VERON A63
Friese Wouden
____________

VERON afdeling Friese Wouden
Afdelingsblad 'CQ Friese Wouden'

Met hoge Q

door G3SEK
bew. PAoLH

In het blad Radio Communication van onze Britse Zustervereniging RSGB van November 1995 stond een leerzaam artikel betreffende de kwaliteitsfactor van spoelen. Een duidelijk verhaal zonder ingewikkelde formules, zodat het ook voor de minder theoretische amateur is te begrijpen. Het artikel begint met de vraag welke invloed een spoelvorm heeft op de kwaliteit van de spoel. 

Om hierop een duidelijk antwoord te geven, moeten we toch even terug naar de fundamentele eigenschappen van een spoel, zodat we kunnen aangeven waaruit de verliezen bestaan. We zullen ons beperken tot grote spoelen in buizen eindtrappen, antennesysteemtuners, traps in multibandantennes en loading coils. (Spoelen om antennes electrisch langer te maken). Dit zijn meestal enkel laags spoelen en wij weten dat hun inductantie tot stand komt t.g.v. magnetische koppeling door de windingen. 

Maar in werkelijkheid zijn het ontelbare kleine deelcapaciteitjes. Al deze kleine capaciteitjes kan men voorstellen door een enkele capaciteit zoals voorgesteld in fig. 2(a). 

Een belangrijk ding, wat men goed voor ogen moet houden, is, dat men te maken heeft met een parallelkring en de inductantie zich slechts bij een veel lagere frequentie dan de resonantie frequentie van de net genoemde parallelkring als een spoel gedraagt. Op deze lage frequenties is de wisselstroomweerstand (Reactantie) van de eigen capaciteit van de spoel te hoog om nog van invloed te zijn op de gedragingen van de spoel. (Fig. 2b). Op hogere frequenties wordt een deel van de inductieve reactantie (wisselstroomweerstand van de spoel) door de eigencapaciteit van de spoel opgeheven. Hieruit blijkt, dat de waarde van de inductantie van een spoel afhangt van de frequentie waarop je hem gebruikt. Op de frequentie, waarop de spoel (samen met de eigencapaciteit) in resonantie is, is de impedantie (Z) zeer hoog (theoretisch oneindig). Dit noemt men dan een eigen resonerende HF smoorspoel. Boven deze resonantie frequentie gedraagt de spoel zich niet meer als een spoel, doch als een capaciteit. Immers op hogere frequenties heeft de spoel een hoge reactantie en de condensator een lage. Dit betekent, dat men een HF smoorspoel op een veel lagere frequentie moet gebruiken dan de eigen frequentie van de spoel. (zie boven). Op lagere frequenties is de zelfinductie waarde van de spoel constant. 

Tot zover hebben we verondersteld, dat we te maken hadden met verliesvrije spoelen. In werkelijkheid kan men de verliezen in een spoel in twee delen verdelen nl. koperverliezen en dielectrische verliezen. De verliezen in de draad zijn op te delen in de gelijkstroomverliezen t.g.v. de ohmse weerstand en de HF verliezen in de draad tgv. het z.g. skin effect. Het skineffect betekent, dat HF stromen zich slechts langs het buitenste deel van de draad verplaatsen. Dientengevolge is meestal de hoogfrequent weerstand veel groter dan de gelijkstroomweerstand. Voor de practische toepassingen kunnen deze verliezen gezien worden als weerstand in serie met de spoel. Ook de wervelstroomverliezen die optreden t.g.v. de koppeling van de magnetische krachtlijnen met het chassis of printplaat kunnen als ohmse verliezen beschouwd worden. Om deze wervelstroomverliezen laag te houden, moet de afstand rondom de spoel tot de omliggende metalen behuizing minstens gelijk zijn aan de diameter van de spoel. Spoelen met een ferrietkern hebbem ook verliezen maar de permeabiliteit van het kernmateriaal heeft tot gevolg, dat men op de spoel minder windingen behoeft en dus de ohmse verliezen lager zijn. Het kern materiaal moet voor de betreffende frequentie wel geschikt zijn. 

Wat er bij al deze verliezen in een spoel nog bijkomt, zijn de dielectrische verliezen. Het zijn de dielectrische verliezen in de eigen capaciteit van de spoel. In de meeste typen spoelen loopt het electrisch veld door een dielectricum, wat bestaat uit de spoelvorm, draadisolatie, draadsteunen en natuurlijk ook lucht. Nu kunnen we de luchtisolatie wel verwaarlozen. Omdat geen dielectricum perfect is, veroorzaken die in het materiaal verliezen in de vorm van weerstandsverliezen in serie met de eigencapaciteit. Wat begonnen is als een enkele geidealiseerde spoel, is uiteindelijk een spoel geworden, bestaande uit vier delen; de zelfinductie, de eigencapaciteit en twee aparte verliesketens. 

En zelfs dat is nog niet alles, omdat deze verliesketens ook nog afhankelijk zijn van de frequentie. Hieruit blijkt dus, dat de Q van de spoel afhankelijk is van de frequentie. Q wordt berekend alsof de spoel alleen een zelfinductie L bezit in serie met een enkele verliesweerstand Rl, zodat de kwaliteitsfactor is te berekenen met de formule 1. Met een meter kun je op eenvoudige manier de grootte van de zelfinductie meten en ook de ohmse weerstand van de spoel. 

In de fig. 3 is het vervangingsschema van een spoel weergegeven. Zoals je ziet, is een spoel meer dan alleen maar een stuk opgewonden draad, dat zich alleen als een spoel moet gedragen. Als je op meerder frequenties een meting op de spoel los laat, merk je op, dat de Q een brede top, die zowel op een hogere, als op een lagere frequentie, afneemt. Bij lage frequenties heeft de Q een neiging toe te nemen door een constante Rl, terwijl bij hogere frequenties de invloed van de eigen capaciteit van de spoel en het frequentie afhankelijke skin effect van de spoel een belangrijke rol gaat spelen en dus de Q zal afnemen. Typisch waarde van een spoel gewikkeld van dik koperdraad, op "lucht" gewikkeld, hebben een Q van 150 tot 500. 

Het ontwerp van een spoel beinvloedt sterk de spoelverliezen zoals de draadverliezen en de verliezen t.g.v. de eigencapaciteit. Wil je een spoel met lage verliezen en heb je niet de beschikking over goede meetinstrumenten, dan is een richtlijn, dat je de diameter van de spoel kiest gelijk aan de wikkellengte. Dit is al een heel oud gegeven en werd reeds in de 20-er jaren onderkend. Dit artikel heeft dan ook betrekking op enkellaagsspoelen. De invloed van het skineffect kan men reduceren, door gebruik te maken van z.g. Litze draad. Meeraderig wikkeldraad, waarvan elk draadje is geisoleerd. Slechts aan het begin en eind van de wikkeling worden de draden doorverbonden. 

Mocht je in het bezit zijn van oude spoelen, moet je maar eens zien naar de soort wikkeldraad. Gooi dit niet weg, hiervan kan je prima spoeltjes wikkelen voor het HF bereik. Het solderen van dit soort draad vereist wel handigheid maar is snel te leren. Ook spoelen met een grote diameter verlagen de invloed van het skin effect, maar dan moet de spatie weer groot worden, om de eigen capaciteit laag te houden. Voor iedere gegeven spoel en frequentie is een optimum set waarden van aantal windingen en draad diameter. Al het bovenstaande heeft betrekking op z.g. "unloaded" Q van de spoel. Als de spoel deel uitmaakt van een circuit, wat meestal het geval is, heeft men te maken met de z.g. "loaded" Q(l) van de spoel en die is altijd lager dan de unloaded Q(u). Het rendement van de LC kring is:

        Q(l)
1 -  ------ x 100% = rendement
        Q(u)

Doordat het rendement van de kring altijd lager is dan 100 %, hebben we te maken met vermogens verlies.

   Q(l)
------- x 100% = verm. verlies
   Q(u)

Dit betekent, dat, om grote verliezen te voorkomen, men moet uitgaan van een spoel met hoge Q(u), in een circuit hebben we toch te maken met een veel lagere Q(l) zodat we al onze aandacht kunnen besteden aan een

goede keuze van de componenten, die ons circuit moeten completeren. Maar hier begint het probleem en vind je tegenstrijdigheden in de gedragingen van het materiaal waarop de spoel is gewikkeld.

Als je een spoel wikkelt op een vorm met zeer goede HF eigenschappen en daarna de spoel opneemt in een circuit waarbij de spoel belast wordt, zal je nauwelijks merkbare verliezen bespeuren en al gauw concluderen, dat het materiaal goed is. Maar dat is niet altijd mogelijk. In een circuit met een hoge Q kan de zelfde spoel zich heel anders gedragen. In het boek van ON4UN-Low band DXing (VERON bibliotheek service bureau) heeft ON4UN een spoel als top loading coil voor een 160 meter vertical. Een spoel met een Q(u) van 200 heeft in dit circuit een lage belasting (dus hoogohmig). De Q blijft hoog en zal ca. 30 % van de energie absorberen t.g.v. de hoge kringstromen. De spoel wordt warm en de vorm kan smelten of zacht worden. In de High Gain groundplane voor 28-3.5 Mc wordt voor 3.5 Mc een toploading spoel toegepast, welke is gewikkeld op glasfiber.

Bij mij (PAoLH) is deze spoel eruit gebrand bij ca 100 Watt output. Bij de constructie van zo'n top loading spoel moet men dan ook veel aandacht aan het materiaal besteden en niet direct de eerste de beste PVC pijp nemen. Luchtspoelen zijn natuurlijk ideaal, maar constructief moeilijk te maken als zelfdragend geheel. Op rommelmarkten komen we wel eens luchtspoelen tegen, gewikkeld met behulp van strippen polystyreen. Een handige manier om de dielectrische verliezen van isiolatie materiaal te testen is het magnetron- fornuis. Plaats een halve liter water in de oven als dummy- load. Leg hiernaast (niet in het water!) het stuk isolatiemateriaal. Tegen de tijd dat het water kookt merk je dat het isolatiemateraal met weing verliezen koud blijf en dat slecht HF materiaal warm wordt. (Geen complete spoelen in de Magnetron!!) Met dit artikel uit Rad. COM van G3SEK, met enige aanvullingen, hoop ik je een idee gegeven te hebben, over de gedragingen van spoelen in het algemeen. Ik weet, dat het lang niet compleet is, maar daar zijn de boeken voor.

Formule 1:

        2 *pi*F*L
Q  =  ----------
            R(l)

Lieuwe Tysma - PAoLH