Toroidní jádra prakticky

 Zaslal OK1RR dne 23.12.2005

 

K napsání tohoto příspěvku mě inspiroval článeček OM3CKU, který se objevil na tomto webu. Sice v něm byla hodnotná informace, avšak podaná takovým způsobem, že mám obavu, aby nevznikla mýlka.

 

Předně opravme pojmy: PSW neexistuje. V češtině se standardně používá ČSV (činitel stojatých vln), dříve se používalo označení PSV (poměr stojatých vln). V angličtině se používají dva výrazy podle toho, jak se dospělo k danému číslu. SWR (standing wave ratio) označuje poměr stojatých vln, získaný z poměru postupujícího a odraženého výkonu. VSWR (voltage standing wave ratio) je pak poměr, získaný z měření napětí. Ve slovenštině jsou označení stejná jako v češtině, pokud vím.

 

Dalším problémem a zásadní nutností je uvědomit si rozdíl mezi feritem a železopráškovým materiálem (hovorově práškem). Podrobnější informace včetně základního chemického složení, krystalografického popisu a základních magnetických charakteristik najdete v modrém AR 2/2005, kde jsem popsal nejen základní parametry, ale i některé aplikace. Snad tedy bude stačit, když si připomeneme, že ferity jsou látky keramické povahy s vysokým měrným odporem a značnou tvrdostí (mohou až rýpat sklo), jejichž permeabilita se pohybuje přibližně od 10 do 20 000. Železopráškové materiály jsou tvořeny jemnými zrnky prášku na bázi kysličníku (karbonylového železa apod.), vzájemně spojených nevodivým pojivem. Jejich permeabilita se pohybuje od 0 do 120. Pro nás zásadním rozdílem je maximální sycení, které je u prášku řádově (tedy 10x) vyšší, než u feritů.

 

Dále je třeba si připomenout chování magnetika v aplikaci, pracující s vyšším výkonem. Ze všech ztrát jsou v tuto chvíli pro nás nejvýznamnější ztráty vířivými proudy, které jsou tak velké, že např. ztráty vlivem odporu vodiče cívky a ztráty vlivem konečného odporu jádra můžeme zanedbat. A» jsou ztráty jakékoli, představují vždy konverzi vf výkonu v teplo – jádro se zahřívá. Zahřívání jádra je náš nepřítel, který působí veškerou neplechu, kterou od jádra můžeme čekat. Při zahřátí jádra na určitou teplotu dochází k jevu, kdy původně feromagnetický materiál nevratně přechází do paramagnetického stavu – to je tzv. Curieho jev. Teplotu, při které 50% objemu veškerého materiálu přejde do paramagnetického stavu označujeme jako Curieho teplotu. Feromagnetismus, ferimagnetismus a paramagnetismus zde nebudu rozebírat a odkážu na již zmíněné modré AR, nám bude stačit, že původní cívka se najednou začne chovat jinak – ztratí indukčnost, balun se může změnit v silně nelineární obvod Nás tedy musí zajímat nejen fakt, že Curieho jev se projevuje u všech feromagnetických látek (tedy u feritů i prášků), ale především skutečnost, že větší povolené sycení (tedy takové, při kterém k Curieho jevu zaručeně nedochází) znamená menší ztráty v jádře. Závěr je jednoznačný – prášky mívají mnohem menší ztráty, než ferity. Použili jsme výraz „sycení“ (obvykle se udává v gaussech). Jeho definice by představovala řadu rovnic, které při orientačním čtení nemají žádnou vypovídací hodnotu.

 

Při určování vlastností neznámého jádra na něj obvykle navineme např. 10 závitů a měříme indukčnost. Je vhodné vinutí rovnoměrně rozprostřít po celém obvodu jádra, pokud bychom naskládali závit vedle závitu a větší část jádra zůstala bez vinutí, můžeme naměřit až dvojnásobnou indukčnost a naše úvahy by byly k ničemu. Dále je nutné vzít v úvahu kmitočet, na kterém měříme. Problémy zde působí permeabilita, která není skalár, ale vektor a je tedy komplexní veličinou, jejíž imaginární složka je frekvenčně závislá. Pokud bychom tedy měřili typické jádro pro nf použití (jednotky kHz) na kmitočtu jednotek či desítek MHz, naměříme naprosto nepoužitelná hausnumera. Budeme-li měřit vf jádro na kmitočtu řádově desítek kHz, nevznikne sice zcela fatální chyba, ale výsledek rozhodně nebude přesný. Je tedy dát třeba pozor na různé procesorové digitální měřiče indukčností (např. AADE, měřič indukčností J. Rečka z HW serveru – reprint na webu ČAV apod.) - jsou sice dobré a přesné, ale měří na kmitočtech do přibližně 500 kHz, což může v některých případech být na závadu přesnosti. Pro naše úvahy jsou tyto měřiče jen omezeně použitelné, hodí se v případech, kdy chceme rychle zkontrolovat indukčnost řádu jednotek mikrohenry a pomocí nějakého programu „střelit od boku“ permeabilitu. Pro seriózní práci proto budeme potřebovat Q-metr, pracující v rozsahu nejméně 0,5 – 40 MHz.

 

Jestliže se feritová a prášková jádra tak zásadně liší, je nutné je od sebe rozeznat. Jak to ale prakticky udělat? Prvním vodítkem může být permeabilita. Je-li větší, než 120, máme téměř 100% jistotu, že materiálem je ferit (u permeability 500 a větší je tato jistota opravdu 100%). U permeabilit menších, než 10, máme naopak jistotu, že jde o prášek. Problém nastane u jader s permeabilitou mezi 50 – 100. Zde je naprosto nutné měřit pomocí Q-metru. Platí, že oblast použitelnosti jádra pro rezonanční obvody je ohraničena kmitočty, při kterých Q poklesne na 50. Mám vyzkoušeno, že tahle definice je moc „tolerantní“, je příliš široká. Mnohem vhodnější je sami pro sebe si říct, že za meze použitelnosti budeme považovat kmitočty, při kterých je Q = 120 nebo vyšší.

 

Pokud jádro s permeabilitou 50 – 120 vykazuje Q kolem 40 v celém KV rozsahu a směrem k nejnižším kmitočtům vykazuje Q určitý nárůst, jde o práškové jádro, určené pro nf aplikace, dosti pravděpodobně pro tlumivky či spínané zdroje (tam se používají jádra s mezním kmitočtem kolem 500 kHz). Takové jádro není k zahození, naopak bude velice vhodné ke konstrukci Guanella (proudového) balunu, který pokryje celý KV rozsah. Předpokladem je samozřejmě určitá velikost jádra. Menší toroidek se bude hodit k navinutí tlumivek do napájecích obvodů různých vf zapojení.

 

Pokud jádro s permeabilitou v uvedeném rozsahu vykazuje Q kolem 80 a na určitých kmitočtech (řádově 1 – 8 MHz) se najednou objeví špička Q, přesahujícího 200, jde jednoznačně o nikelnato-zinečnatý ferit pro vf použití. Snažit se s ním o balun je bezpředmětné, ale bude vynikající ke konstrukci rezonančních obvodů pro 160, 80 a 40 m pásma tam, kde nepožadujeme extrémní kmitočtovou stabilitu (oscilátory). Vstupní filtry přijímače však s ním budou vynikající.

 

Popsali jsme tedy konkrétní a asi nejošemetnější situaci, do jaké se můžeme dostat s neznámým toroidem. Praxe bývá jednodušší - zpravidla bude vhodné se zabývat vzhledem jádra. Použijeme příklad OM3CKU.

 

Nejdříve, co víme: jádro bylo použité v počítačovém spínaném zdroji. Ty se vyrábějí zpravidla v Číně, na Taiwanu apod. To má výhodu v tom, že se zde používají standardní směsi, jaké známe z nabídek firem Amidon, Bytemark, Magnetics apod. Jádra však bývají horší kvality (např. vlivem krácení procesu vypalování bývá řidší pojivo, lisuje se pod menším tlakem, apod.). Dále je známým faktem, že pro spínané zdroje počítačů byla vyvinuta speciální hmota s označením 26 a jádra z ní jsou žlutá s jednou stranou bílou, případně žlutobíle proužkovaná. Naprosto to odpovídá tomu, co popisuje OM3CKU – naše jádro je hmota 26. V tabulkách, které lze nalézt všude možně, např. na http://www.micrometals.com/parts_index.html můžeme najít jádro s vnějším průměrem 26,9 a vnitřním 14,5 mm. To odpovídá jádru T106-26, to se však vyskytuje ve 3 variantách, lišících se výškou jádra – tu však OM3CKU neuvádí.  T106-26 má výšku 11,1 mm, T106-26A má 7,92 a  T106-26B má 14,6 mm. I tak je jádro určeno jednoduše, bez měření a můžeme začít rozmýšlet, co s ním.

 

Na uvedeném jádru by bylo možné navinout např. cívku pro 160 m pro QRP anténní tuner. Další možností je balun, ovšem zásadně proudový (Guanella), u kterého nedochází k přenosu výkonu jádrem. Pro konstrukci balunu 1:4 by však byla nutná dvě jádra. V každém případě je jádro příliš malé, takže k vinutí balunu by bylo nutné použít velmi tenký koaxiální kabel, např. RG-142/U s teflonovou izolací. Vinutí pomocí dvou zkroucených vodičů nebo dvoulinkou, získanou roztržením vícežilového plochého kabelu nedoporučuji. Podrobný rozbor, proč balun vinout uvedenými způsoby by přesáhl rámec tohoto článku, ale můžeme se k němu vrátit někdy jindy, např. na webu ČAV.

 

Jádro by mohlo být vhodné k vinutí transformátorů pro přijímací antény, avšak pouze pro takové, které jsou závislé na zemi, tedy např. Beverage, EWE, K9AY Loop apod. Zde by bylo možné dosáhnout zajímavých výsledků a proto bych tomuto použití dával přednost před všemi ostatními.