P?i t?íd?ní šuplíkových zásob feritových a práškových jader jsem dosp?l k n?kterým poznatk?m, o které bych se rád pod?lil s radioamatérskou obcí, aby výsledky této detektivní práce neupadly v zapomenutí. V obecném pov?domí jsou nejpopulárn?jší jádra Amidon, n?které vybrané typy jsou v sou?asnosti dostupné v GESu.

.

Výrobc? je ovšem neuv??itelné množství, jak poznáte z p?iložených cross-referen?ních list? vybraných firem. P?itom vlastn? každý výrobce používá jiné kódové zna?ení pro své ferromagnetické materiály. Navíc v pr?b?hu ?asu došlo k fúzi n?kterých výrobc?, nap?. Siemens se spojil s Matsushitou a vytvo?ili tak firmu Epcos, která velkou ?ást své výroby p?evedla do ?íny. Dnes je Epcos z?ejm? nejv?tším výrobcem ferromagnetických materiál?, problém je ovšem v tom, že používá nové kódové zna?ení, trochu rozdílné od p?vodního Siemensu a kdo se v tom má potom vyznat. Za vydatné pomoci OK1VKZ, který mi pomohl s hledáním na internetu, se mi poda?ilo dát dohromady n?které porovnávací tabulky materiál? od nejznám?jších výrobc? v?etn? kódového zna?ení.

Za základní pom?cku pro práci s ferromagnetickými toroidními jádry lze považovat software od DL5SWB, který je možno pod názvem "Mini Ring Core Calculator", verze 1.2 voln? stáhnout z internetu. Program poskytuje nejen údaje pro výpo?ty jader nejznám?jších výrobc? v?etn? barevného zna?ení, ale i možnost výpo?tu a zat?íd?ní neznámých toroid? z jejich rozm?r? v?etn? výpo?t? vzduchových cívek. Program samoz?ejm? neobsahuje všechno (ani nem?že vzhledem k velkému nár?stu údaj?), proto jsem n?které další získané údaje zpracoval do tabulek..

Obecn? o ferromagnetických materiálech.

V radioamatérské praxi se ponejvíce setkáváme s materiály železoprachovými (iron powder) a feritovými.

Železoprachová jádra: jejich vývoj zapo?al již kolem r.1930. Pionýry v tomto výzkumu byli Siemens a Philips. Rozeznáváme v zásad? dva základní typy prachových jader: karbonylová a sendustová.

Karbonyl: p?esn?ji pentakarbonyl železa Fe(CO)₅. Jak známo z otrav kysli?níkem uhelnatým CO, železo obsažené v ?ervených krvinkách se s ním ochotn? slu?uje. Zde je chemická reakce obdobná - Fe(CO)₅ je kupodivu kapalina žluté barvy, ze které se vysráží jemný železný prach. Konkrétními metalurgickými postupy, což je samo o sob? velká v?da, se zde nebudeme zabývat. D?ležité je, že takto vzniklý prach se t?ídí podle velikosti zrna (0,5 až 10mm), záleží i na legování výchozího materiálu. Vznikají pak sm?si - mixy s r?znou permeabilitou, ze kterých se po p?idání pojiva lisují resp. st?íkají jádra r?zných tvar?. Sv?j vliv má i lisovací tlak, m?že být až 20 tun na cm².

Sendust: vznikl r.1935 v Japonsku v m?st? Sendai, odtud název (dust = prach). Výchozím materiálem je slitina železa Fe, k?emíku Si a hliníku Al, která se po rozdrcení na prach dále t?ídí pro další zpracování, které je obdobné jako u materiál? karbonylových. Pam?tníci zajisté vzpomenou na název Alsifer.

Feritová jádra: zde již nejde o prášek, ale komplexní chemickou slou?eninu sklovitého charakteru. Pro radioamatérskou praxi rozlišujeme ferity na bázi Mn-Zn pro nižší kmito?ty až do n?kolika MHz, pro vyšší a velmi vysoké kmito?ty ferity Ni-Zn s menšími ztrátami. Je nutné se ?ídit dle údaj? výrobc?, materiál? je neuv??itelné množství a nové stále p?ibývají.

Rozlišení jader dle výrobc?.

Amidon Corporation´s: je jak nejpopulárn?jším výrobcem, tak i distributorem ferromagnetických materiál? od dalších firem, z nichž nejznám?jší je již dlouhá léta Fair-Rite, který používá stejné ozna?ování materiál?. Pro radioamatérskou obec jsou d?ležité p?edevším železoprachové toroidy z r?zných sm?sí - mix? s odstup?ovanou permeabilitou, vhodné pro požadovanou kmito?tovou oblast. Mixy a jejich barevné ozna?ení jsou všeobecn? známé, jde o dávno zavedený tzv. "military" barevný kód. Mixy jsou obecn? na bázi karbonyl? r?zné zrnitosti. Software od DL5SWB dává dostatek informací, pro rychlý p?ehled poslouží i následující tabulka 1. N?které z uvedených materiál? nabízí i firma GES v?etn? podrobn?jších údaj?.

.

Pro zajímavost: Na žluto-bílém materiálu mix ?.26 si  m?žeme demonstrovat vliv technologického postupu na výsledné vlastnosti. Výchozím materiálem je op?t karbonyl, ale tzv. hydrogenizovaný, ?ili zbavený z velké ?ásti uhlíku C redukcí ve vodíkové atmosfé?e (hydrogenu). Výsledkem je jemný prach chemicky tém?? ?istého železa Fe, jehož jednotlivá zrna jsou však od sebe p?i kone?ném lisování dokonale odd?lena p?íslušným pojivem, takže nemohou vzniknout  ví?ivé proudy v jád?e. Typická je pro toto prachové jádro neobvykle vysoká permeabilita ?_i= 75. Materiál umož?uje dosáhnout extrémn? vysokých hodnot sycení B_max až 10 T, což vynikne zvlášt? p?i srovnání s jádry pro sí?ové transformátory, kdy dosažení hodnot  cca 1,5 T  je maximem. U feritových materiál? obecn? je sycení B_max podstatn? nižší..

Výkonová zatížitelnost železoprachových a feritových jader v radioamatérské praxi.

(Voln? p?eloženo z katalogu Giesler a Danne 1987)

Výkonová zatížitelnost jader je sice ovliv?ována mnoha faktory, pro radioamatérskou praxi se však m?žeme omezit na dva nejd?ležit?jší: sycení materiálu B_max a nár?st teploty vinutí. Platí vztah

.

V_e . f . B_max²

P = ^{____________________}

? _eff

kde P je výkon (W), V_e objem jádra (cm³), f kmito?et (Hz).      [ 1 ]

.

Sycení B_max pak lze ur?it dle Faradayova zákona

.

E . 10⁸

B_max = ^{_______________________________}

4 ,44 . A_e . N . f

kde E je nap?tí na vinutí (V), A_e pr??ez jádra (cm²), N po?et závit?, f kmito?et (Hz), sycení B_max (Gauss)    [ 2 ]

.

K tomu je nutno dodat, že n?kte?í výrobci udávají rozm?ry ve svých katalozích v cm, jiní zase v mm, takže je nutný p?epo?et. To samé platí pro sycení B, ale že 10 000  Gauss = 1T je všeobecn? známo. Efektivní permeabilita ?_eff není totožná s po?áte?ní permeabilitou ?_i , závisí na kmito?tu a  B_max . Obojí lze ode?íst z graf?, které výrobci udávají pro jednotlivé materiály v katalozích (n?které uvádí i GES ve svém katalogu). Uvedené vzorce platí jak pro prachové, tak i pro feritové materiály. Obecn? pro feritové materiály s po?áte?ní permeabilitou ?_i pod 1000 (Ni-Zn ferity) je B_max = 1,5 T , pro permeabilitu nad 1000 (Mn-Zn) je B_max = 3 T. Oproti tomu B_max pro železoprachová jádra je všeobecn? v?tší než 10 T, nelze je tudíž p?i dané velikosti snadno p?esytit a to je d?vodem jejich obliby v radioamatérské praxi.

.

Z uvedených vztah? je z?ejmé, že p?i daném kmito?tu a sycení materiály s nízkou permeabilitou snesou vyšší výkony. P?i výrobním procesu je jemný železný prach prostoupen nepatrnými isola?ními mezerami, napln?nými pojivem, které mikro?ástice prachu vzájemn? odd?luje. Na velikosti ?ástic a hustot? pln?ní závisí pak výsledná permeabilita. P?i nižších hodnotách permeability  se pak u vyšších výkon? o sycení nemusíme p?íliš starat. Typickým p?íkladem je Amidon mix ?.2, oblíbený pro oblast krátkých vln.

.

Tabulka 1.

.

Jak již bylo zmín?no výše, je výkonová zatížitelnost jádra omezena i oteplením vinutí. Oh?ev je d?sledkem ztrát ve vinutí i v jád?e a dá se vyjád?it vztahem

.

Celkový ztrátový výkon  (mW)

Teplota  (^oC)  =    ^{______________________________________} .   0,833                [ 3 ]

pr??ez A_e (cm²)

.

Pro dosažení maximálního sycení B_max je výkonová zatížitelnost jádra závislá na jeho objemu V_e, z pohledu teploty na ú?inném pr??ezu A_e.

.

P?i  stejnosm?rném a nízkofrekven?ním zatížení vinutí je výpo?et jeho ztráty opravdu jednoduchý, tedy

.

P = R ^. I²

.

kde I je protékající proud (A) a R je odpor vinutí ( Ohm)

.

U vyšších kmito?t? se ovšem musí p?ihlédnout ke skinefektu. V p?ípad? spínaných zdroj? se u akumula?ních tlumivek již p?i kmito?tech ?ádu desítek kHz ?asto používá lanko sto?ené z n?kolika slabších smaltovaných vodi??. Jak pro feritová, tak i železoprachová jádra stoupá ztráta relativn? lineárn? s kmito?tem. P?i konstantním kmito?tu roste pak ztráta s druhou mocninou sycení B. Tyto údaje jsou použitelné pro feritové materiály "77", "F" a "J" do cca 100 kHz, pro železoprachový materiál "26" do 300 kHz.  Tolik pro hrubý odhad, p?esn?jší údaje o B_max a ztrátách je nutno vyhledat v katalogu p?íslušného výrobce.

.

P?i vysokofrekven?ních aplikacích lze obecn? ?íci, že feritové materiály jsou co do výkonu omezeny sycením, železoprachové pak oteplením. Z dlouholetých praktických zkušeností pak pro oblíbený Amidon mix ?.2 vyplývá, že toroidní jádro T200-2 je optimální pro vf výkon 1kW v p?ípad? širokopásmového balunu, p?i použití jako rezonan?ní okruh v transmatchi pak s rezervou zpracuje 100W.  T106-2 pak jako balun b?žn? snese 100W, T68-2 cca 10W.

Pramet Šumperk: i když se to mladší generaci bude zdát neuv??itelné, kvalitní železoprachová jádra se vyráb?la i u nás. Tehdy se ovšem Pramet jmenoval ZPP ?ili Závody první p?tiletky a ješt? p?ed tím to byl Siemens a nyní d?lají pro Epcos, ?ímž je ?e?eno vše. Vyráb?la se jádra karbonylová st?íkaná (hrne?ky a šroubová jádra), žluté zna?ení bylo pro kmito?ty do 2 MHz, ?ervené zna?ení nad 2 MHz. Posledními obecn? známými výrobky byla miniaturní hrní?ková jádra pr?m?ru 10 mm, která se používala v radiostanicích VXN a VR na pozici mf kmito?tu 468 kHz.

.

V Šumperku se ale od 50.let vyráb?ly i lisované železoprachové toroidy pro telekomunika?ní techniku a to jak karbonyl (K), tak i sendust (S). Neinformovaní radioamaté?i je n?kdy zahazují s tím, že jde o oby?ejné železo. Tyto starší materiály z?ejm? zcela zmizely ve stoup? ?asu, p?esto uvádím tabulku, aby ti mladší vid?li, že my ?ížkové jsme um?li leccos. Toroidní jádra se vyráb?la jak jednodílná, tak dvoudílná (podéln? rozd?lená z d?vodu snazšího lisování). Plochá zbroušená styková hrana nesla údaje o jád?e.

.

Porovnáme-li  tato jádra s výrobky Amidon co do permeability, je z?ejmá jejich nahraditelnost. V dobách, kdy se o jádrech Amidon u nás v?d?lo pouze to, že existují, jsem m?l možnost vyzkoušet jádra T 40,7S s ?_i = 55, vybraná ze starých likvidovaných elektronkových za?ízení pro telekomunika?ní techniku. Tato jádra byla provozována na kmito?tech do cca 150 kHz jako rezonan?ní okruhy ve filtrech a kmito?tových výhybkách.  Prvním pokusem, vzhledem k relativn? vysoké permeabilit?, bylo ov??ení jádra v ?ízeném spínaném zdroji 12/28V ve funkci akumula?ní tlumivky. Zdroj pracoval na cca 30 kHz s výkonem 100W, oh?ev jádra byl nepatrný. Jediným horkým prvkem byla rekupera?ní dioda, ale práv? ve zmín?né dob? se objevil typ KYW130 s rychlou dobou zotavení.

.

Druhým pokusem bylo ov??ení zmín?ných jader ve  funkci  balun? 1: 1 a 1: 4 pro drátové antény na KV. Ve sv?tle nyn?jších poznatk? vzhledem k vysoké permeabilit? = 55 a z?ejm? nevhodnému kmito?tovému rozsahu šlo o h?íšný po?in (srovnej žlutobílý Amidon mix 26), nicmén? baluny pracovaly na 3,5 MHz jak na obvyklých soum?rných dipólech a invertovaných V, tak na FD4 s napájením plochou dvoulinkou, ba i na vyšších pásmech. Samoz?ejm?, že to s ú?inností nebude nejlepší a také tehdy nebylo ?ím m??it, ale dokud anténa visí ve výšce 25m nad zemí a centrální uzemn?ní je  p?ipojeno na roury vým?níkové stanice v podzemí pod klubovnou, není z?ejm? co ?ešit.

Ur?itým vysv?tlením je ovšem i skute?nost, že jádra provozovaná jako baluny a transformátorové vazby fungují p?i  širokopásmových aplikacích do vyšších kmito?t? než v p?ípad? úzkopásmového rezonan?ního obvodu, jak je z?ejmé nejen z programu DL5SWB, ale i následujících p?ehled? feritových materiál?. Co se projevuje u ferit?, projeví se v jisté mí?e i u železoprachových materiál?. Stejn? tak v neposlední mí?e má na horní hranici kmito?t? vliv i impedance a délka vinutí, a? už se jedná o dvoudrátové, t?ídrátové ?i vícedrátové provedení. Chce si to p?e?íst t?eba Rothammela a m??it a zkoušet. T?eba se nám poda?í "vyškolit" i žlutobílé jádro mix 26 ze spínaných zdroj? alespo? pro ?ást krátkovlnného rozsahu.

Feritová jádra.

U ferit? za?neme op?t jádry Amidon ?i Fair-Rite. Základní p?ehled nám dává op?t software DL5SWB. Pro rychlou orientaci uvádím tabulku. ?íselné zna?ení používá Amidon a Fair-Rite, zna?ení velkými písmeny Magnetics Inc. Barevné zna?ení je bez záruky, a? se o vypátrání originálního firemního zna?ení na internetu snaží v r?zných diskusních fórech mnozí. Zlí jazykové tvrdí, že Amidon toho vyrábí a dodává tolik, že mu pro barevné zna?ení nesta?í všechny barvy spektra..

.Z tabulky je patrné, jak se liší použitelný kmito?tový rozsah pro r?zné aplikace, jak již bylo zmín?no výše.  Pro KV praxi jsou jak známo nejoblíben?jší materiály 43 a 61, což tabulka pln? potvrzuje. Tyto typy nabízí i GES. Mohu potvrdit, že materiál 61 je zcela ekvivalentní materiálu Pramet N1. Toto bylo n?kolikrát ov??eno na KV balunu p?i použití jádra N1 o pr?m?ru 50mm.

PHILIPS

Philips byl vlastn? první, kdo s výzkumem magneticky m?kkých ferit? za?al. Materiály mají obchodní zna?ku Ferroxcube. Po?áte?ní ?íslicí 3 jsou je ozna?ována ?ada MnZn ferit? pro nižší kmito?ty, 4 je ?ada NiZn ferit? pro vf použití. Software DL5SWB je pro radioamatérskou praxi zcela dosta?ující.

Dalším velkým výrobcem ferit? je Epcos. P?vodní zna?ení materiál? Siemens se po slou?ení s Matsushitou ?áste?n? zm?nilo, proto p?ehled materiál? podle  permeability uvádím v tabulce. Barevný kód pro všechny materiály bohužel též není znám, ale pro výb?r objednávkového zna?ení vyráb?ných dostupných typ? zcela posta?í software DL5SWB. Materiály Siemens byly též známy pod ozna?ením Siferrit.

NiZn materiály U60 a U17 jsou ur?eny pro vf použití. U60 odpovídá našemu N01, U17 je vyráb?n již od roku 1960 a odpovídá spíše našemu N02.

Dvouotvorová jádra.

Tato jádra vyrábí všichni výrobci a p?esto, že jsou v praxi ?asto využívána, v radioamatérské literatu?e chybí jejich ucelen?jší p?ehled. Jejich hlavní výhodou je minimální rozptyl, protože v?tší ?ást vinutí je schována uvnit? ferromagnetického materiálu a rozptylové pole je tak ješt? menší než u toroid?. Hlavní oblastí využití je konstrukce širokopásmových vf transformátor? a balun?. N?kdy se v p?ípad? pot?eby nahrazovala dvouotvorová jádra dv?ma trubi?kami, p?ípadn? u v?tších výkon? sloupky slepenými z toroid?. Pro malé výkony je dnes vyráb?ný sortiment dostate?ný od krátkovlnných kmito?t? až do oblasti mikrovln. Dnes se tyto miniaturní transformátory vyráb?jí hotové i pro SMD technologii v GHz oblasti. Výhoda nepatrného rozptylu vynikne zejména v aplikacích, kde se používají prvky s vysokou vstupní impedancí (MOS-FET, GaAs-FET, HEMT) a vysokým ziskem (MIMICs) a stabilita je nezbytnou nutností.

U nás jsou b?žn? známa dvouotvorová jádra používaná d?íve pro televizní symetriza?ní ?leny. Tyto tzv. TV baluny s p?evodem 1:4 byly navinuty miniaturní dvoulinkou a používány pro I.-III. TV pásmo (delší typ), pro TV pásmo IV.-V. pak kratší typ. Porovnáním s výše uvedenou tabulkou pak zjistíme, že delší typ odpovídá velikosti A1, tedy typu B62152A1X1, kratší typ pak má velikost A4, tedy B62152A4X1. Zna?ení X1 tedy udává materiál K1 s permeabilitou ?_i= 80, což je nejblíže materiálu N1, ze kterého se d?laly TV baluny u nás.

S dvouotvorovými jádry (doppellochkern, double aperture cores) se setkáme u mnoha starších zahrani?ních radioamatérských konstrukcí (nap?. YU1AW, DJ7VY atd.). Tabulku Epcos uvádím pro snazší orientaci. Velice výhodné je použít pro p?ípadné výpo?ty i A_L konstantu.

Pro ostatní materiály se nepoda?ilo A_L konstanty vypátrat, je nutná svépomoc m??ením vzork?. V p?ípad? pot?eby je možné nahlédnout do katalogu EPCOS.  N?které vybrané typy jader Amidon nabízí i GES, uvádí i A_L konstanty, typové ozna?ení je rozdílné.

Ve vý?tu feritových jader nelze opomenout materiály vyráb?né v Prametu Šumperk, kterých je uloženo v radioamatérských šuplících zajisté ješt? dost.  V Prametu se vyráb?la jádra v podstat? všech tvar? v?etn? dnes žádaných feritových vále?k? a dvouotvorových jader s vyšší permeabilitou. Zde uvedený p?ehled pro toroidy poslouží k porovnání s materiály sv?tových výrobc?. Samoz?ejm? si pom?žeme softwarem DL5SWB, porovnáváme podle po?áte?ní permeability, což je pro radioamatérskou praxi posta?ující. Je jen škoda, že se kv?li restrukturalizaci podniku více nerozší?ily zejména materiály N3 a N7. Nap?íklad materiál N7 je svými užitnými vlastnostmi velice podobný materiálu 43 od Amidon- Fair Rite, který je v radioamatérských projektech velmi ?asto využíván.

V tabulce si povšimn?te uvád?ného Curieho bodu, což je teplota, p?i které feritový materiál ztrácí své magnetické vlastnosti. Udává se jako teplota, p?i jejímž dosažení se permeabilita "z?ítí" na polovinu své p?vodní hodnoty. To je d?ležité p?i výkonových aplikacích ferit?. Tento jev je vratný, pokud feritové jádro p?etížením nepraskne. Po vychladnutí se magnetické vlastnosti vrací k normálu. Dále si povšimn?te, že Curieho teplota klesá s rostoucí permeabilitou, což je u ferit? obecný jev nezávislý na jménu výrobce.

Podrobn?jší informace lze najít na internetových adresách: www.dl5swb.de,  www.epcos.com, www.amidoncorp.com,  www.ferroxcube.com,  www.doe.cz, www.iskra-feriti.si, kde najdeme i porovnávací cross-referen?ní listy a katalogy.

Doufám, že tento p?ehled pom?že všem radioamatér?m, kte?í se zabývají jak konstrukcí r?zných balun? pro KV pásma, tak praktickými konstrukcemi obecn?.

Literatura: Magneticky m?kké materiály ve sd?lovací technice, SNTL 1961

Elektronikladen Giesler & Danne, Katalog 2/1987

"M?kké ferity Fonox",  katalog PRAMET Šumperk 1973
"Ferromagnetické materiály ve vf obvodech", ing. Martin Kratoška OK1RR, AR-B pro konstruktéry 2/2005

Petr, OK1WPN

Tato emailová adresa je chráněna před spamboty, abyste ji viděli, povolte JavaScript