Cewka, im dłuższa, z większą ilością zwojów czy większą średnicą, ma większą indukcyjność, czyli można z niej "wykrzesać" niższą częstotliwość. Na podobnej zasadzie działają instrumenty muzyczne — dłuższa/grubsza piszczałka organowa to niższa częstotliwość, czyli niższy/grubszy ton. Kiedy suwak puzonu jest maksymalnie wysunięty (czyli dłuższy), to słyszymy najniższy dźwięk, a większy bęben/kocioł orkiestrowy bardziej nisko dudni w porównaniu z małym zabawkowym bębenkiem dla dzieci.
 |
| bardziej poprawnie nawinięta cewka UKF (CCIR) z charakterystyczną "wywijką" |
 |
| przykładowe obliczenie cewki UKF (CCIR) w darmowym windzianym programiku "Asystent Elektronika" |
 |
| ... oraz symulacja rezonansu w moim ulubionym kalkulatorku LC |
Cewki powietrzne, w których rdzeniem jest powietrze, czyli są po prostu puste w środku, charakteryzują się współczynnikiem przenikalności magnetycznej (µ) wynoszącym jeden. Jeśli wezmę np. tekturowy rulonik o średnicy 1 cm i nawinę na nim 100 zwojów bardzo cienkim drutem (0.11 mm), to uzyskam cewkę o indukcyjności około 60 mikrohenrów (µH). Jeśli do tego rulonika wsunę radiowy antenowy pręt ferrytowy o średnicy 8 lub 10 milimetrów, to indukcyjność wzrośnie cztero ... pięciokrotnie, czyli z 60 µH zrobi się 240 ... 300 µH. Fabrycznie wykonane radiowe antenowe pręty ferrytowe mają współczynnik przenikalności magnetycznej (µ) na poziomie 4 do 5, więc i indukcyjność wzrosła cztero- ... pięciokrotnie. Teraz, jeśli do cewki np. 260 µH dołączymy równoległy kondensator stały o pojemności 1 ... 1.5 nF (1000 ... 1500 pF), to nasza cewka najmocniej będzie nadawać lub odbierać radiowe fale długie (150 ... 280 kHz), a stąd już tylko krok do wykonania odbiornika czy nadajnika radiowego (właśnie na fale długie oraz ich podzakres radiofoniczny, czyli broadcastingowy, czyli rozsiewczy). Do żądanej częstotliwości będziemy mogli się dostroić poprzez przesuwanie pręta ferrytowego w tekturowym ruloniku, na którym nawinęliśmy cewkę. Osoby ciekawe świata mogą korzystać z nomogramów lub odpowiednich wzorów na indukcyjność i rezonans cewki:
A osobnicy najbardziej drążący temat zauważą zapewne, że zgodnie z wzorami 240 µH w połączeniu z kondensatorem rezonansowym 1 nF (1000 pF) da nam częstotliwość około 324 kHz, więc powyżej tego, co obsługuje odbiornik radiowy na fale długie broadcastingowe (150 ... 280 kHz). Więc dlaczego takie radio gra i działa na 225 kHz? Czyżby fizyka przestała obowiązywać lub wzory były nieprawidłowe? Nie, nie ma tu błędu, bo przypomnijmy sobie, że nawinęliśmy cewkę sporą ilością zwojów, a każdy zwój to maleńki kondensator, bo przecież sąsiaduje ze zwojem obok, a że druty są fabrycznie pokryte emalią, to i mamy tu izolator, czyli dielektryk, a że mamy tych kondensatorów przynajmniej 100 sztuk, to i cewka uzyska bardzo znaczne pojemności międzyzwojowe, które dodają się do pojemności rezonansowej (czyli dodają się do naszego kondensatora stałego np. 1000 pF, czyli 1 nF). Mamy więc teoretyczny rezonans na 324 kHz (240 µH + 1000 pF), ale po dodaniu pojemności międzyzwojowych, wynoszących tu około 1000 dodatkowych pikofaradów, robi się nam 240 µH + 2000 pF = 229 kHz, więc już całkiem bliziutko naszej radiowej "Jedynki" na częstotliwości 225 kHz i radio odbiera/gra jak należy. Cewka nawinięta dużą ilością zwojów uformowanych z bardzo cienkiego drutu ma również bardzo cienką powłokę emaliowaną, czyli grubość dielektryka maleje, więc i pojemność takiego "jednozwojowego subkondensatora" wzrasta bardzo radykalnie, więc i dodatkowe 1000 pF (= 1 nF) ze stu zwojów jak najbardziej jest możliwe.
 |
| różne typy gotowych anten ferrytowych wraz z cewkami (częściowo wykonywanymi także i licą wielkiej częstotliwości), zazwyczaj produkuje się (lub produkowało się) pręty okrągłe o średnicach 8 mm i 10 mm oraz o długościach od 5 do ponad 20 cm, "okrąglaki" mają współczynnik µ na poziomie 4 ... 5, rzadziej spotykane pręty o przekroju prostokątnym miały współczynnik µ na poziomie 2 ... 3, niemal wszelkie pręty ferrytowe przeznaczone do odbiorników radiofonicznych były optymalizowane dla częstotliwości 100 kHz ... 2 MHz, ale znakomicie pracują rezonansowo nawet gdzieś do około 8 MHz (a w funkcji transformatora szerokopasmowego to i do 30 MHz bardzo dobrze sobie dają radę), zdjęcie od allegrowicza rafalm5 |
Cewki mogą być również wielowarstwowe (rządzą się innymi wzorami, ale nadal są pełnoprawną cewką), a jeśliby do takiej wielowarstwowej cewki wpierniczyć jakiś rdzeń z rozhartowanego żelaza miękkiego (np. pęk kilku gwoździ czy gruby pręt zbrojeniowy), to uzyskamy elektromagnes (zasilany prądem stałym lub zmiennym).
 |
| gotowy fabryczny elektromagnes do celów szkolnych, oferta ze Sklepu AVT |
Pręt ferrytowy jest wzmacniaczem/"zwielokrotniaczem" indukcyjności o konstrukcji typu otwartego, dlatego posługujemy się współczynnikiem przenikalności magnetycznej (µ). "Kołowe" rdzenie ferrytowe lub proszkowe (pierścieniowe/toroidalne, kubkowe lub dwuotworowe) są "konstrukcyjnie" typem zamkniętym i ze względów czysto praktycznych posługujemy się w ich przypadku liczbą AL (bo upraszcza to obliczenia), czyli jeśli jakiś toroidek ma liczbę AL = 4 (np. popularny w radiotechnice rdzeń T37-2), to jeśli nawiniemy na nim 10 zwojów, to uzyskamy 0.4 µH , przy 20 zwojach mamy 1.6 µH, przy 40 zwojach 6.4 µH, a dla 100 zwojów (o ile się jakoś na tak maleńkim "pierścionku" pomieścimy) uzyskamy równe 40 µH.
 |
| proszkowy rdzeń pierścieniowy T37-2 firmy Amidon, liczba AL = 4, przystosowany do pracy rezonansowej w zakresach do 30 MHz, zdjęcie pochodzi z oferty Sklepu AVT |
 |
| radzieckie/rosyjskie ferrytowe rdzenie pierścieniowe M2000HM1-5 (17.5 x 8 x 5 mm), liczba AL = 1500, oferowane przez allegrowicza Pro-Inventor, teoretycznie przystosowane do pracy w zakresach wielu megaherców, ale praktycznie (raczej) nie nadające się np. na transformator we wyjściowym wzmacniaczu mocy wielkiej częstotliwości dla zakresu KF ze względu na zbyt duże AL (jednakże nadal można z nich korzystać do wyrobu dławików, filtrów LC i niektórych mieszaczy) |
Rdzenie pierścieniowe stały się ostatnio nadzwyczaj popularne, choć są niewygodne w nawijaniu i właściwie prawie nie istnieje możliwość szybkiej zmiany indukcyjności cewek na nich wykonanych. Sytuację poprawia dopiero równolegle dołączony trymer czy "profesjonalnie jeszy" kondensator strojeniowy (zmiana częstotliwości rezonansowej) lub taki oto nietypowy "partyzancki" fortel umożliwiający zmianę indukcyjności w pewnym zakresie.
 |
| sposób wymyślony przez krótkofalowca jankeskiego W2NH |
Rdzenie dwuotworowe są chyba najbardziej specyficznym wynalazkiem w historii radiotechniki. "Rządzą się" tymi samymi wzorami, co rdzenie pierścieniowe czy kubkowe (bo także opisujemy je liczbą AL), ale należy w ramach posługiwania się nimi zwrócić uwagę na następujące kuriozum: Jeśli nawijany na rdzeniu dwuotworowym jakiś transformator czy przekładnik, to uzwojenie pierwotne oraz wtórne muszą się znaleźć w tej samej dziurce. Jeśli umieścimy każde uzwojenie w odrębnym otworze, to uzyskamy dwie niezależne cewki bez sprzężenia indukcyjnego między nimi (czyli transformator/przekładnik nie powstanie i nie zadziała).
Nawijanie na rdzeniach typu zamkniętego rządzi się jeszcze jedną ważną zasadą: jeden zwój to jedno przejście przez otwór rdzenia.
 |
| ferrytowe rdzenie dwuotworowe oferowane przez allegrowicza Pro-Inventor (kupiłem i zmierzyłem od razu ich parametry ---> liczba AL = 4, pracują znakomicie rezonansowo nawet do 100 MHz, a w funkcji transformatora szerokopasmowego nawet do 1 GHz) |
Rdzenie kubkowe umożliwiają wykonanie bardzo dużych indukcyjności o dużej stabilności i odporności na zmiany mechaniczne, drgania czy czynniki zakłócające. W ich przypadku również posługujemy się liczbą AL. Do niektórych modeli rdzeni kubkowych były kiedyś dostępne specjalne ferrytowe dodatkowe i wkręcane rdzenie dostrojcze, przydatne niegdyś we wczesnych generacjach stereodekoderów, układach zdalnych sterowań radiowych z kodem tonicznym, wykrywaczach metalu itp.
 |
| przykładowy rdzeń kubkowy z liczbą AL = 400, zdjęcie pochodzi od allegrowicza marekmagda |
Cewka może być więc elementem nadajnika, odbiornika, elektromagnesem, anteną, czujnikiem, opornikiem (bo przecież jakiś tam opór posiada), specyficznym kondensatorem rezonansowym (z uwagi na pojemności międzyzwojowe), a nawet przekładnikiem, czyli transformatorem, będącym układem sprzężonych indukcyjnie cewek, a także powielaczem napięcia (np. cewka zapłonowa w benzynowym silniku spalinowym czy klasyczny "szkolny" induktor/generator Rühmkorffa). Przed erą półprzewodnikowych stabilizatorów napięcia, czyli diod Zenera czy układów scalonych np. serii 78xx, dość powszechnie wykorzystywano stabilizację ferromagnetyczną w postaci kilkuhenrowej indukcyjności na rdzeniu metalowym, "zapinanej" szeregowo na wyjściu zasilacza. Ba, istnieją nawet cewki o zmiennej indukcyjności (ruchoma cewka umieszczona w innej/drugiej nieruchomej cewce), zwane wariometrami oraz płaskie cewki "ślimakopodobne", trawione bezpośrednio na laminacie płytki drukowanej, a nawet cewki wcale do cewek niepodobne, czyli zgięte druciki w kształcie litery "C" czy "U" oraz prostokątne paski/wąsy z miedzi czy srebra (technika mikrofalowa, czyli tzw. linie mikropaskowe).
 |
| gotowe fabryczne obwody 7x7 z "rdzeniuszkiem-pokręcuszkiem", tutu akurat wyrób naszej polskiej firmy "Polfer", model 325, zdjęcie z oferty allegrowicza ae_elektronika |
 |
| parametry obwodu 7x7 o oznaczeniu 325 |
Jednostką indukcyjności jest henr. Wartości rzędu pojedynczych henrów mogą mieć uzwojenia transformatorów sieciowych czy głośnikowych, ale w praktyce radioamatorskiej spotkamy się z ułamkami henra:
1 henr (H) = 1000 milihenrów
1 milihenr (mH) = 1000 mikrohenrów
1 mikrohenr (µH) = 1000 nanohenrów (nH)
Do przedstawienia parametrów rdzeni typu otwartego lepiej sięgać po współczynnik przenikalności magnetycznej (µ), a do wyspecyfikowania właściwości rdzeni zamkniętych lepiej posiłkować się liczbą AL.
Cewki można łączyć szeregowo lub równolegle i obowiązują w tejże kwestii te same prawidła co przy szeregowym lub równoległym łączeniu rezystorów (szeregi się sumują, a równoległości są odwróconą sumą poszczególnych odwrotności, np. dwie cewki 100 µH w szeregu to 200 µH, a dwie cewki 100 µH połączone równolegle dadzą nam 50 µH). Cewki wyższej jakości (zwłaszcza dla pasm UKF/VHF) często wykonywane są drutem miedzianym pokrytym cienką warstwą srebra (tzw. srebrzanka, czyli drut CuAg), a bardziej luksusowe wersję cewek np. długo- czy średniofalowych nawija się licą wielkiej częstotliwości, czyli lineczką składającą się np. z kilkunastu splecionych (i odizolowanych od siebie) włosków miedzianych. W obydwu przypadkach sięga się po takie "dziwactwa", aby ograniczyć zjawisko naskórkowości i podnieść tzw. dobroć cewki, czyli uzyskać efekt płynięcia prądów wielkiej częstotliwości "całą szerokością drutu", a nie tylko po samej jego powierzchni.
Oto kilka wstępnych prawideł dotyczących indukcyjności:
L ↑ ----> f↓
L ↓ ----> f↑
C ↓ ----> f↑
C ↑ ----> f↓
ilość zwojów↑ ----> indukcyjność↑ ----> f↓
ilość zwojów↓ ----> indukcyjność↓ ----> f↑
średnica cewki↑ ----> indukcyjność↑ ----> f↓
średnica cewki↓ ----> indukcyjność↓ ----> f↑
odstępy międzyzwojowe↑ ----> indukcyjność↓ ----> f↑
odstępy międzyzwojowe↓ ----> indukcyjność↑ ----> f↓
grubość drutu↑ ----> dobroć cewki↑ ----> indukcyjność/częstotliwość bez większych zmian ----> moc emisji/głębokość i stabilność oscylacji/czułość odbiorcza↑
grubość drutu↓ ----> dobroć cewki↓ ----> indukcyjność/częstotliwość bez większych zmian ----> moc emisji/głębokość i stabilność oscylacji/czułość odbiorcza↓
długość nawinięcia↑ ----> indukcyjność↑ ----> f↓
długość nawinięcia↓ ----> indukcyjność↓ ----> f↑
rdzeń w cewce z µ dodatnim (ferryt, mosiądz) ----> indukcyjność↑ ----> f↓
rdzeń w cewce z µ ujemnym (aluminium) ----> indukcyjność↓ ----> f↑
rdzeń pierścieniowy/proszkowy/dwuotworowy/kubkowy z mniejszą liczbą AL ----> indukcyjność↓ ----> f↑
rdzeń pierścieniowy/proszkowy/dwuotworowy/kubkowy z większą liczbą AL ----> indukcyjność↑ ----> f↓
obiekt metalowy lub metalowa ścianka obudowy w pobliżu nieekranowanej cewki (np. 0.5 ... 2.5 cm) ----> zmiana indukcyjności↓, częstotliwości↑
inna cewka w pobliżu (np. ustawiona równolegle) ----> zmiana indukcyjności↓, częstotliwości↑
inna cewka w pobliżu (np. ustawiona skośnie) ----> brak większych zmian indukcyjności czy częstotliwości
cewka ekranowana (np. 7x7) lub rdzeń kubkowy obok innej cewki ekranowanej (np. 7x7) lub innego rdzenia kubkowego ----> nie wpływają na siebie i mogą być bardzo/dowolnie blisko siebie
cewka sprzęgająca układu reakcji lub magnetostrykcyjnego ----> powinna być w fazie wzgl. przeciwfazie w stosunku do indukcyjności głównej i może to zależeć od kilku czynników (w razie potrzeby zamienić miejscami przewody cewki reakcyjnej)
pręt ferrytowy przytwierdzony do płytki drukowanej zwartą/zamkniętą elektrycznie przewodzącą pętlą/obejmą z drutu nieizolowanego ----> cewka/odbiornik/nadajnik może całkowicie przestać spełniać swoją funkcję
ilość zwojów↑ ----> (często) niepożądane pojemności międzyzwojowe↑ ----> f↓
ilość zwojów↓ ----> (często) niepożądane pojemności międzyzwojowe↓ ----> f↑
nieizolowany/nielakierowany drut tworzy zwoje na rdzeniu ferrytowym ----> zwarcie, cewka przestaje spełniać swoją funkcję (można temu zwarciu jednakże przeciwdziałać izolując sam rdzeń)
izolowany/lakierowany drut tworzy zwoje na rdzeniu ferrytowym ----> cewka działa prawidłowo
izolowany rdzeń ferrytowy ze zwojami z gołego drutu (nielakierowanego) ----> cewka działa prawidłowo
rdzenie kubkowe ----> duże indukcyjności (milihenry, czyli tysiące mikrohenrów), liczba AL na poziomie setek
rdzenie proszkowe (pierścieniowe/toroidalne) ----> (raczej)
mniejsze indukcyjności (od pojedynczych mikrohenrów do setek mikrohenrów),
liczba AL przeważnie na poziomie jedności (ale rdzenie przetwornicowe, mniej "radiotechniczne" mają liczby AL dochodzące do kilkunastu tysięcy!!!)
rdzenie dwuotworowe ----> radiotechnika, technika antenowa, wykorzystanie uniwersalne, liczby AL raczej w okolicach jednocyfrowych
fale długie ----> np. 260 mikrohenrów + 1 ... 1.5 nF = 225 kHz (wykorzystany antenowy pręt ferrytowy, nawijane bardzo cienkim drutem)
fale średnie ----> np. 150 mikrohenrów + 200 pF = 918 kHz (wykorzystany antenowy pręt ferrytowy, nawijane nieco grubszym drutem)
fale krótkie (80 metrów) ----> 10 mikrohenrów + 200 pF = 3.5 MHz
fale krótkie (40 metrów) ----> 10 mikrohenrów + 47 pF = 7.3 MHz
fale krótkie (27 MHz) ----> 1 mikrohenr + 33 pF = 27.7 MHz
 |
| symulacja rezonansu dla pasma CB (27 MHz) w moim ulubionym kalkulatorku |
 |
| parametry cewki dla pasma CB (27 MHz) w programie "Asystent Elektronika" UWAGA!!! To jest wyliczenie dla cewki powietrznej (jeszcze chwilowo bez rdzenia ferrytowego)!!! Po włożeniu do wnętrza cewki pręcika ferrytowego o średnicy 3.8 mm i długości około 2 ... 3 cm indukcyjność wzrośnie 10 razy, ponieważ zostanie tu zastosowany pręcik o współczynniku przenikalności magnetycznej µ = 10 |
 |
| przykładowe pręciki ferrytowe polskiej produkcji (zakłady "Polfer") o średnicy 4 mm i długości około 2 cm, oferta allegrowicza TEL-RAD, takie pręciki mają zazwyczaj współczynnik µ = 8 ... 13, czyli praktycznie średnio przeważnie coś w okolicach 10 |
UKF (CCIR) ----> 0.15 mikrohenra (150 nanohenrów) + 20 pF = 91 MHz
UKF (2 metry) ----> 0.07 mikrohenra (70 nanohenrów) + 17 pF = 145 MHz
gotowe fabryczne kupne cewki strojone rdzeniuszkiem-pokręcuszkiem (także obwody p.cz.) ----> 7x7, 12x12, 12x28, Polfer, Toko, Neosid, Denco itp.
cewki/filtry p.cz. (455 kHz) ----> od 70 mikrohenrów do kilku setek mikrohenrów, sprzęgające uzwojenia wtórne podłącza się przeciwbieżnie, czyli kabelki dajemy odwrotnie
cewki/filry p.cz. (10.7 MHz) ----> około 4 ... 5 mikrohenrów, sprzęgające uzwojenia wtórne podłącza się przeciwbieżnie, czyli kabelki dajemy odwrotnie
dławiki w.cz. (KF) ----> setki lub dziesiątki mikrohenrów
dławiki w.cz. (UKF) ----> dziesiątki lub jedności mikrohenrów
gotowe fabryczne kupne dławiki osiowe (z barwnym kodem paskowym na obudowie) ----> od pojedynczych mikrohenrów do pojedynczych milihenrów oraz z obciążalnością „mocową” od ułamków wata do pojedynczych watów
 |
| kod barwny dławików (od elektrodowicza "petione") |
 |
| przykładowy dławik osiowy 10 µH, tolerancja 10% (oferta ze Sklepu AVT) |
Mój ulubiony kalkulatorek LC pobierzesz stąd (działa jako strona internetowa w trybie offline ---> należy pobrać i uruchomić lokalnie). Program "Asystent Elektronika" znajdziesz sobie Googlem lub na chomiku (współczesne przeglądarki bełkoczą coś o wirusie, ale to nieprawda, bo obecne standardy zabezpieczeń internetowych są przesadnie wrażliwe na wszelkie kody wykonywalne, nawet te całkowicie niewinne i pożyteczne). Windziany programik-katalog z obwodami w rozmiarze 7x7 (PRL, "Polfer") pobierzesz stąd.
Tyle tytułem bardzo ogólnego wprowadzenia. Ciąg dalszy nastąpi.
(Marcin Perliński)
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz