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Každý rádioamatér, ktorý sa niekedy pustil do stavby balunu, anténneho Choke , širokopásmového transformátora, Filtro de paso bajo , BPF alebo VF zosilňovača, skôr či neskôr narazil na jednoduchú otázku, ktorá však nemá jednoduchú Respuesta: aký ferit použiť?
A primera vista, este es un problema trivial: toroide como toroide, binocular como binocular, ferrita de encaje como ferrita de encaje. Sin embargo, la realidad es diametralmente distinta. Usar el material incorrecto puede provocar que el balun no funcione en absoluto, que la bobina de choque tenga una impedancia de modo común deficiente, que el transformador de RF se sobrecaliente o que, durante el funcionamiento en QRO, el núcleo simplemente se sature.
En la comunidad de radioaficionados circulan muchas verdades a medias, recomendaciones simplificadas y 'recetas' que funcionan en una situación particular, pero fallan al aplicarlas a otra banda o a otra aplicación. Un ejemplo típico es la recomendación universal de 'conecta un FT240-43 y funcionará'. A veces funciona. A veces no funciona en absoluto.
Si queremos diseñar balunes fiables, Guanella transformadores, bobinas de choque para la supresión de corrientes inversas, transformadores para antenas RX o VHF Para comprender los elementos de supresión de interferencias, debemos entender la física básica de los materiales magnéticos utilizados.
En el artículo leerás
Dos tipos básicos de materiales magnéticos
En la práctica de la radioafición, nos encontramos con dos grupos principales de núcleos:
- Materiales de ferrita
- materiales de hierro en polvo
A primera vista, pueden parecer similares. Ambos grupos se fabrican como toroides, núcleos cilíndricos, binoculares o ferritas de acoplamiento rápido. Sin embargo, eléctricamente, son completamente diferentes.
Materiales de ferrita
Las ferritas son materiales magnéticos cerámicos basados, en la mayoría de los casos, en combinaciones de óxidos de hierro, manganeso, níquel y zinc.
Para un radioaficionado, dos familias principales son cruciales:
- MnZn (manganeso-zinc)
- NiZn (níquel-zinc)
Los materiales MnZn tienen una alta permeabilidad y un rendimiento excelente a bajas frecuencias. Por lo tanto, son adecuados para bobinas de choque de modo común de alta frecuencia, balunes de choque y supresión de EMI.
Los materiales de NiZn tienen menor permeabilidad, pero mejores propiedades en bandas de frecuencia más altas, es decir, VHF/UHF.
En las aplicaciones de choque, la ferrita no funciona únicamente como inductancia. Esto es un error fundamental. Un choque de modo común bien diseñado debería generar una impedancia de modo común resistiva, es decir, convertir la energía de la corriente de modo común perturbadora en calor.
Precisamente por eso, Jim Brown K9YC enfatiza que el parámetro Rs es importante para un inductor, no solo la impedancia total Z.
Hierro en polvo
Los núcleos de hierro en polvo funcionan según un principio diferente. Están hechos de polvo de hierro unido por un aglutinante dieléctrico.
Sus características principales:
- menor permeabilidad
- Q más alto
- menores pérdidas
- mayor estabilidad para aplicaciones resonantes
Esto los convierte en un material ideal para:
- bobinas resonantes
- Filtro de paso bajo
- BPF
- sintonizadores de antena
- circuitos de adaptación
- Filtros QRP
Por el contrario, como inductores de modo común suelen ser una mala elección. Un error típico de radioaficionado: usar un T200-2 como balun de inducción. Eléctricamente funciona, pero no como se espera de un balun de corriente de calidad.
Los materiales más comunes para radioaficionados
Mezcla 31
Actualmente, es uno de los materiales más versátiles para inductores de modo común de alta frecuencia.
Puntos fuertes:
- 1,8–30 MHz
- excelente pérdida de modo común
- banda ancha
- componente de alta resistencia de la impedancia
Uso típico:
- Balun de corriente 1: 1
- atragantarse en el punto de poder
- EFHW ahogo
- estrangulador para dipolo de banda única
- estrangulador multibanda u omnibanda
- Supresión de RFI
Las recomendaciones de K9YC suelen apuntar a esto. El FT240-31 en configuración apilada es prácticamente el estándar para un choque de HF QRO.
Mezcla 43
Históricamente muy popular. Funciona bien:
- mayor HF
- algunas aplicaciones VHF
Su rendimiento es inferior en las bandas de HF bajas en comparación con la mezcla 31.
Muchos diseños antiguos utilizan automáticamente la antena FT240-43, pero las mediciones modernas demuestran que existen mejores opciones para las bandas de 80 m y 160 m.
Mezcla 61
Material NiZn para frecuencias más altas. Aplicación:
- VHF
- 6 metros
- 2 metros
- UHF
- transformadores de banda ancha
No es ideal para filtros de choque de HF en las bandas de 160 a 40 metros.
Mezcla 73
Excelente para frecuencias bajas y supresión de EMI. Usos:
- Facultad de Medicina
- MF
- sistemas receptores
- supresión de ruido
Mezcla 75
Material resistente para bandas bajas, por ejemplo, para transformadores en antenas de recepción. No es un material de choque universal para HF.
Mezcla 77
Permeabilidad extremadamente alta.
Adecuado para bajas frecuencias, aunque menos apropiado que un filtro de choque universal de alta frecuencia.
Descripción general del uso de materiales de ferrita en la práctica de la radioafición.
| Material | Estrangulador de modo común ( 1 pasada) | Estrangulador de modo común (varias vueltas) | Transformador de impedancia (UN-UN) | BAL-UN 1: 1 |
|---|---|---|---|---|
| #31 | 3,5 - 100 MHz | 1,5 – 50 MHz | — | 1,5 - 30 MHz |
| #43 | 25 - 600 MHz | 2 – 60 MHz | 2 – 50 MHz | 2 – 30 MHz |
| #52 | 150 – 1000 MHz | 4 – 150 MHz | 1 – 60 MHz | 1 – 60 MHz |
| #61 | 200 – 2000 MHz | 5 – 200 MHz | 15 – 200 MHz | 10 – 100 MHz |
| #77 | 200 kHz - 10 MHz | 100 kHz - 10 MHz | 0,5 – 8 MHz | 1 – 8 MHz |
Parámetros técnicos de los materiales ferríticos
Material n.° 31
| Parámetros | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| permeabilidad inicial | µi | 1500 | — |
| Densidad de flujo magnético a intensidad de campo | B/H | 3900 / 5 | Gauss / Oersted |
| Inducción magnética residual | Br | 3200 | Gauss |
| Poder coercitivo | Hc | 0,28 | Oersted |
| Factor de pérdida a una frecuencia determinada | Tan δ / µi | 20 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coeficiente de temperatura de permeabilidad (20–70 °C) | — | 1.6 | % / °C |
| Temperatura de Curie | Tc | >130 | °C |
| Resistencia eléctrica | ρ | 3000 | ohmio·cm |
Material n.° 43
| Parámetros | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| permeabilidad inicial | µi | 800 | — |
| Densidad de flujo magnético a intensidad de campo | B/H | 2900 / 10 | Gauss / Oersted |
| Inducción magnética residual | Br | 1300 | Gauss |
| Poder coercitivo | Hc | 0,45 | Oersted |
| Factor de pérdida a una frecuencia determinada | Tan δ / µi | 250 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coeficiente de temperatura de permeabilidad (20–70 °C) | — | 1,25 | % / °C |
| Temperatura de Curie | Tc | >130 | °C |
| Resistencia eléctrica | ρ | 1 × 10⁵ | ohmio·cm |
Material n.° 52
| Parámetros | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| permeabilidad inicial | µi | 250 | — |
| Densidad de flujo magnético a intensidad de campo | B/H | 4200 / 10 | Gauss / Oersted |
| Inducción magnética residual | Br | 3300 | Gauss |
| Poder coercitivo | Hc | 0,6 | Oersted |
| Factor de pérdida a una frecuencia determinada | Tan δ / µi | 45 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coeficiente de temperatura de permeabilidad (20–70 °C) | — | 0,75 | % / °C |
| Temperatura de Curie | Tc | >250 | °C |
| Resistencia eléctrica | ρ | 1 × 10⁹ | ohmio·cm |
Material n.° 61
| Parámetros | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| permeabilidad inicial | µi | 125 | — |
| Densidad de flujo magnético a intensidad de campo | B/H | 1500 / 15 | Gauss / Oersted |
| Inducción magnética residual | Br | 1000 | Gauss |
| Poder coercitivo | Hc | 1. 1 | Oersted |
| Factor de pérdida a una frecuencia determinada | Tan δ / µi | 30 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coeficiente de temperatura de permeabilidad (20–70 °C) | — | 0. 1 | % / °C |
| Temperatura de Curie | Tc | >300 | °C |
| Resistencia eléctrica | ρ | 1 × 10⁸ | ohmio·cm |
Material n.° 77
| Parámetros | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| permeabilidad inicial | µi | 2000 | — |
| Densidad de flujo magnético a intensidad de campo | B/H | 5100 / 5 | Gauss / Oersted |
| Inducción magnética residual | Br | 1800 | Gauss |
| Poder coercitivo | Hc | 0,25 | Oersted |
| Factor de pérdida a una frecuencia determinada | Tan δ / µi | 15 a 100 kHz | 10⁻⁶ |
| Coeficiente de temperatura de permeabilidad (20–70 °C) | — | 1.2 | % / °C |
| Temperatura de Curie | Tc | >200 | °C |
| Resistencia eléctrica | ρ | 100 | ohmio·cm |
Balun de corriente 1: 1 – diseño práctico
Estándar moderno de radioaficionados: estrangulador de modo común de ferrita
El principio es sencillo: la señal diferencial dentro del cable coaxial se transmite con normalidad, pero la corriente de modo común en la cubierta encuentra una alta impedancia.
Núcleos prácticos
| Centro | Usar | Nota |
|---|---|---|
| FT240-31 | estrangulador de alta frecuencia | Excelente opción universal |
| 2× FT240-31 | QRO | calefacción más baja |
| 3× FT240-31 | Límite legal | solución robusta |
| FT240-43 | mayor HF | estándar anterior |
Número de hilos
Depende en gran medida de:
- mezcla
- diámetro del núcleo
- alzacuello
- coaxial usado
Aproximado:
- 8–12 vueltas para el inductor multibanda de HF
- Menos vueltas para frecuencias más altas
- más vueltas para frecuencias más bajas
Demasiadas vueltas son un error. ¿Por qué? La capacitancia parásita entre las vueltas desplazará la resonancia y el inductor comenzará a fallar en el punto donde se desea utilizar.
¿Qué tipo de cable coaxial?
Lo más común:
- RG316
- RG400
- RG142
El cable coaxial de PTFE es mecánica y térmicamente más adecuado que el cable coaxial de PVC barato. Para QRO, un cable más robusto merece la pena.
Balunes de Guanella: cuando el objetivo es el control de la corriente, no solo la transformación de la impedancia.
Si existe un principio de diseño que merece respeto en la comunidad de radioaficionados, es el transformador de línea de transmisión Guanella. Muchos operadores utilizan las denominaciones balun 1: 1, balun 4: 1 o unun 9: 1 sin distinguir si se trata de una arquitectura de voltaje o de corriente. Esto es un error, ya que el comportamiento eléctrico de ambas soluciones es fundamentalmente diferente.
El concepto fue propuesto por Gustav Guanella en 1944, pero se hizo famoso en la práctica de la radioafición gracias a Jerry Sevick W2FMI. El balun de Guanella es esencialmente un transformador de línea de transmisión que utiliza las propiedades definidas de una línea de transmisión enrollada sobre un núcleo de ferrita adecuado.
A diferencia del balun de voltaje de Ruthroff, la prioridad aquí no es imponer la relación de voltaje correcta. El objetivo es controlar la corriente y el comportamiento en modo común.
Por eso la arquitectura Guanella se utiliza en proyectos de alta calidad:
- balunes de corriente 1: 1,
- Balunes 4: 1 para antenas simétricas,
- 9: 1 en transformadores,
- transformadores RX de banda ancha,
- Componentes compatibles para antenas de recepción Beverage y otras.
Balun de corriente Guanella 1: 1
La versión más sencilla es un balun de corriente clásico 1: 1.
Implementación típica:
- Cable coaxial enrollado en FT240-31,
- Cable bifilar de PTFE en FT240-43,
- Apilamiento de 2 a 3 toroides para operación QRO.
Número típico de hilos:
| Banda | Mezcla | Centro | Número de hilos |
|---|---|---|---|
| 160–40 m | 31 | FT240 | 10–12 |
| 80–20 m | 31 | FT240 | 8–10 |
| 20–10 m | 43 | FT240 | 6–8 |
Estos valores son orientativos. El diseño final siempre depende de la impedancia del inductor requerida, del cable utilizado y de la potencia.
K9YC recomienda una impedancia de choque del orden de 1 a 5 kΩ para una supresión eficaz del modo común, siendo más importante un componente resistivo alto Rs que una impedancia puramente reactiva.
4: 1 Balún de Guanella
Un diseño muy popular. Consiste esencialmente en dos transformadores de corriente 1: 1 conectados en una configuración adecuada. Aplicaciones típicas:
- dipolo OCF,
- algunas configuraciones de Windom,
- Fuente de alimentación simétrica de mayor impedancia.
Nota muy importante: El balun 4: 1 no es una solución universal. El mito de la radioafición del tipo 'conecta 4: 1 a cualquier cable' suele generar más problemas que beneficios. Si la carga no es eléctricamente adecuada, el resultado es:
- sobrecalentamiento del núcleo,
- aumento de la corriente de modo común,
- nepredvídateľné PSV ,
- distorsión del patrón de radiación.
9: 1 Guanella Unun
Extremadamente popular entre los operadores de dispositivos portátiles. Uso:
- cable aleatorio,
- antenas de cable portátiles,
- CIENTO ,
- SUDOR ,
- Expediciones QRP.
Sin embargo, aquí se requiere disciplina técnica. El adaptador 9: 1 no es un elemento de adaptación de banda ancha milagroso para cualquier cable. VK1OD demuestra con gran precisión que, con longitudes de cable inadecuadas, surgen impedancias extremas y el transformador puede operar muy fuera del área segura.
Núcleos típicos:
- FT240-43
- 2× FT240-43
- FT140-43 para QRP
A mayor potencia, el FT140 saldrá muy rápidamente de su zona de confort.
Ferritas de fácil instalación: una herramienta útil, no un placebo ni un milagro.
Los filtros de ferrita de ajuste a presión se encuentran entre los componentes de radioaficionado más incomprendidos.
Muchos fabricantes de OM los utilizan como un 'repelente de radiofrecuencia' universal:
- al cable USB,
- en cable CAT,
- para cable de micrófono,
- para suministro de energía,
- en coaxial.
A veces con razón. A veces de forma totalmente innecesaria.
Cómo funcionan
La ferrita de acoplamiento rápido aumenta la impedancia de modo común del conductor que la atraviesa. Determina:
- material,
- tamaño del núcleo,
- número de pasajes del conductor,
- frecuencia.
Un núcleo en un cable USB puede ser útil. Un núcleo en un cable coaxial de 80 m como estrangulador principal suele ser simplemente una terapia psicológica.
Mezclas para uso con sistema de acoplamiento rápido.
| Mezcla | Usar |
|---|---|
| 31 | Supresión del modo común de alta frecuencia |
| 43 | EMI universal de alta frecuencia/universal |
| 61 | VHF/UHF |
Número de núcleos
Un aspecto clave que muchos gerentes de operaciones ignoran: un solo núcleo a menudo no es suficiente.
Soluciones prácticas:
- De 4 a 8 piezas de encaje a presión para el cable de alimentación,
- múltiples pasadas a través de un núcleo más grande,
- pila multinúcleo.
K9YC lleva tiempo advirtiendo que las soluciones de ferrita débiles dan una falsa sensación de que se elimina el problema.
Aplicaciones VHF: donde la lógica HF deja de funcionar
Un gran error en la práctica de la radioafición: aplicar sin modificaciones a la banda de VHF una receta exitosa para un filtro de choque de HF.
Eso es una receta para la decepción. La razón es simple: las capacitancias parásitas, las resonancias y las propiedades de los materiales se comportan de manera completamente diferente a frecuencias más altas.
Materiales para VHF
Lo más común:
- Mezcla 43
- Mezcla 61
- perlas de ferrita
- materiales de NiZn
La mezcla 31, que funciona muy bien en HF, no es automáticamente la opción correcta para VHF.
Soluciones de estrangulamiento de 2 metros / 70 cm
Implementaciones típicas:
- estrangulador de tubo coaxial,
- perlas de ferrita en cable coaxial.
Para VHF, un balun de manga suele ser una solución más elegante que un toroide grande al estilo de HF.
Uso típico:
- Power point yagi de 2m,
- 70cm Vertikál ,
- antenas satelitales
GPSDO, LNB y transceptores
En una estación de radio moderna con tecnología VHF/UHF/SHF, las ferritas aparecen por todas partes:
- Fuente de alimentación GPSDO,
- Línea de polarización LNB,
- Cableado I2C,
- Control de Arduino Nano,
- suministro al rotador
En este caso, la supresión de EMI mediante acoplamiento rápido tiene mucho sentido práctico.
Saturación: el asesino silencioso de las estructuras de ferrita
La saturación se produce cuando un material magnético alcanza el límite de su magnetización.
Implicaciones prácticas:
- una fuerte disminución de la eficiencia,
- crecimiento de las pérdidas,
- calentamiento excesivo,
- inestabilidad del transformador.
En un caso extremo:
- ruptura del núcleo,
- degradación del aislamiento,
- Fallo del balun.
¿Qué causa la saturación?
- potencia demasiado alta,
- mezcla inapropiada,
- carga asimétrica,
- corriente de modo común,
- un núcleo demasiado pequeño.
Un balun de corriente puede sobrecalentarse no debido a la potencia diferencial, sino debido a la potencia de modo común.
Ese es un detalle crucial.
Límites de rendimiento
La pregunta '¿cuántos vatios puede soportar?' no tiene una respuesta universal.
Depende de:
- núcleos,
- material,
- número de núcleos,
- frecuencias,
- ROE,
- ciclo de carga.
QRP
El mundo tolera muy bien hasta 10 W. Los FT82 o FT140 suelen ser utilizables.
Clase 100 W
Rendimiento normal de la estación. Mínimo razonable:
- Balun de corriente FT240,
- la mezcla adecuada,
- Buen conductor.
QRO
500W+
Aquí termina la improvisación. Recomendado:
- 2-3 FT240 apilados,
- conductor de PTFE de alta calidad,
- reserva térmica.
Límite legal
Esto requiere un enfoque profesional. Un balun defectuoso al límite legal no es un experimento. es un generador de humo.
Los errores de diseño más comunes
Hierro en polvo como balun de corriente
Muy común. Toroide Filtro de paso bajo ≠ material de modo común para el inductor.
Demasiados hilos
Más no siempre es mejor. La capacitancia parásita perjudica el rendimiento de banda ancha.
Núcleo demasiado pequeño
Componente QRP utilizado a 1 kW. Resultado predecible.
Mezcla incorrecta
43 en lugar de 31 en 160 metros. 61 en lugar de material de choque de HF.
Balun de voltaje donde se necesita un balun de corriente
Problema típico de una fuente de alimentación radiante.
Coaxial de un solo conector a presión
Eso no suele ser un atragantamiento grave.
Tabla de referencia práctica
| Solicitud | Material | Centro | Nota |
|---|---|---|---|
| Balun de corriente HF 1: 1 | 31 | FT240 | elección universal |
| Choke HF QRO | 31 | 2–3× FT240 | reserva térmica |
| 4: 1 Guanella | 31 / 43 | FT240 | por banda |
| 9: 1 sustantivo | 43 | FT240 | No es una solución universal. |
| estrangulador VHF | 61 | cuentas / tubos | Mejor que las recetas de HF |
| Filtro de paso bajo | Mezcla 2 / 6 | T68/T106/T200 | material de polvo de hierro |
| ATU | Mezcla 2 / 6 | T200 | Q alto |
| Supresión de RFI | 31 | de ajuste a presión | más piezas |
Conclusión
La ferrita no es solo un 'anillo negro para un cable'. La elección correcta del material determina si su diseño funcionará como un balun de corriente, un transformador de banda ancha o simplemente como una costosa pieza de cerámica que se sobrecalienta.
En la práctica de la radioafición, no existe una mezcla universal que sirva para todo.
Y eso son buenas noticias.
Porque un elemento de ferrita diseñado correctamente puede mejorar significativamente el sistema de antena, reducir la interferencia de radiofrecuencia en la estación de radioaficionados y proteger su TCVR de problemas que de otro modo aparecerían como una falla misteriosa en la antena, el puente de ROE o el sistema de alimentación.