Каркасы ВЧД и ВЧДР для намотки анодных дросселей СВ и КВ диапазонов.

Ну, люблю я радиолампы...
Сергей Комаров (UA3ALW)

Часть 2. Конструкции и параметры дросселей.

Теоретизировать, не предлагая ничего конкретного, с инженерной точки зрения, не корректно, поэтому специально для анодных дросселей передатчиков СВ и КВ диапазонов были разработаны оптимальные конструкции каркасов.

2.1 Дросселя диапазонов средних и длинных волн на каркасах ВЧД.

Поскольку резисторы ВС уже лет 40 не производятся, была разработана конструкция каркаса ВЧД для дросселей диапазона средних волн и нижней части коротких, Рис. 4. Каркас достаточно прост для изготовления на школьном учебном токарном станке ТВ-4 или аналогичном. Материал каркаса - капролон диаметром 12 мм или в брусках, сейчас свободно продается и на технических рынках, и в интернете. При серийном производстве таких каркасов, их надо делать литьем из волокнистого реактопласта ДСВ или ему подобного. Термопласты, для анодных дросселей передатчиков в десятки и сотни ватт, непригодны по вполне понятной причине. Полагаю, что спрос на разработанные каркасы ВЧД будет не только у индивидуальных радиовещателей.

Расширить полосу рабочих частот дросселя вверх можно выполнив большее число секций меньшей ширины при сохранении общей индуктивности (Рис. 5). Уменьшение же числа витков в первых секциях (при той же их ширине) не оказывает существенного влияния на повышение частоты первого резонанса, как уменьшение ширины секций, однако как дополнительная мера к узким секциям может быть вполне применима. Помимо этого, при проектировании передатчиков на два соседних диапазона при 1,25 ≤ fв / fн ≤ 1,5 расширение полосы частот, в которой может работать дроссель возможно за счет снижения k (уменьшения его индуктивности на нижней частоте диапазона). Однако, при этом растут потери в дросселе и его нагрев.

При проектировании анодного дросселя для передатчика, имеющего диапазон перестройки более октавы, столь простое решение уже не годится. Для такого случая можно рекомендовать последовательное включение нескольких дросселей, спроектированных на разные полосы частот. При этом, при переходе рабочей частоты передатчика в следующую полосу, дроссель предыдущей полосы надо закоротить, чтобы в нем не возникали паразитные резонансы. Для удобства такой конструкции внешние и внутренние диаметры типовых каркасов дросселей разработанных автором (ВЧД13х50 – Рис. 6; ВЧД18х60; ВЧД24х70) выбраны так, чтобы основание меньшего типоразмера каркаса можно было плотно вставить в отверстие следующего и закрепить там, на клею или, совместив отверстия для жестких выводов и продеть их в оба каркаса.

Чертежи каркасов для анодных дросселей диапазона средних волн ВЧД10х40, ВЧД13х50, ВЧД18х60, ВЧД24х70 приведены здесь .

В случае использования каркаса ВЧД10х40 для дросселей диапазона длинных волн, с индуктивностью в десятки и сотни миллигенри, его внутреннее отверстие сделано диаметром 8 мм с положительным допуском для того, чтобы была возможность вставить внутрь ферритовый стержень, диаметром 8 мм, длиной 40 мм, с проницаемостью μ = 400…600.

По аналогии с каркасом ВЧД10х40, каркас ВЧД13х50 также позволяет при работе в диапазоне длинных волн размещать внутри себя отрезок ферритового стержня диаметром 10 и длиной 50 мм. С той же целью, внутрь каркаса ВЧД24х70 можно поместить несколько ферритовых колец М400НН типоразмеров К20х10х7,5 или К20х12х6, набрав из них нужную длину сердечника.

Для каждого вещательного диапазона следует строить отдельный передатчик, помня, что законодательство позволяет транслировать свою программу одновременно на двух частотах в разных диапазонах. Построение же одного универсального передатчика на все КСДВ вещательные диапазоны частот (как это принято в КВ любительской радиосвязи), не только сильно усложнит его конструкцию и ухудшит надежность при длительной эксплуатации, но и лишит возможности транслировать свою программу на другую зону вещания, учитывая разное распространение радиоволн на разных частотах в зимнее и летнее время, а также ночью и днем. Ну, и к тому же при изготовлении нового передатчика на новый диапазон, можно учитывать в его конструкции вновь обретенный опыт и экспериментировать со схемными решениями, что в наибольшей степени отвечает целям Индивидуального радиовещания в глубоком изучении и освоении радиотехники.

В однодиапазонных передатчиках (что наиболее оптимально для индивидуального вещания) с соотношением частот f_в / f_н ≤ 1,25, хорошо работает дроссель с пятью секциями, рассчитанный на нижнюю частоту диапазона.

По изложенным принципам проектирования автором были изготовлены несколько дросселей на разработанных каркасах и замерены их технические параметры (таблица 2):

* В нижнем индексе указана частота измерения в кГц.
** Через дробь – измерены значения Q при резонансе с емкостью 100 и 25 пФ.

Стоит обратить внимание на значение добротности и собственной емкости в колонках 2 и 3 таблицы 2. В колонке 2 - пятисекционный дроссель с шириной секции 5 мм и зазором между секциями 2,5 мм, намотанный проводом ПЭЛШО-0,25, в колонке 3 - семисекционный дроссель с шириной секции 3,5 мм, зазором 2 мм, намотанный литцендратом ЛЭШО-8х0,071. У дросселя намотанного литцендратом добротность почти в 4 раза выше. То есть, его можно использовать в батарейных передатчиках, где идет борьба за каждый процент КПД. Снижение потерь в дросселе при намотке его литцендратом в Qл / Qп = 86 / 22 = 3,91 раза позволяет при сохранении того же уровня потерь в нем (соответственно при той же температуре перегрева) уменьшить значение k в √(Qл / Qп) раз. То есть, в нашем случае – в 1,98 раза; это увеличит частоту собственного резонанса почти в √2 раз и, соответственно, расширит полосу его рабочих частот вверх. Однако, постепенное снижение k допустимо только для исходных значений больших 2,5, то есть, начиная с мощности передатчика 25 Вт. В маломощных передатчиках значение k не должно опускаться ниже 1,2…1,3.

Помимо этого у дросселя в колонке 2 соотношение верхней и нижней рабочих частот 1,25, а у дросселя из колонки 3, соотношение 1,44. Этот выигрыш в полосе дают узкие секции намотки. Таким образом, при намотке дросселя узкими секциями, литцендратом, и при снижении его индуктивности в √(Qл / Qп) раз возможно получить октавную полосу рабочих частот.

Колонки 4 и 5 – это параметры тех же дросселей, что в колонках 2 и 3, но в них вставлен ферритовый сердечник С8х40 М400НН. Индуктивность возросла в 7,5 и в 8,1 раза. Поскольку теперь появилась сильная магнитная связь между всеми секциями, то на индуктивность в первую очередь влияет общее число витков (435 и 420), а не геометрия намотки, потому и полученные индуктивности почти сравнялись и стали пропорциональны квадрату числа витков. Добротность выросла в два раза несмотря на то, что в полтора раза возросло сопротивление ВЧ потерь r_пот1 (феррит внес свои потери) за счет большого увеличения индуктивности. Собственные емкости сравнялись. Иными словами, при ферритовом сердечнике геометрия намотки на ВЧ параметры практически не влияет, а влияет лишь на рабочее напряжение по прочности изоляции: обмотку же все равно надо делить на секции, но уже из других соображений (емкость, рабочее напряжение).

Обращаю внимание, что для анодных дросселей недопустимо использование намотки внавал, поскольку случайно провалившийся виток с конца намотки секции в ее начало в 3…4 раза снижает допустимое напряжение секции дросселя и приводит к пробою. Поэтому витки обмотки анодных дросселей необходимо укладывать очень аккуратно и следить за тем, чтобы провода начала и конца секций ни в коем случае не соприкасались.

Экспериментальные данные, приведенные в таблице, можно экстраполировать следующим образом. К примеру: Вы хотите намотать на каркасе ВЧД10-40 дроссель на тот же ток, что и в колонке 2, но с индуктивностью 1300 мкГ. В этом случае надо рассчитать новое число витков. Индуктивность от числа витков (при тех же габаритах намотки зависит квадратично). Поэтому определяем соотношение между новой индуктивностью и старой и извлекаем из результата квадратный корень: √(1300 / 704) = 1,359. Значит, число витков в новом дросселе надо увеличить в 1,359 раза; вместо 87 в каждой секции станет 118. Однако, увеличение числа витков увеличит средний диаметр каждой секции, что приведет к излишнему увеличению индуктивности. Индуктивность от диаметра намотки зависит линейно. То есть, рассчитав изменение среднего диаметра намотки, уменьшить новое число витков так, чтобы скомпенсировать дополнительное увеличение индуктивности.

При ширине намотки секции 5 мм, внешнем диаметре провода по изоляции 0,35 мм и коэффициенте неплотности 1,09 толщина намотки дросселя из колонки 2 составит: С₈₇ = n (k_n d)² / l = 87 (1,09 х 0,35) ² / 5 = 2,486 мм, а средний диаметр намотки: D = D₁ + C = 10,3 + 2,486 = 12,786 мм. При новом числе витков 118 толщина намотки: С₁₁₈ = 118 (1,09 х 0,35) ² / 5 = 3,435 мм. Новый средний диаметр намотки: D = D₁ + C = 10,3 + 3,435 = 13,735 мм. То есть, дополнительное, лишнее увеличение индуктивности составит 13,735 / 12,786 = 1,074, и новое число витков надо уменьшить с учетом квадратичной зависимости. Извлечем из 1,074 квадратный корень, получим 1,036. Стало быть, число витков в каждой секции составит: 118 / 1,036 = 114.

Теперь рассмотрим случай, когда Вам нужно намотать дроссель той же индуктивности, что и в таблице (пусть будет та же колонка 2), но, например, проводом ПЭЛШО-0,2. Внешний диаметр провода по изоляции 0,3 мм. При меньшем диаметре провода намотка получится меньшей толщины и меньшего среднего диаметра. Стало быть, надо посчитать во сколько раз уменьшится средний диаметр и в корень квадратный из полученного результата увеличить число витков. Из предыдущего расчета исходные значения: С_0,25 = 2,486 мм. D_0,25 = 12,786 мм. При намотке новым диаметром провода С_0,2 = n (k_n d)² / l = 87 (1,09 х 0,3) ² / 5 = 1,86 мм. D_0,2 = D₁ + C = 10,3 + 1,86 = 12,16 мм. Соотношение старого и нового диаметров: 12,786 / 12,16 = 1,051. Извлечем квадратный корень, получим 1,025. Новое число витков будет 87 х 1,025 = 89.

Неплотность укладки намоточного провода в катушках «Универсаль» при аккуратной и ровной намотке относительно тонким проводом составляет 8…10%, соответственно, коэффициент неплотности намотки колеблется в пределах от 1,08 до 1,1. В среднем, 1,09.

Приведенные расчеты, как и любая экстраполяция, приближенные, однако, имеют точность, достаточную для практики.

Важно отметить, что с повышением частоты в диапазоне промежуточных волн добротность дросселей намотанных литцендратом снижается, а намотанных одиночным проводом ПЭЛШО – возрастает. В районе частоты 2750 кГц добротности сравниваются. Таким образом, применение литцендрата в дросселях и контурных катушках диапазонов коротких волн не имеет смысла.

2.2 Дросселя диапазонов коротких волн на каркасах ВЧДР.

Расчетные значения режимов радиоламп Таблицы 1 справедливы для любой частоты КСДВ диапазонов за исключением значений индуктивностей дросселей. Для других радиовещательных частотных диапазонов индуктивности следует линейно пересчитать (Таблица 3):

Примечание: Радиовещательный диапазон 41 м не планируется в будущем заявлять для Индивидуального радиовещания в силу его частотного «перехлеста» с любительским диапазоном 40 м и исключения возможных помех радиостанциям любительской службы.

Для коротковолновых передатчиков разработаны каркасы дросселей: ВЧДР12х36, ВЧДР15х45, ВЧДР20х55 (см. Рис. 7), ВЧДР26х70 , ВЧДР32х80 (ВЧДР – ВысокоЧастотный для намотки Дросселя с Резьбовой частью, диаметр резьбы х общая длина намотки).

Чертежи каркасов для анодных дросселей диапазона коротких волн ВЧДР12х36, ВЧДР15х45, ВЧДР20х55, ВЧДР26х70, ВЧДР32х80 приведены здесь.

В них конструктивно уже сделана разметка под намотку. С горячего конца нарезана резьба под 30…32 витка с шагом в полтора-два раза большим, чем оптимальный диаметр провода. Затем три проточки под секции обмотки с промежутками в 2 мм. В зависимости от нужной индуктивности в них можно намотать провод в один слой виток к витку, а можно «Универсалью». Ширина секций также выбрана оптимальной под соответствующий диаметр провода. Малая емкость дросселя достигается разреженной намоткой с горячего конца. Использование левой резьбы в качестве канавки под намотку провода обусловлено чисто конструктивными соображениями – так удобнее мотать (левой рукой держишь и поворачиваешь каркас, правой – укладываешь провод).

Базовый конструктив у них одинаковый с каркасами ВЧД для средневолновых дросселей. То есть, возможны комбинации средневолнового каркаса большего типоразмера с коротковолновым, меньшего типоразмера, для изготовления составного широкополосного дросселя (Рис. 4).

Методика расчета индуктивности и технология ручной намотки секционной многослойной части дросселя.

Для расчета индуктивности многосекционных катушек с намоткой "Универсаль" разработан Программный калькулятор Inductors.

Для расчета индуктивности цилиндрической однослойной "резьбовой" части дросселя можно использовать широко распространенную формулу для индуктивности однослойных катушек:

И поскольку цилиндрическая часть дросселя, в силу своей довольно большой длины, весьма слабо связана с многослойными секциями намотки, то индуктивности многосекционной части и цилиндрической можно посчитать отдельно и результаты сложить, пренебрегая незначительной взаимоиндукцией.

Крепить дроссели к шасси передатчика следует латунными резьбовыми изделиями М3, М4, М5, М6, соответственно. Стальной крепеж здесь неприемлем. Сталь в ВЧ магнитном поле будет греться, снижая КПД передатчика и разогревая каркас дросселя.

Фото 2. Дросселя, намотанные автором в процессе подготовки статьи.

Статья в формате PDF

Часть 1

Часть 3