Calcul des selfs toroïdales
Nous ne parlerons
pas ici de la réalisation d'un bobinage sur un tore. La littérature
et le Web regorgent de conseils et d'astuces sur ce thème.
Par
contre, nous n'avons pas trouvé grand-chose sur la mesure de l'inductance
de ce genre de bobine.
Une réflexion
sur le sujet appuyée par des mesures nous a conduit à rédiger cette page.
Néanmoins, n'étant pas spécialiste, nous sommes ouvert
à toute critique constructive.
PRÉLIMINAIRE
Beaucoup de réalisations dans le domaine de la HF font appel à des tores en ferrite ou en poudre de fer. En général, le schéma fait mention de l'inductance ou du nombre de spires associés à un tore donné.
Et c'est là que l'expérimentation montre que les choses ne sont pas aussi simples qu'il n'y parait.
Premier cas : Nombre de spires
Il
est donné pour un tore de nature bien déterminée, par exemple un
FT50-43 (Ferrite) ou un T50-2 (poudre de fer).
Le calcul
lié à l'inductance spécifique AL indiquée par le fabricant va conduire
à une valeur d'inductance théorique.
Deuxième cas : Inductance en µ ou en nH
Dans ce cas, toujours avec la même inductance spécifique, par le calcul on va trouver le nombre de spires à bobiner.
Pour éviter un calcul fastidieux, on utilisera l'excellent logiciel (sans installation) de DL5SWB : Mini Tore Calculateur V1.2
Dans l'aide de ce logiciel apparaît discrètement un avertissement que nous reproduisons ci-après :
Le calcul exact d'inductance n'est pas si aisé qu'il parait
:
Les constructeurs spécifient des valeurs d'AL de
tores souvent avec des tolérances allant jusqu'à 30%.
La
perméabilité dépend de la fréquence, de la température
et du flux magnétique.
30%, fréquence, température, flux magnétique, que de conditions négligées et pourtant importantes !
On passera sur le paramètre
"flux magnétique" qui concerne l'utilisation en puissance
(PA, Baluns, etc.) pour cadrer notre approche sur les tores utilisés
dans les circuits oscillants ou d'adaptation d'impédance.
Ajoutons
également que la répartition des spires sur le tore a une influence
sur l'inductance, tout cela pour dire qu'on est loin de quelque
chose de simple !
MESURE
Nous abordons ici un point délicat. Comme toute mesure en électronique, la prudence s'impose si on ne veut pas faire une accumulation d'erreurs.
Comment
mesurer une inductance ? La première réponse est de dire "j'utilise
un inductancemètre".
Nous avons
vu un peu plus haut que la perméabilité du substrat dépend de la
fréquence. Or à quelle fréquence se fait la mesure sur ce genre
d'appareil ?
Bien souvent c'est
dans le domaine de la centaine de kHz. Et nous allons faire une
mesure sur un tore dont la limite d'utilisation inférieure est de
l'ordre du MHz ou au-delà.
Donc
mesure entachée d'erreur. C'est pour cela que deux appareils vont
donner deux valeurs différentes loin de la tolérance de mesure de
ces appareils.
Il faut donc faire la mesure aux environs de la fréquence de travail et en tout cas vers le milieu de la gamme de fréquence préconisée par le fabricant du tore.
Nous allons effectuer les mesures avec un générateur HF couplé à un fréquencemètre et un oscilloscope. Mais il va d'abord falloir réaliser un petit adaptateur qui en fait sera basé sur un circuit oscillant.
En effet, nous allons utiliser le phénomène de résonance d'un circuit composé du bobinage à mesurer branché en parallèle à un condensateur dont on connaît parfaitement la valeur. A la résonance, la tension aux bornes de cet ensemble sera maximum.
Ce
petit montage, simple d'apparence, doit être caractérisé avant toute
mesure. Il faut connaître avec précision non pas la valeur du condensateur C2 mais la capacité en pF placée aux bornes
de la self. Pour cela il faut court-circuiter l'entrée côté générateur
et mesurer avec un appareil fiable la valeur en pF de la capacité
aux bornes mesure.
Le côté mesure est laissé ouvert car on considère que l'appareil
(oscilloscope, voltmètre HF) a une forte impédance d'entrée
qui ne perturbera pas la mesure.
La valeur du condensateur C2
sera choisie en fonction de la fréquence de mesure (une centaine
de pF).
Le
condensateur C2 sera de préférence un modèle stable, genre céramique
NP0 ou mica argenté. Si ce condensateur est au mica argenté, généralement
à 1% de tolérance, on en profitera pour le mesurer et ainsi vérifier
le capacimètre.
Pour voir l'influence de l'appareil branché sur les bornes de mesure, on regardera si l'amplitude du signal change en se plaçant directement aux bornes du circuit oscillant. Si c'est le cas, il faudra faire suivre le circuit par un ampli opérationnel monté en suiveur (forte impédance à l'entrée et faible en sortie). L'expérience prouve qu'une sonde d'oscilloscope 1:10 ne perturbe pas la mesure.
Connaissant la fréquence de résonance, on en déduira la valeur de l'inductance toujours grâce au logiciel précité ou bien par le calcul : L(µH) = 25 330 / F2(MHz) x C(pF)
On pourra alors, en modifiant le nombre de spires et la répartition de celles-ci sur le tore, s'approcher de la valeur prévue.
N.B. Le calcul du facteur de qualité est possible en déterminant les deux fréquences F1 et F2 situées de part et d'autre de la résonance F0 pour lesquelles l'appareil de mesure indique -3 dB par rapport à la valeur trouvée à la résonance. Si on utilise un oscilloscope, il suffit d'ajuster l'amplitude à 7 divisions et de rechercher ces deux fréquences avec une amplitude de 5 divisions.
On a : Q = F0 / (F2 - F1)
Et pour terminer, un petit aide-mémoire à afficher dans le shack :
