FERRITTRANSFORMERE TIL HØJFREKVENSANVENDELSER
SPECIELT SÅDANNE TIL MIDDELHØJE OG HØJE EFFEKTER
1. Kernetyper 3. SWR
2. Beregning 4. En konklusion:
Designet af sådanne transformere volder problemer, ikke kun for amatører, men ind imellem også for professionelle.
Her kommer en lille gennemgang af emnet, om de muligheder og de begrænsninger, der er. Et eksempel viser nogle beregninger omkring dimensioneringen af en transformer.
1. Kernetyper

Der er forskellige udformninger af ferritkerner, som er interessante.

Først er der ringkernen, toroidkernen; det er nok denne kernetype, hvor man finder de fleste udførelser, både hvad angår størrelser og hvad angår materialetyper.

Imidlertid er der en anden kernetype, som i en del tilfælde viser sig at være særdeles effektiv, det er to-hulskernen, den der populært kaldes "grisetrynen".

Med denne kernetype kan det knibe lidt med udbuddet af størrelser og ferritkvaliteter.

Nu lige lidt om den praktiske udførelse af kernerne og hvad der ligger heri.

Allerførst er der spørgsmålet om den mulige kernestørrelse; nedad er der ikke så store problemer, men opefter er der en grænse bestemt af ferritmaterialets krympning under sintringen.

For en given kerne er der udover kernematerialet og de muligheder og begrænsninger, der ligger heri, to størrelser, der er af betydning:

  a. Kernetværsnittet. Jo større tværsnit, jo mere selvinduktion kan vi få etc.

  b. Kernens magnetiske vejlængde. Jo længere vej, jo mindre selvinduktion kan vi opnå.

Her er altså to modstridende faktorer.

Transformermæssigt ville det være bedst med en kerne med stort tværsnit og en lille jernvej. Men der skal jo også være plads til tråden! --- Og en anden væsentlig ting er, at jernvejen helst skal være den samme gennem hele tværsnittet!

Hvis vi lige ser på ringkernen, så taler det første krav altså for en "fed" kerne, en med stor yder- og lille inderdiameter. Det andet krav taler for en "slank" kerne.

To-hulskernen opfylder de første krav, men ikke rigtigt det andet. Dette gør, at to-hulskernen måske ikke er den optimale til større effekter, men til gengæld er den meget god til andre anvendelser!

Kernens materialeegenskaber og dens fysiske størrelse bestemmer først den selvinduktion, man kan opnå:

Man kan karakterisere en kerne med dennes Al-værdi, et tal, der fortæller, hvor meget selvinduktion man kan få pr. vinding på kernen:

 
m o m rel
Al (nH pr. vinding) = ----------------

.

å

( l/A )

hvor størrelsen under brøkstregen er en middelværdi for længde - tværsnitsforholdet.

Al-værdien finder man i øvrigt i databøger eller man måler den ved at lægge et antal vindinger på kernen og så måle selvinduktionen.

2. Beregning

Nu vil vi prøve at regne på en transformer med en 50W vikling.

Vi tager en Philips 4C65-kerne -- eller rettere sagt to af dem; kernerne, vi vælger, er den største kerne man kan få af slagsen, den har en yderdiameter på 36 mm.

Og kernen er i øvrigt farvet violet.

Man vil gerne have transformeren til at kunne overføre en kilowatt;

Lad os se, om dette er muligt!

To kerner giver en nominel Al-værdi på 340; men der er en tolerance på +/- 25%;

så Almin bliver på kun 255!

Vi prøver med et vindingstal på 10:

Selvinduktionen bliver så på minimum 25,5 m H.

Hvis den laveste arbejdsfrekvens skal være 3,5 MHz, får vi ved denne frekvens en reaktans på 560 W 

1 kilowatt med 50 W betyder en spænding på 224 V effektiv. -- Men vi skal her regne med spidsværdien; denne bliver 316 V.

316 V og 560 W giver en magnetiseringsstrøm på 0,564 A.

Vi skal nå se på, hvilken induktion B denne magnetiseringsstrøm giver i kernen og om kernen kan tåle det.

Induktionen (fluxtætheden, eller den magnetiske polarisation) har enheden Tesla (T, mT) og man bruger bogstavsymbolet B for fænomenet.

B = µ o µ rel H,

hvor H er magnetiseringen,

N I denne er a/m, 

hvor N er vindingstallet, I er strømmen og l er jernvejens l længde. Ved at indsætte tallene får vi for H en størrelse på 79,8 A/m og for B en størrelse på 15,6 mT.

Hvad så? Kigger vi i Philips katalog, står der, at 4C65-materialet tåler en største B på 300 mT (før mætning) ved 10 kHz. Men hvad ved højere frekvenser?

Ja, her begynder det at knibe! Der står ikke så meget her og der, der kan hjælpe os.

Og dog: Bl.a. AMIDON fortæller, at den maksimale tilladelige induktion for et ferritmateriale er bestemt ikke ved materialets magnetiseringskurve, men ved den varme, der udvikles ved effekttab i kernen.

Vi kunne så begynde at kigge på tabene og de termiske forhold og regne lidt heromkring.

Eller vi kunne i første omgang holde os til nogle tal, som AMIDON bringer (i øvrigt uden væsentlige videre forklaringer):


Frekvens, MHz Bmax , mT
1 15
7 5,7
14 4,2
21 3,6
28 3,0
Lad os prøve at bruge disse tal!

Tallene forekommer fornuftige, hvis man kigger på bl.a. hysteresetabenes størrelse og frekvensafhængighed, og jeg accepterer dem.

Hysteresetabene stiger kraftigt med B, f.eks. ser man for et givet materiale at en dobling af B giver en forøgelse af hysteresetabene med en faktor 6,4!

(Skal vi i øvrigt lige se på tabene, så er det jo sådant, at hvirvelstrømstabene er frekvensafhængige, mens hysteresetabene primært er udstyringsbestemte)

Interpolation mellem AMIDON-tal giver en Bmax på ca. 8 mT på 3,5 MHz. Altså går det i vort eksempel ikke med den hele kilowatt!!

Et sikkert skud vil nok være en største effekt på 500-600 Watt!

Hvis vi går tilbage til det termiske:

Man kan gøre sig betragtninger omkring temperaturstigningen i en kerne med tab:


( Effekttab i mW ) 0,833

Temperaturstigningen i ° C

=

----------------------------------
  ( Overfladeareal i cm2 )
Bruger vi denne formel på en 36 mm ferritkerne, vil vi se, at et tab på 10W giver en temperaturstigning på 100 ° C! Med to kerner lagt sammen bliver forholdene lidt dårligere, temperaturstigningen bliver måske 120-130 ° C.

3 Watt tab ved en gennemgangseffekt på 1 kW er ikke realistisk overhovedet;

en rigtig god transformer ville nok give mindst 30 W tab! Og så ville man afhængigt af duty-cyclen nok hurtigt nå ferritmaterialets curie-temperatur!

3. SWR

MEN DER ER ENDNU ET PROBLEM!

De betragtninger, der indtil nu er gjort, gælder jo bare kun hvis man har de korrekte impedansforhold omkring transformeren. Er det tale om f.eks. en transformer til en sendeantenne, hvor SWR overstiger 1:1, er det en helt anden sag! Man skal så overdimensionere transformeren for at tage højde for SWR! Der skal så her gøres nogle betragtninger omkring størrelsen af SWR og de forekommende spændinger.

Jeg lavede engang en transformer til en FD4-antenne og brugte de nævnte to kerner.

Jeg skønnede den til at kunne klare 100-150 Watt!

4. En konklusion:

Det er svært at finde dokumentation, som kan være en hjælp.

Men her og der kan man finde oplysninger.

Statiske data for ferritmaterialerne siger ikke sandheden; man skal kigge på de termiske forhold!

Ferrit har sine begrænsninger; til gengæld synes pulverjern at være lidt nemmere At have med at gøre. Amidon siger et sted, at en grov grænse for B hos pulverjern

Kunne være 100 mT!

Altså: Til store effekter og høje SWR kunne det måske være en fordel at tænke på kerne af pulverjern frem for ferrit!

Januar 2001

OZ8NJ

Copyright © 2000-2013. by Niels Rudberg.
Sidst opdateret: 31. august 2013 16:47:20 +0200.