32

ŁĄCZNOŚĆ

Wydarzenia

Świat Radio Grudzień 2007

Dławiki toroidalne dla linii przesyłowych i jako element EMC

Uzwojenia na rdzeniach toroidalnych

samym rdzeniu pełnym przewo-

dem, nie spowoduje powstania pola

magnetycznego. Natomiast, dla nie-

pożądanych prądów w.cz. płyną-

cych w obu żyłach w tym samym

kierunku (tryb jednokierunkowy),

uzwojenie będzie się zachowywać

jako dławik. Zachowa się jak dławik

również w stosunku do sieciowego

przewodu uziemiającego, jeśli tako-

wy występuje.

Zasadnicza różnica pomiędzy

dławikiem w.cz. w kablu anteno-

wym nadajnika a dławikiem w ka-

blu antenowym odbiornika TV po-

lega na różnych poziomach mocy

oraz na ewentualnych stratach. Przy

400 watach PEP tylko kilkuprocen-

towe straty mocy w dławiku mogą

spowodować jego znaczne nagrze-

wanie. Przeciwnie, niepożądane

prądy w.cz. w kablu telewizyjnym

są na znacznie niższym poziomie

i nie należy zwracać uwagi na straty

tak długo, dopóki nie wpłyną one

na sygnał TV. Podobnie nie inte-

resują nas ewentualne straty w.cz.

w przewodach głośnikowych czy

sieciowych. Należy zwrócić uwagę,

że większość zastosowań wymaga

szeregu zwojów przewodu o znacz-

nej średnicy, tak że w praktyce sto-

suje się rdzenie toroidalne o dużych

wymiarach.

Rdzenie toroidalne określa się

ich średnicą zewnętrzną, lecz w opi-

sywanych zastosowaniach istotna

jest średnica wewnętrzna. Popular-

ne rdzenie 40 mm serii FT-150 mają

średnicę wewnętrzną tylko 25 mm,

co jest często zbyt mało, aby rdzeń

taki był użyteczny. Bardziej prak-

tyczne wymiary rdzeni to 50 mm

(seria FT-200) i 60 mm (seria FT-250),

są one znacznie łatwiejsze do nawi-

jania. Wprawdzie większe rdzenie są

kosztowniejsze, lecz są łatwiejsze do

stosowania i przynoszą szybki efekt

– co jest naprawdę istotne.

Inne często zadawane pytanie

brzmi: dlaczego męczyć się z na-

wijaniem uzwojenia na toroidzie,

zamiast po prostu nanizać na kabel

szereg dużych perełek ferrytowych?

Odpowiedź brzmi: kilka zwojów

nawiniętych na toroidzie może przy-

nieść lepsze wyniki niż bardzo długi

i kosztowny łańcuch perełek ferry-

towych. Jedno przejście kabla przez

środek perełki lub toroidu odpo-

wiada jednemu zwojowi, tak więc

Identyczne rysunki uzwojeń na-

winiętych kablem współosiowym

na dużych toroidach ferrytowych

często pojawiają się w dwóch róż-

nych rozdziałach podręczników

radiowych i na kursach przygoto-

wujących do egzaminów radioope-

ratorskich: Anteny i Kompatybilność

elektromagnetyczna (EMC). Zasta-

nówmy się, jaki jest wspólny czyn-

nik w tych dwóch zastosowaniach,

jakie istnieją różnice, co wpływa na

sposób, w jaki używane są ferryty

toroidalne?

Wspólnym czynnikiem w obu

zastosowaniach jest to, że wykony-

wane dławiki wielkiej częstotliwo-

ści są przeznaczone do wyelimino-

wania przepływu niepożądanych

prądów w.cz. pojawiających się na

zewnętrznym oplocie współosiowej

linii przesyłowej. Normalne funk-

cjonowanie kabla współosiowego

jako „rurociągu w.cz.” ma miejsce

wyłącznie wewnątrz zewnętrzne-

go oplotu i nie ulega wpływom

tego, co dzieje się na zewnątrz tego

oplotu. Przykładowo, możemy za-

stosować taki dławik do zabloko-

wania niepożądanych prądów w.cz.

na zewnątrz linii doprowadzającej

sygnał z anteny do odbiornika te-

lewizyjnego, bez wpływu na sy-

gnał VHF wewnątrz przewodu. Jak

będzie to wyjaśnione dalej, dławik

zawiera jedynie krótki dodatkowy

odcinek kabla współosiowego.

Ściśle związane z powyższym

jest zastosowanie dławików w.cz.

na toroidach ferrytowych w celu

blokowania niepożądanych prądów

w.cz. w przewodach głośnikowych

lub sieciowych. W obydwu przypad-

kach dławik nawija się właściwym

przewodem – dwużyłowym dla gło-

śników i dwu- lub trzyżyłowym do

zasilania sieciowego. Sygnał aku-

styczny w przewodzie głośnikowym

przepływa w trybie różnicowym,

w każdej żyle jest równy i przeciw-

nie skierowany, podobnie ma to

miejsce w przypadku żyły fazowej

i zerowej w przewodach sieciowych.

Tak więc nawiniecie dławika na tym

łańcuch perełek jest to szereg „jed-

nozwojowych” uzwojeń. Jeśli po-

trzebna jest, powiedzmy, 4-krotnie

większa impedancja dławika, trzeba

zastosować czterokrotnie większą

liczbę perełek; oznacza to znaczne

zwiększenie kosztów zakupu ferry-

tów. Przeciwnie, można zwiększyć

szybko i bez dodatkowych kosztów

impedancję dławika na rdzeniu to-

roidalnym przez proste zwiększenie

liczby zwojów. Reaktancja indukcyj-

na jest proporcjonalna do kwadratu

liczby zwojów; aby zwiększyć ją

czterokrotnie, wystarczy więc po-

dwoić liczbę zwojów. Jak zobaczy-

my, sprawa nie jest taka prosta, lecz

podstawowym faktem jest, że jeden

rdzeń toroidalny jest daleko bardziej

ekonomiczny niż mnóstwo perełek,

a często pracuje znacznie lepiej.

Powracając na koniec do zadane-

go na wstępie pytania, należy okre-

ślić, przy jakich częstotliwościach

dławik ma pracować i przyjąć, jaki

ma być jego poziom skuteczności.

Ponieważ mowa jest o rdzeniach to-

roidalnych, skupimy się na zakresie

częstotliwości, w którym toroidy są

istotnie skuteczne, to jest na zakresie

krótkofalowym. Idealny dławik w li-

nii przesyłowej powinien wykazać

dobrą skuteczność w całym zakresie

od 1,8 MHz do 30 MHz, lecz „dobra

skuteczność” jest wielkością trud-

ną do określenia. Autor, proszony

o praktyczną odpowiedź, zawsze ma

na myśli „na tyle dobra, aby rozwią-

zać mój określony problem”; jest do-

prawdy trudno określić, jakiego po-

ziomu skuteczności oczekujemy od

dławika w linii przesyłowej. Niektóre

źródła sugerują wielkość impedancji

[Z] co najmniej 500 Ω, lecz tak niska

wartość nie znajduje technicznego

uzasadnienia. Dla uzyskania dobrych

wyników pracy w szeregu różnych

przypadków można przyjąć wielkość

[Z] rzędu kilku tysięcy omów. Jest to

bardzo trudne przy użyciu rozsądnej

liczby perełek ferrytowych, lecz cał-

kiem łatwe w przypadku rezonanso-

wego dławika toroidalnego.

Rezonansowe dławiki toroidalne

Wszystkie praktyczne dławiki

w.cz. wykazują rezonans równoleg-

ły, który znacznie zwiększa impe-

dancję dławika w szerokim zakresie

częstotliwości. Rezonans jest wyni-

kiem indukcyjności uzwojenia i po-

Pytanie: jaką liczbę zwojów kabla współ-

osiowego należy nawinąć na rdzeniu

toroidalnym? Odpowiedź: Należy zawęzić

to pytanie i odpowiedzieć, do czego służą

ferryty toroidalne.

33

Świat Radio Grudzień 2007

jemności między poszczególnymi

zwojami. Pojemność ta jest znaczna

przy dławiku nawiniętym grubym

przewodem współosiowym, gdy

poszczególne zwoje są w bezpo-

średniej bliskości.

Na

rysunku 1 pokazano dławik

toroidalny, zoptymalizowany jako

balun dla anteny kierunkowej pra-

cującej w zakresie 14–30 MHz, zaś

na rysunku 2 przedstawiono jego

przebieg impedancji. Wystąpił tu

znaczący rezonans około 22 MHz,

co nie oznacza, że dławik jest urzą-

dzeniem jedynie wąskopasmowym.

Przeciwnie, w całym zakresie od 14

MHz do ponad 30 MHz impedancja

nie spada poniżej około 3,8 kΩ, tak

że dławik ten ma znakomitą sku-

teczność dla częstotliwości w sto-

sunku 2:1. Nawet przy 3,5 MHz

zachowuje się lepiej od łańcucha

perełek ferrytowych.

Należy zwrócić uwagę na sposób

nawinięcia kabla współosiowego na

rdzeniu. Rozpoczynając od górnej

lewej strony rysunku 1, zwoje skie-

rowane są poprzez środkowy otwór

ku dołowi. Po nawinięciu sześciu

zwojów, siódmy zwój przechodzi

w dół na przeciwną stronę rdzenia

i kolejne sześć zwojów po przeciw-

nej stronie jest skierowane również

przez środkowy otwór rdzenia ku

dołowi. Ostatni zwój kończy się od

dołu rdzenia. Istotne jest zacho-

wanie stałego kierunku zwojów,

wszystkie muszą przechodzić przez

środkowy otwór w tym samym kie-

runku, w podanym przykładzie za-

wsze ku dołowi. Każde przejście

przewodu przez środkowy otwór li-

czy się jak jeden zwój, całkowita licz-

ba zwojów wynosi więc: 6+1+6=13.

Przy uzwojeniu przeplatanym liczba

zwojów po obu stronach rdzenia nie

musi być jednakowa, nie stanowi

problemu ustalenie całkowitej licz-

by zwojów przez ich zmianę tylko

z jednej strony.

Wykonanie przeplatane nie

zmniejsza pojemności międzyzwo-

jowej tak dalece, jak to jest czasami

opisywane; częstotliwość rezonan-

su dla 13 zwojów bez przeplatania

jest jedynie około 1 MHz niższa

w stosunku do podanej na rysunku

2. Główna zaleta przeplatania jest

po prostu praktyczna – jest znacz-

nie wygodniej mieć w przypadku

baluna wejście i wyjście po prze-

ciwległych stronach obudowy.

Opisywany dławik został nawi-

nięty na rdzeniu toroidalnym FT-

-240-61 (firmy JAB Electronics bądź

Sycom). Kompozycja ferrytowa nu-

mer 61 firmy Fair-Rite jest prawdo-

podobnie najlepszym wyborem dla

małostratnych dławików pracują-

cych w górnej części zakresu KF. Inną

dostępną kompozycją jest numer 43,

lepszy dla niższych pasm z uwagi

na dużą przenikalność magnetycz-

ną, dającą większą indukcyjność

przy tej samej liczbie zwojów, co

przesuwa w dół częstotliwość rezo-

nansową. Dla przykładu, te same 13

zwojów na rdzeniu FT-240-43 mają

częstotliwość rezonansową zbliżoną

do 10 MHz, co stanowi optimum

dla pokrycia wszystkich pasm KF.

Należy jednak starannie dobrać czę-

stotliwość rezonansu szeregowego,

tak aby uzyskać największą możliwą

skuteczność na krańcach zakresu,

przy 30 MHz i 3,5 MHz.

Na szczęście, tylko nieliczni krót-

kofalowcy decydują się na pojedyn-

czą antenę pokrywającą cały zakres

od 1,8 MHz do 30 MHz. Jeśli w grę

wchodzą tylko dolne pasma, istnie-

ją dwie dobre opcje zwiększenia

indukcyjności: albo nawinąć dła-

wik na dwóch sklejonych ze sobą

rdzeniach toroidalnych FT-240-43,

albo spróbować uzyskać rdzeń FT-

-240-31, będący ostatnio wprowa-

dzonym wyrobem firmy Fair-Rite.

Ma on większą przenikalność niż

kompozycja 43 i przy 13 zwojach

można uzyskać maksimum impe-

dancji przy około 5 MHz, podczas

gdy w całym zakresie od 1,8 MHz

do ponad 10 MHz impedancja nie

jest mniejsza niż 3 kΩ.

Doskonała skuteczność starannie

dostrojonego dławika rezonansowe-

go stoi w sprzeczności z naiwnymi

oczekiwaniami, że im więcej zwojów

i im większa indukcyjność, tym lep-

szy będzie dławik. Szczególnie na

wyższych pasmach KF zwiększanie

liczby zwojów będzie nieskuteczne,

łatwo tu jest przedobrzyć. Korzyst-

ne będzie dobranie właściwej liczby

zwojów i gatunku ferrytu pod kątem

optymalnej częstotliwości rezonanso-

wej. Autor szczególnie poleca większe

toroidy FT-240, pozwalające na łatwe

wykonanie uzwojenia, przy począt-

kowej liczbie zwojów równej 13. Dłu-

gość przewodu współosiowego dla

nawinięcia 13 zwojów na rdzeniu 240

wynosi dokładnie 1 m.

W podanych przykładach użyto

kabla współosiowego RG58 o naj-

mniejszej średnicy mogącej być bra-

ną pod uwagę przy zastosowaniach

większych mocy. Cienki kabel przy

małych promieniach zagięcia może

być ryzykowny przy większych mo-

cach, tak więc dla zastosowań przy

całkiem dużych mocach zalecany

jest kabel z izolacją teflonową, taki

jak RG178 lub RG303. Jednakże ka-

ble te są sprężyste, śliskie i dużo

bardziej sztywne niż RG58, tak więc

wykonanie z nich uzwojenia na to-

roidzie może okazać się trudnym

doświadczeniem. Ostatecznie po-

trzebny jest mocny kabel przywiąza-

ny na obu końcach, a możliwie rów-

nież w miejscu przeplecenia. Kabel

teflonowy może okazać się bardzo

kosztowny, warto więc rozejrzeć się

za nim na wyprzedażach.

Nie ma ograniczeń w przesyła-

niu mocy w dławikach ferrytowych.

W przeciwieństwie do większości

transformatorów – balunów druto-

wych, dławiki toroidalne w liniach

przesyłowych nie wytwarzają pola

magnetycznego z uwagi na różni-

cowy kierunek przepływu nada-

wanego sygnału. Straty są znaczące

jedynie w przypadkach, gdy dławik

pracuje daleko poniżej lub powyżej

częstotliwości rezonansowej, co po-

woduje znaczący przepływ prądów

jednokierunkowych. Przy dużych

toroidach i właściwym gatunku

ferrytu jest ogólną zasadą, że jeśli

kabel przeniesie wymaganą moc,

ferryt ją również przeniesie.

Ian White GM3SEK

Z „RadCom” 7/2007 tłumaczył

Krzysztof Słomczyński SP5HS

Rys. 1. Widok dławika w.cz. 13 zwojów na
rdzeniu FT-240-61

Rys. 2. Przebieg impedancji dławika z rys. 1 nawiniętego na rdzeniu FT-240-61 (kolor niebie-
ski) i na rdzeniu FT-240-31 (kolor czerwony)