Fabricando transformadores de impedância

2 09 2012

John Briant

Com a proliferação de fontes de ruído provenientes de toda a vizinhança e a crescente popularização de antenas de fio em configurações diferentes da já conhecida L invertido, o cabo coaxial tem se tornado o condutor de entrada entre antena e receptor escolhido pela maioria dos Dexistas. Como a impedância da maioria dos coaxiais normalmente encontrados é de 50 ou 72 ohms e como muitas das antenas ficam na faixa de 400 a 1000 ohms ou mais em seu ponto de alimentação, conectar diretamente o coaxial a um fio implica em perdas de sinal bastante significativas devido ao descasamento de impedâncias. Tendo como fato esta situação em nosso hobby, não consigo entender porque os transformadores de impedância e baluns para antenas de recepção não podem ser encontrados com maior facilidade no mercado. Além disso, os poucos transformadores encontrados são vendidos por um valor em torno de US$60. Embora possa ser considerado um preço justo por conta do trabalho envolvido, o benefício e a variação de preços no mercado, o custo dos itens necessários para um balun resistente às ações do tempo ou de um transformador de impedância ficam bem abaixo dos $10.00. Se você for capaz de fazer soldas e conexões com certa confiabilidade, considere a possibilidade de enrolar seus próprios baluns ou transformadores. O tempo total de trabalho gira em torno de uma hora por unidade e sua construção é bem simples. Eu faço os meus em frente a TV durante as tardes de Domingo. 🙂

Selecionando os componentes
Você precisa obter alguns conectores, uma caixa resistente às ações do tempo e os núcleos para o transformador. Para os conectores dos fios tive que usar um tipo que fosse blindado e que aceitasse o uso de pinos banana. Gostei muito de um tipo especial de pino banana, entretanto, ele é encontrado apenas em casas de equipamentos profissionais (Mouser #17HR549, #17HR550). A haste do plugue macho é composta por fio rígido em toda sua extensão e isso proporciona uma conexão MUITO confiável ao colocar em contato a superfície do metal em com o soquete fêmea. O conector para o coaxial é um daqueles que podem ser montados no próprio chassi. Mais e mais Dexistas parecem estar usando conectores do tipo BNC por sua facilidade de uso e maior resistência, embora apenas os receptores profissionais usem este tipo de conexão.

Alguns Dexistas utilizam caixas metálicas para este tipo de aplicação. Se você também joga neste time, as caixas de alumínio Hammond são as minhas preferidas. Aqueles que usam caixas metálicas geralmente estão tentando manter o sistema de RF o mais limpo quanto possível, prevenindo perdas na transferência de sinal por meio do aterramento da caixa, geralmente na malha do coaxial. Contudo, a maioria dos Dexistas que conheço e dos fabricantes usam caixas plásticas para suas unidades. A perda na transferência de sinal é minúscula comparada ao tamanho da antena, além da facilidade do seu uso e custo significativamente baixo, que faz a diferença na hora de decidir que tipo caixa usar. Se eu estiver em uma de minhas raras fase de consumismo, utilizarei caixa metálica; se estiver “normal”, utilizarei caixa plástica. Nunca consegui distinguir diferenças dos dois tipos de projeto.

Todos os transformadores de impedância com que estou familiarizado são baseados em alguma espécie de núcleo de ferrite com enrolamento em torno dele. Vários dos conhecidos Dexistas da Costa Leste preferem usar transformadores da Mini-Circuits e apenas conectar fios para que cheguem aos conectores e acondicionar o conjunto em uma caixa. Estes pequenos transformadores 9:1 são perfeitos para converter os 450 ohms das Beverages e da maioria das outras antenas de fio para os 50 ohms do coaxial. Usei-os por vários anos, até que me desfiz de todos eles. Praticar Dexismo nas pradarias da América do Norte geralmente expõe antenas de fio a uma grande quantia de estática elétrica. Tanto Bill Bowers quanto eu tivemos várias falhas ocasionais com os transformadores da Mini-Circuits, provavelmente devido ao fio muito fino usado para enrolá-lo. O principal problema era que as falhas ocorriam de forma freqüente e parcial, fazendo-nos pensar – por várias noites a fio – que as condições estavam realmente ruins. Que desperdício! Após a terceira falha semelhante me voltei à técnica de tentativa-e-erro baseado no uso de núcleos toroidais. Seu uso e construção me foi originalmente ensinado há cerca de uma década por Nick Hall-Patch, Editor Técnico do IRCA e publicado  em um artigo de co-autoria no Fine Tuning’s Proceedings em 1988.

Uma vez que você opte por enrolar o transformador usando núcleos toroidais de ferrite, existem apenas duas decisões a tomar: o tamanho do toróide e a mescla específica de ferrite a ser usada.

Na América do Norte, ultimamente a maioria de nós usa toróides da Amidon. Usei três tamanhos de núcleos ao longo dos anos. O menor é um de ½” de diâmetro (Amidon FT-50). Para conseguir o enrolamento adequado por meio do orifício do núcleo você deve usar um fio magnético bem fino e uma agulha grande. Executei toda esta difícil operação estando também preocupado com os efeitos da estática elétrica sobre aqueles fios finos como cabelo. Não vi vantagem no uso de núcleos pequenos como estes e não os recomendo. A grande parte dos toróides que uso medem 1,4 polegadas de diâmetro (FT-140). Eles funcionam bem, mas são um pouco pesados e caros para o meu gosto. Recomendo um tamanho médio, 1,14 polegadas de diâmetro e que são grandes o suficiente para um fácil manuseio e fio isolado bitola 30 para as bobinas. Este fio é fino o suficiente para obtenção de um bom resultado no enrolamento da bobina no toróide e suficientemente grosso e rígido para ser de fácil manuseio.

A página na Web da Amidon possui uma grande quantia de dados técnicos para auxiliá-lo na seleção do tipo de ferrite. Contudo, a escolha do material é um tanto quanto complicada e tomará certo tempo até que você se decida. Veja a seguir o que fazer nos seguintes casos: se você quiser trabalhar de .5 MHz a 30 MHz, selecione o material “Tipo 43”. Este material também dá “ressonância” para uso em OL. Se estiver certo que seu interesse está limitado a faixa compreendida entre .2 e 15 MHz, então o ferrite “Tipo 75” é o que você necessita.

Se você me seguiu ao longo de todo este amontoado técnico, provavelmente seja hora de fazer uma pausa. Observe abaixo a ilustração pela qual devemos nos guiar para a construção do transformador.

Calculando a quantidade de espiras
Vamos calcular a quantidade de espiras para o casamento de impedância de uma antena Beverage com impedância de 450 ohms conectada a um cabo coaxial de 50 ohms. Devido a este transformador ser do tipo abaixador, o primário (ligado à antena) terá um enrolamento maior e nós iremos tratar dele primeiro.

A primeira fórmula a ser usada dará a indutância do enrolamento primário:

L desejada do enrolamento = XL/2pf

Onde:
L= Indutância em milihenries
XL= Reatância em ohms
f= Menor freqüência de operação em kHz

XL pode ser obtida multiplicando a impedância da antena a ser casada pelo fator 4. XL, que neste caso será 4 x 450 ohms, ou 1800 ohms. Para tornar as coisas mais fáceis, vamos usar 500 kHz como o menor valor de freqüência de operação.

Então, L do enrolamento primário = 1800/2 x 3.1416 x 500 ou .573 mH

Agora que sabemos qual a indutância (L) necessária para o enrolamento primário, podemos aplicar a seguinte fórmula para determinar o número de voltas necessárias para o enrolamento primário.

N = 1000 √L/AL

A fórmula pode ser lida da seguinte maneira: Número de voltas necessárias (N) é igual a 1000 vezes a raiz quadrada (√) da indutância (L) dividida pela constante AL.

A constante AL é determinada a partir da literatura técnica da Amidon e leva em conta as qualidades da RF e o tamanho de um toróide Tipo 43, que é de 1,14 polegadas de diâmetro. O valor de AL para o toróide FT-114-43 é 603.

Então, trabalhando com a fórmula acima, N = 1000 √.573/603 = 1000 x .030825 = 30,8 voltas, ou 31.

A quantidade de voltas para o enrolamento secundário (que será conectado ao coaxial) pode ser determinada pelo mesmo método ou sabendo-se que a razão de impedância de um transformador é a quantidade de voltas ao quadrado. A razão de voltas deve ser de 3 para 1, então, o enrolamento secundário terá 10 voltas. Trabalhando com a fórmula teremos o valor de 10,2 voltas.

Foi difícil chegar até este ponto do artigo. Queime quaisquer sanguessugas que estejam em seus braços e pernas, descanse um pouco na sombra e tome um refresco. Você merece!

Se você quiser construir uma das populares antenas Delta ou “V” invertido, a determinação da quantidade de voltas segue o mesmo processo. A impedância de antenas deste tipo é um tanto quanto dependente do tamanho do fio usado e da profundidade do terra. A maioria está na faixa de 900 a 1000 ohms, então um transformador abaixador de 900/50 (ou 19 para 1) provavelmente funcionaria bem para a maior parte das antenas deste tipo. O mesmo processo pode ser usado para determinar a quantidade de voltas. Para tornar mais fácil o seu trabalho, segue uma tabela com a quantidade de voltas tanto para o material Tipo 43 quanto Tipo 45:

Quantidade de espiras (baseado em toróides Amidon FT-114)

Antena Impedância da Antena Ferrite Tipo Enrolamento Primário Enrolamento Secundário
Beverage 450 ohms 43 31 10
Beverage 450 ohms 75 13 4
Delta 950 ohms 43 45 10
Delta 950 ohms 75 20 5

As espiras devem ser dispostas o mais próximas possível umas das outras, com o enrolamento primário o mais afastado possível do secundário e em lados opostos do toróide.

Enrolamento típico em um toroide. Observe os pontos em que foi colocada cola quente (nos extremos de cada bobina). Uso esta estratégia para manter as espiras em seu lugar.

Uso
O que ainda não discutimos é sobre as várias formas de posicionamento do transformador entre a antena e o coaxial. Infelizmente é neste ponto que deixamos o mundo da ciência e partimos para o lado da feitiçaria. Há várias maneiras para conectá-los e este é um ponto em que há muita controvérsia entre os vários esquemas de aterramento. Existem dois tipos principais de circuitos a serem discutidos:

Antenas unifilares
Existem três ou quatro opções de arranjo do circuito e a melhor provavelmente será determinada após cuidadosa experimentação. O arranjo “cientificamente superior” é mostrado como “Circuito A”. O secundário das bobinas é conectado separadamente ao aterramento. A corrente do sinal e a estática elétrica fluem da antena por meio do maior enrolamento diretamente para o aterramento. A corrente entre o aterramento e o receptor é induzida para a bobina menor. O principal ponto negativo do Circuito A é que os aterramentos individuais devem estar separados pelo menos entre 3,6 e 4,6 metros para estarem eletricamente separados. Devido a este problema com o Circuito A temos como solução o “Circuito C”. O “Circuito B” é o que Nick Hall-Patch tem usado com excelentes resultados ao longo dos anos, aterrando a malha do coaxial e mantendo-o a uma certa distância do transformador.

No Circuito C é considerado problema de interação entre os dois aterramentos separados e, assim, conecta-se o lado aterrado de ambos os enrolamentos e a malha do coaxial em um único ponto de aterramento. Este é o circuito que uso quando o ponto de alimentação da antena está entre 91 cm e 1,2 m do terra e as condições de aterramento são boas. Após escrever este artigo e tendo Nick feito algumas sugestões, tentarei algo com a configuração do Circuito B.

O Circuito D é o arranjo que os fabricantes de baluns normalmente usam. Os pontos de aterramento de ambos os enrolamentos são conectados entre si e ligados à malha do coaxial. Este é o circuito que uso para antenas de tamanho aleatório e aterro a malha pelo menos uma vez entre a antena e o receptor. Também utilizo tal circuito com êxito quando o receptor e a antena não possuem aterramento. Sei que com isso estou lidando com a possibilidade de criar problemas com a eletricidade estática e se toda a energia do sinal está chegando a meu receptor.

Loops
Felizmente, com antenas loop como a KAZ, Delta, etc, as coisas são bem mais diretas. O enrolamento maior do transformador é conectado diretamente (em série) com a loop. Um dos pontos do enrolamento menor é conectado ao condutor central do coaxial. O outro ponto do enrolamento menor pode ser conectado à malha do coaxial, aterrado ou ambos. Se o ponto de alimentação da loop estiver em torno de 30 cm ou mais do aterramento, o melhor é aterrar este ponto do enrolamento. Entretanto, se você tiver problemas para colocação de um aterramento ou o ponto de alimentação for aéreo, o enrolamento menor deve ser conectado à malha do coaxial.

Considerações finais
O último item que resta ser mencionado é o acondicionamento do transformador na caixa. Tenho certeza que a maioria dos construtores possui um método favorito. O meu se resume a fixar o transformador dentro da caixa plástica com cola quente. Em alguns casos cobri totalmente o transformador com cola quente. Às vezes penso se ela afeta ou não as propriedades magnéticas do transformador, porém, Bill Bowers fez vários testes de bancada e me assegurou que as qualidades do transformador não são afetadas.

Chegamos ao fim. Para aqueles que se interessaram, comprem alguns núcleos, fios ou dirijam-se à sucata mais próxima e mãos à obra. Que a força (magnética) esteja com você!

Artigo traduzido mediante autorização do autor. A publicação em qualquer outro meio é expressamente proibida.

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Ações

Information

2 responses

6 09 2012
Rodrigo de Araujo

“Providencial” essa tabela, muito boa!

8 09 2012
Ivan

Rodrigo,

Que o conteúdo seja útil a você e muitos outros que gostam de relaxar fazendo montagens. Vejo isso como um hobby dentro do nosso hobby.

73!

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