Induttori su nucleo toroidale

Le bobine su nuclei toroidali sebbene più costose hanno il pregio di ottenere un'induttanza con fattori di merito Q molto alti 150 - 300. Anche se il circuito progettato è a larga banda il Q si mantiene comunque alto. Altra caratteristica è che essendo fisicamente un anello, il flusso magnetico è chiuso a se stesso, perciò non vi sono dispersioni ma ancor più la vicinanza di altri toroidi non ne compromette l'idoneità. Al contrario con le normali bobine si usano schermi metallici o si orientano tra di loro di un angolo di 90°. Spesso le formule sono il cruccio di molti sperimentatori, con quelle assai semplici che accompagnano la progettazione con nuclei toroidali si ottengono valori precisi di induttanza in microhenry. Queste caratteristiche come avrete dedotto sono a favore dei nuclei toroidali e il loro impiego è assai diffuso. Rimane poi da considerare che vi sono in commercio dei valori di miscela ferromagnetica diversi che assicurano il rispetto delle caratteristiche date in un determinato range di frequenze. Si possono comunque usare nuclei toroidali per una frequenza superiore di 10 volte a quella per cui sono stati costruiti, precisando però che ciò va a discapito del fattore di merito Q. Il produttore più noto è la Amidon.

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

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 è 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 resistività volumetrica e migliore stabilità.

Materiale 2: Carbonyl E, grande resistività volumetrica. Offre elevato valore di Q nel range di frequenze da 2 a 30 MHz.

Materiale 3: Carbonyl HP, eccellente stabilità e buon valore di Q per le basse frequenze da 50 a 500 KHz.

Materiale 6: Carbonyl SF, offre un Q molto buono e stabilità termica nel range di frequenze da 20 a 50 MHz.

Materiale 7: Carbonyl TH, molto simile al materiale 2 e 6, ma offre migliore stabilità termica. Range di frequenza da 5 a 35 MHz.

Materiale 10: Polvere di ferro W, offre un buon Q e grande stabilità da 40 a 100 MHz.

Materiale 12: Ossido sintetico, offre un buon Q e una moderata stabilità da 50 a 200 MHz. Se l'elevato Q è di primaria importanza questo materiale è una buona scelta, altrimenti si consideri la miscela 17.

Materiale 15: Carbonyl GS6, ha eccellente stabilità e un buon Q. Una buona scelta per la banda broadcast commerciale.

Materiale 17: Simile al materiale 12 eccetto che per una migliore stabilità termica. Tuttavia ha un Q peggiore del 10% tra 50 e 100 MHz e fino al 20% oltre.

Materiale 26: Ha la permeabilità 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 ciò che è 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 una di valore L (uH) il numero di spire N da avvolgere è 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 più grande e si ripete il calcolo.

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, cioè N = 66 spire circa.

Viceversa noto il tipo di nucleo e il numero di spire N che realizzano un dato avvolgimento, l'induttanza L in micro Henry è 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 può 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 densità di flusso massima B (in Gauss) applicata può 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.

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

Gianfranco, Biagio - Pianeta Radio - pianetaradio@pianetaradio.it