Teoria

Induttori su nucleo toroidale

 

Toroidi

Le bobine su nucleo toroidale hanno il pregio di ottenere un'induttanza con fattori di merito Q molto alti 150 - 300, inoltre, essendo il nucleo fisicamente un anello, il flusso magnetico Ŕ chiuso su se stesso, perci˛ non vi sono dispersioni e la vicinanza di altri toroidi non ne compromette le caratteristiche. Al contrario con le normali bobine si usano schermi metallici o si orientano tra di loro di un angolo di 90░. Queste caratteristiche rendono favorevole e diffuso l'utilizzo di nuclei toroidali fino alle VHF, con ampia scelta di miscele ferromagnetiche.

Caratteristiche

I nuclei sono individuati da una sigla del tipo T - xx - yy, dove T sta a significare toroide, xx Ŕ un numero che indica il diametro in pollici e yy il tipo di miscela ferromagnetica. La sigla non Ŕ scritta esternamente perci˛ i nuclei toroidali si riconoscono misurandone le dimensioni e individuando il tipo di miscela in base ad un codice di due colori.

Dimensioni
NucleoDiametro esterno
(mm)
Diametro interno
(mm)
Altezza
(mm)
Sezione
(cm2)
T-123.181.571.270.010
T-164.061.981.520.016
T-205.082.241.780.025
T-256.353.052.440.042
T-307.803.843.250.065
T-379.535.213.250.070
T-4411.185.824.040.107
T-5012.707.624.830.121
T-6817.539.404.830.196
T-8020.2012.576.350.242
T-9423.9314.227.920.385
T-10626.9214.4811.100.690
T-13033.0219.8111.100.73
T-15739.8824.1314.481.14
T-18446.7424.1318.032.04
T-20050.8031.7513.971.33
T-200A50.8031.7525.402.42
T-22557.1535.5613.971.50
T-225A57.1535.5625.402.73
T-30076.2048.7712.701.81
T-300A76.2048.7725.403.58
T-400101.6057.1516.513.66
T-400A101.6057.1525.407.43
T-520132.0878.2320.325.46
Miscela
Miscela1░ colore2░ coloreFrequenzau
0MarroneGrigio100 - 3001
1BluGrigio0.5 - 520
2RossoGrigio2 - 3010
3GrigioGrigio0.05 - 0.510
6GialloGrigio10 - 508
7BiancoGrigio1 - 259
10NeroGrigio30 - 1006
12VerdeBianco50 -2004
15RossoBianco0.1 - 525
17BluGiallo40 - 1804
26GialloBiancorete75

Il primo colore Ŕ quello che ricopre tre facce su quattro del nucleo. Il secondo ricopre la rimanente.

  • Materiale 0: Usato molto comunemente per frequenze superiori ai 100 MHz. A causa delle caratteristiche l'induttanza risultante dal calcolo con il valore di AL dato non Ŕ accurata, essa varia anche in base alla tecnica utilizzata per realizzare l'avvolgimento.
  • Materiale 1: Carbonyl C, molto simile al tipo 3 ma con maggiore resistivitÓ volumetrica e migliore stabilitÓ.
  • Materiale 2: Carbonyl E, grande resistivitÓ volumetrica. Offre elevato valore di Q nel range di frequenze da 2 a 30 MHz.
  • Materiale 3: Carbonyl HP, eccellente stabilitÓ e buon valore di Q per le basse frequenze da 50 a 500 KHz.
  • Materiale 6: Carbonyl SF, offre un Q molto buono e stabilitÓ termica nel range di frequenze da 20 a 50 MHz.
  • Materiale 7: Carbonyl TH, molto simile al materiale 2 e 6, ma offre migliore stabilitÓ termica. Range di frequenza da 5 a 35 MHz.
  • Materiale 10: Polvere di ferro W, offre un buon Q e grande stabilitÓ da 40 a 100 MHz.
  • Materiale 12: Ossido sintetico, offre un buon Q e una moderata stabilitÓ da 50 a 200 MHz. Se l'elevato Q Ŕ di primaria importanza questo materiale Ŕ una buona scelta, altrimenti si consideri la miscela 17.
  • Materiale 15: Carbonyl GS6, ha eccellente stabilitÓ e un buon Q. Una buona scelta per la banda broadcast commerciale.
  • Materiale 17: Simile al materiale 12 eccetto che per una migliore stabilitÓ termica. Tuttavia ha un Q peggiore del 10% tra 50 e 100 MHz e fino al 20% oltre.
  • Materiale 26: Ha la permeabilitÓ maggiore di tutti i nuclei in polvere di ferro. Utilizzato per filtri EMI e DC. Simile al vecchio materiale 41 ma con un maggior range di frequenza.

Le miscele utili agli sperimentatori radio sono la 2, 6 e 12, di conseguenza si trovano facilmente dai rivenditori specializzati in materiale elettronico per radioamatori.

Calcolo del numero di spire

Le formule permettono di ricavare i dati desiderati, in funzione di ci˛ che Ŕ noto in partenza. Scelto il tipo di nucleo da adoperare si ricava dalla tabella seguente il valore di AL, che rappresente l'induttanza in micro Henry che avrebbe un avvolgimento di 100 spire realizzato su quel tipo di nucleo, volendo realizzarne un induttore di induttanza L (uH), il numero di spire N da avvolgere Ŕ dato dalla formula:
N = 100 x [ ( L / AL ) ^ 0.5 ]
dove ^ 0.5 rappresenta la radice quadrata.
Quindi si verifica, in base al diametro del filo da utilizzare, se le N spire sono inseribili sul tipo di nucleo scelto, altrimenti se ne sceglie uno pi¨ grande e si ripete il calcolo. Un avvolgimento ideale deve coprire circa 3/4 della circonferenza del nucleo.

Esempio: disponendo di un Toroide tipo T-106-6 e volendo ottenere dall'avvolgimento 50 uH si trova nella tabella il valore di AL, in corrispondenza a T-106 e miscela ferromagnetica 6, AL = 116. Si divide L = 50 con AL = 116, ottenendo il valore 0.43, da questo si ricava la radice quadrata uguale a 0.66 e infine le spire moltiplicando per 100, cioŔ N = 66 spire circa.

Valori di AL (uH/100 spire)
 Miscela
Nucleo0123671012151726
T-123.04820601718127.5507.5 -
T-163.044226119 - 138.0558.0145
T-203.5522776222416106510180
T-254.57034100272919128512235
T-306.08543140363725169316325
T-374.98040120303225159015275
T-446.51055218042463318.516018.5360
T-506.41004917540433118.013518320
T-687.5115571954752322118021420
T-808.5115551804550322217022450
T-9410.61608424870 - 5832200 - 590
T-10619325135450116133 - - 345 - 900
T-1301520011035096103 - - 250 - 785
T-157 - 320140420115 - - - 360 - 970
T-184 - 500240720195 - - - - - 1640
T-200 - 250120425100105 - - - - 895
T-200A - - 218760180 - - - - - 1550
T-225 - - 120424100 - - - - - 950
T-225A - - 215 - - - - - - - 1600
T-300 - - 114 - - - - - - - 800
T-300A - - 228 - - - - - - - 1600
T-400 - - 185 - - - - - - - 1300
T-400A - - 360 - - - - - - - 2600
T-520 - - 207 - - - - - - - 1460
Numero di spire inseribili
 Filo (AWG / diametro mm)
Nucleo10 2.5912 2.0514 1.6316 1.2918 1.0220 0.8122 0.6424 0.5126 0.4028 0.3230 0.2532 0.2034 0.1636 0.1338 0.0140 0.08
T-120001112458111521293747
T-1600111335811162129384963
T-2001113456914182533435672
T-2511134571115212837486279101
T-301134571115212837486278101129
T-37135791217233141536787110140177
T-443567101520273546607697124157199
T-505681116212837496381103131166210265
T-68791215212836476179101127162205257325
T-8081217233039516684108137172219276347438
T-94101420273545587596123156195248313393496
T-106101420273545587596123156195248313393496
T-13017233040516683107137173220275348439550693
T-157222938506482104132168213270336426536672846
T-184222938506482104132168213270336426536672846
T-20031415368861091391762232823574455627078861115
T-22536466077981231561982503174004996317939931250
T-300526685108137172217274347438553688870109313681721
T-40061791001271612022553224075136488061018127815432013
T-5208611014916022327934944355970688911051396175321922758

 

Viceversa noto il tipo di nucleo e il numero di spire N che realizzano un dato avvolgimento, l'induttanza L in micro Henry Ŕ data dalla formula:
L = ( N x N x AL ) / 10000

Considerazioni sulla potenza

Quando i nuclei sono utilizzati in circuiti di potenza diventa fondamentale determinare quanta ne pu˛ sopportare un determinato tipo di nucleo. Vi sono diversi fattori da considerare: la sezione trasversale del nucleo, la miscela, il numero di spire e certamente la tensione applicata all'avvolgimento e la frequenza operativa. La densitÓ di flusso massima B (in Gauss) applicata pu˛ essere calcolato con la formula: B = ( E x 100 ) / ( 4.44 x S x N x f )
con E valore rms della tensione applicata (V), S sezione (cm2), f frequenza (MHz).
E' buona norma non superare i valori in tabella.

Frequenza100 KHz1 MHz7 MHz14 MHz21 MHz28 MHz
DensitÓ di flusso50015057423630

 

Questi valori variano solo leggermente con il tipo di miscela del nucleo, al contrario all'aumentare del flusso si ha un incremento della permeabilitÓ del nucleo, effetto molto pi¨ marcato sui nuclei di miscela con permeabilitÓ pi¨ grande. Con una densitÓ di flusso elevata il nucleo si riscalda eccessivamente, questo Ŕ il modo pratico per constatare se Ŕ necessario utilizzarne un tipo pi¨ grande. Un secondo problema Ŕ quello della saturazione, che genera degrado delle prestazioni, decremento della permeabilitÓ, fino ad arrivare all'inoperabilitÓ. Ma usualmente i problemi dovuti al surriscaldamento giungono molto prima di quelli dovuti alla saturazione.

Produttori


Autore: Gianfranco IZ8EWD, Biagio M.
Data di pubblicazione: 06/2006

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