Ringkern raadsels
Toen de transistor zo'n 30 jaar geleden betaalbaar werd vond ik dat ik daar ook verstand van moest hebben. Dikke boeken werden geleend en gekocht. Prachtige verhalen stonden daarin. Over electronen, holen en gaten, en natuurlijk de onvermijdelijke wiskunde.
lk heb een goede opleiding 'genoten' - zo'n genot was het niet - maar een dergelijke theoretische en wiskundige benadering van een technisch probleem is aan mij niet be-steed. Na al het gelees was me nog steeds onduidelijk 'wat & hoe' je met een transistor kunt doen. Moest ik nog zo'n duur boek kopen?
Dat zag ik niet meer zitten en heb het geld voor het volgende boek be-steed aan een paar transistoren, twee meters en grafiekpapier. Na een avond meten en grafieken tekenen was het me volkomen duidelijk wat er met transistoren mogelijk is. lk had ook ontdekt dat torren (te) heet kunnen worden en dat er stromen en spanningen zijn waarbij ze de geest geven.
Kortom, al lang geleden bleek dat deze onderzoekende, met een mooi woord 'empirische' methode, voor mij zo gek nog niet is. De kosten van empirisch leren zijn gering -een paar dooie torren, de meters gebruik ik nog steeds- en weken van studie worden in eon avond omgezet in een praktisch resultant.
Een vreemde vogel vonden ze mij toen ik nog van het onderwijs genoot. Zeer hoge cijfers haalde ik voor natuurkunde en de echt technische vakken. Voor de verschillende soorten wiskunde regende het onvoldoendes. 'Dat kan niet', riep iedereen die er verstand van had: 'Techniek, natuur- en scheikunde kan je niet zonder wiskunde bedrijven!' Eigen'wijs' ben ik altijd geweest en ik ben het bewijs dat techniek zonder wiskunde wel kan; meten is te weten komen. Historisch gezien zijn wetenschap en techniek tot bloei gekomen door het empirische onderzoek.
Eerst wordt iets bijzonders waargenomen, vervolgens wordt er systematisch aan gemeten en dan weten we 'hoe het zit'. En als we weten hoe het zit kunnen we 'het' vastleggen in een Wet met vaak een formule er bij. Vervolgens gebeurt er een tijd niets en dan pas gaan theoretici en wiskundigen zich er mee bemoeien. Zij maken 'het' abstract en daarmee voor praktische geesten on(be)grijpbaar. Een wonderlijke kringloop. De practici vinden uit hoe het zit en weten het dan. Vervolgens stoeien de abstracten er een tijdje mee en proberen de practici die de ontdekking deden er van te overtuigen dat ze van 'het' eigenlijk maar erg weinig weten. Een practicus laat zich daardoor niet zo snel van de wijs brengen . . maar de volgende generatie die via het onderwijs van de ontdekking op de hoogte moet worden gesteld zal met voile teugen het abstracte verhaal moeten 'genieten'. Vrijwel iedere leraar en vrijwel iedereen die een (les)boek schrijft is er op uit om zijn medegeleerden te laten zien hoe knap hij wel niet is. De leraar/schrijver snapt alle formules, kan er mee goochelen en abstract denken. Van zijn eigenlijke taak: het zo snel en zo goed mogelijk aan de leerling overbrengen hoe 'het' zit, daar komt vaak maar bitter weinig van terecht. Mijn manier om een nieuwe techniek te gaan beheersen draait er na het lezen en studeren (soms snap ik het dan) toch vaak op uit dat de meters en het grafiekpapier van stal worden gehaald.
Ringkernen
De ringkernen begonnen mode te worden en daar wilde ik ook eens mee spelen. Op een van de vele radio-markten kocht ik een assortiment ringkernen, een plastic doosje met daarin grote en kleine, zwarte, witte en groene ringen, plus een onleesbaar en onbegrijpelijk papiertje dat de eigenschappen van de nieuw verworven schatten uit de doeken moest doen.
In principe wijkt een op een ringkern gewikkelde spoel niet veel of van een gewone spoel. De kern is rondgebogen tot een ring waardoor het magnetische veld niet meer door de lucht behoeft te gaan. Dit heeft twee voordelen:
- Een spoel op een ringkern heeft een zeer klein strooiveld en pikt ook weinig (geen) storing van buiten op.
- Lucht is een slechte magnetische geleider en omdat er met een ringkern geen 'weg door de lucht' meer is heerst er een grotere veldsterkte in de kern van een ringkern dan in een 'gewone' spoel. De konsekwentie hiervan is dat er bij gebruik van een ring-kern veel minder windingen nodig zijn dan bij een gewone spoel om dezelfde zelfinductie te realiseren.
Net als bij een gewone spoel neemt de zelfinductie toe met het aantal wikkelingen in het kwadraat. De volgende formule komt u in de meeste handboeken over ringkernen tegen:
Wilt u de waarde van de spoel L of het aantal windingen 'n' dat voor die waarde nodig is weten dan heeft u Af nodig. Af is een faktor die afhankelijk is van de afmetingen en het gebruikte materiaal van de ringkern. Af is een theoretische waarde die betrekking heeft op 100 (soms 1000) windingen en is bestemd om te kunnen rekenen.
Om met de ringkernen uit het 'assortiment' spoelen met een gewenste zelfinductie te kunnen maken is het dus zaak om de Af-waarde van de ringen te bepalen. Als we 'n aantal windingen nemen en de zelfinductie opmeten moet, met een weinig rekenwerk, die Af-waarde te bepalen zijn. Zo gezegd, zo gedaan. In een poging tot nauwkeurigheid werden per ringkern tenminste twee metingen gedaan. Een meting met veel windingen en een meting met weinig windingen. Tot nauwkeurigheid leidde deze methode echter niet: het bleek onmogelijk te zijn om op basis van de metingen een eensduidige Af-waarde te bepalen. Het leek wel of de eigenschappen van de kern tijdens de metingen veranderden.
lk kwam er niet uit en het assortiment bleef in z'n plastic doosje op de werkbank rondslingeren. Af en toe probeerde ik het nog eens om er een spoeltje mee te maken, zonder succes. De grote exemplaren hebben hun weg inmiddels gevonden als 'ontstoorders' en in baluns en HFtrafo's die wel hun werk deden en doen.
Een paar jaar geleden kwam een mede-amateur aan de deur met on-der zijn arm een schoenendoos... een uit de hand gelopen QRP bouwprojekt. Een van de weinige delen die het wel deed was de oscillator en die was uitgevoerd met een ring-kern. Een VFO met ringkern dat is vloeken in de kerk. De 'deskundigen' zijn het er over eens dat met een ringkern geen stabiele oscillator gebouwd kan worden. Nadat ik eindeloos met C-tjes in de weer ben geweest is het verloop nu minder dan 10 Hz/24 uur op 80-meter. De kern was er eentje van Amidon, de T50/2. (T = ijzerpoeder FT = ferriet 50 = diameter = 0,5' en /2 is het materiaal (frequentiegebied). In de documentatie van Amidon wordt voor deze ring een Af = 4,9 aangegeven en bij het narekenen van deze spoel klopt de gegeven formule als een bus.
Na deze positieve ervaring heb ik vaker de ringkernen uit ijzerpoeder gebruikt, o.a. voor de afgestemde kringen van het frontend van mijn 50MHz transceiver. De formule geeft steeds de gewenste spoelen. Een voorbeeld:
Gewenste spoel: L = 0,33 µH Kern: T37/2 met Af = 40
n = 1001 × (0,33/40) = 1001 × 0,00825 = 100 × 0,09 = 9 wdg
Na het wikkelen voldeed de spoel aan de gewenste specificaties. Merk op dat de draaddikte niet in de formule voorkomt. Deze speelt dal) ook geen rol, ook niet bij 'gewone' spoelen!
De tabel geeft een overzicht van veel voorkomende Amidon ringkernen.
| Type | Diam | Af | Freq | Kleur/power |
|---|---|---|---|---|
| T68/1 | 17 | 115 | 0,2-10 | blauw |
| T37/28 | 40 | 3 | 50 | rood |
| T50/2 | 12½ | 49 | 2-50 | rood |
| T68/2 | 17 | 57 | 130? | rood 35 W |
| T80/2 | 20 | 80 | 130 | rood 50 W |
| T106/2 | 27 | 135 | 130 | rood 100 W |
| T68/3 | 17 | 195 | 0,055 | grijs |
| T37/6 | 10 | 31 | 5-40 | geel |
| T50/6 | 12½ | 40 | 3-40 | geel |
| T68/8 | 17 | 47 | 2-40 | geel |
| T37/10 | 10 | 25 | 20-150 | zwart |
| T50/10 | 12 | 30 | 10-100 | zwart |
| T37/12 | 10 | 15 | 30-400 | groen/wit |
| T50/17 | 12 | 18 | 25-300 | geel/blauw |
Maar er zijn er nog veel meer!
Wat is nu het verschil tussen de ringen uit 'het assortiment' waarvan geen Af-waarde is vast te stellen en de besproken Amidon kernen? Aan het merk zal het niet liggen. Het assortiment bevat ringen van o.a. Philips en deze firma behoort tot de pioniers onder de ferrietfabrikanten. Het ziet er naar uit dat het materiaal ferriet heel anders reageert dan ijzerpoeder. Het vermoeden begon te ontstaan dat de zelfinductie van ferrietringkernspoelen verandert met de gebruikte frequentie. Bij het me-ten verandert nl. de frequentie en die verandering is afhankelijk van het meetinstrument en soms van het meetbereik waarop gemeten wordt. Daarom werd een nieuwe serie metingen gestart met de veelzijdige RF-1. Met dit instrument is het mogelijk om met verschillende frequenties de zelfde spoel te meten. (Zie voor een uitgebreide bespreking van de RF-1 CQ-PA '95/10.)
Ook nu weer, na ruim een uur meten was van het gedrag van 5 kernen een grafiek getekend en nu weet ik het!
Van de 5 geteste ringkernen veranderen er inderdaad drie met de frequentie en van die drie zijn er met zekerheid twee van ferriet en de der-de een onbekende uit het assortiment. Van de andere twee, die binnen een paar % hun waarde houden, is er eentje doelbewust gekozen met ijzerpoeder - als controle - en zal de andere, een paarse Philips, waarschijnlijk geen ferriet bevatten maar ook ijzerpoeder.
Ferriet #1: Amidon FT50/43 Y12,5 mm met 3½ wdg
L = 6 µH @ 1,1 MHz L = 2,02 µH @ 22 MHz Freq. = 1:20 L = 3:1
Ferriet #2: assortiment zwart tot grijs Y9 mm met 2 wdg
L = 2,1 µH @ 1,1 MHz L = 0,18601 @ 36 MHz Freq. = 1:33 L =1 1,3:1
Ferriet# 3: Philips blauw Y15 mm met 3 wdg
L = 15,1 µH @ 1,1 MHz L = 0,405 µH @ 36 MHz Freq. = 1:33 L = 37,2:1
In de grafiek kunt u zien dat het verloop geleidelijk gaat en verschillende soorten ferriet hun eigen gemiddelde 'steilheid' kennen. Om een spoel met een vaste waarde te wikkelen lijkt ferriet ongeschikt maar een smoorspoel uit dit materiaal krijgt een vrij constante impedantie over een groot frequentiegebied.
Bij 1,1 MHz heeft de blauwe kern dan een impedantie van X = 2πfL = 6,28 × 1,1 M × 15,1 µ = 104 Ω en bij 36 MHz: 6,28 × 36 M × 0,405 µ = 99 Ω. Ook al is er zo op het oog geen reden voor parasitaire oscillaties als een dergelijke 'choke' in een breedbandeindtrap wordt toegepast, de praktijk leerde dat het verstandig is om een dempende weerstand parallel te schakelen (R = 5 maal XL).
Een kern van ferriet is eerder verza digd dan eentje van ijzerpoeder. Gebruik voor breedband trafoos en baluns bij grote vermogens een grote kern! Ferriet is een goed materiaal voor breedband toepassingen.
De MLB
Sinds de MLB, in het Nederlands 'Magnetische Langdraad Balun', voor de luisteramateurs opdook heeft deze balun heel wat mensen aan het piekeren gezet: 'hoe werkt ie?'. Er zit wat ferriet in en menigeen heeft aan het gebruikte ferriet een bijzondere eigenschap toegedacht . . . de permeabiliteit van het materiaal zou -heel geheimzinnig- afhangen van de frequentie.
Uit de metingen blijkt dat er niets geheimzinnigs plaatsvindt: een veranderende permeabiliteit is een normale eigenschap van ferriet!
Een te korte antenne, < ¼λ, kunnen we verlengen met een spoel in serie, de verlengspoel. (In het Nederlands wordt deze spoel meestal een 'loading coil' genoemd en een langdraad' is over het algemeen erg kort t.o.v. de golflengte.) Voor lage frequenties is de antenne erg te kort en dan moet er veel spoel bij. Voor hoge frequenties kan de spoel wel verdwijnen. Nou daar is ferriet prima spul voor, maar het zal wel een heel gedoe zijn om de juiste soort en het aantal windingen te bepalen.
lJzerpoeder
Goed te gebruiken voor afgestemde kringen.
Ferriet
Voor breedband toepassingen zoals baluns, HF-trafoos, smoorspoelen, ontstoring.
Ferriet is vrij snel verzadigd en wordt dan warm tot heet.
Te heet geworden ferriet kan BLIJVEND zijn oorspronkelijke eigenschappen verliezen. Neem een grote ringkern.
Bastiaan, PA3FFZ.