkelte eksempler på HF-transformere, vi ofte ser benyttet og på, hvordan man dimensionerer sådanne trafoer.

Mange lære- og håndbøger fortæller noget om transformere, om omsætningsforhold etc. Men ikke mange dvæler ved de magnetiske forhold, eksempelvis hvorfor og hvordan man bruger jernkerner i transformere.

Lad os se på en simpel ideel transformer, 1:1 omsætningsforhold og med den egenskab, at magnetfeltet fra primæren går igennem hele sekundæren. Og med rigtig mange vindinger på de to sider. Den findes desværre ikke i det rigtige liv! Først er det uhyggeligt svært at sikre, at hele primærens felt når sekundæren; der er altid noget, som vil skyde en genvej. Vi taler om begrebet spredning i transformeren.

Så sagde jeg før lidt kryptisk noget om mange vindinger. En egentlig sådan set nødvendig ting er, at vi skal magnetisere vejen for magnetfeltet.  Der skal noget energi til, men vi behøver i bedste fald ikke bruge nogen væsentlig effekt til det.

Vi taler om en magnetiseringsstrøm.  Har vi nu mange vindinger i en given spole, skal der ikke så stor strøm til magnetiseringen. Men vi kan ikke altid bruge mange vindinger; det er der flere grunde til. Få vindinger ville give en stor magnetiserings-strøm, hvad der nok ikke ville være så rart.

Så er det, at jernkernen kommer ind i billedet: Først har jern-materialet en lavere magnetisk modstrand end luften, det gør, at det er nemmere at styre magnetfeltets tur igennem transformeren, der smutter ikke så meget udenom. Og så gør jernets bedre magnetiske ledningsevne, at der skal mindre strøm til at magnetisere vejen. Det er det, som vi oplever gennem at jernkernen giver transformerens spoler en højere selvinduktion, impedansen stiger og magnetiseringsstrømmen mindsker.

Så langt, så godt. Der er imidlertid en pris, man må betale for den bedre magnetiske virkning, man opnår med jernkernen. 

Der er tab forbundet med brugen af en jernkerne og dermed begrænsninger for brugen.  For øvrigt: Når jeg nu taler om jernkerner, så er det jernkerner i al almindelighed: Ved lave frekvenser (f.eks. 50 Hz) blikplade, højere oppe i frekvensspekteret folietynde jernemner, ferritemner og pulverjernsemner.

Der er to væsentlige tabsfaktorer: Hvirvelstrømtab og hysteresetab. Hvirvel-strømstabene er mest frekvensafhængige, tabene stiger med frekvensen. Hysteresetabene er mest afhængige af magnetiseringsgraden; de stiger kraftigt med øget magnetisering.  -- Der er altså nogle ting, vi skal have styr på, når vi dimensionerer en transformer.

Graden af magnetisering taler vi oftest om som induktionen med bogstavsymbolet B. Enheden for induktionen er Tesla, T (i gamle dage hed det Gauss, 1 T = 10.000 Gauss).

Vi har en formel for induktionen:

 

 

 

Ueff

 

 

B

=

-------------------

,

 

 

 

4,44 * A * f * N

 

hvor U er spændingen , A er jernkernens tværsnitsareal, f er frekvensen og N er vindingstallet.

(Måske er der nogle gamle amatører, der genkender formlen fra den tid da man viklede sine nettransformere selv!)

Vi skal se på en grænse for en tilladelig induktion. -- Nu vil jeg tale om ferritkerner, som vi bruger dem i HF-transformere. En typisk ferritkerne vil ifølge fabrikantens oplysninger kunne udsættes for 0,3 T  eller 300 mT ved lave frekvenser. Ved højere frekvenser kan man ikke tillade så meget; jeg skal senere komme tilbage til en af grundene hertil.

OZ8NJ´s formel for en acceptabel B er denne:

 

 

 

15

 

 

B

=

--------

,

 

 

 

f

 

hvor B er i milliTesla og f er frekvensen i MHz.

Min størrelse på B er arbitrær, d.v.s. skønsmæssig. Men jeg er i overenstemmelse med AMIDON og andre amerikanske producenter samt med størrelser brugt af bl.a. Philips i nogle applications noter.

Her var altså én måde at finde frem til en størrelse på et tilladeligt B.

Vi kan også se på tingene på en anden måde: Lad os sige, at vi har en transformer, et 1:1 forhold på 50-W -niveau. Vi ser gerne, at magnetiseringsstrømmen i trafoen er beskeden i forhold til den strøm, der går ved trafoens overføring af effekt. Jeg starter altid ud med at vælge en faktor 10 ved den laveste frekvens trafoen skal arbejde ved (sommetider må man slå lidt af på ambitionerne og vælge en lidt lavere faktor).

Men siger vi nu 10, så betyder det, at reaktansen i trafoens vikling skal være 500W. Herfra kan vi regne en nødvendig selvinduktion ud. Her kan vi, hvis vi f.eks. arbejder med en toroidkerne, bruge fabrikantens oplysninger om kernens Al-værdi. Denne værdi vil som regel fortælle, hvor mange nanoHenry én vinding giver. Al-værdien, --der findes kun én--, er baseret på ideelle forhold, den er helt OK undtagen måske for meget højfrekvente materialer specielt af pulverjerntypen.

Har man lyst til at regne med magnetiske størrelser og sammenhænge, kan man komme til størrelsen på B ad denne vej og man vil nå til samme tal!

Nu kunne nogen måske spørge: Er det nu nødvendigt at holde sig på den foreslåede størrelse på B?  Ja, med tabene kan kernen blive varm. Og ferritmaterialet kan have en lav Curietemperatur, det er den temperatur, hvor materialet mister sine magnetiske egenskaber. Curietemperaturen kan hos de materialer, vi anvender, typisk ligge mellem 130° og 350° C. Ferritten kan også slå revner som følge af varmen.

Så forekommer det mig, at der for øvrigt er en anden ting, som taler for, at man holder sig til den største værdi på B, som jeg har foreslået:

Ferritmaterialets magnetiseringskurve er ikke retliniet, den krummer noget. Og sådan en krumning giver anledning til forvrængning og dermed til det, der i vor radiosammenhæng hedder intermodulation. Det forekommer mig, at mange ved, at der er et sådant fænomen, men mig bekendt har ingen vistnok kigget så meget på, af hvilken størrelsen en sådan intermodulation er.

Jeg lavede en ganske enkelt måling, -- på een frekvens og med een enkelt ferritkerne:

Jeg brugte samme B som min formel anbefaler. Jeg målte en 3´ordens inter-modulation på ca. 60 dB under det enkelte signal.  Da intermodulationen jo stiger kraftigt med et øget signal (højere spænding over transformerviklingen), er her endnu en grund til at holde sig på måtten, hvis man ikke vil genere medamatører mere end højst nødvendigt!

Efter al den snak om det mere elementære vil jeg gerne se på forskellige aktuelle transformeranvendelser og deres problematik. Endelig vil jeg også røre lidt ved den opgave, der hedder HF-spændingsmåling.

Først lidt om materialerne, vi kan bruge til HF-transformerne:

Philips-ferritten 4C65, det er den violette, - er en udmærket højfrekvensferrit

Med en permeabilitet på 125. Typen er tilgængelig på markedet. Den tilsvarende amerikanske type hedder 61.  -- Sommetider kan man ikke opnå tilstrækkelig høj selvinduktion med et rimeligt vindingstal.  Så kan man bruge den type, som hos amerikanerne hedder 43 , der har en permeabilitet på 700-800.  Philips har også en sådan type, men den er nok ikke så let at få fat i. Men så er der altså det, at hovedparten af de ferritemner, man finder som beregnet til støj- og forstyrrelses-

dæmpning, er af denne art. Det gælder f.eks. de to-delte ringkerner.

Der er tilfælde, hvor man med fordel kunne bruge pulverjernkerner i stedet for ferrit. Det gælder især til antennetransformere, hvor man måske ikke helt har styr på standbølgeforholdet. Jeg ville måske bruge Amidon´s 3-mix, der har en permeabilitet på 35. Derimod skal man holde sig fra 26-mix, der er et materiale, der er lavet specielt til støjdæmpning og som er ganske tabsbehæftet.

De her nævnte materialer er de, som vil kan bruge på kortbølgebåndene; skal man begå sig på langbølge, må man vælge et ferritmateiale med en permeabilitet på flere tusinde.

Transformere:

Vi starter med en strømtransformer, f.eks. den til et antenneamperemeter. 

Vi bruger også strømtransformere i vore standbølgemetre til HF.

Strøm-transformeren skal i princippet være kortsluttet på sekundærsiden. I praksis har man en belastningsmodstand med en forholdsvis lav modstandsværdi på sekundærsiden, typisk mellem 10 og 50 Ω. Man måler så spændingsfaldet over belastningsmodstanden.  For nu at målingen skal være frekvensuafhængig må man sørge for, at impedansen af sekundærviklingen er meget større end belastningsmodstandens ohmske værdi. Som regel vil vi opleve, at induktionen i kernen er beskeden, man kan klare sig med en forholdsvis lille kerne. 

En spændingstransformer byder sommetider på lidt større udfordringer.  Vi kan f.eks. se på spændingstrafoen i en retningskobler af to-transformertypen. 

Her ligger spændingen fra senderens udgangssignal jo over trafoens primærvikling. Det betyder, at vi skal sikre os, at vi har tilstrækkelig stort vindingstal og/eller tilstrækkelig stort kernetværsnit. Jeg vil give et hurtigt skud på passende kernestørrelser:

Sendeeffekt (W)

Kernediameter (mm)

10

14

100

23

1000

36

En antennetransformer, f. eks. den i en off-center-fed antenne (FD4, uha!) byder på nogle særlige udfordringer.  I allerbedste (og sjældneste )fald vil brugeren opleve et standbølgeforhold på 1:1 på en enkelt frekvens med stigende SWR til begge sider. Da magnetiseringen af ferritkernen jo er bestemt ved en spænding over trafoen, er det ikke nok at kigge på sendeeffekten.  Man skal se på det forekommende SWR og så dimensionere transformeren ud fra den spænding, der opstår over trafoen. Kort sagt: Trafoen skal overdimensioneres i forhold til den benyttede sendeeffekt!

Når vi taler om baluns, -- jeg tænker her på det vi kalder strømbaluns eller common-mode-drosseltypen, ja, så skal der også her tage nogle hensyn. Det er lidt svært at bestemme magnetiseringen af det ferritemne, der indgår i balunen. Man kan se på den impedans, balunen skal frembyde og skønne sig til den spænding, der er en følge af den manglende balance. Og så herudfra vælge kernestørrelse. Det lyder ret så luftigt, -- og det er det også!  Men fortvivl ikke: Som regel vil rent praktiske, fysiske hensyn ved fremstillingen af balunen føre til valget af en tilstrækkelig stor kerne.

Måling:

Så skal vi lige til slut se på, hvordan man kan måle HF-signaler med en rimelig sikkerhed og nøjagtighed. Som regel vil vi ensrette HF-signalet med en halvlederdiode og derefter føre en ensrettede spænding til et voltmeter. Hvis vi vil måle mindre spændinger, må vi konstatere, at en diodeensretter kan måle lineært fra ca. 1 Volt og opefter. Under 1 V har vi ikke nogen lineær visning. (Ja, så er der nok nogen, der kender billedet med det simple swr-meter og en visning, der er afhængig af sendeeffekten).

Det bedste, man kan gøre, hvis man ønsker en lineær visning over et fornuftigt område er, at man med en op-forstærker kompenserer for ensretterdiodens ulinearitet. En ensretterdiode, der arbejder ind i en stor belastningsmodstand og en kondensator, kommer til at føre en strøm, der består af pulser, som typisk kan være ti gange kraftigere end den dc-strøm, der løber i belastningsmodstanden. Vi skal altså kompensere for en sådan større strøm.

Kredsløbet, vi bruger ser således ud:

Op-forstærkeren arbejder som det vi kalder en unity-gain forstærker. d.v.s det gør den først, når den har overkommet diodens ulinearitet ved små signaler. Indtil det er sket har vi lidt forstærkning, der giver os den ønskede kompensation. Modstanden i tilbagekoblingen, Rf, er meget mindre, typisk 8-10 gange mindre end diodens belastningsmodstand Rl. Bruger vi en schottky-diode, kan Rl  være f. eks. på 1 MΩ, Rf kan så være 100 kΩ.

Koblingen ville kunne give en lineær visning fra ca. 35 mV og så til den grænse, som diodens max-spænding sætter; vi kan få et lineært område på mere end 50 dB. Op-forstærkeren skal helst være en C-MOS-type. De to dioder skal være af samme type og gerne matchede.

I nogle tilfælde vil en lineær visning være godt, i andre tilfælde, f.eks. hvor man gerne vil spænde over et større område, kan en logaritmisk visning bare være sagen. Der findes en IC, der kan klare det, den er fra Analog Devices og hedder AD8307. Der har været beskrevet en konstruktion med denne kreds i OZ. Med den skal der ikke nogen ensretterdiode til, det klarer den selv. Umiddelbart gør den sig op til 100 MHz og med en smule kompensation på indgangen er den OK op til 500 MHz. Kredsen giver en fin visning over et område på mere end 80 dB.

Er det svært?  Nej, magnetisme og magnetiske materialer kan være noget drilagtigt noget at arbejde med.  Men har man en smule fornemmelse af funktionerne og gør man sig de nødvendige overvejelser, kan man få gode og reproducerbare resultater. Et eksempel: Nogle amerikanere peb over, at en transformer til en modtageantenne gav dem et SWR på 1:3. Lidt pusleri (og, åh ja, nogle årtiers erfaring) gav mig et SWR på 1:1,2!  Så bare klem på! Lidt erhvervet viden og en bunke erfaringer (både positive og negative) er vejen til succes!

OZ8NJ

Copyright © 2000-2013. by Niels Rudberg.
Sidst opdateret: 31. august 2013 16:53:53 +0200.