Очень часто мы имеем ферритовые сердечники, не зная ничего о магнитном материале, из которого они сделаны. Этот небольшой текст поможет вам понять, как лучше использовать ваши ферриты. Он расскажет, как измерить основные параметры, чтобы иметь возможность использовать ваши ферриты и получить от них максимальную пользу.
Теория
Характеристика феррита сначала происходит путём измерения его физических размеров, а затем путём поиска в каталогах производителей (Epcos, Magnetics, Fair-Rite, TDK, Ferroxcube и др.) для нахождения недостающих параметров: чистого сечения сердечника Am (чистая магнитная площадь сердечника), площади окна, доступного для обмотки Wa (площадь окна) и длины магнитной цепи lm. Все величины выражаются в миллиметрах (мм) или квадратных миллиметрах (мм²).
Эти параметры можно легко измерить штангенциркулем (лучше цифровым), но лучше получить их из каталогов производителей, поскольку формы почти стандартны, а значения унифицированы.
Для получения некоторых данных из каталогов производителей требуется только знание внешних физических размеров, и с их помощью вы уже можете получить, в дополнение к наиболее важным параметрам, упомянутым выше, также менее важные, но полезные для использования; такие как: размеры подходящей катушки, наилучший метод затяжки и т.д.
К сожалению, с помощью одного датчика невозможно измерить магнитные параметры материала.
Чтобы получить последнее, вам понадобится измеритель индуктивности переменной частоты, например, антенный анализатор. С помощью этого прибора вы можете измерить коэффициент индуктивности AL, который является одним из важнейших магнитных параметров феррита, который изменяется в зависимости от частоты. Кроме того, вы можете измерить последовательное сопротивление Rs и последовательное реактивное сопротивление Xs катушки, намотанной вокруг неизвестного феррита.
Измерение коэффициента индуктивности AL основано на определении и выражается как:
где N — число витков, L — идуктивность в [nH] и Al — коэффициент индуктивности в [nH/витков2]. Переставляя в (1), получаем (2):
где если задать число витков N=1, то получим (3):
(3) — формула, используемая для получения коэффициента индуктивности.
| На практике достаточно обернуть катушку вокруг ферритового сердечника и измерить её индуктивность на частоте использования, чтобы напрямую получить значение AL. Если индуктивность L измеряется в nH, то AL приведёт к nH/N2. |
К сожалению, знание только коэффициента индуктивности AL не является исчерпывающим, поскольку нам редко приходится делать чистые индуктивности с ферритами, гораздо чаще мы делаем дроссели, трансформаторы или BalUns. В этих случаях необходимо знать, какова относительная проницаемость феррита µ и, поскольку проницаемость является векторной величиной, также её компоненты µ’ и µ,,.
Для получения µ’ и µ,, необходимо измерить физические размеры феррита и получить длину магнитной цепи lm и площадь магнитной цепи Am, рисунок 1.
Рис. 1.
Длина магнитной цепи выражается в миллиметрах и представляет собой не что иное, как средний путь, пройденный магнитным потоком, в то время как площадь магнитной цепи представляет собой в основном площадь чистого сечения феррита, пересекаемого магнитным потоком. Оба параметра можно легко найти в каталоге некоторых производителей ферритов, например, [1], но если кто-то захочет их рассчитать, он может сделать это с помощью следующих формул:
После того как параметры магнитной цепи известны, необходимо получить значение последовательного сопротивления Rs и последовательного реактивного сопротивления Xs катушки, используя ту же установку, которая использовалась для измерения AL, и подставить это значение в следующие формулы:
Практика
Измерение довольно просто, если у вас есть анализатор антенн, например RigExpert или MFJ.
Возьмите кабельный разъём RG213, который подключается к вашему анализатору антенн, и создайте объект, подобный показанному на рисунке 2.
Рис. 2.
Как вы видите, это разъём PL259 (потому что в этом (авторском) случае анализатор антенн имеет разъём PL), к центру которого припаян довольно толстый медный провод (центр кабеля RG-213) и он изолирован от земли с помощью куска тефлона, вставленного для измерения.
Затем сбоку припаяно около десяти сантиметров оплётки, взятой из куска коаксиального кабеля RG-316U; чтобы получился небольшой и гибкий заземляющий проводник.
Не беспокойтесь о сопротивлении инструмента, а лучше постарайтесь минимизировать паразитную ёмкость между горячим и холодным полюсами; в данном случае это было около 6 пФ. Теперь сделайте петлю из оплётки вокруг неизвестного феррита. В примере на рисунке 3 вы видите снятую с кабеля питания оболочку.
Рис. 3.
Используя анализатор антенн, измерьте индуктивность в различных центрах любительских диапазонов и занесите полученные значения в таблицу, например, в Таблицу 1, где измерение индуктивности L [в nH] помещено непосредственно в столбец AL, поскольку, как уже упоминалось, в случае одного витка L = AL.
Таблица 1
Применённый антенный анализатор, помимо индуктивности, измеряет также резистивную RS и реактивную XS составляющие последовательного сопротивления катушки, поэтому они указаны в таблице.
Анализируя данные, становится ясно, где феррит работает хорошо, а где не работает. Как вы можете видеть, нет чёткой границы между работой и неработой, но очевидно, что в определённых диапазонах есть ферриты, которые более эффективны, чем другие.
Поясняем лучше: если нужно создать дроссель на кабеле, то для уменьшения синфазных токов нужно создать на внешней оболочке индуктивное сопротивление не менее X=1000 Ом, поэтому из (1) и из общей формулы импеданса катушки индуктивности получаем:
Con X в Омах, f в МГц и AL в nH/N2.
Таким образом, если мы используем феррит выше 28,5 МГц, нам необходимо использовать:
Четыре втулки последовательно или 2 оборота в одном. А если бы мы хотели использовать его на частоте 1,8 МГц, нам бы понадобилось:
Пять втулок последовательно. В УКВ на 50 МГц потребуется не менее 12.
Из этого можно сделать вывод, что рассматриваемый феррит хорошо работает во всех диапазонах КВ, но хуже в УКВ.
Библиография
[1] http://www.fair-rite.com/newfair/index.htmIW2FND
