Ogni radioamatore che si sia mai cimentato nella costruzione di un balun, di un induttore d'antenna, di un trasformatore a banda larga, di un filtro passa-basso (LPF), di un filtro passa-banda (BPF) o di un amplificatore RF, prima o poi si è imbattuto in una semplice domanda a cui non è facile rispondere: quale ferrite utilizzare?
A prima vista, questo sembra un problema banale: toroide come toroide, binocolo come binocolo, ferrite a innesto come ferrite a innesto. Tuttavia, la realtà è diametralmente opposta. L'utilizzo del materiale sbagliato può causare il malfunzionamento del balun, un'impedenza di modo comune scadente dell'induttore, il surriscaldamento del trasformatore RF o, durante il funzionamento QRO, la saturazione del nucleo.
Nella comunità dei radioamatori circolano molte mezze verità, consigli semplificati e "ricette" che funzionano in una situazione specifica, ma falliscono se applicate a un'altra banda o a un'altra applicazione. Un esempio tipico è la raccomandazione universale "installa un FT240-43 e funzionerà". A volte funziona. A volte no.
Ak chceme navrhovať spoľahlivé baluny, Guanella trasformatori, induttori per la soppressione delle correnti inverse, trasformatori per antenne RX o VHF Per quanto riguarda gli elementi di soppressione delle interferenze, dobbiamo comprendere la fisica di base dei materiali magnetici utilizzati.
Nell'articolo leggerete
Due tipi fondamentali di materiali magnetici
Nella pratica della radio amatoriale, incontriamo due gruppi principali di nuclei:
- Materiali in ferrite
- materiali in polvere di ferro
A prima vista, potrebbero sembrare simili. Entrambi i gruppi sono realizzati sotto forma di toroidi, nuclei cilindrici, binocoli o ferrite a innesto. Tuttavia, dal punto di vista elettrico, sono completamente diversi.
Materiali in ferrite
Le ferriti sono materiali magnetici ceramici basati, il più delle volte, su combinazioni di ossidi di ferro, manganese, nichel e zinco.
Per un radioamatore, due famiglie principali sono cruciali:
- MnZn (manganese-zinco)
- NiZn (nichel-zinco)
I materiali MnZn presentano un'elevata permeabilità e prestazioni eccellenti alle basse frequenze. Pertanto, sono adatti per induttori di modo comune ad alta frequenza, balun di induttanza e soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI).
I materiali NiZn hanno una permeabilità inferiore, ma proprietà migliori nelle bande di frequenza più elevate, ovvero VHF/UHF.
Nelle applicazioni con induttori, la ferrite non funziona esclusivamente come induttanza. Si tratta di un equivoco fondamentale. Un induttore di modo comune ben progettato dovrebbe creare un'impedenza di modo comune resistiva, ovvero convertire l'energia della corrente di disturbo di modo comune in calore.
È proprio per questo che Jim Brown K9YC sottolinea l'importanza del parametro Rs per un induttore, non solo dell'impedenza totale Z.
Ferro in polvere
I nuclei in polvere di ferro funzionano secondo un principio diverso. Sono costituiti da polvere di ferro legata da un legante dielettrico.
Le loro caratteristiche principali:
- permeabilità inferiore
- Q più alto
- perdite inferiori
- maggiore stabilità per applicazioni risonanti
Questo li rende un materiale ideale per:
- bobine risonanti
- LPF
- BPF
- accordatori d'antenna
- circuiti di adattamento
- filtri QRP
Al contrario, come induttori di modo comune sono solitamente una scelta inadeguata. Un tipico errore dei radioamatori: usare il T200-2 come balun di induttanza. Elettricamente "funziona in qualche modo", ma non nel modo in cui ci si aspetterebbe da un balun di corrente di qualità.
I materiali più comuni per radioamatori
Mescolare 31
Attualmente è uno dei materiali più versatili per gli induttori di modo comune ad alta frequenza.
Punti di forza:
- 1,8–30 MHz
- eccellente perdita di modo comune
- banda larga
- componente resistiva elevata dell'impedenza
Utilizzo tipico:
- Balun di corrente 1:1
- soffocare alla presa di corrente
- EFHW soffocamento
- induttore per dipolo a banda singola
- induttore multibanda o omnibanda
- Soppressione delle interferenze radio
Le raccomandazioni di K9YC spesso indicano questa soluzione. L'FT240-31 in configurazione a pila è praticamente lo standard per un choke HF QRO.
mix 43
Storicamente molto popolare. Funziona bene:
- HF più alto
- alcune applicazioni VHF
Le sue prestazioni sulle bande HF più basse sono inferiori rispetto al mix 31.
Molti modelli più datati utilizzano automaticamente l'FT240-43, ma le misurazioni moderne dimostrano che esistono alternative migliori per le bande degli 80 e dei 160 metri.
mix 61
Materiale NiZn per frequenze più elevate Applicazione:
- VHF
- 6 m
- 2 metri
- UHF
- trasformatori a banda larga
Non ideale come induttore HF per le bande 160-40 m.
Mescolare 73
Eccellente per le basse frequenze e la soppressione delle interferenze elettromagnetiche. Utilizzi:
- Facoltà di Medicina
- MF
- sistemi di ricezione
- soppressione del rumore
Mescolare 75
Materiale robusto per le bande basse, ad esempio per i trasformatori nelle antenne riceventi. Non è un materiale universale per induttori ad alta frequenza.
Mescolare 77
Permeabilità estremamente elevata.
Adatto per le basse frequenze, meno indicato di un induttore universale per alte frequenze.
Panoramica sull'utilizzo dei materiali in ferrite nella pratica radioamatoriale
| Materiale | Iniettore in modalità comune (1 passaggio) | Starter di modo comune (giri multipli) | Trasformatore di impedenza (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 |
Parametri tecnici dei materiali ferritici
Materiale n. 31
| Parametri | Simbolo | Valore | Unità |
|---|---|---|---|
| permeabilità iniziale | µi | 1500 | — |
| Densità di flusso magnetico all'intensità del campo | B/H | 3900 / 5 | Gauss / Oersted |
| Induzione magnetica residua | Fratello | 3200 | Gauss |
| Potere coercitivo | Hc | 0,28 | Oersted |
| Fattore di perdita a una data frequenza | Tan δ / µi | 20 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coefficiente di temperatura della permeabilità (20–70 °C) | — | 1.6 | % / °C |
| Temperatura di Curie | Tc | >130 | °C |
| Resistenza elettrica | ρ | 3000 | ohm·cm |
Materiale n. 43
| Parametri | Simbolo | Valore | Unità |
|---|---|---|---|
| permeabilità iniziale | µi | 800 | — |
| Densità di flusso magnetico all'intensità del campo | B/H | 2900 / 10 | Gauss / Oersted |
| Induzione magnetica residua | Fratello | 1300 | Gauss |
| Potere coercitivo | Hc | 0,45 | Oersted |
| Fattore di perdita a una data frequenza | Tan δ / µi | 250 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coefficiente di temperatura della permeabilità (20–70 °C) | — | 1,25 | % / °C |
| Temperatura di Curie | Tc | >130 | °C |
| Resistenza elettrica | ρ | 1 × 10⁵ | ohm·cm |
Materiale n. 52
| Parametri | Simbolo | Valore | Unità |
|---|---|---|---|
| permeabilità iniziale | µi | 250 | — |
| Densità di flusso magnetico all'intensità del campo | B/H | 4200 / 10 | Gauss / Oersted |
| Induzione magnetica residua | Fratello | 3300 | Gauss |
| Potere coercitivo | Hc | 0,6 | Oersted |
| Fattore di perdita a una data frequenza | Tan δ / µi | 45 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coefficiente di temperatura della permeabilità (20–70 °C) | — | 0,75 | % / °C |
| Temperatura di Curie | Tc | >250 | °C |
| Resistenza elettrica | ρ | 1 × 10⁹ | ohm·cm |
Materiale n. 61
| Parametri | Simbolo | Valore | Unità |
|---|---|---|---|
| permeabilità iniziale | µi | 125 | — |
| Densità di flusso magnetico all'intensità del campo | B/H | 1500 / 15 | Gauss / Oersted |
| Induzione magnetica residua | Fratello | 1000 | Gauss |
| Potere coercitivo | Hc | 1.1 | Oersted |
| Fattore di perdita a una data frequenza | Tan δ / µi | 30 a 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Coefficiente di temperatura della permeabilità (20–70 °C) | — | 0, 1 | % / °C |
| Temperatura di Curie | Tc | >300 | °C |
| Resistenza elettrica | ρ | 1 × 10⁸ | ohm·cm |
Materiale n. 77
| Parametri | Simbolo | Valore | Unità |
|---|---|---|---|
| permeabilità iniziale | µi | 2000 | — |
| Densità di flusso magnetico all'intensità del campo | B/H | 5100 / 5 | Gauss / Oersted |
| Induzione magnetica residua | Fratello | 1800 | Gauss |
| Potere coercitivo | Hc | 0,25 | Oersted |
| Fattore di perdita a una data frequenza | Tan δ / µi | 15 a 100 kHz | 10⁻⁶ |
| Coefficiente di temperatura della permeabilità (20–70 °C) | — | 1.2 | % / °C |
| Temperatura di Curie | Tc | >200 | °C |
| Resistenza elettrica | ρ | 100 | ohm·cm |
Balun di corrente 1:1 – design pratico
Standard moderno per radioamatori: induttore di modo comune in ferrite
Il principio è semplice: il segnale differenziale all'interno del cavo coassiale passa normalmente, ma la corrente di modo comune sulla guaina incontra un'impedenza elevata.
Nuclei pratici
| Nucleo | Utilizzo | Nota |
|---|---|---|
| FT240-31 | Induttore HF | un'ottima scelta universale |
| 2× FT240-31 | QRO | riscaldamento inferiore |
| 3× FT240-31 | Limite legale | soluzione tecnologica |
| FT240-43 | HF più alto | standard più vecchio |
Numero di fili
Dipende fortemente da:
- mescolare
- diametro del nucleo
- gruppi musicali
- cavo coassiale usato
Approssimativamente:
- 8–12 giri per induttore multibanda HF
- meno giri per frequenze più elevate
- più giri per le basse frequenze
Un numero eccessivo di spire è un errore. Perché? La capacità parassita tra le spire sposterà la risonanza e l'induttore inizierà a non funzionare correttamente proprio nel punto in cui si desidera utilizzarlo.
Che tipo di cavo coassiale?
Più comune:
- RG316
- RG400
- RG142
Il cavo coassiale in PTFE è meccanicamente e termicamente più adatto rispetto al cavo coassiale in PVC economico. Per le applicazioni QRO, un cavo più robusto è un investimento che ripaga.
Balun di Guanella: quando l'obiettivo è il controllo della corrente, non solo la trasformazione di impedenza
Se c'è un principio di progettazione che merita rispetto nella comunità dei radioamatori, è il trasformatore di linea di trasmissione Guanella. Molti manuali operativi utilizzano le denominazioni balun 1:1, balun 4:1 o balun 9:1 senza distinguere se si tratta di un'architettura di tensione o di corrente. Questo è un errore, perché il comportamento elettrico delle due soluzioni è fondamentalmente diverso.
Il concetto fu proposto da Gustav Guanella nel 1944, ma divenne famoso nell'ambito della radio amatoriale grazie a Jerry Sevick W2FMI. Il balun di Guanella è essenzialmente un trasformatore a linea di trasmissione che sfrutta le proprietà di una linea di trasmissione avvolta su un opportuno nucleo di ferrite.
A differenza del balun di tensione Ruthroff, la priorità in questo caso non è imporre il corretto rapporto di tensione. L'obiettivo è controllare la corrente e il comportamento di modo comune.
Ecco perché l'architettura Guanella è utilizzata in progetti di alta qualità:
- Balun di corrente 1:1,
- Balun 4:1 per antenne simmetriche,
- 9:1 nei trasformatori,
- Trasformatori RX a banda larga,
- membri corrispondenti per Beverage e altre antenne RX
Balun di corrente Guanella 1:1
La versione più semplice è un classico balun di corrente 1:1.
Esempio di implementazione:
- Cavo coassiale avvolto su FT240-31,
- Cavo doppio in PTFE su FT240-43,
- pila di 2-3 toroidi per il funzionamento QRO.
Conteggio tipico dei fili:
| Banda | Mescolare | Nucleo | Numero di fili |
|---|---|---|---|
| 160–40 m | 31 | FT240 | 10–12 |
| 80–20 m | 31 | FT240 | 8–10 |
| 20–10 m | 43 | FT240 | 6–8 |
Questi valori sono indicativi. Il progetto definitivo dipende sempre dall'impedenza dell'induttore richiesta, dal filo utilizzato e dalla potenza.
K9YC raccomanda un'impedenza di induttanza dell'ordine di 1–5 kΩ per un'efficace soppressione del modo comune, dove un'elevata componente resistiva Rs è più importante di un'impedenza puramente reattiva.
4: 1 Guanella balun
Un progetto molto diffuso. Si tratta essenzialmente di due trasformatori di corrente 1:1 collegati in una configurazione adeguata. Applicazioni tipiche:
- dipolo OCF,
- alcune configurazioni di Windom,
- Alimentatore simmetrico ad alta impedenza.
Nota molto importante: il balun 4:1 non è una panacea universale. La leggenda radioamatoriale del tipo "applica il 4:1 a qualsiasi filo" spesso crea più problemi che benefici. Se il carico non è elettricamente adatto, il risultato è:
- surriscaldamento del nucleo,
- corrente di modo comune aumentata,
- PSV imprevedibile,
- Distorsione del diagramma di radiazione.
9:1 Guanella Unun
Estremamente popolare tra gli operatori portatili. Utilizzo:
- filo casuale,
- antenne a filo portatili,
- CENTO,
- SUDORE,
- Spedizioni QRP.
Tuttavia, qui è necessaria disciplina tecnica. Un trasformatore 9:1 non è un elemento di adattamento a banda larga miracoloso per ogni filo. VK1OD dimostra con grande precisione che con lunghezze di filo inappropriate si generano impedenze estreme e il trasformatore può funzionare ben al di fuori dell'intervallo di sicurezza.
Nuclei tipici:
- FT240-43
- 2× FT240-43
- FT140-43 per QRP
A potenze più elevate, l'FT140 uscirà molto rapidamente dalla sua zona di comfort.
Ferriti a innesto rapido: uno strumento utile, non un placebo né un miracolo.
I filtri in ferrite a innesto rapido sono tra i componenti per radioamatori più fraintesi.
Molti operatori li usano come un "repellente RF" universale:
- al cavo USB,
- sul cavo CAT,
- per il cavo del microfono,
- per l'alimentazione elettrica,
- su cavo coassiale.
A volte giustamente. A volte del tutto inutilmente.
Come funzionano
La ferrite a innesto aumenta l'impedenza di modo comune del conduttore che la attraversa. Essa determina:
- materiale,
- dimensione del nucleo,
- numero di passaggi del conduttore,
- frequenza.
Un singolo nucleo su un cavo USB può essere d'aiuto. Un singolo nucleo su un cavo coassiale da 80 m come induttore principale è spesso solo una terapia psicologica.
Miscele per uso a scatto
| Mescolare | Utilizzo |
|---|---|
| 31 | Soppressione del modo comune HF |
| 43 | HF più elevata / EMI universale |
| 61 | VHF/UHF |
Numero di core
Un aspetto fondamentale che molti operatori di sistemi operativi ignorano. Un solo nucleo spesso non è sufficiente.
Soluzioni pratiche:
- 4–8 pezzi a scatto per il cavo di alimentazione,
- passaggi multipli attraverso un nucleo più grande,
- stack multi-core.
K9YC avverte da tempo che le soluzioni con ferrite di scarsa qualità danno la falsa impressione di aver risolto il problema.
Applicazioni VHF: dove la logica HF smette di funzionare
Un grave errore nella pratica radioamatoriale: applicare una configurazione di blocco di fase efficace per le HF senza apportare modifiche alle VHF.
Questa è la ricetta per una delusione. Il motivo è semplice: le capacità parassite, le risonanze e le proprietà dei materiali si comportano in modo completamente diverso alle alte frequenze.
Materiali per VHF
Più comune:
- Mix 43
- Mix 61
- perline di ferrite
- Materiali NiZn
Mix 31, ottimo in HF, non è automaticamente la scelta giusta per VHF.
Soluzioni di strozzatura da 2 m / 70 cm
Implementazioni tipiche:
- Induttore a tubo coassiale,
- perline di ferrite su cavo coassiale.
Per le frequenze VHF, un balun a manicotto è spesso una soluzione più elegante rispetto a un grande toroide in stile HF.
Utilizzo tipico:
- Punta di potenza Yagi da 2 m,
- 70 cm Verticale,
- antenne satellitari
GPSDO, LNB e transverter
In una moderna stazione radio dotata di tecnologia VHF/UHF/SHF, le ferriti compaiono ovunque:
- Alimentatore GPSDO,
- Linea di polarizzazione LNB,
- Cablaggio I2C,
- Controllo Arduino Nano,
- alimentazione al rotore
In questo caso, la soppressione delle interferenze elettromagnetiche a innesto rapido ha un grande senso pratico.
Saturazione: il killer silenzioso delle strutture in ferrite
La saturazione si verifica quando un materiale magnetico raggiunge il limite della sua magnetizzazione.
Implicazioni pratiche:
- un forte calo dell'efficienza,
- crescita delle perdite,
- surriscaldamento,
- Instabilità del trasformatore.
In un caso estremo:
- rottura del nucleo,
- degrado dell'isolamento,
- Guasto del balun.
Quali sono le cause della saturazione?
- potenza troppo elevata,
- miscela inappropriata,
- carico asimmetrico,
- corrente di modo comune,
- un nucleo troppo piccolo.
Un balun di corrente può surriscaldarsi non a causa della potenza differenziale, bensì a causa della potenza di modo comune.
Si tratta di un dettaglio cruciale.
limiti di prestazione
Alla domanda "quanti watt può gestire?" non esiste una risposta universale.
Dipende da:
- nuclei,
- materiale,
- numero di core,
- frequenze,
- SWR,
- ciclo di carico.
QRP
Il mondo è molto tollerante fino a 10 W. Gli FT82 o gli FT140 sono generalmente utilizzabili.
Classe 100 W
Prestazioni standard da bar. Minimo ragionevole:
- Balun di corrente FT240,
- il giusto mix,
- buon guidatore.
QRO
500W+
Qui termina l'improvvisazione. Consigliato:
- 2–3 FT240 impilati,
- conduttore in PTFE di alta qualità,
- riserva termica.
Limite legale
Ciò richiede un approccio professionale. Un balun difettoso al limite di legge non è un esperimento. È un generatore di fumo.
Gli errori di progettazione più comuni
Ferro in polvere come balun di corrente
Molto comune. Il toroide LPF non è materiale di modo comune per l'induttore.
Troppi thread
Di più non significa automaticamente meglio. La capacità parassita compromette le prestazioni della banda larga.
Nucleo troppo piccolo
Componente QRP utilizzato a 1 kW. Risultato prevedibile.
Miscela sbagliata
43 invece di 31 sui 160 m. 61 invece del materiale per lo choke HF.
Balun di tensione dove è necessario un balun di corrente
Problema tipico di un alimentatore a radiazione.
Cavo coassiale a innesto singolo
Di solito non si tratta di un soffocamento grave.
Tabella di riferimento pratica
| Applicazione | Materiale | Nucleo | Nota |
|---|---|---|---|
| Balun di corrente HF 1:1 | 31 | FT240 | scelta universale |
| Induttore QRO HF | 31 | 2–3× FT240 | riserva termica |
| 4: 1 Guanella | 31 / 43 | FT240 | della band |
| 9:1 unun | 43 | FT240 | non è una soluzione universale |
| Induttore VHF | 61 | perline/tubi | meglio delle ricette HF |
| LPF | Mescolare 2 / 6 | T68/T106/T200 | materiale in polvere di ferro |
| ATU | Mescolare 2 / 6 | T200 | Q elevato |
| Soppressione delle interferenze radio | 31 | a scatto | altri pezzi |
Conclusione
La ferrite non è solo un "anello nero per cavi". La scelta del materiale giusto determina se il vostro progetto funzionerà come un balun di corrente, un trasformatore a banda larga o semplicemente come un costoso pezzo di ceramica che si surriscalda.
Nell'ambito della radio amatoriale, non esiste una miscela universale adatta a ogni situazione.
E questa è una buona notizia.
Un elemento in ferrite progettato correttamente può infatti migliorare significativamente il sistema d'antenna, ridurre le interferenze RF nella stazione radio e proteggere il TCVR da problemi che altrimenti si manifesterebbero come un misterioso guasto nell'antenna, nel ponte SWR o nel sistema di alimentazione.