Voor beginnelingen en…over ringkernen.

Door ON5SG

Eerst wat “opfrissen”, (zonder formules ) want we komen hier terecht in het domein van het electromagnetisme.

- Permeabiliteit : De permeabiliteit µ is een getal die aangeeft hoeveel maal het materiaal de magnetische krachtlijnen beter geleidt dan het vacuum. Dus ook zonder bvb een kern. (core)

- Hysteresis : (Hysterese, Grieks: “het achterblijven”).

Stel een magnetisch materiaal bvb een staaf weekijzer waarrond een spoel gewikkeld is , door de spoel sturen wij een wisselstroom. Als de stroom stijgt, neemt het magneetveld in de staaf toe, en krijgen we een noordpool en een zuidpool.

Dan neemt de stroom af, wordt nul, en hetzelfde herhaald zich, maar nu in omgekeerde richting, maar het weekijzermateriaal heeft een zekere remanentie, d.w.z. er blijft wat magneetveld over die telkens moet overwonnen worden, dit zijn verliezen.

We zullen dus materiaal gebruiken (mengeling of mix) met zo klein mogelijke Hysteresis bij de werkfrekwentie.

Bij LF transformatoren bestaat de kern uit een “mix” van Ijzer (Fe) en Silicium (Si).en bestaat de kern uit plaatjes die (grotendeels) van elkaar gescheiden zijn. Bij ringkernen die wij gebruiken bij hoge frekwenties gebeurt dit analoog, maar hier door (zeer) kleine “partikelen” (deeltjes) van elkaar te scheiden door een bindmiddel (Ironpowder) of door sinteren (Ferriet).

Waar vroeger “luchtspoelen” gebruikt werden worden in de nieuwere toestellen zoals zenders, ontvangers, antennetuners, filters enz… meer en meer ringkernen gebruikt. (bij QRO worden wel meer luchtspoelen gebruikt)

Daar zijn verschillende redenen voor:

• Kleinere afmetingen (compactere toestellen)
• Kleiner strooiveld (ook belangrijk bij compacte toestellen)
• Soms is het mogelijk – afstemspoelen te maken met een hogere Q factor

Voor de Homebrewer is het in feite (in tegenstelling wat velen denken) gemakkelijker om een ringkern te (be) wikkelen dan om een luchtspoel te maken. (zie verder)

Als men bouwschema’s bekijkt ziet men een grote variatie aan info over de te gebruiken kernen, aantal windingen en wikkelmethoden.

Dit kan zelfbouwers afschrikken, te meer omdat die verschillende soorten niet zomaar om de hoek te verkrijgen zijn, uitgezonderd bij de volledige bouwpaketten (zoals bvb bij sommige Elecraft kit’s).

We kunnen ze onderverdelen in twee soorten, bestaande uit iron powder en ferriet materialen.

Er bestaan niet alleen ringkernen maar ook staven, ringen (bead’s), en “binoculars”. Deze laatsten worden bvb gebruikt in push-pull eindtrappen met transistoren of power Fet’s.

Ironpowder materiaal:

Bestaat uit een mengeling (mix) van zeer kleine ijzer (of ijzerlegering) deeltjes (partikelen) en een bindmiddel.

Ze zullen daardoor bvb niet snel verzadigd geraken als er een gelijkstroomcomponent aanwezig is zoals bij een smoorspoel.

Ironpowder ringkernen worden aangeduid met de letter T, bvb T 130-6, waar het eerste getal de buitendiameter aangeeft in inch (25,4 mm) maal 100.

In ons voorbeeld is dit omgerekend 33mm.

Het tweede cijfer geeft de soort mix aan, welke daardoor zijn eigenschappen en toepassingsmogelijkheden bepaald.

Soms zijn ze gekleurd, maar daar is geen vaste norm voor (volgens fabrikant).

Ironpowder kernen hebben een lage µ (permeabiliteit) maar zijn stabiel, ttz ze kunnen ook tegen een stootje zoals overbelasting.

De voornaamste gegevens zijn:

• de permeabiliteit µ (laag)

• het frekwentiebereik waar ze kunnen toegepast worden

• de AL waarde,dit is het aantal µHy bij 100 windingen.
  
  Hoe groter de µ hoe groter de AL waarde natuurlijk dus hoe minder windingen en daardoor ook een kleinere weerstand wat de Q factor ten goede komt.

Ironpowder kernen worden gebruikt om spoelen te maken voor afstemkringen met hoge Q-factor, in antennetuners ,in filterschakelingen, bij DC voerende filterschakelingen en ook bij nettransformatoren

Die gegevens vindt men in tabellen bvb bij Amidon of bij Philips (Internet)

Ironpowderkernen worden ook gebruikt bij filterschakelingen in geschakelde voedingen (in de DC uitgang)

Ironpowderkernen als nettransformatoren vormen een kleiner volume en een klein strooiveld.

Bij HF toepassingen is het strooiveld niet onbestaande, en worden naburige spoelen haaks tov elkaar geplaatst.

Ferriet materiaal

Bestaat uit een gesinterde mengeling van zeer kleine (2µm) partikelen van bvb MnZn (Mangaan en Zink) of NiZn (Nikkel en Zink) met soms ferromateriaal erbij.

Sinteren is vergelijkbaar met het “bakken “ van keramiek (niet verwarren met kramiek !).

Ze worden aangeduid met de letters FT, bvb FT140-43.

Ook hier geeft het tweede getal de mix aan.

Ze zijn meestal niet “geverfd” en donkergrijs tot zwart van kleur.

Als voornaamste gegevens:

• een hoge permeabiliteit µ, van 20 tot 15.000 volgens de mix.

• Het frekwentiebereik waarvoor ze geschikt zijn.

Ferriet kernen hebben een kleinere hysteresis en daardoor minder verliezen bij hoge frekwenties.

Ze worden gebruikt bij breedband HF transformatoren, balun’s, EMC filters, enz…

Ferrietstaven (met lage µ) worden gebruikt als antenne voor draagbare toestellen (LW en MW), maar soms ook (gebundeld) voor HFbalun’s.

Als ferrietkernen in verzadiging werken (bij QRO) gaan ze door de hysteresisverliezen opwarmen en kunnen zelfs “verbranden” .

Een balun voor QRP zal het begeven bij QRO !

Noot van Hugo, ON7FU:

Op ferrietmateriaal gebaseerde spoelen hebben een groot resistief deel in hun impedantie.

Dit maakt ferriet beter geschikt voor breedbandige toepassingen zoals Common-Mode choke’s, (mantelstroomfilters), EMC toepassingen (bvb clip-on ferriet’s) breedband transfo’s, balun’s enz.

Het resistief deel is in dit geval meestal dominant over een decade (bv: 1-10 Mhz, 3-30 Mhz, 10-100Mhz) afhankelijk van het materiaal Mix).

Het feit dat er een groot resistief aandeel in de impedantie aanwezig is wil niet noodzakelijk zeggen dat transfo’s of baluns met ferriet materiaal grote verliezen hebben, de koppelefficientie is de belangrijkste factor.

Algemeen

Vraag: Ik heb een toroid en al zijn gegevens, en wil een bepaalde zelfinductie bekomen, hoeveel windingen moet ik aanbrengen?

De formule : L = AL x N² (je ziet dus dat de zelfinductie toeneemt met kwadraat van het aantal windingen) .

Je vindt ook gratis programma’s online op het net,(www.66pacific.com) je hoeft enkel de gevraagde gegevens in te vullen.

Hoe herkend men ferriet en ironpowder materiaal uit elkaar?

Er wordt wel eens beweerd dat ironpowder wel, en ferrietmateriaal niet “plakt” aan een magneet, dit is niet altijd waar, zelfs in de ferrietmateriaalmix kan een kleine hoeveelheid ferromateriaal zitten !

Vraag : Ik heb een hoop toroidkernen in mijn junkbox, hoe kan ik weten waarvoor ik ze kan gebruiken ?

Zeer moeilijke vraag waarop geen rechtsreeks antwoord kan gegeven worden !

Breng 10 à 20 windingen aan, en meet de zelfinductie L, zo kan je de AL waarde berekenen:

AL = L / N² L in µHy, N² = het aantal windingen in het kwadraad.

Daar kan je ook “zien” als het om een iron of een ferrietcore gaat, de µ van ironpowder is soms honderden malen of meer kleiner, dus…een kleine zelfinductie met de 10 windingen, maar daarmee weten we nog niet om welke mix het gaat tenzij je dit gaat vergelijken in de tabellen, samen met de afmetingen van de core.

In veel gevallen zijn de ironpowdertoroid’s gekleurd en vinden we in de tabellen de gegevens.

Vooral de permeabiliteit, de AL waarde en het frekwentiebereik waarin we ze kunnen gebruiken zijn voor ons van belang.

Geel , µ=8, F= van 2-50 Mhz, AL= afhankelijk van de grootte van de toroid.

(Hoe groter het “volume” van de ringkern hoe groter de AL waarde en dus hoe minder windingen, net zoals bij een “gewone” nettransformator.)

• Blauw, µ=20, F = van 0,5-5 Mhz AL = ?
• Rood, µ=10, F = van 1 tot 30 Mhz AL = ?
• Bruin, µ=1 , F= van 50-300Mhz. AL = ?

We zien dat bij toroid’s voor hogere frekwenties de µ lager is !

Ferriet ringkernen ziin donkergrijs (bijna zwart) en normaal niet gekleurd.

Tip: als je denkt met een ferrietringkern te maken hebben speel dan Sherlock Holmes : (zonder pet maar met een loupe !)

Neem met een schuifmaat de buiten en binnendiameter en de hoogte van de core en vergelijk met de tabellen van Amidon.

Ook: leg 10 à 20 windingen bifilair (samen getwist) op de core, en schakel hem als “transformator” aan een HF generator met op de “secundaire” een koolweerstandje van +/- 50 Ohm (49 Ohm will do !).

Maak een eenvoudige RF detector en meet de spanning met een DVM .

Kijk als de spanning +/- gelijk blijft ,en over welk frekwentiegebied.

Zo heb je een idee over welk frekwentiebereik de kern geschikt is.

Een gouden raad: gebruik voor QRO de gepaste kern (mix) en…bij twijfel…koop liever nieuwe het zal je minder frustratie opbrengen, en meer plezier bezorgen met je Homebrew HI !

Hoe wikkel ik een toroid ?

Bij grote (QRO) core’s waarop windingen in geëmailleerde draad komen, leggen we eerst een laagje Teflontape (ask local plumber).

Leg één volledige winding en meet de lengte, vermenigvuldig dit met het aantal windingen voeg daar ruim 5 à 10 cm bij, zo ben je zeker dat je op het einde van de rit geen draad te kort komt !

Kleine kernen zijn moeilijker met de hand vast te houden terwijl je “worsteld” met je draad…

Schuif de kern op een puntig gaand voorwerp bvb op een “oude” rubber duck antenne of een potlood, ook een QRO spies van een gewezen BBQ kan eventueel dienen !

Til de core wat op om de volgende winding door de kern te voeren, en…doe het rustig aan.

Na het wikkelen moeten de draaduiteinden natuurlijk eerst vertind worden,Thermoplast email (niet verwarren met e-mail !) brandt weg als men de draad door een “bobbel” soldeer trekt.

Vroeger trok men de draad door een Aspirine, opgewarmd door de soldeerbout. (hangt af van soort email ?).

Of… trek de draad door fijn schuurpapier.

Laat je vooral niet afschrikken door het vorige, een ringkern wikkelen is heus niet moeilijk, en wat… als ons “brouwsel” werkt ?

73 de Germain, ON4SG, met dank aan Hugo ON7FU

De Patterson Loop

door Luc – ON7DQ

Het principe van een magnetic loop is wellicht door iedereen goed gekend, het is niks meer dan een LC-kring op resonantie, waarbij de spoel nogal ruim door de lucht gaat, waardoor er veel energie in de ruimte “verloren” gaat. Dat verlies is juist wat wij willen, want dat heet voor ons dan “uitstraling”.

Wat dikwijls een probleem vormt bij een dergelijke loop is de koppeling naar de transceiver. Zeer bekend zijn de lus-koppeling met een ring van ongeveer een zesde van de loop-diameter.

Ook een gamma-match wordt veel gebruikt, maar de afmetingen daarvan zou je eigenlijk per band wat moeten aanpassen, dus ook niet ideaal.

Door wat info op te zoeken kwam ik terecht op nog een ander principe, de capacitieve koppeling. Daardoor kan je een loop maken waarbij alles in 1 doosje zit : de aansluitingen naar de loop, de afstemming én de aanpassing naar de coax-aansluiting, beide met een variabele condensator.

Dit principe werd al in 1967 beschreven door ene meneer Patterson, vandaar dus ook de naam Patterson-loop. Hier kan je het achtergrondverhaal helemaal lezen : http://owenduffy.net/blog/?p=3026.

Ik zal het hier vooral hebben over de versie die ik bouwde, en enkele resultaten die ik ermee behaalde. Daarvoor baseerde ik mij op een variant die ik vond op deze website :

https://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop.htm

Mijn constructie volgt figuur A hierboven.

Als afstemcondensator gebruik ik een luchtcondensator met twee secties van 300 pF in serie. Het midden tussen de twee secties hangt aan massa. De “matching” condensator is een 180 pF “polyvaricon”, dit is het type afstemcondensator dat je in veel oude transistorradio’s kan vinden.

Verder heb je nog een BNC of SO-239 connector nodig, en twee aansluitklemmen voor de loop.
Hier kan je zelf kiezen wat je het gemakkelijkste lijkt. Ik koos voor twee banaanstekkerbussen, zodat ik in noodgeval ieder willekeurig stuk draad als loop kan gebruiken.
Velen gebruiken het systeem met twee SO-239 connectoren, waarbij binnengeleider en massa kortgesloten worden (of enkel de massa gebruikt wordt). De loop bestaat dan uit een stuk RG-213 met twee PL-259 pluggen. Een mooi voorbeeld zie je hier bij PD7MAA :

http://pa-11019.blogspot.be/2011/06/travel-loop-antenna.html

Dat ziet er “verrekte professioneel” uit !
En ook de commerciële Alexloop (prijskaartje rond de 400 euro …) gebruikt dit systeem: http://www.alexloop.com/

Voor de eerste testen heb ik alles snel-snel op een stuk printplaat gebouwd. Toen de loop inderdaad bleek te werken, heb ik rond het geheel nog een bakje gemaakt, ook in printplaat. Goedkoop en toch (redelijk) proper !

Voor de loop heb ik 6 meter TV-coax gebruikt met als binnenisolatie “luchtkanaaltjes” .. dit is zeer licht, is iets stijver dan RG-58, en heeft ook een iets grotere diameter.
RG-213 of koperen buis zou natuurlijk nog beter zijn, maar ik wilde wel iets dat ik in een rugzak kan meenemen. Met twee kabelschoenen wordt de loop aangesloten op de “matchbox”.

Je kan de loop ergens ophangen aan een boom … maar wat als er niets in de buurt is?
Om het geheel “zelfstandig” op te stellen heb ik een “plank-en-buizenstelsel” gemaakt dat er dan zo uitziet (tijdens een test in Het Bosje) :

Alles bestaat uit grijze elektriciteitsbuis van 19mm.
De eerste verticale buis zit in een gat in de plank, de bovenkant is in twee gezaagd en met een verfbrander wat opgewarmd, dan met een ander stuk buis onder een hoek van 45 graden gezet.

Als je dit tweemaal doet bekom je een soort vork. Dit was niet stevig genoeg om de bovenkant van de coax op te houden, daarom heb ik dan nog een ander stuk buis recht omhoog op de onderbuis gestoken (met een koppelstuk, een stukje buis van kleinere diameter binnenin). Een heel mooie cirkel is het niet geworden, maar het werkt wel.

Om de coax snel te kunnen monteren of demonteren, zit er op drie plaatsen een dopje van een viltstift op, deze passen precies in de elektriciteitsbuis (zie rechtse detailfoto, een gat van 8 mm boren in de dop, zodat de coax erin spant). Samen met de twee kabelschoenen voor de aansluiting zijn er dus vijf bevestigingspunten.

Resultaten

Met de gegeven waarden bekwam ik een loop die ik kan afstemmen van 5 Mhz (60m) tot en met de 18 MHz (17m). Met een kleinere coaxlus kan je uiteraard ook de hogere banden gebruiken.

Als eerste test zette ik de loop gewoon op de keukentafel, met de KX3 liet ik de autokeyer enkele keren CQ roepen in CW op 5W, en warempel, ik kon het signaal horen op de websdr van Hackgreens in de UK, dit is een afstand van zo’n goeie 400 km. Dan maar eens proberen op 1 W. Ook dat lukte nog maar het was op het randje.

Dan nog eens met 5W en gekeken wat RBN (Reverse Beacon Network) ervan maakte :

De signaalsterktes waren niet schitterend, maar er was toch ontvangst in een groot deel van Europa !

Tot slot wilde ik ook wel eens een real-life test doen, dus trok ik met de loop en de KX3 een namiddag naar het Bosje (zie foto hierboven). Daar maakte ik een 20 minuten durende verbinding in CW met G4LHI op 7028 kHz, en kreeg een 559 rapport. Test geslaagd !

Intussen maakte ik ook eens een grotere loop met ongeveer 8 meter van diezelfde TV-coax, en hiermee kon ik nog juist op 80m afstemmen. Mijn buizenframe kon nu natuurlijk niet meer dienen, en dus hing ik de coax gewoon op aan het plafond in mijn keuken. Het geheel had min of meer een rechthoekige vorm.

Met 10 W maakte ik twee qso’s tijdens de LPP (Low Power Party) en werkte DF9EU in Bremen (450 km) en Jos ON6WJ in Dendermonde (90 km). Van beiden kreeg ik een 559 rapport.

 

Conclusie : de antenne presteert niet zoals een full-size dipool, maar kan een oplossing zijn voor een tijdelijke opstelling, of voor wie een beperkte ruimte heeft.

Literatuur

Naast de mooie realisatie van PD7MAA zijn nog enkele varianten het bekijken waard :

http://k1fm.us/2015/07/k1fm-mini-magnetic-loop-2-0/

https://rsars.files.wordpress.com/2013/01/qrp-loop-tuner-80-20m-g8ode-iss-1-32.pdf

https://rsars.files.wordpress.com/2013/01/40m-high-power-mag-loop-tuner-iss-1-3.pdf

http://vk3il.net/projects/portable-magnetic-loop-antenna/

Alvast veel lees- en knutselgenot !

Luc ON7DQ