… или проектные нормы, которых никогда не существовало…
В ВЧ связи давно идет смена поколений ВЧ аппаратуры. Наиболее существенные внешние признаки этого: уменьшение габаритов новых ВЧ терминалов и УПАСК; многостраничные, иногда трудно читаемые, описания и инструкции, которые до эксплуатации часто просто не доходят (конечно, что-то можно найти в Интернете).
Можно ли при этом как-нибудь «на глаз» узнать о свойствах устанавливаемой аппаратуры?
Можно, и очень многое, главное знать, куда и как смотреть… Не уверен, что меня хватит на цикл статей, да и многие «посмотреть» требуют специальных знаний, тем не менее о чем то можно рассказать сразу и просто… а кое-что понять, имея в руках только линейку…
У большинства современных ВЧ аппаратов сердечник трансформатора ферритовый - без этого нельзя достичь существенного уменьшения габаритов устройства. Сердечники эти бывают самых разных форм и размеров (можно посмотреть здесь http://www.megatron.ch/ru/ferrite-cores или здесь http://www.htms.co.th/index.php/ferrite-cores.html ). Если коротко охарактеризовать их свойства, то можно сказать:
Как видно из ссылок, по внешнему виду можно достаточно точно определить тип сердечника, или его «классовую» принадлежность (иногда везет и на поверхности феррита, можно обнаружить соответствующие надписи). Это важно.
Но еще важнее геометрические размеры сердечника. Их можно прочесть, или просто измерить линейкой. В обозначениях сердечников практически всегда первая цифра – это главный (наибольший) горизонтальный геометрический размер (E21, ETD49, P60, PQ35, …) половинки сердечника: ширина или диаметр. Пожалуй, за исключением сердечников типа RM: их номер соответствует максимальному размеру (по острым углам) деленному примерно на 3. Конечно, у некоторых сердечников (например, типа Е) еще «играют» длина и высота (вторая и третья цифра в обозначении), но их тоже можно измерить линейкой.
Зачем это нужно? А вот зачем. Практически у каждого производителя ферритов можно найти подобные, приведенной ниже, таблицы:
По которым Вы можете оценить мощность выходного трансформатора ВЧ аппарата, и проверить ее соответствие заявленной в технических данных.
Допустим, Вы примерно оценили тип сердечника, как ETD39. Из таблицы видно, что его мощность составляет 100-200 Вт. То есть выходная мощность ВЧ аппарата равна 50-100 Вт. Хорошо…
… кажется. На самом деле подобные таблицы врут изрядно:
Существуют и более полные или точные таблицы (например, в http://www.4shared.com/get/uNCr0zWw/Switching_Power_Supply_Design_.html , стр.307 и далее), где уже для каждого конкретного типа сердечника и на интересующей частоте можно найти его мощность. Однако и эти таблицы в нашем случае не подходят, так как строятся для нелинейного (с насыщением) режима работы с постоянной магнитной индукцией (в линейном режиме ее величина зависит от частоты и размеров сердечника).
Тем не менее, из них можно извлечь полезную (гипотеза) информацию: мощность сердечника линейно зависит от его размеров. Проверяем: для указанных в таблице сердечников
Строим график зависимости мощности (Вт) от сечения сердечника (см2) при постоянной Вс=160 мТ, и частоте 48 кГц
То же при реальной магнитной проницаемости Ва (при малых размерах сердечника мощность повысилась, при больших – понизилась)
И аппроксимирующий график (притянут за уши) (заметное отличие теоретических графиков от реальных для POT сердечников имеет физическое объяснение: из-за особенности конструкции и намотки POT сердечника при малых размерах сердечника большую долю объема занимают выводы катушек, «выводящие» тепло из трансформатора, но тем не менее в значительно большей степени снижающие теплоотвод за счет снижения объема обмотки)
На графике тонкие линии – «точная» аппроксимация, толстые пунктирные – «линейная».
И вроде бы аппроксимирующая линейность есть, но в тоже время ее нет, так как «прямые» имеют разный наклон.
Чешем в затылке, и соображаем, что теплоотвод обеспечивает не только сердечник, но и катушка. Строим график зависимости мощности от произведения сечения сердечника на сечение катушки (оптимальной считается полная намотка катушки, занимающая все доступное пространство) на частоте 20 кГц в линейном режиме работы в пересчете на выходную ВЧ мощность. Вот оно!
Здесь на графике тонкие линии построены по точным значениям, толстые пунктирные – их «линейная» аппроксимация функцией с коэффициентами, приведенными ниже.
Конечно линии, построенные по точным значениям, здесь тоже не вполне параллельны, но, кажется, на это уже можно закрыть глаза. Усредненные кривые имеют одинаковый наклон, и сдвиг по вертикали, обусловленный особенностями конфигурации (закрытости) сердечников.
Итак, факт «линейной» зависимости мощности от размеров трансформатора можно считать доказанным (на самом деле это впрямую следует из соответствующих, описывающих процесс, формул, но текст рассчитан на людей далеких от проблем разработки трансформаторов). Однако воспользоваться этим знанием затруднительно: как измерить все эти сечения линейкой? Вероятно, все-таки придется с помощью простейших измерений определять тип сердечника, и по приведенным ниже графику и таблицам находить его линейную мощность на частоте 20 кГц.
Здесь каждому типу сердечника соответствует свой маркер, а размеру - физическое расположение маркера – нижние точки: меньший размер (первые позиции в списке), верхние точки: больший размер (последние позиции в списке). В таблице приведены точные значения.
А что на другой частоте? Вообще-то принято считать, что мощность линейно пропорциональна частоте: удвоению частоты соответствует удвоение мощности. Что, к сожалению, опять не соответствует действительности в линейном режиме работы. К тому же зависит от материала сердечника (марки феррита, которую в большинстве случаев узнать невозможно).
Посмотрим на приведенный график. Здесь для разных марок феррита построены зависимости мощности для сердечника типа ETD49. Красная и верхняя голубая кривые показаны для справки: красная линия – это общепринятая линейная зависимость мощности от частоты; голубая – отмененная компанией TDK перспективная разработка марки феррита N59.
Для настоящих ферритов с ростом частоты мощность может, как возрастать, так и убывать. Среднее значение (синяя пунктирная линия) сначала показывает рост мощности, а потом ее стабилизацию.
Однако при проектировании ВЧ каналов в духе Руководящих указаний следует ориентироваться на худший случай (красная пунктирная линия). Конечно, можно возразить, что для некоторых ферритов запас по мощности будет очень большой. Но с другой стороны: разве Вы знаете, какой феррит используется в ВЧ аппарате, в каком режиме, с какими искажениями и при какой температуре? Я анализировал / тестировал около 30 марок ферритов, и поверьте, это все-таки далеко не самый худший случай.
Поэтому в дальнейшем будем использовать функцию аппроксимации
P=IF(f<=150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f),
где f – частота канала в кГц,. На частоте f0=20 кГц мощность равна Р0=194 Вт.
Таким образом, мощность трансформатора на любой частоте можно найти по формуле:
Р20 * IF(f<=150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f)/194,
где Р20 – мощность типоразмера сердечника трансформатора из предыдущей таблицы / графика (там расчеты выполнены для феррита марки 3F35).
Например, для сердечника типа ETD34 на частоте 100 кГц это будет: 81*(105.4+4.43*100)/194=229 Вт
Теперь опять вернемся к вопросу: зачем все это нужно?
Да очень просто. Допустим, вы обнаружили сердечник Е25 или PQ26/20, значит, выходная мощность ВЧ аппарата не может превышать 20 Вт, для 40 Вт это должны быть E34, ETD29, PQ26 и т.д., для 80 Вт - ETD34, PQ32, RM12, или нижняя рабочая частота аппарата не 20 (тем более 16) кГц, а 40 кГц, например.
Думаете все? Ничего подобного.
В последних проектах не раз приходилось наблюдать, с какой легкостью проектировщики расставляют параллельную ВЧ аппаратуру (на одном присоединении). А ведь на линейном входе ВЧ аппарата при этом действует либо сумма эффективных мощностей всех ВЧ терминалов (в связном режиме), либо сумма пиковых мощностей – для УПАСК.
Фактически (упрощенно) это означает, что если параллельно УПАСК, работающему на частоте 20 кГц, включается аппаратура связи мощностью 80 Вт, или, даже, две таких аппаратуры, на выходном трансформаторе действует мощность 100 или 180 Вт, и трансформатор должен быть не типа Е25 или PQ26/20, а никак не меньше ETD39/ETD44, EC52 или PQ40/40. В противном случае параллельную аппаратуру подключать просто нельзя.
Это худший случай. Реально надо считать следующим образом:
fпаралл.=43.8*Рпаралл./Рзапас-23.8,
где fпаралл. – минимальная частота параллельной аппаратуры мощностью Рпаралл. Вт,
Рзапас – запас по мощности на входе УПАСК (определяется его мощностью, рабочей частотой и используемым трансформатором)
Допустим, на выходе УПАСК стоит трансформатор на сердечнике ETD34, его выходная мощность равна 40 Вт и рабочая частота 100 кГц. Рзапас на частоте 100 кГц при этом составит 229-40=189 Вт, на частоте 20 кГц
Рзапас = Р20-194*Рупаск/(105.4+4.43*fупаск)=81-194*40/(105.4+4.43*100)=66.85 Вт
А минимальная рабочая частота параллельной 80 Вт аппаратуры
fпаралл.=43.8*Рпаралл./Рзапас-23.8=43.8*80/66.85-23.8=28.6 кГц
При частоте и мощности УПАСК 100 кГц и 40 Вт, параллельно работающей на частоте 260 кГц аппаратуре связи с мощностью 80 Вт, другая аппаратура 80 Вт может быть размещена на частоте не менее
Рзапас = Р20-194*Рупаск/(105.4+4.43*fупаск) -194*Рпаралл./(759.06+0.073*fпаралл.)=81-194*40/(105.4+4.43*100) -194*80/(759.06+0.073*260)= 46.6 Вт
Fпаралл1.=43.8*Рпаралл1./Рзапас-23.8=43.8*80/46.6 -23.8=51.4 кГц
Выше этой частоты частота третьего ВЧ аппарата может быть любая, в пределах допустимого разнесения ВЧ аппаратов по критерию взаимного влияния.
Здесь самое время обратить внимание на еще один доступный для оценки «на взгляд» факт: какого типа линейный фильтр используется в ВЧ аппарате – одноконтурный, двухконтурный – на связанных резонаторах, диффмостовой и т.д. Для этого считаем число катушек. При их числе равном двум для российского аппарата это скорее всего диффмостовой фильтр, для импортного – на связанных резонаторах (хотя, конечно, могут быть исключения). Считаем банки (наборы) конденсаторов: если их два, то это точно диффмостовой фильтр, если три или четыре, то фильтр на связанных резонаторах или Т-образный.
Знать это надо по следующим причинам:
Нас интересует последний момент. Поскольку входной импеданс ВЧ аппарата частотно зависим, частотно зависимой оказывается максимальная входная ВЧ мощность.
В последнее время все чаще встречаются одно контурные линейные фильтры. Опустим их частотные свойства – нас интересуют входные импедансы. Для простоты отбросим их комплексные характеристики с преобладанием слева емкостной составляющей, справа – индуктивной. Тогда величину входного импеданса при номинале 75 Ом на различных центральных частотах и полосах фильтра упрощенно можно представить как
Здесь в обозначении: тип фильтра, ширина полосы, центральная частота
Крутизну наклона кривой импеданса (или скорость изменения импеданса с изменением частоты) можно представить следующим образом
Все кривые описываются следующими уравнениями: импеданс
Zf = Z0+slop1*(f-BW/2),
Где Z0 – номинальный импеданс, Ом
f – частота, на которой необходимо определить импеданс – отстройка от центральной частоты фильтра, кГц
BW – ширина полосы фильтра, кГц
Zf – искомый импеданс при отстройке от центральной частоты фильтра на частоту f, Ом
Если задана отстройка df от края полосы пропускания, то вместо f следует использовать f=BW/2+df, и Zf = Z0+slop1*df соответственно.
Крутизна характеристики (скорость изменения импеданса)
Slop1 =(119.32049-77.105326*LN(f0)+7.3040903*(LN(f0))^2+9.5945056*LN(BW))/(1+0.014122943*LN(f0)-1.0587744*LN(BW));
или
Slop1 =IF(f0<100;
(119.32049-77.105326*LN(f0)+7.3040903*(LN(f0))^2+9.5945056*LN(BW))/(1+0.014122943*LN(f0)-1.0587744*LN(BW));
(3.5251855+31.149015/BW)^2+1/(50.528876-57.613383*LN(BW))*f0)
, где f0 – центральная частота фильтра / ВЧ канала, кГц
Для двухконтурного фильтра величину входного импеданса при номинале 75 Ом на различных центральных частотах и полосах фильтра упрощенно можно представить как
А крутизну наклона кривой импеданса (или скорость изменения импеданса с изменением частоты) следующим образом
Slop2=Slop1/1.46
Значение довольно приблизительно, но не хочется плодить формулы.
Рост величины входного импеданса в обоих случаях (одно- и двухконтурного фильтров) ничем не ограничен. Однако на практике из-за различных конструкционных и комплексных эффектов ограничение рано или поздно наступает. Причем зависящее от частоты. На практике мне встречались значения и 1.5 кОм, и 10 кОм. Я бы не брал импеданс более 2.5 кОм.
Диффмостовой фильтр замечательно описан здесь http://16-1000khz.pbworks.com/w/page/740350/Дифмостовой%20ЛФ%20и%20не%20только%20-%20экспромт-моделирование , http://16-1000khz.pbworks.com/w/page/740360/Линейный%20фильтр%20ПВЗ-90***%20-%20бестолковые%20опыты , http://16-1000khz.pbworks.com/w/page/740559/Сюрпризы%20ПВЗ-90%20-%20линейный%20фильтр%2072%20кГц , поэтому я только порекомендую обратить внимание на характеристики импеданса в широкой полосе частот.
Теперь вспомним, что мощность обратно пропорциональна величине нагрузки, и введем в предыдущие размышления о допустимой мощности на входном трансформаторе для мощностей мешающих передатчиков поправочный коэффициент Z0/Zf
Рмеш=Рпаралл*194/IF(f<150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f)*Z0/Zf,
где величина Zf определяется разносом частот рассчитываемого и мешающего передатчиков.
Одновременно учтем мощности удаленных передатчиков с учетом затухания в канале
Рмеш.удал=Рпаралл.удал.*Авч.тр.*194/IF(f<150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f)*Z0/Zf
Правильно, особенно на коротких линиях, учитывать еще и дальние переходные затухания – сигналы передатчиков, работающих на других ВЧ присоединениях…
Особым случаем здесь является ВЧ аппаратура / УПАСК с диффмостовой схемой линейного фильтра. Как видно из приведенных выше ссылок входной импеданс такого аппарата частотно зависим, и в широких диапазонах частот стремится к нулю. Расположение этих частот без специальных расчетов и оборудования определить затруднительно. Поэтому я бы рекомендовал при расчете мощностей мешающих передатчиков поправочный коэффициент Z0/Zf для таких ВЧ аппаратов не учитывать.
Может показаться, что приведенные выкладки громоздки. Но для каждодневного использования надо просто один раз составить Excel-файл, дальнейшее – простая подстановка цифр.
В заключение хочется пару слов сказать о том, что еще можно «увидеть» в линейном фильтре.
А увидеть можно рабочие напряжения на конденсаторах. Особенно важно это для конденсаторов малых номиналов, используемых на высоких частотах. Поскольку действующее напряжение на конденсаторах и катушках фильтра пропорционально его добротности, то можно «на глаз» определить какой минимальной полосой пропускания может обладать такой ВЧ аппарат.
Допустим, производитель указывает, что при номинальной частоте канала 1000 кГц, ширина полосы ВЧ канала составляет 12 кГц. Для одноконтурного фильтра при этом добротность должна составлять 1000/12=83, для двухконтурного не менее 1000/12*(1.1-1.2)=92-100. А действующие в фильтре напряжения U*Q. где U – это напряжение на вторичной обмотке входного трансформатора, величина которого определяется коэффициентом трансформации входного трансформатора. Какой он? – а черт его знает (можно, конечно, разок включить осциллограф или ВЧ вольтметр). Но в большинстве практических случаев 1-5. Таким образом, если на входе ВЧ аппарата действует напряжение 38-92 В, на выходе трансформатора будет 7.6-92 В (в среднем 30 В). А на элементах фильтра будет действовать напряжение 2500-3000 В (это я скромничаю: реальное может достигать 9 кВ). А на конденсаторе написано 750 В, или 1500, или 3000 В!
Значит:
В ВЧ связи давно идет смена поколений ВЧ аппаратуры. Наиболее существенные внешние признаки этого: уменьшение габаритов новых ВЧ терминалов и УПАСК; многостраничные, иногда трудно читаемые, описания и инструкции, которые до эксплуатации часто просто не доходят (конечно, что-то можно найти в Интернете).
Можно ли при этом как-нибудь «на глаз» узнать о свойствах устанавливаемой аппаратуры?
Можно, и очень многое, главное знать, куда и как смотреть… Не уверен, что меня хватит на цикл статей, да и многие «посмотреть» требуют специальных знаний, тем не менее о чем то можно рассказать сразу и просто… а кое-что понять, имея в руках только линейку…
Итак, выходной (линейный, ВЧ) трансформатор.
У большинства современных ВЧ аппаратов сердечник трансформатора ферритовый - без этого нельзя достичь существенного уменьшения габаритов устройства. Сердечники эти бывают самых разных форм и размеров (можно посмотреть здесь http://www.megatron.ch/ru/ferrite-cores или здесь http://www.htms.co.th/index.php/ferrite-cores.html ). Если коротко охарактеризовать их свойства, то можно сказать:
- чем более круглый или «закрытый» сердечник, тем меньше его внешние излучения (для «прямоугольных» сердечников при особых требованиях по ЭМС часто применяют внешнее экранирование);
- чем более круглый или «закрытый» сердечник, тем меньше при одинаковых габаритах его мощность;
- чем более круглый центральный элемент сердечника, тем меньше его потери;
- чем больше в сердечнике «круглого», тем он или трансформатор на таком сердечнике дороже (тороидальный сердечник относительно дешев, но трансформатор на нем – один из самых дорогих из-за высокой стоимости намотки)
Как видно из ссылок, по внешнему виду можно достаточно точно определить тип сердечника, или его «классовую» принадлежность (иногда везет и на поверхности феррита, можно обнаружить соответствующие надписи). Это важно.
Но еще важнее геометрические размеры сердечника. Их можно прочесть, или просто измерить линейкой. В обозначениях сердечников практически всегда первая цифра – это главный (наибольший) горизонтальный геометрический размер (E21, ETD49, P60, PQ35, …) половинки сердечника: ширина или диаметр. Пожалуй, за исключением сердечников типа RM: их номер соответствует максимальному размеру (по острым углам) деленному примерно на 3. Конечно, у некоторых сердечников (например, типа Е) еще «играют» длина и высота (вторая и третья цифра в обозначении), но их тоже можно измерить линейкой.
Зачем это нужно? А вот зачем. Практически у каждого производителя ферритов можно найти подобные, приведенной ниже, таблицы:
| POWER RANGE (W) | CORE TYPE |
| <5 | RM4; P11/7; R14; EF12.6; U10 |
| 5 to 10 | RM5; P14/8 |
| 10 to 20 | RM6; E20; P18/11; R23; U15; EFD15 |
| 20 to 50 | RM8; P22/13; U20; RM10; ETD29; E25; R26/10; EFD20 |
| 50 to 100 | ETD29; ETD34; EC35; EC41; RM12; P30/19; R26/20; EFD25 |
| 100 to 200 | ETD34; ETD39; ETD44; EC41; EC52; RM14; P36/22; E30; R56; U25; U30; E42; EFD30 |
| 200 to 500 | ETD44; ETD49; E55; EC52; E42; P42/29; U37 |
| <500 | E65; EC70; U93; U100 |
Power throughput for different core types (at 100 kHz switching frequency)
По которым Вы можете оценить мощность выходного трансформатора ВЧ аппарата, и проверить ее соответствие заявленной в технических данных.
Допустим, Вы примерно оценили тип сердечника, как ETD39. Из таблицы видно, что его мощность составляет 100-200 Вт. То есть выходная мощность ВЧ аппарата равна 50-100 Вт. Хорошо…
… кажется. На самом деле подобные таблицы врут изрядно:
- а сколько на самом деле 50 или 100 Вт? А для ETD34 это вообще может быть 25-50-100 Вт!
- таблицы составляются для импульсных источников питания, где сердечники работают с насыщением, в линейных схемах мощности будут другими;
- а что будет на частоте 20 кГц, или 1000 кГц?
Существуют и более полные или точные таблицы (например, в http://www.4shared.com/get/uNCr0zWw/Switching_Power_Supply_Design_.html , стр.307 и далее), где уже для каждого конкретного типа сердечника и на интересующей частоте можно найти его мощность. Однако и эти таблицы в нашем случае не подходят, так как строятся для нелинейного (с насыщением) режима работы с постоянной магнитной индукцией (в линейном режиме ее величина зависит от частоты и размеров сердечника).
Тем не менее, из них можно извлечь полезную (гипотеза) информацию: мощность сердечника линейно зависит от его размеров. Проверяем: для указанных в таблице сердечников
| EE | E | EC | ETD | Pot | RM | PQ |
| 814E250 | E13/6/6 | EC35 | ETD29 | P7/4 | RM5 | PQ20/16 |
| 813E187 | E/16/8/5 | EC41 | ETD34 | P9/5 | RM6 | PQ20/20 |
| 813E343 | E19/8/5 | EC52 | ETD39 | P11/7 | RM8 | PQ26/20 |
| 812E250 | E19/8/9 | EC70 | ETD44 | P14/8 | RM10 | PQ26/25 |
| 782E272 | E25/9/6 | ETD49 | P18/11 | RM12 | PQ32/20 | |
| E375 | E25/10/6 | ETD54 | P22/13 | RM14 | PQ32/30 | |
| E21 | E25/13/7 | ETD59 | P26/16 | PQ35/35 | ||
| 783E608 | E34/14/9 | P30/19 | PQ40/40 | |||
| 783E776 | E41/17/12 | P36/22 | ||||
| E625 | E42/21/15 | P42/29 | ||||
| E55 | E47/20/16 | |||||
| E75 | E56/24/19 |
То же при реальной магнитной проницаемости Ва (при малых размерах сердечника мощность повысилась, при больших – понизилась)
И аппроксимирующий график (притянут за уши) (заметное отличие теоретических графиков от реальных для POT сердечников имеет физическое объяснение: из-за особенности конструкции и намотки POT сердечника при малых размерах сердечника большую долю объема занимают выводы катушек, «выводящие» тепло из трансформатора, но тем не менее в значительно большей степени снижающие теплоотвод за счет снижения объема обмотки)
На графике тонкие линии – «точная» аппроксимация, толстые пунктирные – «линейная».
И вроде бы аппроксимирующая линейность есть, но в тоже время ее нет, так как «прямые» имеют разный наклон.
Чешем в затылке, и соображаем, что теплоотвод обеспечивает не только сердечник, но и катушка. Строим график зависимости мощности от произведения сечения сердечника на сечение катушки (оптимальной считается полная намотка катушки, занимающая все доступное пространство) на частоте 20 кГц в линейном режиме работы в пересчете на выходную ВЧ мощность. Вот оно!
Здесь на графике тонкие линии построены по точным значениям, толстые пунктирные – их «линейная» аппроксимация функцией с коэффициентами, приведенными ниже.
| =EXP(A+B*LN(Ac*Aw)) | Точные значения | Усредненные значения | ||
| A | B | A1 | B_aver | |
| EE | 4.335982 | 0.766878 | 4.35 | 0.770642 |
| E | 4.335982 | 0.766878 | 4.35 | 0.770642 |
| EC | 4.393505 | 0.811146 | 4.45 | 0.770642 |
| ETD | 4.264618 | 0.762557 | 4.25 | 0.770642 |
| Pot | 3.978288 | 0.790866 | 4.00 | 0.770642 |
| RM | 4.376673 | 0.753518 | 4.40 | 0.770642 |
| PQ | 4.193086 | 0.738887 | 4.20 | 0.770642 |
| Average | 4.257025 | 0.770642 | 4.292857 | 0.770642 |
Итак, факт «линейной» зависимости мощности от размеров трансформатора можно считать доказанным (на самом деле это впрямую следует из соответствующих, описывающих процесс, формул, но текст рассчитан на людей далеких от проблем разработки трансформаторов). Однако воспользоваться этим знанием затруднительно: как измерить все эти сечения линейкой? Вероятно, все-таки придется с помощью простейших измерений определять тип сердечника, и по приведенным ниже графику и таблицам находить его линейную мощность на частоте 20 кГц.
Здесь каждому типу сердечника соответствует свой маркер, а размеру - физическое расположение маркера – нижние точки: меньший размер (первые позиции в списке), верхние точки: больший размер (последние позиции в списке). В таблице приведены точные значения.
| EE | Ac*Aw, см4 | Вт | E | Ac*Aw, см4 | Вт | EC | Ac*Aw, см4 | Вт | ETD | Ac*Aw, см4 | Вт |
| 814E250 | 0.035 | 5.8 | E13/6/6 | 0.03176 | 5.4 | EC35 | 0.816 | 68.6 | ETD29 | 0.686 | 53.4 |
| 813E187 | 0.074 | 10.4 | E16/8/5 | 0.05412 | 8.2 | EC41 | 1.634 | 120.5 | ETD34 | 1.185 | 81.0 |
| 813E343 | 0.148 | 17.7 | E19/8/5 | 0.16098 | 18.8 | EC52 | 3.834 | 240.7 | ETD39 | 2.175 | 128.7 |
| 812E250 | 0.229 | 24.7 | E19/8/9 | 0.16098 | 18.8 | EC70 | 13.308 | 660.5 | ETD44 | 3.706 | 193.2 |
| 782E272 | 0.559 | 48.9 | E25/9/6 | 0.25881 | 27.1 | ETD49 | 5.718 | 268.9 | |||
| E375 | 0.931 | 72.3 | E25/10/6 | 0.245 | 26.0 | ETD54 | 8.848 | 377.5 | |||
| E21 | 1.807 | 120.3 | E25/13/7 | 0.37328 | 35.9 | ETD59 | 13.469 | 526.5 | |||
| 783E608 | 3.224 | 187.5 | E34/14/9 | 1.13648 | 84.3 | ||||||
| 783E776 | 4.217 | 230.4 | E41/17/12 | 2.15638 | 137.7 | ||||||
| E625 | 3.206 | 186.7 | E42/21/15 | 4.07597 | 224.4 | ||||||
| E55 | 9.884 | 442.7 | E47/20/16 | 4.17995 | 228.8 | ||||||
| E75 | 7.301 | 350.9 | E56/24/19 | 8.63313 | 399.0 |
| Pot | Ac*Aw, см4 | В | RM | Ac*Aw, см4 | В | PQ | Ac*Aw, см4 | В |
| P7/4 | 0.002 | 0.391944 | RM5 | 0.024 | 4.7888 | PQ20/16 | 0.159 | 17.02 |
| P9/5 | 0.003 | 0.540118 | RM6 | 0.057 | 9.1895 | PQ20/20 | 0.238 | 22.93 |
| P11/7 | 0.009 | 1.28774 | RM8 | 0.195 | 23.216 | PQ26/20 | 0.383 | 32.589 |
| P14/8 | 0.024 | 2.797128 | RM10 | 0.413 | 40.867 | PQ26/25 | 0.592 | 44.958 |
| P18/11 | 0.081 | 7.319919 | RM12 | 1.13 | 87.249 | PQ32/20 | 0.799 | 56.108 |
| P22/13 | 0.189 | 14.30628 | RM14 | 2.178 | 143.05 | PQ32/30 | 1.6 | 93.725 |
| P26/16 | 0.386 | 25.16486 | PQ35/35 | 3.116 | 153.37 | |||
| P30/19 | 0.81 | 45.22437 | PQ40/40 | 5.005 | 217.68 | |||
| P36/22 | 1.563 | 76.05789 | ||||||
| P42/29 | 3.724 | 151.1266 |
Посмотрим на приведенный график. Здесь для разных марок феррита построены зависимости мощности для сердечника типа ETD49. Красная и верхняя голубая кривые показаны для справки: красная линия – это общепринятая линейная зависимость мощности от частоты; голубая – отмененная компанией TDK перспективная разработка марки феррита N59.
Для настоящих ферритов с ростом частоты мощность может, как возрастать, так и убывать. Среднее значение (синяя пунктирная линия) сначала показывает рост мощности, а потом ее стабилизацию.
Однако при проектировании ВЧ каналов в духе Руководящих указаний следует ориентироваться на худший случай (красная пунктирная линия). Конечно, можно возразить, что для некоторых ферритов запас по мощности будет очень большой. Но с другой стороны: разве Вы знаете, какой феррит используется в ВЧ аппарате, в каком режиме, с какими искажениями и при какой температуре? Я анализировал / тестировал около 30 марок ферритов, и поверьте, это все-таки далеко не самый худший случай.
Поэтому в дальнейшем будем использовать функцию аппроксимации
P=IF(f<=150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f),
где f – частота канала в кГц,. На частоте f0=20 кГц мощность равна Р0=194 Вт.
Таким образом, мощность трансформатора на любой частоте можно найти по формуле:
Р20 * IF(f<=150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f)/194,
где Р20 – мощность типоразмера сердечника трансформатора из предыдущей таблицы / графика (там расчеты выполнены для феррита марки 3F35).
Например, для сердечника типа ETD34 на частоте 100 кГц это будет: 81*(105.4+4.43*100)/194=229 Вт
Теперь опять вернемся к вопросу: зачем все это нужно?
Да очень просто. Допустим, вы обнаружили сердечник Е25 или PQ26/20, значит, выходная мощность ВЧ аппарата не может превышать 20 Вт, для 40 Вт это должны быть E34, ETD29, PQ26 и т.д., для 80 Вт - ETD34, PQ32, RM12, или нижняя рабочая частота аппарата не 20 (тем более 16) кГц, а 40 кГц, например.
Думаете все? Ничего подобного.
В последних проектах не раз приходилось наблюдать, с какой легкостью проектировщики расставляют параллельную ВЧ аппаратуру (на одном присоединении). А ведь на линейном входе ВЧ аппарата при этом действует либо сумма эффективных мощностей всех ВЧ терминалов (в связном режиме), либо сумма пиковых мощностей – для УПАСК.
Фактически (упрощенно) это означает, что если параллельно УПАСК, работающему на частоте 20 кГц, включается аппаратура связи мощностью 80 Вт, или, даже, две таких аппаратуры, на выходном трансформаторе действует мощность 100 или 180 Вт, и трансформатор должен быть не типа Е25 или PQ26/20, а никак не меньше ETD39/ETD44, EC52 или PQ40/40. В противном случае параллельную аппаратуру подключать просто нельзя.
Это худший случай. Реально надо считать следующим образом:
| Частота и мощность УПАСК, кГц и Вт | Частота и мощность 1-го параллельного ВЧ аппарата, кГц и Вт | Частота и мощность 2-го параллельного ВЧ аппарата, кГц и Вт | Приведенная ко входу УПАСК мощность, Вт |
| 20 | 28 | 36 | |
| 40 | 80 | 80 | 200 |
| 40 | 80*194/(105.4+4.43*28)=68 | 80*194/(105.4+4.43*36)=59 | 167 |
То есть по известному типу выходного трансформатора ВЧ аппарата можно оценить, как близко к его рабочей полосе допускается располагать параллельные ВЧ терминалы (при частотах ниже 150 кГц):
fпаралл.=43.8*Рпаралл./Рзапас-23.8,
где fпаралл. – минимальная частота параллельной аппаратуры мощностью Рпаралл. Вт,
Рзапас – запас по мощности на входе УПАСК (определяется его мощностью, рабочей частотой и используемым трансформатором)
Рзапас = Р20-194*Рупаск/(105.4+4.43*fупаск)=81-194*40/(105.4+4.43*100)=66.85 Вт
А минимальная рабочая частота параллельной 80 Вт аппаратуры
fпаралл.=43.8*Рпаралл./Рзапас-23.8=43.8*80/66.85-23.8=28.6 кГц
При частоте и мощности УПАСК 100 кГц и 40 Вт, параллельно работающей на частоте 260 кГц аппаратуре связи с мощностью 80 Вт, другая аппаратура 80 Вт может быть размещена на частоте не менее
Рзапас = Р20-194*Рупаск/(105.4+4.43*fупаск) -194*Рпаралл./(759.06+0.073*fпаралл.)=81-194*40/(105.4+4.43*100) -194*80/(759.06+0.073*260)= 46.6 Вт
Fпаралл1.=43.8*Рпаралл1./Рзапас-23.8=43.8*80/46.6 -23.8=51.4 кГц
Выше этой частоты частота третьего ВЧ аппарата может быть любая, в пределах допустимого разнесения ВЧ аппаратов по критерию взаимного влияния.
Линейный фильтр
Здесь самое время обратить внимание на еще один доступный для оценки «на взгляд» факт: какого типа линейный фильтр используется в ВЧ аппарате – одноконтурный, двухконтурный – на связанных резонаторах, диффмостовой и т.д. Для этого считаем число катушек. При их числе равном двум для российского аппарата это скорее всего диффмостовой фильтр, для импортного – на связанных резонаторах (хотя, конечно, могут быть исключения). Считаем банки (наборы) конденсаторов: если их два, то это точно диффмостовой фильтр, если три или четыре, то фильтр на связанных резонаторах или Т-образный.Знать это надо по следующим причинам:
- от этого зависит минимальный разнос частот параллельно на одном присоединении установленных ВЧ аппаратов по критерию взаимного влияния
- полоса пропускания (ширина полосы) ВЧ канала
- перегрузочная способность ВЧ аппарата
- разнос частот параллельно на одном присоединении установленных ВЧ аппаратов по допустимой мощности на входе
Нас интересует последний момент. Поскольку входной импеданс ВЧ аппарата частотно зависим, частотно зависимой оказывается максимальная входная ВЧ мощность.
В последнее время все чаще встречаются одно контурные линейные фильтры. Опустим их частотные свойства – нас интересуют входные импедансы. Для простоты отбросим их комплексные характеристики с преобладанием слева емкостной составляющей, справа – индуктивной. Тогда величину входного импеданса при номинале 75 Ом на различных центральных частотах и полосах фильтра упрощенно можно представить как
Крутизну наклона кривой импеданса (или скорость изменения импеданса с изменением частоты) можно представить следующим образом
Все кривые описываются следующими уравнениями: импеданс
Zf = Z0+slop1*(f-BW/2),
Где Z0 – номинальный импеданс, Ом
f – частота, на которой необходимо определить импеданс – отстройка от центральной частоты фильтра, кГц
BW – ширина полосы фильтра, кГц
Zf – искомый импеданс при отстройке от центральной частоты фильтра на частоту f, Ом
Если задана отстройка df от края полосы пропускания, то вместо f следует использовать f=BW/2+df, и Zf = Z0+slop1*df соответственно.
Крутизна характеристики (скорость изменения импеданса)
Slop1 =(119.32049-77.105326*LN(f0)+7.3040903*(LN(f0))^2+9.5945056*LN(BW))/(1+0.014122943*LN(f0)-1.0587744*LN(BW));
или
Slop1 =IF(f0<100;
(119.32049-77.105326*LN(f0)+7.3040903*(LN(f0))^2+9.5945056*LN(BW))/(1+0.014122943*LN(f0)-1.0587744*LN(BW));
(3.5251855+31.149015/BW)^2+1/(50.528876-57.613383*LN(BW))*f0)
, где f0 – центральная частота фильтра / ВЧ канала, кГц
Для двухконтурного фильтра величину входного импеданса при номинале 75 Ом на различных центральных частотах и полосах фильтра упрощенно можно представить как
А крутизну наклона кривой импеданса (или скорость изменения импеданса с изменением частоты) следующим образом
Причем можно воспользоваться теми же уравнениями, только вычисленное значение крутизны наклона надо поделить на 1.46
Slop2=Slop1/1.46
Значение довольно приблизительно, но не хочется плодить формулы.
Рост величины входного импеданса в обоих случаях (одно- и двухконтурного фильтров) ничем не ограничен. Однако на практике из-за различных конструкционных и комплексных эффектов ограничение рано или поздно наступает. Причем зависящее от частоты. На практике мне встречались значения и 1.5 кОм, и 10 кОм. Я бы не брал импеданс более 2.5 кОм.
Диффмостовой фильтр замечательно описан здесь http://16-1000khz.pbworks.com/w/page/740350/Дифмостовой%20ЛФ%20и%20не%20только%20-%20экспромт-моделирование , http://16-1000khz.pbworks.com/w/page/740360/Линейный%20фильтр%20ПВЗ-90***%20-%20бестолковые%20опыты , http://16-1000khz.pbworks.com/w/page/740559/Сюрпризы%20ПВЗ-90%20-%20линейный%20фильтр%2072%20кГц , поэтому я только порекомендую обратить внимание на характеристики импеданса в широкой полосе частот.
Теперь вспомним, что мощность обратно пропорциональна величине нагрузки, и введем в предыдущие размышления о допустимой мощности на входном трансформаторе для мощностей мешающих передатчиков поправочный коэффициент Z0/Zf
Рмеш=Рпаралл*194/IF(f<150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f)*Z0/Zf,
где величина Zf определяется разносом частот рассчитываемого и мешающего передатчиков.
Одновременно учтем мощности удаленных передатчиков с учетом затухания в канале
Рмеш.удал=Рпаралл.удал.*Авч.тр.*194/IF(f<150;105.4+4.43*f;759.06+0.073*f)*Z0/Zf
Правильно, особенно на коротких линиях, учитывать еще и дальние переходные затухания – сигналы передатчиков, работающих на других ВЧ присоединениях…
Особым случаем здесь является ВЧ аппаратура / УПАСК с диффмостовой схемой линейного фильтра. Как видно из приведенных выше ссылок входной импеданс такого аппарата частотно зависим, и в широких диапазонах частот стремится к нулю. Расположение этих частот без специальных расчетов и оборудования определить затруднительно. Поэтому я бы рекомендовал при расчете мощностей мешающих передатчиков поправочный коэффициент Z0/Zf для таких ВЧ аппаратов не учитывать.
Может показаться, что приведенные выкладки громоздки. Но для каждодневного использования надо просто один раз составить Excel-файл, дальнейшее – простая подстановка цифр.
В заключение хочется пару слов сказать о том, что еще можно «увидеть» в линейном фильтре.
А увидеть можно рабочие напряжения на конденсаторах. Особенно важно это для конденсаторов малых номиналов, используемых на высоких частотах. Поскольку действующее напряжение на конденсаторах и катушках фильтра пропорционально его добротности, то можно «на глаз» определить какой минимальной полосой пропускания может обладать такой ВЧ аппарат.
Допустим, производитель указывает, что при номинальной частоте канала 1000 кГц, ширина полосы ВЧ канала составляет 12 кГц. Для одноконтурного фильтра при этом добротность должна составлять 1000/12=83, для двухконтурного не менее 1000/12*(1.1-1.2)=92-100. А действующие в фильтре напряжения U*Q. где U – это напряжение на вторичной обмотке входного трансформатора, величина которого определяется коэффициентом трансформации входного трансформатора. Какой он? – а черт его знает (можно, конечно, разок включить осциллограф или ВЧ вольтметр). Но в большинстве практических случаев 1-5. Таким образом, если на входе ВЧ аппарата действует напряжение 38-92 В, на выходе трансформатора будет 7.6-92 В (в среднем 30 В). А на элементах фильтра будет действовать напряжение 2500-3000 В (это я скромничаю: реальное может достигать 9 кВ). А на конденсаторе написано 750 В, или 1500, или 3000 В!
Значит:
- либо производитель врет, и заданную полосу он обеспечить не может (считаем конденсаторы, если их в каждом банке / наборе меньше 6-8 – точно врет);
- либо на высоких частотах емкость должна состоять из набора конденсаторов – не менее двух-трех (считаем конденсаторы, если их в каждом банке / наборе меньше 10-12 – точно врет);
- либо опять же параллельную аппаратуру подключать нельзя;
- либо в аппарате используется диффмостовой фильтр с его гениальным свойством: действующие на его элементах напряжения в 4 раза меньше (620-750 В). Однако даже в этом случае напряжение конденсаторов не должно быть менее 1-1.2 кВ. А ведь стоит 750 В !
- видим в техническом описании: выходная мощность 43 дБм до частоты 500 кГц, 40 дБм до 700 кГц и 37 дБм до частоты 1000 кГц. – ПОЛНЫЙ БРЕД ! – поскольку учитывается выходная мощность только собственного передатчика. А если параллельно стоит 80 Вт передатчик ? А если два ? – вот вам и еще одно ограничение на минимальный разнос частот между параллельно устанавливаемой аппаратурой (конечно, каждый тип конденсатора еще имеет ограничение по пропускаемой мощности, но этого точно не увидишь, да и в справочнике не найдешь)
- и конечно провода, используемые для намотки катушек должны иметь хорошую изоляцию: катушка сто витков в три слоя – межвитковая изоляция должна быть 25-30 В (легко), межслойная – 830-1000 кВ – должна быть межслойная изоляция не менее 3.5 кВ! (для диффмостового фильтра 230-350 В – очень хорошие должны быть провода … и через 25 лет … а ведь там может быть и 1000 В – лучше бы и здесь использовать изоляцию… тем более, что она уменьшает паразитную емкость и проксимити эффект)
Сообщения
