Ringkern raadsels 2
In CQ-PA nr. 6/97 heb ik op basis van metingen het geheimzinnige gedrag van ringkernen uit de doeken gedaan. Uit de reacties blijkt dat het verhaal nog de nodige aanvulling behoeft.
Ook Arend PE1PVB heeft zo'n setje onduidelijke ringkernen gekocht en er in eerste instantie niets mee kunnen doen. Het stukje in CQ-PA heeft weliswaar heel wat van het geheimzinnig gedrag verklaard, maar Arend hield toch nog een geheimzinnig geval over.
Net als ik heeft hij een trafo gemaakt die naar omlaag, van 50 Ω naar 12,5 Ω moest transformeren. (Zie dezelfde CQ-PA 6, blz. 199, fig. 3.) Er was echter een verschil, mijn trafo deed het uitstekend op 160 m maar Arend gebruikte de trafo in een antennetuner en dat gaf, bij die toepassing, enorme verliezen te zien.
Toch maar eens een boek over ferrietkernen erbij gehaald en langzaam begon duidelijk te worden wat er aan de hand is.
In principe is er geen verschil tussen het gedrag van een ferrietkern en dat van een ijzerpoederkern. Deze stelling die Arend aantrof in een boek van Philips en ik in een boek van Siemens lijkt in tegenspraak met de suggestie die in CQ-PA nr. 6 werd gelanceerd. Toen werd wel een kenmerkend verschil gevonden.
Het blijkt dat beide materialen een 'kritische' frequentie kennen. Voor frequenties lager dan de kritische is de vrijwel onafhankelijk van de frequentie en gedraagt een spoel zich zoals een spoel behoort te doen. Dit gedrag werd gemeten aan ijzerpoederkernen. Voor frequenties boven de kritische frequentie verandert de met de frequentie met als gevolg dat een spoel dan geen vaste zelfinductie heeft maar dat de zelfinductie afhankelijk is van de werk- of meetfrequentie.
Zo behoort een spoel zich niet te gedragen en dit gedrag werd vastgesteld bij ferrietkernen.
Dat niet uit de metingen gebleken is dat er geen fundamenteel verschil bestaat tussen ferriet- en ijzerpoederkernen wordt veroorzaakt door het verschil in de kritische frequentie die voor ferriet vaak aanzienlijk lager ligt dan voor ijzerpoeder.
De metingen aan de ferrietkernen zijn verricht boven de kritische frequentie en dan verandert de L inderdaad met de frequentie, uitzonderingen daargelaten natuurlijk. De paarse ringkern van Philips blijkt toch van ferriet te zijn gemaakt maar een ferriet met een hoge kritische frequentie. Het gedrag doet niet onder voor dat van de ijzerpoederkern Amidon T50/2.
In het 'assortiment' zitten ook een paar paarse kernen maar dat paars moet een soort roze voorstellen en die roze kernen van ferriet hebben een zeer lage kritische frequentie . . . 'gewoon' ferriet dus. Overigens is het 'roze' niet lichtecht. lk heb ze al enige jaren in huffs en het roze is dermate opgebleekt dat de roze ringkernen niet meer van de witte uit het assortiment zijn te onderscheiden.
We zijn alweer wat wijzer geworden over het gedrag van ferriet versus ijzerpoeder. De conclusies in CQ-PA 6 waren zo gek nog niet en een leidraad voor de praktijk, mits. . . we blijven in het frequentiegebied waarop zendamateurs aktief zijn op de korte golf. Voor hogere frequenties komt gewoon ferriet steeds minder in aanmerking.
De verliezen in het kernmateriaal nemen drastisch toe met het stijgen van de frequentie; zie de gestippelde lijn in de grafiek van het materiaal 3F3 (blauw). Gaan we rekenen dan blijkt dat bij de kritische frequentie het kernverlies even groot is als de reactantie XL! Een Q van 1 is het gevolg en bij Q = 1 kunnen we zeggen dat een kring geen Qualiteit meer heeft. Dat merkte Arend in de praktijk bij de antennetuner (aanpasser). Bij mijn 160mtr antenne-experiment wordt ook omlaag getransformeerd maar op een veel lagere frequentie dan bij de aanpasser van Arend het geval is. De 160mtr-band ligt kennelijk ver onder de kritische frequentie van het gebruikte ferriet en dan zijn de verliezen gering.
Nog een kleine correctie voordat we deze uitleg zonder wiskunde gaan verlaten en overgaan op de formules die door Arend zijn aangeleverd. Volgens het handboek van Siemens raakt ferriet bij verhitting zijn eigenschappen NIET BLIJVEND kwijt . . . tenzij u het wel heel bont maakt en de kern zo heet stookt dat de isolatie van het wikkeldraad allang vertrokken is. Ferriet is een keramisch materiaal dat bij zeer hoge temperaturen wordt vorm gegeven. Zoals Arend al merkte kunnen er grote verliezen ontstaan, vooral bij ferriet op hogere frequenties. Door de verliezen, kernverliezen, kan de kern erg warm worden waardoor de eigenschappen verloren gaan. Niet blijvend, maar wel tijdens bedrijf en het gaat ons uiteraard om de eigenschappen 'in bedrijf'.
Het rekenwerk... tnx Arend PE1PVB
De μ van ferriet is constant tot aan de grensfrequentie. Daarna neemt deze met toenemende frequentie af. Dit geldt niet alleen voor ferriet, maar ook voor poederijzer of ijzerpoeder.
De is complex, en bestaat uit een reeel deel en een imaginair deel. Dit laatste deel vertegenwoordigt de verliezen in de kern. Denk even mee:
Doordat p complex is, ontstaat er dus geen zuiver inductieve impedantie, maar een combinatie van een spoel en een weerstand.
Deze weerstand wordt puur veroorzaakt door verliezen in de kern en eventuele koperverliezen van de wikkeling komen daar dus nog bij. Maar laten we die voor het gemak even vergeten.
De Q-factor van zo'n spoel is derhalve afhankelijk van de verhouding tussen μ' en μ".
En Philips specificeert voor al hun materialen hoe die twee permeabiliteits-componenten afhankelijk zijn van de frequentie.
Het plaatje toont de grafiek voor 3F3, waarvan die blauwe ringkern was gemaakt (μ' getrokken, μ" gestippeld). De grensfrequentie ligt bij, pakweg, 3 MHz. Daar boven neemt μ' af. Maar kijk eens naar μ"! ! Die is bij 3 MHz al net zo groot als μ.
Met andere woorden: R is al even groot als ωL!!!!
Voor frequenties boven 3 MHz gedraagt het ding zich zelfs als weerstand i.p.v. spoel.
Drie weten meer dan twee. Er is vast nog veel meer nuttigs over ferriet- of ijzerpoederkernen te vertellen. Laat het ons weten. Vergeet niet dat deze materialen niet alleen in ringkernen gebruikt worden maar ook voor de schroef- en potkernen van 'gewone' spoelen. Een spoel met kern dient men niet op een (veel) hogere frequentie te gebruiken dan waarvoor deze ontworpen is . .. men riskeert een drastische afname van de kwaliteit!
Bastiaan, PA3FFZ en Arend, PE1PVB.