Разработка и исследование оптимального варианта ТДЛ

2. Разработка и исследование оптимального варианта ТДЛ

 

Результаты разработки ТДЛ с коэффициентом трансформации «n_ТР» по R [1:9] или по U [1:3] для усилителей с повышенными требованиями по блокированию.

На основе приведенного обзора технической литературы и проработки патентных источников, для исследования и разработки широкополосного трансформатора, был взят за основу ТДЛ с выполнением обмотки в виде двух одинаковых двухпроводных линий W, каждая с волновым сопротивлением ρ и электрической длиной х (рис.1.1.1а), образующих длинные линии, намотанные на тороидальный ферритовый магнитопровод.

Целью разработки и исследования является расширение рабочей полосы частот трехпроводникового ТДЛ без увеличения его габаритов.

При разработке ТДЛ необходимо ориентироваться на выполнение следующих противоречивых требований:

получение максимально возможной величины коэффициента широкополосности К_Ш≈ 6000-10000, для чего необходимо расширять полосу пропускания ТДЛ как «вверх», так и «вниз»;

иметь как можно меньшую величину волнового сопротивления ρ, с целью облегчения согласования ТДЛ со стандартной величиной импедансов источников сигнала и нагрузок с сопротивлением R_Г = R_Н=75Ом (или 50Ом);

получение постоянства волнового сопротивления ρ во всем диапазоне частот, но не более стандартных величин;

иметь минимальные габариты, большую эксплуатационную надежность и экономический эффект.

Коэффициент передачи ТДЛ измеряется по схеме рис.2.1. следующим образом. На вход трансформатора от генератора Г подается фиксированное напряжение Е_Г =100 мВ (точка 1). На входном зажиме 2 измеряется входное напряжение U_ВХ на нескольких частотах. Выходное напряжение U_ВЫХ измеряется на нагрузке R_Н. Результаты измерений заносятся в таблицу.

Для достижения наибольшей полосы рабочих частот в широкополосном трансформаторе должно быть выполнено условие постоянства волнового сопротивления по всей длине линии передачи.

Волновое сопротивление

,

где - индуктивность ДЛ при КЗ на выходе;  - емкость ДЛ при ХХ на выходе; измеряется по схеме рис.3.1

Коэффициент усиления

,

где  и  - соответственно действующее значение выходного и входного напряжений усилителя (при частоте ), измеряется в диапазоне частот по схеме рис.2.1. Экспериментальные данные сводятся в таблицу.

Результаты исследования ТДЛ-1.

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0.33мм; количество витков N=14; межвитковая емкость С=100пФ; межвитковая индуктивность L=0.07мкГн.

Таблица 2.1

f,МГц	0,1	1	10	20	30	40	50	60	70
Uвх,мкВ	50	50	48	43	44	44	42	48	50
Uвых, мкВ	150	150	150	145	145	145	145	145	78
К	3	3	3,12	3,3	3,3	3,3	3,4	3	1,6

Рис.2.2. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-1.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 60МГц

,

что не удовлетворяет условиям, изложенным выше. Возможно, выбор сердечника большего диаметра, например, типа К-20, а также увеличение диаметра провода (D=1,07мм) и уменьшение количества витков до величины N=2,5 даст более лучший результат.

Результаты исследования ТДЛ-2

f,МГц	0,1	10	30	50	60	70	80	98	100
Uвх,мкВ	40	42	42	38	41	40	40	48	56
Uвых,мкВ	122	132	132	114	112	110	110	105	112
К	5,5	3,14	3,14	3,0	2,73	2,75	2,75	2,18	2,0

Марка магнитопровода К-20; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=1,07мм; количество витков N=2,5; межвитковая емкость С=27пФ; межвитковая индуктивность L=0.039мкГн.

Таблица 2.2

Рис.2.3. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-2.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 50МГц

,

что не удовлетворяет условиям изложенным выше. Возможно следует уменьшить количество витков до N=2.

Результаты исследования ТДЛ-3

f,МГц	0,1	10	30	40	50	60	70	80
Uвх,мкВ	30	36	39	38	40	42	35	28
Uвых,мкВ	90	120	122	120	120	122	100	70
К	3	3,3	3,12	3,16	3,0	2,9	2,86	2,5

Марка магнитопровода К-20; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=1,07мм; количество витков N=2; межвитковая емкость С=51пФ; межвитковая индуктивность L=0.03мкГн.

 

Рис.2.4. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-3.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 50МГц

,

что не удовлетворяет условиям изложенным выше. Перейдем на сердечник с меньшей магнитной проницаемостью µ=1000.

Результаты исследования ТДЛ-4

f,МГц	0,1	1	10	30	40	50	60	70	80	90
Uвх,мкВ	13	46	46	45	45	46	49	50	47	44
Uвых,мкВ	40	132	140	135	130	128	128	118	105	72
К	3	2,86	3,04	3	2,88	2,78	2,61	2,36	2,23	1,64

Марка магнитопровода К-16; магнитная проницаемость µ=1000; диаметр проводника D=1,07мм; количество витков N=2; межвитковая емкость С=62пФ; межвитковая индуктивность L=0.029мкГн.

Таблица 2.4

Рис.2.5. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-4.

Вывод: однако спад АЧХ на 30-60МГц во всех вариантах побуждает искать иной выход. Очевидно внутриобмоточная проходная емкость (особенно первичной обмотки) ограничивает частотный диапазон «сверху». Поэтому исследуем вариант трех отдельных ТДЛ с двойными проводами по схеме рис.2.6.

Результаты исследования ТДЛ-5

f,МГц	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	40	47	46	46	46	46	46	47	49	50	50
Uвых,мкВ	125	148	142	140	138	133	140	127	125	120	112
К	3,12	3,15	3,08	3,04	3,0	2,9	3,04	2,7	2,55	2,4	2,24

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,54мм; количество витков N=5; межвитковая емкость С=9,4пФ; межвитковая индуктивность L=0.067мкГн.

Таблица 2.5

Рис.2.7. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-5.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 60МГц

,

что не удовлетворяет условиям изложенным выше. Возможно следует уменьшить количество витков до N=4.

Результаты исследования ТДЛ-6

f,МГц	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	36	47	46	46	46	46	46	46	46	48	49
Uвых,мкВ	112	142	140	138	132	130	128	120	120	115	112
К	3,11	3,02	3,04	3,0	2,9	2,82	2,8	2,6	2,6	2,4	2,28

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,54мм; количество витков N=4; межвитковая емкость С=10,5пФ; межвитковая индуктивность L=0.072мкГн.

Рис.2.8. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-6.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 30МГц

,

что не удовлетворяет условиям изложенным выше. Попробуем уменьшить диаметр провода D=0,33мм и увеличить количество витков до N=7 .

Результаты исследования ТДЛ-7

f,МГц	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	45	48	47	46	47	47	47	46	47	48	49
Uвых,мкВ	140	148	145	140	138	135	130	120	115	110	105
К	3,11	3,08	3,08	3,04	2,94	2,87	2,76	2,6	2,44	2,29	2,14

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,33мм; количество витков N=7; межвитковая емкость С=21,5пФ; межвитковая индуктивность L=0.045мкГн.

Рис.2.9. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-7.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 30МГц

,

что неудовлетворяет условиям изложенных выше. Возможно, уменьшение количества витков до N=5, даст лучший результат.

Результаты исследования ТДЛ-8.

f,МГц	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	42	47	47	46	47	47	48	48	48	49	50
Uвых,мкВ	130	140	140	138	135	130	128	120	145	112	110
К	3,09	2,97	2,97	3	2,87	2,76	2,66	2,5	2,4	2,28	2,2

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,33мм; количество витков N=5; межвитковая емкость С=24,6пФ; межвитковая индуктивность L=0.042мкГн.

Рис.2.10. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-8.

Вывод: так как увеличение числа витков с N=5 до N=7 дает улучшения передачи, следовательно при одинаковых сердечниках длина выводов при 5 витках соизмерима с длиной ДЛ, а при одинаковом числе витков лучшие результаты дает увеличение диаметра провода с 0.33мм до 0.54мм. Попробуем N=7, D=0,54мм на кольце К-12.

Результаты исследования ТДЛ-9

f,МГц	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	48	48	48	47	46	47	46	44	44	45	45
Uвых,мкВ	150	152	150	145	142	137	135	132	125	120	115
К	3,12	3,16	3,12	3,08	3,08	2,9	2,93	3	2,84	2,66	2,55

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,54мм; количество витков N=7; межвитковая емкость С=24,6пФ; межвитковая индуктивность L=0.042мкГн.

Рис.2.11. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-9.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 70МГц

,

что неудовлетворяет условиям изложенных выше. Возможно, следует увеличить диаметр провода до 0.84мм на кольце К-16 (µ=1000).

Результаты исследования ТДЛ-10

f,МГц	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	46	46	45	42	39	38	29	30	37	46	50
Uвых,мкВ	145	150	145	142	139	130	88	76	83	70	54
К	3,15	3,26	3,22	3,38	3,56	3,42	3,03	2,53	2,24	1,52	1,08

Марка магнитопровода К-16; магнитная проницаемость µ=1000; диаметр проводника D=0,84мм; количество витков N=7; межвитковая емкость С=27пФ; межвитковая индуктивность L=0.0264мкГн.

Рис.2.12. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-10.

Вывод: рабочий частотный диапазон 100кГц – 85МГц

,

что неудовлетворяет условиям изложенных выше. Применение схемы с тремя отдельными ТДЛ рис.2.6. особых результатов не принесло. Появляется необходимость внести некоторые изменения в конструкцию ТДЛ. Используем другую схему широкополосного трансформатора рис.2.13. в виде трех симметричных длинных линий, равномерно намотанных на тороидальный магнитопровод, причем третьим проводником длинной линии служит экранированная проводящая оплетка.

Результаты исследования ТДЛ-11 (в экране).

f,МГц	0,01	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	42	44	48	46	43,5	41	37	29	26	26	29	29
Uвых,мкВ	126	140	150	148	145	140	118	94	90	84	70	54
К	3,02	3,18	3,12	3,21	3,33	3,41	3,19	3,24	3,46	3,23	2,41	1,86

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,54мм; количество витков N=6; межвитковая емкость С=27,8пФ; межвитковая индуктивность L=0.035мкГн; _ЭКР=12см.

Особенностью трансформатора является его обмотки в виде трех симметричных длинных линий, равномерно намотанных на тороидальный магнитопровод, причем третьим проводником длинной линии служит экранированная проводящая оплетка.

Рис.2.14. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-11.

Вывод: рабочий частотный диапазон 10кГц – 85МГц

,

что удовлетворяет условиям изложенным выше. С целью увеличения К_Ш используем провод меньшего сечения D=0,33мм; N=7; _ЭКР=10см.

f,МГц	0,01	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	42	47	50	47	42	40	26	24	20	19,5	23,5	28
Uвых,мкВ	126	145	150	145	140	130	82	74	61	50	40	30
К	3,02	3,09	3,0	3,08	3,33	3,25	3,15	3,08	3,05	2,55	1,7	1,07

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,33мм; количество витков N=7; межвитковая емкость С=29,3пФ; межвитковая индуктивность L=0.043мкГн; _ЭКР=10см.

Рис.2.15. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-12.

Вывод: уменьшение диаметра провода и длины экранирующей оплетки ожидаемых результатов не принесло К_Ш=7000. Поэтому снова увеличим диаметр провода до _ЭКР=2см.

Результаты исследования ТДЛ-13

f,МГц	0,01	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	32	34	45	44	41	30	24	21,5	18,5	23	28	33
Uвых,мкВ	96,4	105	145	148	140	110	84	74	60	58	44	32
К	3,02	3,08	3,22	3,36	3,41	3,33	3,5	3,44	3,24	2,52	1,57	1,03

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,54мм; количество витков N=7; межвитковая емкость С=29,3пФ; межвитковая индуктивность L=0.043мкГн; _ЭКР=2см.

Рис.2.16. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-13.

Вывод: рабочий частотный диапазон 10кГц – 75МГц

,

что удовлетворяет условиям изложенным выше. Для увеличения К_Ш увеличим длину экранирующей оплетки _ЭКР=11см.

Результаты исследования ТДЛ-14

f,МГц	0,01	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uвх,мкВ	42	46	50	47	43	41,5	37,5	21,5	23,5	24	26,5	29
Uвых,мкВ	126	140	152	150	148	140	115	80	84	80	68	48
К	3,0	3,04	3,04	3,2	3,44	3,37	3,06	3,72	3,57	3,33	2,56	1,65

Марка магнитопровода К-12; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,54мм; количество витков N=6; межвитковая емкость С=29,3пФ; межвитковая индуктивность L=0.043мкГн; _ЭКР=11см.

Рис.2.17. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-14.

Вывод: с увеличением длины экранирующей оплетки до _ЭКР=11см диапазон рабочих частот расширился до

.

Результаты исследования ТДЛ-15

f,МГц	0,01	0,1	10	20	30	40	50	60	70	80
Uвх,мкВ	50	50	49	48	46	44	39	37,5	38	42
Uвых,мкВ	150	150	155	150	150	145	135	115	108	92
К	3,0	3,0	3,16	3,12	3,26	3,29	3,46	3,06	2,84	2,19

Марка магнитопровода К-20; магнитная проницаемость µ=4000; диаметр проводника D=0,84мм²; количество витков N=6; межвитковая емкость С=93пФ; межвитковая индуктивность L=0.03мкГн.

Рис.2.18. Амплитудно – частотная характеристика ТДЛ-15.

Таким образом, в результате проработки 15^ти вариантов широкополосных трансформаторов были выявлены наилучшие характеристики у ТДЛ-11 (К_Ш=8500) и ТДЛ-14 (К_Ш=8500) максимально удовлетворяющие требованиям технического задания.

Вывод: в результате исследований появилась необходимость выявить оптимальное решение между µ сердечника и количеством витков W, технологию намотки (плоская, скручиваемая, намотанная). Также получены следующие рекомендации по намотке ТДЛ:

Для расширения диапазона рабочих частот «вверх» - число витков должно быть минимальным, а сердечник – с меньшим диаметром.

ρ≈50 Ом (т.е. больший диаметр провода D≈0.52-1мм).

µ сердечника – максимальное.

Для расширения диапазона «вниз» µ необходимо снижать, а диаметр сердечника увеличивать.

Чем больше скруток, тем меньше ρ.

Чем толще провод, тем меньше ρ.