Тест катушек индуктивности с сердечником

 

  Проблематика

Очень часто в сети поднимаются споры о том какие катушки индуктивности, с сердечником или без, лучше использовать в НЧ секции кроссовера АС. Безусловно, воздушные катушки имеют гораздо лучшие электрические характеристики, за исключением омического сопротивления, и одновременно просто неприличные массо-габаритные параметры. Омическое сопротивление можно значительно уменьшить, используя провод или ленту большего сечения, но, в итоге, получаем катушку громадных размеров и такой же стоимости, которая к тому же является приличной излучающей антенной и не всегда может поместиться внутри АС.

Вообще говоря, если басовый динамик имеет низкую полную добротность, Qts менее 0.3, то дополнительное сопртивление катушки в НЧ фильтре никогда не повредит и можно смело использовать воздушную катушку с вменяемым сечением провода и габаритными размерами. Получаем бескомпромиссный вариант, только необходимо на этапе проектирования корпуса АС учесть эффект влияния дополнительного сопротивления. Такой путь позволит вытянуть немного более низкую граничную частоту АС ценой небольшой уступки в чувствительности и габаритах корпуса.

Но, что делать, если добротность динамика достаточно высока и впритык стыкуется с объемом уже имеющегося корпуса? Как раз с таким случаем мне пришлось столкнуться при разработке АС. Динамик Lambda Acoustics TD15X с мотором повышенной линейности "Apollo" в закрытом ящике объемом 165 литров уже имеет добротность Qts=0.73 - на грани допустимого. Дизайн кроссовера требует две катушки с индуктивностью 5.6 мГн и 3.3 мГн. Естественно, хочется применить воздушные катушки, чтобы не вносить дополнительную нелинейность и не свести на нет труды разработчиков динамика. Расчеты показали, что катушки с воздушным сердечником будут иметь следующие параметры:

5.6 мГн - R=0.43 Ома, диаметр провода 2 мм, диаметр катушки 130 мм, высота 30 мм, масса 2,23 кг.
3.3 мГн - R=0.31 Ома, диаметр провода 2 мм, диаметр катушки 110 мм, высота 30мм, масса 1,62 кг.

Шутка ли, общий вес катушек 7.7 кг? А габариты и размещение их в корпусе АС?

Суммарное сопротивление двух последовательно включенных катушек дает R=0.74 Ома, что приводит к добротности динамика в корпусе Qts=0.81 и потере чувствительности 0.91 дБ.

Имеется альтернативный вариант - применить катушки с сердечником  "Sledgehammer" Steel Laminate 3.3 mH 15 AWG (сопротивление 0.185 Ома) и "Sledgehammer" Steel Laminate 5.0 mH 15 AWG (сопротивление 0.24 Ома). Катушку 5 мГн можно домотать до 5.6 мГн проводом 2 мм, и выйти на сопротивление 0.25 Ома. В итоге, получаем суммарное сопротивление двух катушек 0.435 Ома и полную добротность динамика 0.78 и потерю в чувствительности 0.5 дБ. Близким аналогом этих катушек являются катушки MCoil FERON (Mundorf) серии BS140. Сердечники обеих типов катушек набраны из пластин электротехнического железа толщиной 0.35 мм.

С точки зрения итоговой добротности, потери чувствительности, габаритов, массы и цены однозначное преимущество у катушек с сердечником. А как насчет качества? Не будут ли они насыщаться при больших токах? Насколько нелинейность сердечника скажется на общей линейности системы динамик + катушки? 

К сожалению, никто из производителей катушек с сердечниками не приводит никаких внятных данных о поведении их изделий при больших токах. С этой проблемой приходится сталкиваться разработчикам АС и принимать на веру заявления производителя типа "High current design", даже не предполагая, что скрывается за этими словами. Ну, что ж, остается самим провести лабораторную работу и закрыть для себя этот вопрос раз и навсегда. 

С этой целью была собрана простая схема для проведения измерений. Синусоидальное напряжение подавалось от усилителя мощности с максимальным выходным током, ограниченным внутренней защитой, на последовательную цепочку из испытуемой катушки и измерительного добавочного резистора сопротивлением 0.1 Ом, в виде трех параллельно соединенных резисторов 0.3 Ома мощностью 5 Вт. Сигнал с добавочного резистора подавался на анализатор спектра. Измерения проводились на частотах 20, 50, 100, 200 и 500 Гц при токах от 1 до 8 Ампер. В качестве эталона для сравнения результатов использовались измерения ленточной катушки с воздушным сердечником Mundorf CFC14 6.8 мГн.

Ниже приводятся диаграммы результатов измерений. Анализируя диаграммы, имейте в виду, что при сопротивлении нагрузки-динамика 4 Ома (8 Ом), токи от 1 до 8 Ампер соответствуют следующим мощностям нагрузки:

1 А - 4 Вт (8 Вт для 8 Ом)
2 А - 16 Вт (32 Вт для 8 Ом)
3 А - 36 Вт (72 Вт для 8 Ом)
4 А - 64 Вт (128 Вт для 8 Ом)
5 А - 125 Вт (250 Вт для 8 Ом)
6 А - 144 Вт (288 Вт для 8 Ом)
7 А - 196 Вт (392 Вт для 8 Ом)
8 А - 256 Вт (512 Вт для 8 Ом)

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 3.3 mH на частоте 50 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 3.3 mH на частоте 100 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 3.3 mH на частоте 200 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 3.3 mH на частоте 500 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 5 mH на частоте 20 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 5 mH на частоте 50 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 5 mH на частоте 100 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 5 mH на частоте 200 Гц

  Измерения катушки Sledgehammer Steel Laminate 5 mH на частоте 500 Гц

  Измерения катушки Mundorf CFC14 6.8 5 mH на частотах 50 Гц/8 Ампер и 200 Гц/4 Ампера

  Измерения АЧХ цепей с катушками Sledgehammer 3.3 mH, 5 mH и Mundorf CFC14 6.8 mH

  Итоги

Итак, какие же выводы можно сделать из анализа этого массива диаграмм?

1. Для катушек с сердечником стабильно обнаруживается зависимость между уровнем нелинейных искажений и величиной проходящего тока
2. Искажения катушек с воздушным сердечником не зависят от тока. В принципе, так и должно быть.
3. Амплитудно-частотные характеристики катушек с сердечником и без в диапазоне частот до 5 кГц практически не отличаются друг от друга.
4. С повышением частоты от 20 Гц до 500 Гц нелинейные искажения катушек с сердечником незначительно растут. К примеру, для катушки 5 мГн увеличение составляет в 2 раза.
5. Минимальный уровень нелинейных искажений для одного из самых лучших с этой точки зрения динамиков Lambda Acoustics TD15X при напряжении 11.2 Вольта, что соответствует току примерно 1.5 Ампера (порядка 18 Вт), составляет -50 ÷ -53 dB, в то время как собственный уровень искажений катушки 3.3 мГн составляет -80 дБ, а катушки 5 мГн -76 дБ. Даже при величине тока 8 А, что соответствует мощности приблизительно 512 Вт, искажения катушки 5 мГн не превышают -59 дБ.

Все это говорит о том, что катушки с сердечниками типа Sledgehammer Steel Laminate AWG15 и Mundorf MCoil FERON могут смело использоваться в цепях НЧ фильтров высококачественных акустических систем с самыми линейными НЧ динамиками без риска заметного снижения качества звучания.