Анодный дроссель выходного каскада маломощного радиовещательного АМ передатчика.

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о дросселях сглаживающих фильтров и изложил принцип их расчёта. Однако такие типы дросселей в бытовой технике применяются не очень часто, так как в маломощных устройствах зачастую эффективнее использовать ёмкостные фильтры. Наиболее часто в электронных устройствах применяют другой вид дросселей – дроссели переменного тока. Об их особенностях, принципах работы и расчёте параметров таких дросселей пойдёт речь в этой статье.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Особенности работы дросселя переменного тока

Дроссель переменного тока, так же как и любой другой дроссель представляет собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Данный тип дросселя включается последовательно с нагрузкой, аналогично сглаживающему дросселю, но в отличие от него, протекающий ток через дроссель переменного тока не имеет постоянного тока подмагничивания. В связи с этим дроссель переменного тока широко применяется в балластных и токоограничительных цепях, мощных антенных и фильтрующих устройствах, а так же в различных импульсных преобразователях напряжения.

В независимости от применения дросселя в схеме его работа основана на зависимости его реактивного сопротивления XL от частоты f протекающего через него тока IH и падении напряжения на дросселе UL

Таким образом, величина напряжения на дросселе UL определяется индуктивностью дросселя L и параметрами тока, протекающего через дроссель: частота тока f и значение тока в цепи IH.

Как работает дроссель.

В цепях переменного тока, для ограничения тока нагрузки, очень часто применяют дроссели — индуктивные сопротивления. Перед обычными резисторами здесь у дросселей имеется серьезные преимущества — значительная экономия электроэнергии и отсутствие сильного нагрева.

Каково устройство дросселя, на чем основан принцип его работы? Устроен дроссель очень просто — это катушка из электрического провода, намотанная на сердечнике из ферромагнитного материала. Приставка ферро, говорит о присутствии железа в его составе (феррум — латинское название железа), в том или ином количестве.

Принцип работы дросселя основан на свойстве, присущем не только катушкам но и вообще, любым проводникам — индуктивности. Это явление легче всего понять, поставив несложный опыт. Для этого требуется собрать простейшую электрическую цепь, состоящую из низковольтного источника постоянного тока (батарейки), маленькой лампочки накаливания, на соответствующее напряжение и достаточно мощного дросселя (можно взять дроссель от лампы ДРЛ-400 ватт). Без дросселя, схема будет работать как обычно — цепь замыкается, лампа загорается. Но если добавить дроссель, подключив его последовательно нагрузке(лампочке), картина несколько изменится. Присмотревшись, можно заметить, что во первых, лампа загорается не сразу, а с некоторой задержкой, во вторых — при размыкании цепи возникает хорошо заметная искра, прежде не наблюдавшаяся. Так происходит потому что, в момент включения ток в цепи возрастает не сразу — этому препятствует дроссель, некоторое время поглощая электроэнергию и запасая ее в виде электромагнитного поля. Эту способность и называют — индуктивностью.

Чем больше величина индуктивности, тем большее количество энергии может запасти дроссель. Еденица величины индуктивности — 1 Генри В момент разрыва цепи запасеная энергия освобождается, причем напряжение при этом может превысить Э.Д.С. используемого источника в десятки раз, а ток направлен в противоположную сторону. Отсюда заметное искрение в месте разрыва. Это явление называется — Э.Д.С. самоиндукции.

Если установить источник переменного тока вместо постоянного, использовав например, понижающий трансформатор, можно обнаружить что та же лампочка, подключенная через дроссель — не горит вовсе. Дроссель оказывает переменному току гораздо большое сопротивление, нежели постояному. Это происходит из за того, что ток в полупериоде, отстает от напряжения.

Графически это выглядит таким образом.

Получается, что действующее напряжение на нагрузке падает во много раз(и ток соответственно), но энергия при этом не теряется — возвращается за счет самоиндукции обратно в цепь. Сопротивление оказываемое индуктивностью переменному току называется — реактивным. Его значение зависит от величины индуктивности и частоты переменного тока. Величина индуктивности в свою очередь, находится в зависимости от количества витков катушки и свойства материала сердечника, называемого — магнитной проницаемостью, а так же его формы.

Магнитная проницаемость — число, показывающее во сколько раз индуктивность катушки больше с сердечником из данного материала, нежели без него(в идеале — в вакууме.) Т. е — магнитная проницаемость вакуума принята за еденицу.

В радиочастотных катушках малой индуктивности, для точной подстройки применяются сердечники стержеобразной формы. Материалами для них могут являться ферриты с относительно небольшой магнитной проницаемостью, иногда немагнитные материалы с проницаемостью меньше 1. В электромагнитах реле — сердечники подковоообразной и цилиндрической формы из специальных сталей.

Для намотки дросселей и трансформаторов используют замкнутые сердечники — магнитопроводы Ш — образной и тороидальной формы. Материалом на частотах до 1000 гц служит специальная сталь, выше 1000 гц — различные ферросплавы. Магнитопроводы набираются из отдельных пластин, покрытых лаком.

У катушки, намотанной на сердечник, кроме реактивного(Xl) имеется и активное сопротивление(R). Таким образом, полное сопротивление катушки индуктивности равно сумме активной и реактивной составляющих.

Влияние немагнитного зазора на дроссель

В предыдущих статьях я рассказывал о негативном влиянии насыщения сердечника на снижение магнитной проницаемости μe и индуктивности дросселя L, которые приводят к искажению формы тока протекающего через дроссель.

На данном рисунке изображено искажение формы тока синусоидального напряжения при работе дросселя на насыщенном и ненасыщенном участке кривой намагничивания. Степень искажения формы напряжения зависит также от отношения реактивного сопротивления дросселя к активному сопротивлению нагрузки XL/RH. То есть при насыщении сердечника, чем меньше данное соотношение, тем меньше степень искажения формы напряжения. Таким образом, введение немагнитного зазора кроме стабилизации величины индуктивности, в широких пределах изменения тока, позволяет пропустить через дроссель переменный ток без значительных изменений.

Кроме вышеописанных факторов, введение немагнитного зазора приводит к некоторым особенностям, которые необходимо учитывать при разработке и изготовлении дросселей с зазором. Основной особенностью является уширение магнитного потока в зазоре.

Данное явление связанно с тем, что в дросселе с зазором магнитный поток выходит за пределы пространства, находящегося между двух концов разрезанного сердечника, поэтому площадь поперечного сечения в немагнитном зазоре как бы увеличивается.

Размеры уширения сечения зависит от длины обмотки дросселя lоб, площади сечения сердечника Se и длины немагнитного зазора lз. Уширение магнитного потока уменьшает магнитное сопротивление цепи и, следовательно, увеличивает индуктивность дросселя. Для учёта уширения магнитного потока и увеличения индуктивности вводится коэффициент выпучивания F, учитывающий уширение магнитного потока в немагнитном зазоре. Поэтому значение индуктивности дросселя будет определятся следующим выражением

где ω – количество витков провода в обмотке,

μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π*10-7 Гн/м,

μе – эквивалентная (относительная) магнитная проницаемость сердечника,

Sе – эквивалентная площадь поперечного сечения сердечника,

lе – эквивалентная длина магнитной линии сердечника.

lM – длина магнитной линии в сердечнике.

F – коэффициент, учитывающий уширение магнитного потока в зазоре.

Дроссели сглаживающих фильтров питания

Основными параметрами дросселей сглаживающих фильтров питания являются индуктивность, номинальный ток подмагничивания, сопротивление постоянному току, допустимое переменное напряжение. Во многих случаях стремятся при заданных габаритных размерах и массе получить возможно большую (или заданную) индуктивность при минимальном сопротивлении постоянному току. Поскольку индуктивность дросселя зависит от тока подмагничивания и амплитуды переменного напряжения, ее измеряют при номинальном токе подмагничивания и заданном переменном напряжении. Расчет дросселей фильтров выпрямителей можно выполнять по методике, используемой для расчета согласующих трансформаторов с постоянным подмагничиванием.

Вернуться на главную страницу …

Принципы расчёта дросселей переменного тока

Расчёт дросселя переменного тока ведётся аналогично расчёту сглаживающего дросселя, но с учётом начальных условий. Так для дросселя переменного тока определяющими параметрами являются: требуемая индуктивность L, приложенное напряжение UL, частота переменного тока f, перегрев дросселя. Кроме этого необходимо определиться с материалом сердечника дросселя, который определят индукцию насыщения BS и максимальную индукцию в сердечнике Bm, которая для предотвращения насыщения сердечника выбирается из условия

В основе расчётов дросселя переменного тока лежит выражения для определения величина действующего напряжения падающего на дросселе UL

где f – частота переменного тока,

L – индуктивность дросселя,

I – действующее значение тока дросселя.

Тогда с учетом выражения для индуктивности дросселя с замкнутым сердечником и выражения для максимальной индукции в сердечнике напряжение на дросселе будет зависеть от следующих параметров

где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника,

μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,

ω – количество витков обмотки дросселя,

Se – эквивалентное сечение сердечника дросселя,

le – эквивалентная длина магнитного пути сердечника дросселя,

Bm – максимальное значение магнитной индукции сердечника,

ka – коэффициент амплитуды тока (напряжения) дросселя.

Получившееся выражение довольно часто можно встретить под названием основной формулы трансформаторной ЭДС, так как оно устанавливает однозначное соотношение, между ЭДС на зажимах обмотки и числом витков обмотки, при заданной величине магнитной индукции в сердечнике. Тогда при синусоидальном напряжении (коэффициент амплитуды ka ≈ 1,414) выражение принимает следующий вид

Вернёмся к исходному выражению для напряжения на дросселе UL, в котором неоднозначным является параметр – количество витков. Данный параметр кроме всего прочего (величины индуктивности L и магнитной проницаемости μе сердечника) зависит от размеров магнитопровода, а конкретнее от площади окна SO, которое можно вычислить по следующему выражению

где I – действующее значение тока дросселя,

ω – количество витков обмотки дросселя,

kИ – коэффициент использования окна сердечника,

j – плотность тока в проводе обмотки.

Параметры kИ и j выбирают аналогично, как и для дросселя сглаживающего фильтра, то есть коэффициент использования окна сердечника kИ ≈ 0,3, а плотность тока j = 5 А/мм2.

Тогда выражая из данного выражения количество витков провода ω, получим

Получившееся выражение определяет основное расчётное выражение для определения типоразмера сердечника – произведение площадей сердечника SeSO. После преобразования выражения для действующего напряжения на дросселе UL определяем количество витков обмотки ω и величину немагнитного зазора δ

где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника,

μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,

Se – эквивалентное сечение сердечника дросселя,

le – эквивалентная длина магнитного пути сердечника дросселя,

Bm – максимальное значение магнитной индукции сердечника,

ka – коэффициент амплитуды тока (напряжения) дросселя.

Вычисленное количество витков является ориентировочным, так как из-за уширения магнитного потока значение индуктивности оказывается несколько больше при данном количестве витков, что в некоторых случаях является нежелательным. Поэтому необходимо пересчитать витки с учётом коэффициента уширения магнитного потока F

Осталось выбрать сечение обмоточного провода SП

где SO – площадь окна используемого сердечника,

kИ – коэффициент использования окна сердечника,

ω – количество витков обмотки дросселя.

Выбор сечения провода необходимо производить, округлив полученное значение до ближайшего номинала, при этом необходимо учитывать, что на высоких частотах возрастают потери мощности в проводе. Поэтому при достаточно высокой частоте необходимо использовать обмоточный провод, состоящий из нескольких жил, при этом диаметр жилы выбирают исходя из глубины скин-слоя δ

где f – частота переменного тока, протекающего через дроссель,

δ – толщина скин-слоя,

dп – диаметр жилы в обмоточном проводе.

После конструктивного расчёта сердечника и обмотки необходимо проверить тепловой режим работы дросселя – нагрев и перегрев дросселя.

Как работает трансформатор.

Рассмотрим работу дросселя собранного на замкнутом магнитопроводе и подключенного в виде нагрузки, к источнику переменного тока. Число витков и магнитная проницаемость сердечника подобраны таким образом, что его реактивное сопротивление велико, ток протекающий в цепи соответственно — нет.

Ток, переодически изменяя свое направление, будет возбуждать в обмотке катушки (назовем ее катушка номер 1) электромагнитное поле, направление которого будет также переодически меняться — перемагничивая сердечник. Если на этот же сердечник поместить дополнительную катушку(назовем ее — номер 2), то под действием переменного электромагнитного поля сердечника, в ней возникнет наведенная переменная Э.Д.С.

Если количество витков обеих катушек совпадает, то значение наведенной Э.Д.С. очень близко к значению напряжения источника питания, поданного на катушку номер 1. Если уменьшить количество витков катушки номер 2 вдвое, то значение наведенной Э.Д.С. уменьшится вдвое, если количество витков наоборот, увеличить — наведенная Э.Д.С. также, возрастет. Получается, что на каждый виток, приходится какая-то определенная часть напряжения.

Обмотку катушки на которую подается напряжение питания (номер 1) называют первичной, а обмотка, с которой трансформированое напряжение снимается — вторичной.

Отношение числа витков вторичной(Np) и первичной (Ns) обмоток равно отношению соответствующих им напряжений — Up(напряжение первичной обмотки) и Us(напряжение вторичной обмотки).

Таким образом, устройство состоящее из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в цепи переменного тока можно использовать для изменения питающего напряжения — трансформации. Соответственно, оно так и называется —
трансформатор.
Если подключить к вторичной обмотке какую-либо нагрузку, в ней возникнет ток(Is). Это вызовет пропорциональное увеличение тока(Ip) и в первичной обмотке. Будет верным соотношение:

Трансформаторы могут применяться как для преобразовния питающего напряжения, так и для развязки и согласования усилительных каскадов. При работе с трансформаторами необходимо обратить внимание на ряд важных параметров, таких как: 1. Допустимые токи и напряжения для первичной и вторичной обмоток. 2. Максимальную мощность трансформатора — мощность которая может длительное время передаваться через него, не вызывая перегрева обмоток. 3. Диапазон рабочих частот трансформатора.

Основные понятия в электронике

Родоначальником открытия электричества считается английский физик Уильям Гилберт. В 1600 году он ввёл понятие «янтарность», что в переводе обозначает электричество. Ученым было обнаружено на опытах с янтарем, что если его потереть о шёлк, он приобретает свойства притягивать к себе другие физические тела. Так было открыто статическое электричество. Первая электрическая машина была создана немецким инженером Отто фон Герике. Агрегат выглядел в виде металлического шеста с надетым на его верхушку серным шаром.

Последующие годы ряд физиков и инженеров из различных стран исследовали свойства электричества, открывая новые явления и изобретая приборы. Наиболее выдающимися учёными, которые внесли весомый вклад в науку, считаются Гальвани, Вольт, Эстред, Ом, Фарадей, Герц, Ампер. Признавая важность их открытий, фундаментальные величины, характеризующие различные электрические явления, назывались их именами.

Итогом их экспериментов и теоретических догадок стал труд Максвелла, создавшего теорию электромагнитных явлений в 1873 году. А через двадцать лет англичанин Томсон обнаружил частицу, участвующую в образовании электричества (электрон), положение которой в атомной структуре тела после указал Резерфорд.

Так было обнаружено, что электрический заряд — это способность физических тел создавать вокруг себя особое поле, оказывающее воздействие на другие вещества. Электричество связано с магнетизмом, который влияет на положение электронов, являющихся элементарными частицами тела. Каждая такая частица обладает определённой энергией (потенциалом) и может перемещаться по телу в хаотично.

Придание же электронам направленного движения приводит к возникновению тока. Работа, затраченная на перемещение элементарной частички, называется напряжением. Если ток течёт в замкнутой цепи, то он создаёт магнитное поле, то есть силу, действующую на электроны.

Все вещества разделяются на три типа:

• проводники — это тела, свободно пропускающие через себя ток;
• диэлектрики — в этих телах невозможно появление свободных электронов, а значит, ток через них протекать не может;
• полупроводники — материалы, свойство которых пропускать ток зависит от внешних факторов, например, температуры.

Характеристикой, обозначающей способность тела проводить ток, называется проводимость, а величина обратная ей — сопротивлением.

Активное сопротивление

На прохождение электрического тока в итоге оказывают влияние три физические величины: сопротивление, индуктивность и ёмкость. Каждый радиоэлемент (не исключение и дроссель) обладает ими в какой-то мере.

Активное сопротивление представляет собой величину, препятствующую прохождению тока и равную отношению разности потенциалов к силе тока (закон Ома). Его сущность объясняется тем, что в кристаллической решётке различных физических тел содержится разное число свободных носителей зарядов. Кроме этого, сама структура может быть неоднородной, то есть содержать примеси или дефекты. Электроны, перемещаясь под действием поля, сталкиваются с ними и отдают часть своей энергии кристаллам тела.

В результате таких столкновений частички теряют импульс, а сила тока уменьшается. Рассеиваемая электрическая энергия превращается в тепло. Элементом, использующим естественные свойства физического тела, является резистор.

Что же касается дросселя, то его активное сопротивление считается паразитным, вызывающим нагревание и ухудшение параметров. Зависит оно от типа материала и его физических размеров.

Определяется по формуле R = p * L / S, Ом, где:

• p — удельное сопротивление (справочная величина), Ом*см;
• L — длина проводника, см;
• S — площадь поперечного сечения, см2.

Ёмкостная составляющая

Любой проводник тока в разной мере имеет свойство накапливать электрический заряд. Эта способность называется ёмкостью элемента. Для одних радиодеталей она считается вредной составляющей (в частности, для дросселя), а для других — полезной (конденсатор). Относят это понятие к реактивному сопротивлению. Его величина зависит от вида подаваемого сигнала на элемент и ёмкости материала, из которой он сделан.

Вам это будет интересно Техника безопасности электрика при работе с электричеством

Математически реактивное сопротивление описывается выражением Xc = 1/w*C, где:

• w — циклическая частота, скалярная угловая величина, определяющаяся числом колебаний сигнала за единицу времени (2*p*f), Гц;
• C — ёмкость элемента, Ф.

Из формулы видно, что чем больше будет ёмкость и частота тока, тем выше сопротивление элемента, а значит, имеющий большое ёмкостное сопротивление дроссель будет нагреваться. Значение ёмкости в дросселе зависит от размеров проводника и способа его укладки. При спиралевидной намотке между рядом лежащими кольцами возникает ёмкость, также влияющая на протекающий ток.

Паразитная составляющая ёмкости проявляется и в образовании собственного резонанса изделия, так как дроссель на эквивалентной схеме можно представить в виде последовательной цепочки индуктивности и конденсатора. Такое включение создаёт колебательный контур, работающий на определённой частоте. Если частота сигнала будет ниже резонансного значения, то преобладать будет индуктивная составляющая, а если выше — ёмкостная.

Поэтому существенной задачей изготовления дросселя в электронике считается увеличение собственного резонанса конструкции.

Индуктивность и самоиндукция

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным. Там, где существует одно, неизменно появляется и второе. Индуктивность — это физическая величина, характеризующаяся накоплением энергии, но в отличие от ёмкости эта энергия является магнитной. Её величина зависит от магнитного потока, образованного силой тока, протекающего через радиоэлемент. Чем больше ток, тем сильнее магнитный поток пронизывает изделие. Интенсивность накопления элементом энергии зависит от этого потока.

Математическая формула нахождения индуктивности — L = Ф/ I, где:

• Ф — магнитный поток, Вб;
• I — сила тока, текущая через элемент, А.

Индуктивность измеряется в генри (Гн). Таким образом, катушка индуктивности в момент протекания через неё тока создаёт магнитный поток равный одному веберу (Вб).

Сопротивление, оказываемое индуктивностью, во многом зависит от частоты приложенного сигнала. Для его расчёта используется выражение XL = w*L. То есть для постоянного тока она равна нулю, а для переменного — зависит от его частоты. Иными словами, для высокочастотного сигнала элемент будет обладать большим сопротивлением.

Физический процесс, наблюдаемый при прохождении переменного тока через индуктивность, можно описать следующим образом: в течение первой декады сигнала (ток возрастает) магнитное поле усиленно потребляет энергию из электрической цепи, а в последней декаде (ток убывает) отдаёт её обратно, поэтому за период прохождения тока мощность не потребляется.

Но эта модель подходит к идеальному элементу, на самом же деле некоторая часть энергии превращается в тепло. То есть происходят потери, характеризующиеся добротностью Q, определяемую отношением получаемой энергии к отдаваемой.

При изменении тока, текущего через проводник в контуре, возникает электродвижущая сила индукции (ЭДСИ) — самоиндукция. Другими словами, переменный ток изменяет величину магнитного потока, который приводит в итоге к появлению ЭДСИ. Проявляется этот эффект в замедлении процессов появления и спадания тока. Амплитуда самоиндукции пропорциональна величине тока, частоте сигнала и индуктивности. Её отставание по фазе от сигнала составляет 90 градусов.

Как рассчитать межвитковую ёмкость обмотки дросселя?

В дросселе, между витками, слоями и металлическими предметами вокруг дросселя существует некоторая разность потенциалов, создающих электрическое поле. Для оценки влияния данного поля вводят понятие межвитковой ёмкости или собственной ёмкости дросселя, величина которой зависит от размеров и конструктивных особенностей дросселя.

Межвитковая ёмкость C обмотки, являясь паразитным параметром, совместно с индуктивностью рассеивания и собственной индуктивностью дросселя образуют различные виды фильтров и колебательных контуров. Хотя данный параметр имеет небольшое значение, тем не менее, в определённых условиях его приходится учитывать, однако точный расчёт затруднён в связи с большим влиянием различных конструктивных параметров, в первую очередь, взаимного расположения витков провода между собой. Так наибольшей межвитковой ёмкостью обладают катушки намотанные «внавал», а наименьшей – катушки с намоткой типа «Универсаль» или секционные катушки.

Межвитковую емкость Собщ дросселя можно представить в виде суммы емкостей между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом С1 и межслоевой емкости внутри обмотки С2

Ёмкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом можно определить из эмпирической формулы

где εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды вокруг проводника, εа = ε0εr,

εr – относительная диэлектрическая проницаемость,

ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 * 10-12 Ф/м,

r – радиус поперечного сечения провода,

а – расстояние между магнитопроводом и осью провода,

n – число витков в слое,

р1 – периметр витка внутреннего слоя обмотки.

Относительная диэлектрическая проницаемость берётся для материала каркаса дросселя, если бескаркасное исполнение, то соответственно проницаемость воздуха либо изоляции проводника, в зависимости от необходимой точности.

Емкость между слоя обмотки так же вычисляется по эмпирической формуле

где рср – периметр среднего витка обмотки,

b – расстояние между осями витков в соседних слоях,

m – число слоёв.

В данном случае диэлектрическая проницаемость берётся для материала межслоевой изоляции.

Во всех случаях необходимо добиваться уменьшения межвитковой ёмкости обмотки. Для этого применяют различные виды намоток и материалов для каркасов и межслоевой изоляции с малым значением диэлектрической проницаемости.

Виды и характеристики

Главной характеристикой дросселя, безусловно, является индуктивность. Но, кроме неё, существует ряд номинальных параметров, характеризующих элемент как изделие. Именно они определяют возможности использования устройства и его срок службы. Основными из них являются:

1. Мощность — определяется типом сердечника и поперечным сечением провода. Обозначает величину сигнала, которую может выдержать дроссель. Единицей измерения служит ватт.
2. Добротность и угол потерь — характеризуют качество устройства. Чем больше добротность и меньше угол, тем выше качество.
3. Частота тока — f, Гц. В зависимости от неё дроссели разделяют на низкочастотные, имеющие границы колебаний 20−20 000 Гц, ультразвуковые — от 20 до 100 кГц и сверхвысокие — больше 100 кГц.
4. Наибольшее допустимое значение тока — I, А.
5. Сопротивление элемента в неподключенном состоянии — R, Ом.
6. Потери в магнитопроводе — P, Вт.
7. Вес — G, кг.

Современная промышленность изготавливает электромагнитные дроссели, отличающиеся не только по характеристикам, но и по видам. Они выпускаются цилиндрической, квадратной, прямоугольной и круглой формы. А также они различаются по типу цепи, для которой предназначены, и могут быть однофазными или трёхфазными.

Условно дроссели можно разделить на три типа:

1. Сглаживающие. Используются для фильтрации переменной составляющей сигнала, уменьшая её значение. Такие элементы ставятся на входе или выходе выпрямительных или преобразующих части схем.
2. Переменного тока. Ограничивают его величину при резком скачке.
3. Насыщения. Управляют индуктивным сопротивлением за счёт периодического подмагничивания.

Анодный дроссель выходного каскада маломощного радиовещательного АМ передатчика.

Ну, люблю я радиолампы… Сергей Комаров (UA3ALW)

При работе выходных каскадов передатчиков с параллельной схемой включения контура и подачи питания в анодной цепи часто бывает, что анодные дроссели греются и горят. Конструкций анодных дросселей опубликованы десятки, но ни в одной статье нет четких рекомендаций по проектированию дросселей для передатчиков с АЭМ диапазона 200 м. Поскольку радиовещательные передатчики работают непрерывно многими часами, не выключаясь, проектирование надежного анодного дросселя – актуальная задача.

Часть 1. Коструктивные аспекты проектирования. Формула оптимального дросселя.

Анодный дроссель в схеме параллельного питания выходного каскада передатчика (Рис. 1) служит для подачи питающего напряжения на анод лампы и одновременно с этим он не должен пропускать через себя переменную составляющую анодного тока, назад, в источник Еа, которая должна поступать в выходную колебательную систему. Однако, ничего идеального не бывает, и анодный дроссель не может иметь нулевое сопротивление на постоянном токе и бесконечно большое на переменном рабочей частоты. И переменный ток в дроссель таки-течет.

К анодному дросселю предъявляется много противоречивых требований, которые в этой статье мы разберем и по возможности удовлетворим. Не забудем и про конденсаторы Сб и Ср, режимы и номиналы которых зависят как от параметров анодной цепи, так и от выбора дросселя.

— С точки зрения минимизации ответвления в дроссель переменной составляющей анодного тока, дроссель должен иметь как можно большую индуктивность, что влечет за собой большое число витков на большем диаметре. Однако, при этом растет межвитковая паразитная емкость и активное сопротивление провода обмотки.

— С точки зрения получения максимальной добротности (минимизация ВЧ потерь) дроссель должен быть однослойным и большого диаметра. Известно даже соотношение для получения максимальной индуктивности при минимальной длине провода: длина намотки в 2,5 раза меньше ее диаметра. То есть, он должен представлять собой толстую и весьма короткую катушку.

— С точки зрения минимизации паразитной емкости и увеличения пробивного напряжения, дроссель должен быть намотан на очень длинном каркасе минимального диаметра с большим шагом намотки или, наоборот, в виде очень короткой, толщиной в один виток, многослойной катушки – в виде блина.

— С точки зрения уменьшения потерь на вихревые токи, однослойный дроссель должен быть намотан проводом не толще 0,6 мм (оптимально – 0,3 … 0,6). При диаметре менее 0,3 мм плавно растет активное сопротивление, и увеличиваются тепловые потери, а при диаметре более 0,6 мм довольно резко возрастают потери на вихревые токи. При многослойной намотке оптимальный диаметр провода лежит в пределах 0,2 … 0,35 мм. При более толстых проводах потери на вихревые токи увеличиваются настолько, что общее сопротивление катушки резко увеличивается и добротность быстро падает. При использовании литцендрата сечение провода по сравнению с одножильным, может быть увеличено, поскольку жилки тонкие и потери на вихревые токи не значительны. В пределе, для многослойных дросселей мощных передатчиков ДВ диапазона (153 … 283 кГц) можно рекомендовать литцендрат с диаметром жилок до 0,25 мм.

— С точки зрения уменьшения ВЧ потерь за счет поверхностного эффекта (на частотах до 3 МГц), дроссель должен быть намотан литцендратом с диаметром одной жилки не более 0,1 мм.

— С точки зрения минимизации вытеснения тока из сечения провода за счет магнитного поля, создаваемого соседними витками, дроссель надо мотать с шагом не менее, чем два диаметра провода, а при многослойной намотке делать расстояние между слоями, равное диаметру провода. Впрочем, при перекрещивании витков в соседних слоях, этот эффект значительно ослабляется и здесь нам поможет намотка «Универсаль».

— Когда в дросселе много витков размещенных во многих слоях, растет его межвитковая и межслойная емкость, дроссель перестает работать как индуктивность и начинает проводить через себя емкостные токи, что приводит к снижению его эквивалентного сопротивления и увеличению ответвления в него переменной составляющей анодного тока. Таким образом, для выполнения своих фильтрующих функций дроссель должен работать на частотах ниже собственного резонанса.

— Каркас дросселя должен быть весьма жестким и одновременно с минимальным количеством постороннего материала в магнитном поле (трубка с тонкими стенками или отдельные ребра).

С падением напряжения и потерями мощности на сопротивлении обмотки, как следствие, с диаметром намоточного провода, инженеры разобрались давно, еще когда в позапрошлом веке проектировали первые трансформаторы. Из радиолюбительских справочников 50-х годов прошлого века известна формула выбора оптимального значения диаметра медного намоточного провода d (мм) = 0,02 √ I (мА), чтосоответствует плотности тока в проводе 3,18 А/мм2, и практически все производимые трансформаторы для наземной аппаратуры (в том числе ТАН, ТН, ТА и ТПП) посчитаны именно по ней. Но поскольку в трансформаторах теплоотвод от провода затруднен (витки расположены внутри толстой обмотки, изолированной послойно и снаружи электро- и теплоизоляционными материалами), а в дросселях витки располагаются открыто, обмотки тонкие и конвекционный теплоотвод от них гораздо лучше, то можно допустить плотность тока в обмотке до 4 А/мм2, а иногда и до 4,5. Поэтому 10% перегрузка дросселя по току (относительно расчетного значения 4 А/мм2) вполне допустима.

Большую индуктивность при минимальной длине провода можно получить, используя многослойную намотку. Чем кучнее расположены витки, тем, при той же длине провода индуктивность будет больше за счет взаимоиндукции. Для уменьшения межвитковой емкости используем многосекционную намотку типа «Универсаль».

Диаметр каркаса дросселя возьмем в несколько раз меньшим (в 3…4), чем диаметр катушки колебательного контура, поскольку от диаметра индуктивность и активное сопротивление зависят линейно, от числа же витков сопротивление зависит линейно, а индуктивность – квадратично. Исходя из этого, для достижения нужной индуктивности, будем перекрестно мотать много витков на относительно небольшом диаметре. Помимо этого, негативное влияние межвитковой емкости при малой длине витка скажется на более высокой частоте. Но при малом диаметре намотки у катушки получается малая добротность (Q = Хдр / rпот), — растут ВЧ потери в дросселе. Однако, все противоречивые требования удается удовлетворить.

Окончательная формула оптимального средневолнового ВЧ дросселя: Много витков на относительно небольшом диаметре: узкими секциями с намоткой «Универсаль», на малом расстоянии друг от друга и с большим числом секций! Горячий конец дросселя – в начале намотки. Увеличение диаметра каркаса дает увеличение добротности Q (снижение потерь), поэтому для разных уровней мощности передатчиков потребуются дроссели разного диаметра.

Для примера, фотография дросселя УШ4.775.000 индуктивностью 5000 мкГ промышленного лампового (ГУ-81М) средневолнового морского передатчика «Волхов-М» выходной мощностью 300 Вт (АМ, CW) диапазона частот 400 – 535 кГц (горячий конец – слева, крепеж — справа) Фото 1:

Диаметр каркаса дросселя 30 мм, длина 104 мм, ширина секции 6 мм, расстояние между секциями 3 мм, число секций – 7, общая длина намотки дросселя 60 мм, толщина намотки 2,5 мм, провод ПЭЛШКО 0,25 мм, число витков в одной секции 89. Диаметр контурного вариометра, с которым дроссель работает «в паре», — 100 мм. Добротность дросселя 55 на частоте 460 кГц. Емкость блокировочного конденсатора с холодного конца дросселя 3900 пФ (КСО-13).

Теперь о переменной составляющей тока через дроссель. Именно она определяет реактивную мощность дросселя.

Чем меньше мощность передатчика, то есть, при относительно высоких «ламповых» напряжениях анодного питания меньше переменная составляющая тока анода, тем больше Ra. Соответственно, необходим дроссель с большим Хдр, большой индуктивностью, с большим числом витков, намотанный тонким проводом, имеющий из-за этого большое активное сопротивление, большую межвитковую паразитную емкость и, как следствие, низкую частоту собственного резонанса и низкую добротность. То есть, при малых мощностях лампового передатчика (менее 1 … 3 Вт) из-за дросселя возникают сложности с реализацией параллельной схемы анодного питания. Именно поэтому в связных радиостанциях малой мощности с батарейным питанием, как правило, используется последовательная схема питания (Рис. 2).

И в нашем случае это также будет оптимальным решением. Однако, никто не запрещает свободу творчества и если Вам все-таки хочется применить параллельную схему в передатчиках мощностью 2 … 5 Вт, то возможны два выхода. Первый – наиболее предпочтительный, это, все-таки, отказаться от дросселя (настаиваю) и перейти к последовательной схеме питания[1] анодной цепи выходного каскада, пустив переменную и постоянную составляющие анодного тока через контурную катушку. Второй – поскольку мощность передатчика и ток анода малы, выбрать индуктивность дросселя, при которой Хдр почти сравняется сRa. – При малой мощности и питании от электросети, КПД передатчика не очень важен и с активными потерями в дросселе можно мириться. – Даже при добротности дросселя Q = 10 (ну, уж, ниже некуда), КПД передатчика из-за потерь в дросселе снизится лишь на 7% (потери – половина от 1/Q, поскольку через дроссель течет 0,707 переменной составляющей анодного тока). Ну, и, 150 мВт (5% от 3 Вт) никак не перегреют дроссель.

При индуктивном сопротивлении дросселя равном эквивалентному сопротивлению нагрузки в анодной цепи Ra, переменная составляющая анодного тока поделится поровну между контуром и дросселем и составит 1 / √2 = 0,707 от переменной составляющей тока анода. Уход тока анода в дроссель вовсе не страшен, поскольку в следующий полупериод его индуктивность отдаст назад запасенную энергию, правда за вычетом собственных потерь. Подключенная же к аноду индуктивность легко компенсируется увеличением анодной емкости П-контура. Для маломощных каскадов это вполне приемлемо, но столь значительное влияние дросселя на колебательную систему (фактически индуктивность дросселя на 50% входит в колебательный контур) накладывает на него дополнительные требования по стабильности параметров (паразитные емкости, собственная индуктивность). В маломощных передатчиках все-таки желательно выбрать индуктивное сопротивление дросселя Хдр хотя бы на 30% больше Ra, чтобы реактивная часть анодного тока, уходящая в дроссель, была бы заведомо меньше тока, уходящего в контур. Обозначим коэффициент превышения Хдр над Ra буквой k. Далее, при увеличении мощности передатчика и соответственном уменьшении его Ra, соотношение k = Хдр / Ra следует повышать, чтобы доля переменной составляющей тока анода ответвляющаяся в дроссель сокращалась.

С точки зрения потерь энергии в самом дросселе и его разогрева, переменная составляющая тока дросселя Iд1 имеет определяющее значение. С учетом относительно большого соотношения между индуктивным и активным сопротивлениями катушки дросселя на рабочей частоте, модуль его полного сопротивления будет приблизительно равен индуктивному сопротивлению, и Iд1 определяется как отношение переменной составляющей анодного напряжения к индуктивному сопротивлению дросселя: Iд1 = Ua / Хдр.

Потери в дросселе на переменном токе Pд1 = I2д1 Хдр / Q = (Ea – Eamin)2 / (kRaQ).

Положив, к примеру, мощность передатчика 5 Вт и Хдр = 1,3 Ra, при Ea = 250 В; Eamin = 60 В (узнается лампа 6П1П или 6П6С); при добротности дросселя 30, потери в нем составят:

Pд1 = U2a / (kRaQ) = 1902/(1,3 х 3610 х 30) = 0,256 Вт; при Q = 15 они удвоятся, но все равно полватта дроссель не перегреют.

Поэтому в передатчиках с мощностью в районе 5 Вт так и поступаем: Хдр = 1,3 Ra. Однако, как предпочтительный вариант для мощностей передатчика в единицы ватт и менее, помним про последовательную схему анодной цепи (Рис. 2) – настаиваю в третий раз!

С увеличением мощности передатчика растут напряжения, токи и потери в дросселе и падает требуемая индуктивность. К примеру, на мощности в 25 Вт, реактивная мощность дросселя в 15 Вт и потери около 2 Вт, при Q = 15, уже вызовет сложности его реализации. Поэтому переменная составляющая тока анода, ответвляющаяся в дроссель должна быть меньше, а его индуктивное сопротивление, соответственно, больше. При соотношении сопротивлений Хдр = 2,5 Ra, реактивная мощность дросселя составит 16% от выходной мощности передатчика, что по абсолютному значению мощности потерь напоминает предыдущий случай. Потери малы. Годится.

При мощностях передатчика в 100 Вт, шестая часть мощности уже существенна и потери могут оказаться ощутимы. Увеличив соотношение сопротивлений до Хдр = 5Ra, реактивная мощность дросселя уменьшится, а потери останутся прежними, 0,5 … 1 Вт в зависимости от добротности дросселя. Имеются ввиду наиболее частые значения добротности дросселя 15 … 30.

При мощностях в 400 – 500 Вт и выше желательно, чтобы активная мощность, рассеиваемая на дросселе, не превышала бы первых единиц ватт, соответственно, реактивная, не была бы больше сотни. Соотношение Хдр = 7 Ra, позволяет реализовать это условие.

Если же Вы считаете допустимым нагрев дросселя при работе передатчика (например, в широкополосных связных радиостанциях, не предназначенных для длительной работы на передачу), то возможно снижение k до значения, при котором потери в дросселе не превысят заданную Вами норму и, как следствие, температуру перегрева дросселя.

В литературе [6] известно соотношение для анодных дросселей передатчиков: отношение площади боковой поверхности однослойной намотки к мощности рассеяния должно быть приблизительно 20 см2/Вт. При меньшем значении дроссель будет перегреваться, при большем – не рационально выбран каркас слишком большого диаметра. Поскольку поперечное сечение каждой секции дросселя с намоткой «Универсаль» относительно невелико, обмотка разбита на секции, которые отнесены друг от друга и между ними имеет место конвекционное охлаждение, вполне допустимо ориентироваться на приведенное соотношение.

Площадь боковой поверхности дросселя УШ4.775.000 составляет:

Sбок = π Nс [(D2в — D2к) / 2 + Dв lс] = 7 π [(3,52 — 32) / 2 + 3,5 х 0,6] = 81,9 см2;

где, Nc – число секций; Dв – внешний диаметр намотки секции; Dк – диаметр каркаса; lс – ширина секции. Учитывая, что каждые 20 см2 боковой поверхности обмотки могут рассеять 1 Вт, допустимая мощность рассеяния на этом дросселе составит 4 Вт.

Чем мощнее передатчик и чем дольше он работает на передачу в штатном режиме (особенно это актуально для радиовещательных передатчиков), тем тщательнее надо проектировать дроссель в его анодной цепи, и выбирать каркас большего диаметра, чтобы обеспечить высокую добротность, либо (на частотах до 2,5 … 3 МГц) использовать для намотки литцендрат.

Выбирать же Хдр в 10 – 20 раз больше на рабочей частоте, чем Ra крайне не желательно, как это рекомендуют некоторые авторы; дроссель для них-теоретиков, – идеальная катушка с нулевой собственной емкостью и бесконечной индуктивностью (вот откуда появилось поверье, что переменный ток в дроссель не течет). Беда большого соотношения между Хдр и Ra в том, что с увеличением индуктивности дросселя растет его число витков и суммарная межвитковая паразитная емкость. И при индуктивном сопротивлении в 10 раз превышающем Ra на рабочей частоте, велика вероятность, что ток через паразитную емкость дросселя сравняется с током через его индуктивность. Это явление называется резонанс. Контурный ток при резонансе превышает ВЧ ток, ответвляющийся в дроссель, в Q раз. Но поскольку при резонансе в Q раз возрастает и эквивалентное сопротивление дросселя (как параллельного колебательного контура), и, соответственно, во столько же раз падает ток, ответвляющийся в дроссель, то ничего страшного не происходит. Но на частотах выше резонанса реактивное сопротивление дросселя принимает емкостной характер, и он теряет свои фильтрующие свойства. Поэтому превышение индуктивного сопротивления дросселя над Ra должно быть минимально достаточным для уменьшения потерь — раз, и рабочая частота дросселя должна быть ниже частоты его параллельного резонанса — два.

Индуктивное сопротивление анодного дросселя на нижней рабочей частоте диапазона должно быть приблизительно в оговоренное выше k раз больше, чем эквивалентное сопротивление нагрузки в анодной цепи Ra, при которой выходной каскад передатчика выдает заданную мощность. Точность значения Хдр в пределах ± 12…15% вполне допустима при проектировании одночастотного передатчика, а вот при работе в полосе частот, надо уже укладываться в более жесткие допуски, поскольку у реальных дросселей соотношение верхней и нижней рабочих частот редко бывает более 1,5. Поэтому перед тем, как проектировать анодный дроссель, надо рассчитать сопротивление Ra. Поскольку ряд выходных мощностей передатчиков задан Техническими требованиями[2], а номенклатура рекомендуемых радиоламп для маломощных передатчиков конечна, можно составить следующую таблицу:

Таблица 1.

№

Pнес	Выходная лампа	Еанес	Еаmin	Ra	k	Iд1	Ia0	Iдр	d	Lдр	Pд1 *
1	2	2 х 1П24Б**	150	40	3025	1,2	21	24	32	0,1	398	0,21
2	5	2 х 6П6С, 6П1П	250	60	3610	1,3	29	35	45	0,12	515	0,48
3	7	2 х 6П30Б	250	40	3150	1,4	34	44	56	0,14	484	0,63
4	10	2 х 6П43П, 6П18П	300	50	3125	1,6	35	53	64	0,15	549	0,78
5	25	2 х 6П37Н, 6П41С	350	50	1800	2,5	47	111	121	0,2	494	0,91
6		2 х 6П3С	400	60	2312	2,5	42	98	107	0,19	635	0,91
7	50	2 х 6П37Н, 6П44С	450	50	1600	3,5	51	166	174	0,24	615	0,95
8		2 х 6П7С	500	80	1764	3,5	48	158	165	0,23	678	0,95
9	100	4 х 6П37Н	450	50	800/3200	5	71	332	340	0,33	439	1,33
10		2 х 6П45С	450	50	800	5	71	332	340	0,33	439	1,33
11		2 х Г-807	750	60	2380	5	41	192	196	0,25	1307	1,33
12		2 х ГУ-50	800	120	2312	5	42	195	199	0,25	1270	1,33
13	250	4 х 6П45С	450	50	320/1280	6	147	830	843	0,53	211	2,08
14		2 х ГС-36Б	1000	350	845	6	91	511	519	0,41	557	2,08
15	500	4 х ГС-36Б	1000	350	423/1692	7	155	1021	1033	0,58	325	3,57
16		2 х ГУ-74Б	1000	300	490	7	144	948	959	0,56	377	3,57

Примечания: Мощность в ваттах, напряжения в вольтах, токи в миллиамперах, сопротивления в омах, диаметр провода в миллиметрах, индуктивность в микрогенри. Анодные напряжения приведены с учетом того, что лампы работают в импульсном режиме и напряжение Еанес присутствует на аноде запертой радиолампы; на аноде открытой радиолампы присутствует напряжение Еаmin. Через дробь даны значения Ra между анодами ламп в двухтактной схеме. Множители 2 х, 4 х показывают сколько радиоламп работают в выходном каскаде передатчика под управлением многофазного синтезатора.

* Потери в дросселе на ВЧ рассчитаны: для строчек 1…4 при Q = 16; для строчек 5 и 6 при Q = 22; для строчек 7…12 при Q = 30; для строчек 13…16 при Q = 40. ** Радиолампа 1П24Б предназначена для носимых портативных передатчиков с батарейным питанием.

Расчетные соотношения для значений, приведенных в таблице, справедливы для граничного режима классов В и С, а также для импульсного режима классовD иFinv:

1. Амплитуда переменного напряжения на аноде лампы: Ua = Еанес – Eamin;

2. Эквивалентное сопротивление: Ra = U2a / 2Pнес;

3. Эффективное значение переменной составляющей тока дросселя: Iд1 = 0,707Ua / kRa;

4. Определение постоянной составляющей тока анода потребует нескольких действий:

4.1. Амплитуда тока первой гармоники Ia1 = 2Pнес / Ua;

4.2. Амплитуда импульса анодного тока Iamax = Ia1 / α1;

4.3. Постоянная составляющая тока анода: Ia0 = Iamaxα0;

где α1 = 0,604 и α0 = 0,401 — коэффициенты разложения плоского импульса при скважности q = 5 / 2 = 2,5 (при использовании синтезатора С9-1449-1800), поочередной работе двух радиоламп и с учетом реальной длительности фронтов импульсов тока анода 20 … 25 нс). Для возбуждения выходного каскада передатчика от синтезатора С9-1449-1800-4, имеющего скважность выходных импульсов 5,333, α1 = 0,587 и α0 = 0,377. Если же Вы хотите делать передатчик для линейного усиления в режиме класса В, с начальным током лампы лишь устанавливающим рабочую точку в начало линейного участка (для SSB или OFDM сигналов), то угол отсечки составит 90°, а форма импульса тока станет косинусоидальной, коэффициенты разложения будут иными: α1 = 0,5 и α0 = 0,319, и постоянная составляющая тока через дроссель станет на 4% меньше, чем в первом случае. И с учетом 4% запаса значения Ia0 в таблице 1 можно не пересчитывать.

Конечная формула примет вид: Ia0 = 2Pнес α0 / (Ua α1);

5. Полный ток дросселя, нагружающий его провод, представляет собой корень квадратный из суммы квадратов переменной и постоянной составляющих: Iдр = √(I2д1 + I2a0);

6. Диаметр провода намотки дросселя при плотности тока 4 А/мм2 составит: d = 0,018 √ Iдр; где d — в мм, а Iдр — в мА.

7. С учетом того, что индуктивное сопротивление дросселя на нижней рабочей частоте fндолжно быть в k раз больше Ra, индуктивность дросселя составит: Lдр = k Ra / (2 π fн);

гдеfн = 1449 кГц – нижняя частота 200 метрового вещательного диапазона средних волн.

8. Мощность потерь в дросселе складывается из потерь на переменном и на постоянном токе:

Pдр = Pд1 + Pд0 = Ua Iд1 / Q + I2a0 Rдр.Потери на переменном токе можно также вычислить по следующей формуле: Pд1 = U2a / (kRaQ), где, Rдр – активное сопротивление дросселя на постоянном токе, Q – добротность дросселя на рабочей частоте (типичные значения приведены выше).

Из таблицы 1 следует, что при мощностях до 100 Вт оптимален дроссель, индуктивностью в районе 400 — 700 мкГ (строки 1 – 10). Из опыта конструирования самодельных средневолновых вещательных передатчиков диапазона 200 метров на лампах 6П3С и 6П7С в 50-60-е годы прошлого века, вспоминается «народная» конструкция анодного дросселя, выполненная на резисторе ВС-2, сопротивлением 1 МΩ или более, и который содержал пять секций намотки «Универсаль» по 100 витков, провода ПЭЛШО-0,25 (Рис. 3).

Обращает на себя внимание точность совпадения индуктивности «народного» дросселя с расчетной индуктивностью дросселя по режиму радиолампы 6П3С — 635 мкГ (Табл. 1, строка 6).

Теперь про максимальное рабочее напряжение дросселя по прочности изоляции провода Uпрmax. Электрическая прочность (напряжение пробоя) изоляции провода ПЭЛШО на частоте 50 Гц составляет 700 — 1200 вольт. Считаем на худший случай. Рабочее напряжение должно быть в 2,5 – 3 раза меньше пробивного, то есть, на соседних проводах не может быть более 250 вольт. С повышением частоты это напряжение необходимо снижать, однако, поскольку основная изоляция приходится на относительно рыхлую шелковую обмотку (в основном воздух, или полистирольная пропитка, или парафин, возможно, церезин – частотные свойства которых хорошие), то снижать надо не сильно. Допустим, что на частотах до 2…3 МГц это снижение будет в 1,5 раза, то есть, на соседних проводах рабочее ВЧ напряжение не должно превышать 160 вольт.

При намотке типа «Универсаль» в указанных на чертеже дросселя размерах и 100 витках в секции провода ПЭЛШО-0,25, число двойных перекрестных слоев будет равно четырем (это видно на самой намотке, сбоку). Если принять допустимое рабочее напряжение между соседними двойными слоями 160 вольт, то рабочее напряжение, приложенное к одной секции, составит 640 вольт. Полное напряжение на всех пяти секциях дросселя – 3200 вольт. Поскольку при АЭМ амплитуда ВЧ напряжения на контуре (а значит и на дросселе) может достигать почти 4Eaнес, то с небольшим запасом Еанес не должно быть больше 800 вольт. Похоже, что этот дроссель по своей изоляции годится не только для радиолампы 6П3С и 6П7С, но даже и для Г-807, вот только виточков в каждую секцию надо будет намотать по 135 для получения в два раза большей индуктивности. Дополнительные 35 витков образуют еще один двойной слой обмотки, и поэтому рабочее напряжение дросселя можно будет увеличить до 4000 вольт. Соответственно, напряжение анодного питания выходного каскада передатчика, куда этот дроссель можно применить, составит 1000 вольт. Получается, что такая конструкция и для радиолампы ГУ-50 тоже годится (но при условии, что в каждой секции будет по 135 витков). Вот оно, народное творчество, проверенное более чем полувековой историей!

Помимо максимального напряжения дросселя по прочности изоляции (учитываем на пике модуляции), есть еще максимальная длительно действующая амплитуда переменного рабочего напряжения дросселя по току (учитываем в режиме несущей), определяемая как произведение коэффициента формы синусоиды √2 на индуктивное сопротивление дросселя на нижней рабочей частоте XL = 2π fн L (гдеfн = 1449 кГц для 200 м диапазона средних волн), и на максимальное эффективное значение тока для провода, которым дроссель намотан I (мА) = (d / 0,02)2.

Uimax = 0,707 π fн L (d / 0,02)2

Это напряжение показывает, в цепь с каким максимальным переменным напряжением этот дроссель можно включать, чтобы через него не потек ВЧ ток больше допустимого для его провода. При проектировании передатчиков необходимо учитывать оба максимальных напряжения Uпрmax и Uimax.

Статья в формате PDF

Часть 2

Сноски:

1. В 40-50-е годы прошлого века в маломощных ламповых армейских радиостанциях Р-104, Р-105, Р-108, Р-109 так и было сделано. Однако, эта схема имеет крайне низкую фильтрацию гармоник, и применима только в маломощных передатчиках и в тактических связных радиостанциях.
2. Технические требования к передатчикам Индивидуального радиовещания приведены в статье «Передающий комплекс Индивидуального радиовещания», Радио 2015 г, № 9, стр. 21-26.

Устройство прибора

Выполняется этот элемент из проволочного вида проводника, наматываемого в виде спирали. Этот проводник может быть как многожильным, так и одножильным. Проволока может наматываться на диэлектрический каркас или использоваться без него. Если применяется основание, то оно может быть выполнено круглым, прямоугольным или квадратным сечением. Физически же дроссель состоит из одного или множества витков проводника.

При изготовлении дросселя используются следующие разновидности намотки:

• прогрессивная — шаг витков плавно изменяется по всей длине конструкции;
• универсальная — расстояние между витками одинаковое.

Первый тип используется при создании изделий, предназначенных для работы на высоких частотах, при этом уменьшается значение паразитной ёмкости. Такая намотка может быть однослойной или многослойной, причем даже разного диаметра. В качестве материала для изготовления проводника используется медь.

Увеличение индуктивности достигается путём добавления ферромагнитного сердечника. В зависимости от назначения устройства используют разные его виды, например, для подавления высокочастотных помех — феррит, флюкстрол или карбонил, для фильтрации звуковой частоты — пермаллой. В то же время для дросселя, работающего со сверхвысокими частотами, применяют латунь. Магнитопровод рассчитывается так, чтобы избежать режима насыщения (падения индуктивного сопротивления).

Чтобы избежать насыщения в дросселях, магнитопровод изготавливается с зазором. При изготовлении дросселя стараются обеспечить:

• необходимую индуктивность;
• величину магнитной индукции, исключающую насыщение;
• способность выдерживать необходимый ток.

Для этого обычно сначала рассчитывается зазор и число витков исходя из силы тока и индуктивности, а после определяется максимально возможный диаметр проволоки. В цифровых малогабаритных устройствах дроссель изготавливается в плоском виде. Достигается это путём печатания проводниковой дорожки в виде круговой или зигзагообразной линии.