In
questa pagina riporto un po' di misure effettuate nella banda HF, tramite
NanoVna, su due toroidi in ferrite della stessa misura ma di
materiale differente. I due toroidi sono rappresentati nella seguente figura:
Nella foto seguente sono riportati i grafici della permeabilità relativi ai due toroidi:
Prima di iniziare do alcuni consigli:
1) Sia per fare la calibrazione che le misure usate sempre i cavetti pigtail, non collegare il DUT o i SOLT per la calibrazione direttamente ai connettori del NanoVna, questo perché essi hanno un limitato numero di inserzioni e disinserzioni dopo di che risultano inutilizzabili, allora è più semplice sostituire un cavetto che il connettore saldato sulla scheda.
2) Non usate adattatori morsetti-sma per collegare il DUT dato che essi non presentano una impedenza caratteristica di 50 Ohm e potrebbero falsare le misure. Per lo stesso motivo e per il fatto di essere flessibili e quindi di presentare impedenze che variano di molto per piccoli spostamenti dei terminali, non usare prolunghe con i coccodrilli.
La soluzione migliore è usare due connettori SMA da stampato (o da pannello) uno maschio e l'atro femmina ai quali terminali saldare direttamente il DUT, connettori di questo tipo sono rappresentati nella seguente figura:
MISURA INDUTTANZA DEL TOROIDE
Mediante fattore AL ho ricavato il numero di spire necessarie per far presentare all'induttore una induttanza di 1 uH; è necessaria una sola spira, vedi foto sotto:
I dati ricavati dalle misure, effettuate solo per 5 frequenze, sono elencati qui sotto:
L'errore relativo è stato calcolato in riferimento al valore di induttanza presentata dal toroide di valore più vicino a quello calcolato, nel caso specifico 944 nH (in blu).
Si nota che l'induttanza rimane entro il -10 % di errore relativo nella gamma di frequenza che va da 500 KHz a 8 MHz (casella gialla).
Si nota ancora che all'aumentare della frequenza aumenta notevolmente la resistenza serie a causa dell'effetto pelle, di prossimità e delle perdite nel nucleo.
Qui sotto il diagramma di Smith relativo a questa misura:
MISURA DEI PARAMETRI CON TOROIDE USATO COME TRASFORMATORE CON UNA SPIRA SIA SUL PRIMARIO CHE SUL SECONDARIO:
Nella foto seguente sono riportati i grafici della permeabilità relativi ai due toroidi:
Si notano a colpo d'occhio diverse differenze,
il materiale 43 ha un'alta permeabilità costante fino a circa 3 MHz e
le perdite aumentano in modo vertiginoso da circa 200KHz.
Il materiale 68 ha una più bassa permeabilità che rimane costante fino
a circa 300 MHz, le perdite sono assai più contenute e aumentano
velocemente da circa 100 MHz in poi.
Prima di iniziare do alcuni consigli:
1) Sia per fare la calibrazione che le misure usate sempre i cavetti pigtail, non collegare il DUT o i SOLT per la calibrazione direttamente ai connettori del NanoVna, questo perché essi hanno un limitato numero di inserzioni e disinserzioni dopo di che risultano inutilizzabili, allora è più semplice sostituire un cavetto che il connettore saldato sulla scheda.
2) Non usate adattatori morsetti-sma per collegare il DUT dato che essi non presentano una impedenza caratteristica di 50 Ohm e potrebbero falsare le misure. Per lo stesso motivo e per il fatto di essere flessibili e quindi di presentare impedenze che variano di molto per piccoli spostamenti dei terminali, non usare prolunghe con i coccodrilli.
La soluzione migliore è usare due connettori SMA da stampato (o da pannello) uno maschio e l'atro femmina ai quali terminali saldare direttamente il DUT, connettori di questo tipo sono rappresentati nella seguente figura:
MISURE SU TOROIDE FT-140-43 (MATERIALE 43)
MISURA INDUTTANZA DEL TOROIDE
Mediante fattore AL ho ricavato il numero di spire necessarie per far presentare all'induttore una induttanza di 1 uH; è necessaria una sola spira, vedi foto sotto:
I dati ricavati dalle misure, effettuate solo per 5 frequenze, sono elencati qui sotto:
| CH0 | |||
| FREQ. (MHz) | R (Ohm) | L (nH) | ERRORE RELATIVO (%) |
| 0.5 | 0.5 | 900 | -4 |
| 2.5 | 4,3 | 944 | 0 |
| 6. | 6 | 901 | -4.5 |
| 8 | 10 | 850 | -9.9 |
| 30. | 43 | 208 | -79.2 |
L'errore relativo è stato calcolato in riferimento al valore di induttanza presentata dal toroide di valore più vicino a quello calcolato, nel caso specifico 944 nH (in blu).
Si nota che l'induttanza rimane entro il -10 % di errore relativo nella gamma di frequenza che va da 500 KHz a 8 MHz (casella gialla).
Si nota ancora che all'aumentare della frequenza aumenta notevolmente la resistenza serie a causa dell'effetto pelle, di prossimità e delle perdite nel nucleo.
Qui sotto il diagramma di Smith relativo a questa misura:
Per effettuare questa seconda misura ho avvolto 1 spira per il primario e una spira per il secondario.
Le varie misure sono riportate nella seguente tabella:
A sinistra (sotto la voce CH0) è riportata la misura della impedenza vista all'ingresso del primario, sotto la voce CH1 è riportato sia il valore di riferimento (RIF.) sia la banda passante.
Il livello di riferimento è il valore massimo del segnale (nella banda passante) presente ai capi del secondario (se fosse zero dB il trasformatore non avrebbe perdite e l'accoppiamento tra primario e secondario sarebbe massimo) al quale faccio riferimento per determinare la banda passante.
In questo caso il riferimento è di -4.61 dB (ovvero il trasformatore ha una perdita di inserzione di 4.61 dB) a 19 MHz (che è il centro banda).
Qui sotto la banda passante:
MISURA DEI PARAMETRI CON TOROIDE USATO COME TRASFORMATORE CON DUE SPIRE SIA SUL PRIMARIO CHE SUL SECONDARIO:
Per effettuare questa misura ho avvolto 2 spire per il primario e 2 spire per il secondario.
Le varie misure sono riportate nella seguente tabella:
Qui sotto la banda passante:
Si nota come la banda passante si sia spostata verso le frequenze più basse (dovuto all'aumento della reattanza induttiva), il taglio alto ora è ad una frequenza più bassa (dovuto all'aumento della capacità tra le spire dato che queste sono aumentate). Comunque è pur sempre un'ottima banda passante.
La perdita di inserzione è ora diminuita (-2 dB) per il migliore accoppiamento magnetico dovuto all'aumento della reattanza induttiva.
Qui sotto ancora l'impedenza al primario:
Mediante fattore AL ho ricavato il numero di spire necessarie per far presentare all'induttore una induttanza di 1 uH; sono necessarie circa 8 spire, vedi foto sotto:
L'errore relativo è stato calcolato in riferimento al valore di induttanza presentata dal toroide di valore più vicino a quello calcolato, nel caso specifico 1.31 uH (in blu).
Si nota che l'induttanza rimane entro il 10 % di errore relativo nella gamma di frequenza che va da 500 KHz ai 30 MHz (caselle gialle).
Il valore dell'induttanza per il materiale 68 è molto più costante rispetto al materiale 43, inoltre la resistenza serie rimane a valori contenuti fino a 40 MHz.
Qui sotto il relativo diagramma di Smith:
Le varie misure sono riportate nella seguente tabella:
| CH0 | CH1 | |||
| FREQ. (MHz) | R (Ohm) | XL (Ohm) | RIF. (dB) @ FREQ. (MHz) | BANDA @ -3dB (MHz) RISPETTO A RIF. |
| 1 | 4.77 | 0.6 | -4.61 @ 19 | 2.4 - (oltre) 40 |
| 15 | 19.4 | 18.8 | ||
| 30 | 23.7 | 28.7 | ||
A sinistra (sotto la voce CH0) è riportata la misura della impedenza vista all'ingresso del primario, sotto la voce CH1 è riportato sia il valore di riferimento (RIF.) sia la banda passante.
Il livello di riferimento è il valore massimo del segnale (nella banda passante) presente ai capi del secondario (se fosse zero dB il trasformatore non avrebbe perdite e l'accoppiamento tra primario e secondario sarebbe massimo) al quale faccio riferimento per determinare la banda passante.
In questo caso il riferimento è di -4.61 dB (ovvero il trasformatore ha una perdita di inserzione di 4.61 dB) a 19 MHz (che è il centro banda).
Qui sotto la banda passante:
Si
nota la notevole banda passante, oltre a tutto mi sono fermato a 40 MHz
dove il livello è sceso di un solo dB rispetto al riferimento,
probabile che i -3 dB alti stiano a frequenze molto maggiori di 40 MHz.
Qui sotto l'impedenza al primario:
MISURA DEI PARAMETRI CON TOROIDE USATO COME TRASFORMATORE CON DUE SPIRE SIA SUL PRIMARIO CHE SUL SECONDARIO:
Per effettuare questa misura ho avvolto 2 spire per il primario e 2 spire per il secondario.
Le varie misure sono riportate nella seguente tabella:
| CH0 | CH1 | |||
| FREQ. (MHz) | R (Ohm) | XL (Ohm) | RIF. (dB) @ FREQ. (MHz) | BANDA @ -3dB (MHz) RISPETTO A RIF. |
| 1 | 6 | 16 | -2 @ 2 | 0.8 - 32.4 |
| 15 | 36.5 | 44.7 | ||
| 30 | 45.6 | 84.5 | ||
Qui sotto la banda passante:
Si nota come la banda passante si sia spostata verso le frequenze più basse (dovuto all'aumento della reattanza induttiva), il taglio alto ora è ad una frequenza più bassa (dovuto all'aumento della capacità tra le spire dato che queste sono aumentate). Comunque è pur sempre un'ottima banda passante.
La perdita di inserzione è ora diminuita (-2 dB) per il migliore accoppiamento magnetico dovuto all'aumento della reattanza induttiva.
Qui sotto ancora l'impedenza al primario:
MISURE SU TOROIDE FAIR-RITE 5968002701 (MATERIALE 68)
MISURA INDUTTANZA DEL TOROIDEMediante fattore AL ho ricavato il numero di spire necessarie per far presentare all'induttore una induttanza di 1 uH; sono necessarie circa 8 spire, vedi foto sotto:
I dati ricavati dalle misure, effettuate solo per 6 frequenze, sono elencati qui sotto:
| CH0 | |||
| FREQ. (MHz) | R (Ohm) | L (uH) | ERRORE RELATIVO (%) |
| 0.5 | 0.32 | 1.31 | 0 |
| 2.5 | 0.36 | 1.31 | 0 |
| 6 | 0.5 | 1.31 | 0 |
| 10 | 0.6 | 1.31 | 0 |
| 30 | 1 | 1.40 | 6.8 |
| 40 | 2.56 | 1.65 | 25.9 |
L'errore relativo è stato calcolato in riferimento al valore di induttanza presentata dal toroide di valore più vicino a quello calcolato, nel caso specifico 1.31 uH (in blu).
Si nota che l'induttanza rimane entro il 10 % di errore relativo nella gamma di frequenza che va da 500 KHz ai 30 MHz (caselle gialle).
Il valore dell'induttanza per il materiale 68 è molto più costante rispetto al materiale 43, inoltre la resistenza serie rimane a valori contenuti fino a 40 MHz.
Qui sotto il relativo diagramma di Smith:
MISURA DEI PARAMETRI CON TOROIDE USATO COME TRASFORMATORE CON 9 SPIRE SIA SUL PRIMARIO CHE SUL SECONDARIO:
Prima
di effettuare questa misura ero già convinto che il toroide con il
materiale 68 non avrebbe fatto una gran bella figura per la sua
bassa permeabilità che richiede un numero elevato di spire per
presentare una sufficiente impedenza alle basse frequenze, più spire,
però, significano maggiori capacità parassite e maggiori
induttanze di dispersione (dovute anche alla bassa permeabilità
stessa). Ho voluto comunque effettuare le misure.
Per effettuare questa misura ho avvolto 9 spire per il primario e 9spire per il secondario.
Le varie misure sono riportate nella seguente tabella:
CONCLUSIONI
Per effettuare questa misura ho avvolto 9 spire per il primario e 9spire per il secondario.
Le varie misure sono riportate nella seguente tabella:
| CH0 | CH1 | |||
| FREQ. (MHz) | R (Ohm) | XL (Ohm) | RIF. (dB) @ FREQ. (MHz) | BANDA @ -3dB (MHz) RISPETTO A RIF. |
| 1 | 2.3 | 19.7 | -7.8 @ 3.2 | 1.3 - 8.7 |
| 15 | 8.3 | 21.9 | ||
| 30 | 18 | 54 | ||
CONCLUSIONI
Per
applicazioni dove si richiede un trasformatore a banda larga è
necessario usare il materiale 43, se invece occorrono induttanze
stabili per l'intera gamma HF conviene usare il materiale 68.
Fabio
Fabio