Ringkernen in afgestemde kringen 1
Ringkernen of toroïden zijn ringvormige voorwerpen die als kern voor spoelen gebruikt worden. Het materiaal, waarvan deze ringkernen gemaakt zijn, is in principe hetzelfde als het materiaal van de schroefkernen in spoelvormen. In veel opzichten hebben ringkernen en schroefkernen dan ook vergelijkbare eigenschappen. Zo wordt bijvoorbeeld de zelfinductie van een luchtspoel sterk vergroot door het inbrengen van de cylindervormige schroefkern of van een ringkern; de mate waarin dit gebeurt hangt onder meer of van de permeabiliteit van het kernmateriaal of populair gezegd zijn "magnetisch geleidingsvermogen". In het algemeen zal een ringkern naar verhouding een sterkere vergroting van de zelfinductie van de luchtspoel tot gevolg hebben en dit vindt zijn oorzaak in een bijzondere eigenschap van de ringkern. Deze bezit (praktisch) Been magnetisch strooiveld, d.w.z. alle krachtlijnen lopen door de kern, omdat deze een gesloten vorm heeft.
Luchtspoelen, of spoelen met schroefkern, bezitten wel een strooiveld, dat zich in de ruimte rondom de spoel bevindt. Als gevolg hiervan is het mogelijk deze spoelen (in een LCkring) met een dipmeter te dippen, terwijl dit bij een spoel met ringkern niet zonder meer mogelijk is. Dippen van ringkernspoelen is eenvoudig mogelijk door een draad door de ring te steken en de einden te verbinden, waarna via de gevormde koppellus gedipt kan worden. Een andere, minder elegante, methode voor het dippen van ringkernspoelen (in een LCkring natuurlijk!) is lange aansluitdraden te gebruiken, die als het ware een koppellus vormen en gedipt kunnen worden.
Zoals we gezien hebben, is in het bijzonder met ringkernen een forse verhoging van de zelfinductie van luchtspoelen mogelijk, zodat met weinig windingen grote zelfinducties bereikt kunnen worden. Verder is het mogelijk de zelfinductie van ringkernspoelen met een zeer eenvoudige formule uit te rekenen, hetgeen later besproken zal worden; het berekenen van de zelfinductie van een spoel met een gewone kern is een lastige zaak! Daar staat wel tegenover dat de zelfinductie van de spoelen met schroefkern gevarieerd kan worden door in- of uitdraaien van de kern; bij ringkernen met een gekozen aantal windingen ligt de zelfinductie vast.
Ringkernen hebben dus een aantal voor- en nadelen. De eigenschap van ringkernen die het gebruik ervan zeer aantrekkelijk maakt, is het nagenoeg ontbreken van een strooiveld. Door de afwezigheid van dit strooiveld bernvloeden ringkernspoelen elkaar vrijwel niet en kunnen ze dicht bij elkaar ook tegen metalen delen zoals een chassis gemonteerd worden. Dit is natuurlijk speciaal van belang indien de spoelen deel uitmaken van kringen die op dezelfde frequentie zijn afgestemd en bij onderlinge befnvloeding aanleiding zouden geven tot ongewenst oscilleren.
Een andere belangrijke toepassing van ringkernen is die in breedband- en impedantietrafo's; op deze toepassing gaan we bier niet in, omdat dat een verhaal op zich zou kunnen zijn. Voor deze toepassingen Belden heel andere regels en in het hierna volgende beperken we ons daarom tot het gebruik van ringkernen in afgestemde kringen, zoals in preselectors, oscillatoren, zendertrappen en filters.
In veel moderne communicatie-apparatuur worden ringkernen toegepast en in diverse tijdschriftartikelen kan men ringkernen in schakelingen aantreffen.
In Amerikaanse bladen worden ringkernen toegepast (vaak van Amidon) die tot voor kort in Europa moeilijk te krijgen waren. Sinds enkele jaren is er een verkooppunt in Duitsland en sinds einde 1976 ook in Nederland. Niets staat toepassing op grote schaal nog in de weg. Met behulp van documentatie van de leverancier of op grond van eigen (Q) metingen is het mogelijk voor een bepaalde frequentie een geschikte ringkern te selecteren en het benodigde aantal windingen vast te stellen. Een en ander zal in deel II besproken worden, terwijl tevens een aantal algemene aanwijzingen gegeven zal worden omtrent het gebruik van ringkernen in afgestemde kringen. In een onderlinge vergelijking worden dan Amidon, Philips 4C6 en VRZA-ringkernen gepresenteerd.
Tot de andere bekende ringkernen behoren de 22mH/88mH ringkernen die om hun hoge zelfinductie gebruikt worden in afgestemde kringen bij LF-toepassingen zoals in CW-filters. In 1973 verscheen in Electron een drietal artikelen van de hand van PAoYS over deze ringkernen, reden waarom er hier niet opnieuw aandacht aan wordt besteed.
Er zijn een aantal manieren om de zelfinductie van een ringkernspoel via een formule te bepalen. Ik kies hiervoor de methode waarbij gebruik wordt gemaakt van de zogenaamde AL-waarde van de ringkern.
De formule ziet er dan erg eenvoudig uit:
L = AL x N2 (in nH)N is het aantal windingen en de AL-waarde voor de diverse ringkernen wordt zo gekozen dat de zelfinductie is uitgedrukt in nH (nanoHenry = 10-9H = 10-3 µH).
We kunnen ook zeggen dat AL de zelfinductie is die gevonden wordt (in nH) als slechts een winding zou worden aangebracht. Enige oplettendheid hierbij is wel op zijn plaats, om dat er enkele verschillende definities van de AL-waarde in zwang zijn.
Voor een ringkern van bepaalde afmetingen en een bepaald materiaal ligt de AL-waarde vast, zodat het berekenen van de zelfinductie bij verschillende windingsaantallen een peuleschil is. Is van een ringkern de AL-waarde bijvoorbeeld 100 (H20) en brengen we 10 windingen aan, dan is de zelfinductie van deze spoel:
L = AL x N2 = 100 × 102 = 100 × 100 = 10.000 nH = 10 µH
Voor degenen die willen rekenen met de permeabiliteit van het kernmateriaal volgt hieronder de desbetreffende formule:
Waarbij:
μ = permeabiliteit van het kernmateriaal
N = aantal windingen
0 = oppervlak van de ringdoorsnede (in cm2)
R = gem. straal ringkern = [R(uitw.) + R(inw.)]/2 (in cm)
Opmerking van de redactie
Het is wellicht nuttig er op te wijzen, dat ringkernspoelen wel een uitwendig veld hebben; namelijk her veld van een eenwindingsspoel met dezelfde afmetingen als de ringkern. Hoewel het uitwendig - magnetisch - veld dus praktisch gezien zeer zwak is, kan het bij hoge Q-factor (opslingering) tot aanzienlijke koppeling leiden. Monteert men b.v. twee ringkernspoelen vast op elkaar, dan kan bij Q-factors in de orde van 100 zelfs kritische koppeling worden verkregen.
Bij transformatoren met E of M kern, zijn er in feite twee ringkern-circuits voor het magnetisch veld, zodat het uitwendig veld sterker geconcentreerd wordt in de direkte nabijheid van de kern. Door het aanbrengen van een kortsluitwinding (koperfolie) om de gehele kern en parallel met de wikkeling, wordt dus - door magnetische inductie - een vrijwel to tale cornpensatie van het uitwendige veld verkregen.
Potkernen bestaan theoretisch uit oneindig veel ringkern-circuits; omdat de permeabiliteit van her kernmateriaal echter niet oneindig groot is, verloopt toch een deel van her magnetisch veld buiten de potkern en wel des te meer naarmate de permeabiliteit kleiner is. Potkernen vervaardigd van KG-materiaal (of carbonylijzer) hebben dus ook een niet te verwaarlozen uitwendig veld. Ook bij potkernen wordt een kortsluitwinding gebruikt ter cornpensatie van her strooiveld: dit is niets anders dan een afschermbus van goed geleidend ma teriaal (aluminium of koper). PA0LTO.
PA0EJM.