Trefwoorden

 

IJzersoorten

Eigenschappen

Overzicht

Wikkelinvloed

IJzer vs ferriet

Verliezen

Toepassingen

 

IJzerpoeder materialen in HF toepassingen

(Eerder gepubliceerd in Electron #1, 2006)

 

 

Inleiding

 

Na mijn eerdere verhaaltjes over ‘Ferrieten in HF toepassingen’ ben ik van verschillende kanten benaderd met vragen over ijzerpoeder materialen. Dit materiaal wordt in diverse, vaak Amerikaanse apparatuur toegepast omdat juist daar belangrijke ijzerpoeder fabrikanten aanwezig zijn. Het ijzerpoeder materiaal blijkt ook in Europa regelmatig te worden toegepast, soms in situaties waar dit beslist is af te raden in andere gevallen kan het de enige keus zijn. Soms kom je echter ook publicaties tegen waarin de toepassing van een ijzerpoeder kern gevaar oplevert voor de apparatuur (serieuze misaanpassing) of de gebruiker (brand). Alles bijeen leek het daarom nuttig alsnog iets te schrijven over deze ijzerpoeder materialen, in de hoop hiermee ook enkele misopvattingen een beetje uit de weg te ruimen. 

 

 

Belangrijkste soorten

 

Er zijn globaal 2 soorten poederijzer materialen te onderscheiden :

 

1. Elektrolytisch ijzer

De ijzerdeeltjes zijn plastisch vervormbare flodders, die met een isolerende binder samengeperst worden tot hoge dichtheid. Hiermee kunnen permeabiliteiten tot ongeveer 100 bereikt worden, maar de keerzijde is dat er contactpunten tussen de ijzerdeeltjes voorkomen, waardoor de wervelstroomverliezen relatief hoog worden. De verzadiging gaat in de richting van de waarde van puur ijzer en is hoger dan van ferrieten.

Toepassingen bij lage frequenties waarbij het voordeel ligt in de hoge verzadiging (hoger dan bij ferriet materialen). Derhalve vinden we dit materiaal in toepassingen met hoge gelijkstromen (maar lage wisselstromen, vanwege kernverliezen), bijv in smoorspoelen in geschakelde voedingen (Switched Mode Power Supply,  SMPS).

 

Ferroxcube (voorheen Philips) ijzerpoeder ringkern materialen zijn alle van het elektrolytisch-ijzer type, en dus uitsluitend geschikt voor LF-gebruik (< 1 MHz). Informatie over deze materialen is b.v. te vinden in het Ferroxcube Data boek. Voor het materiaal 2P40 vinden we een mi: 40 en een Q: 16.7, altijd gespecificeerd bij een frequentie van 10 kHz. Dit ijzerpoeder wordt alleen bij lagere frequenties gebruikt. Staafjes van dit materiaal vinden we o.a. in LF ontsteekspoelen voor bepaalde "licht"-applicaties.  De firma Micrometals (Amidon) heeft ook dergelijk materiaal, bekend als mix-26, met de codering geel-wit en dit wordt veel gebruikt bij SMPS’s (schakelende voedingen) .

 

2. Carbonyl-ijzer

De ijzerdeeltjes zijn harde bolletjes (via een CVD proces uit ijzer-tetracarbonyl), die ook met een isolerende binder samengeperst worden, maar tot beperkte dichtheid. Hiermee kunnen alleen de lagere permeabiliteiten bereikt worden, maar de verliezen zijn veel lager door het vrijwel ontbreken van contactpunten. De verzadiging is beduidend lager dan van puur ijzer en geeft geen groot voordeel t.o.v. ferrieten. Philips paste dit materiaal vroeger o.a. toe in regelstiften voor afgestemde spoelen in bandfilters in telefonie. Andere toepassingen vinden we bij hoogfrequent zelfinducties in filters, vaak in staafvorm. De permeabiliteit hoeft daar niet extreem hoog te zijn en verzadiging is in deze staafvorm ook niet snel een probleem. De Q-factor blijft hoog tot frequenties boven de 10 MHz.

 

In het algemeen is het zo dat een lage µ-waarde vooral met kleine korrels wordt gehaald. Bij hogere uitsturingen gaan de grenzen van de magnetische domeintjes (Bloch wanden) zich verplaatsen in het materiaal. Wanneer deze Bloch wanden zich echter over de korrelgrenzen gaan verplaatsen, zullen zij potentiaalputten ontmoeten, wat (extra) verliezen met zich meebrengt. Dit is de reden dat ijzerpoedersoorten met lage µ's i.h.a. niet zo'n hoge uitsturingen aan kunnen als de 'hogere-µ'  ijzerpoeders; in ieder geval niet vergelijkbaar met de gangbare ferrieten (in dezelfde permeabiliteit reeks).

 

 

Algemene eigenschappen van carbonyl ijzer

 

Op de Amidon (Micrometals) website zijn alle materialen op 2 na (een met µ = 75 en een met µ = 1) van het carbonyl-ijzer type. De hoogste permeabiliteit voor die groep is 35, wat ook wel ongeveer de grens is voor carbonyl-ijzer. Ter onderscheid staat er bij het µ = 75 materiaal een "relatief lage Q" heeft; een aanwijzing voor een elektrolytisch ijzer.

     

In het algemeen zullen de prijzen van ijzerpoeders lager zijn dan voor Ferriet, want er is geen keramisch sinterproces nodig, een van de duurste stappen bij de ferriet productie. IJzerpoeders worden eerst in een vorm geperst, waarna vervolgens in een simpele oven een snel uitstook proces plaats vind van het ‘binder’ materiaal, en dat is het dan.

 

Het valt op dat Ferroxcube zijn ijzerpoeder materiaal garandeert tot  140 C terwijl Amidon (Micrometals) stelt dat hun materialen 'will be permanently impaired when exposed to temperatures over 75 C'. Kennelijk gebruikt men een wat minder robuust bindermateriaal.

 

Micrometals is momenteel een van de belangrijkste ijzerpoeder fabrikanten in de markt. Ze beschikken over reeksen met "standaard" materialen, maar  hebben ook speciale reeksen met "high performance" materialen (carbonyl), die over de jaren nog steeds worden uitgebreid. Dat Micrometals zijn carbonyl serie een ‘high performance’ materiaal noemt is te begrijpen als we zien dat de tolerantie voor het mix-2 materiaal (rood) wordt opgegeven met m:  10 +/- 5 % en de temperatuurstabiliteit hiervan met 95 ppm / °C.

Hierbij tekent de fabrikant echter aan dat bij het warmer worden van de kern, b.v. in vermogenstoepassingen, de kernverliezen ten gevolge van wervelstromen zullen toenemen met verlies van Q als gevolg. Daardoor daalt de totale impedantie zodat er bij dezelfde spanning nog meer energie in de kern wordt verstookt. Hierdoor ontstaat een verdere temperatuur toename waarbij het systeem zichzelf uiteindelijk kan ‘vernietigen’; ‘thermal runaway’ zegt Micrometals.

 

Als we dit vergelijken met het bekende 4C65 ferriet materiaal (paars), dan vinden we hiervoor m: 125 +/- 20 % met een temperatuur coëfficiënt tussen 0 en 100 °C van ca 2000 ppm / °C.  Deze temperatuur coëfficiënt heeft echter een positieve waarde, waardoor het eerder genoemde ‘thermal run away’ effect hier niet kan optreden. Een extra veiligheid bij dit keramiek is nog dat de temperatuurcoëfficiënt oploopt tot ca 5000 ppm/°C tussen 150 °C en het Curie-punt op 350 °C; pas daarna valt de permeabiliteit sterk af.

 

Een eerste conclusie uit deze temperatuur- en tollerantie-effecten kan daarom zijn, dat in onze HF-omgeving het mix-2 ijzerpoeder materiaal beter geschikt is voor resonantie toepassingen en het 4C65 ferriet materiaal beter is in brede-band / hoog vermogen toepassingen. Dit komt overeen met een opmerking in een brochure van Micrometals: "Broadband transformers with iron powder cores will not have the wide bandwidth attainable with high permeability ferrite cores".

 

In de professionele wereld worden de ijzerpoeder materialen niet als concurrent gezien van (NiZn) ferrieten. De permeabiliteit van ijzerpoeders zijn toch vrij laag, en de verliezen bij hoger uitsturingen (NB; Q factoren, ook die voor ijzerpoeder, zijn gedefinieerd bij 0.1 mT) zullen voor ijzerpoeders hoger uitvallen dan voor NiZn ferrieten in het HF frequentiegebied.

 

Let op: In dit verhaal wordt steeds gewerkt met de Q van het kernmateriaal, tenzij uitdrukkelijk aan een complete spoel werd gemeten. De uiteindelijke Q van een spoel op dit materiaal is dan altijd lager omdat er ook nog verliezen in het (koper)draad zullen optreden.

 

 

Materiaal overzicht

 

Tenslotte nog een overzicht van carbonyl-ijzerpoeder ringkern materialen zoals deze geleverd wordt door de firma Micrometals. Helaas gebruikt men ‘overzee’ vaak niet de wetenschappelijk manier van specificatie zodat in deze tabel een overzicht ontbreekt van de verloop van m’ en m” als functie van de frequentie zoals in het vorige verhaal over de ferrieten in Electron, september 2001, pagina 369. In plaats daarvan geeft deze firma het verloop van de Q-factor van specifieke spoelen op specifieke kernen, waarbij de meest gunstige Q optreedt. Zo’n overzicht is echter alleen nuttig als men precies diezelfde spoel maakt en toepast op diezelfde frequentie. Andere spoelen zullen echter een andere (lagere) Q-factor vertonen, zodat de gegeven fabrieksinformatie niet echt nuttig is en de uiteindelijke eigenschappen van zelf gemaakte spoelen op Amidon's carbonyl-ijzer tevoren niet goed berekend kunnen worden.

.

Naast de specifieke informatie per spoel geeft de fabrikant nog wel een toepassingsgebied voor de diverse mixen, waarbij het begrip ‘resonantie toepassing’ wordt gehanteerd zolang de Q- waarde groter is dan 100.   

 

 

Carbonyl ijzerpoeder materialen, overzicht van Micrometals

 

materiaal

mix

kleur

codering

initiële

permeabiliteit

mi

temperatuur

stabiliteit

(ppm/°C)

resonantie

toepassing

(MHz)

1

blauw/blank

20

-280

0.15 – 3

2

rood/blank

10

-95

0.25 – 10

3

grijs/blank

35

-370

0.02 - 1

4

blauw/wit

9

-280

3 – 40

6

geel/blank

8.5

-35

3 – 40

7

wit/blank

9

-30

1 – 25

8

oranje/blank

35

-255

0.02 – 1

10

zwart/blank

6

-150

15 – 100

15

rood/wit

25

-190

0.15 – 3

17

blauw/geel

4

-50

20 - 200

 

Tabel 1: Carbonyl-ijzerpoeder overzicht van Micrometals

 

 

Het is duidelijk dat de permeabiliteit van alle carbonyl-ijzer typen veel lager is dan we eerder zagen in het verhaaltje over de ferrieten. Deze zeer lage permeabiliteit maakt ook dat een aantal windingen op een kern van dit materiaal niet automatisch leidt tot een daarmee samenhangende zelfinductie. Door de lage m ‘ontsnapt’ een gedeelte van de magnetische flux naar buiten de spoel, waardoor zelfinductie niet meer evenredig is met het kwadraat van het aantal windingen.  De fabrikant wijst op deze (grote) invloed van de wijze van bewikkeling op de uiteindelijke zelfinductie m.b.v. het plaatje van figuur 1.

 

 

                            Figuur 1. Invloed van de bewikkeling op de zelfinductie

 

                       

 

Dit windingeffect treedt overigens vrijwel niet op bij materialen met een (veel) hogere permeabiliteit  zoals de ferrieten. Omdat de magnetische ‘weerstand’ hiervan veel lager is dan alles buiten de kern, zal de magnetische ‘stroom’ vrijwel uitsluitend binnen de kern gaan lopen, en niet daar buiten.

 

Zoals al eerder gemeld bij de verhalen over ferriet materialen, leveren vele fabrikanten van spoelkernmaterialen bij hun producten de windingfactor AL, waarmee gemakkelijk de zelfinductie kan worden berekend door dit getal te vermenigvuldigen met het kwadraat van het aantal windingen. Doorgaans wordt deze factor daarom gedefinieerd in nH/ n2. Een voorbeeld is de T200-2 kern van de firma Micrometals, waarvoor gegeven wordt AL = 12 nH/ n2.

 

We zagen al dat de permeabiliteit van ijzerpoeder materiaal laag is t.o.v. die van ferriet materialen en daarom valt ook deze windingfactor lager uit; vergelijk bovenstaande, 51 mm. grote  T200-2 kern maar eens met de 36 mm. 4C65 kern, waarvoor geldt: AL = 170 nH/ n2.  . Om het carbonyl kernmateriaal aantrekkelijker te maken definiëren sommige leveranciers (o.a. Amidon) daarom deze windingfactor, AL in μH/100; d.w.z. microHenry per 100 windingen. De genoemde T200-2 kern krijgt dan de windingsfactor AL =  120 μH/100 en dit getal lijkt een beetje op de waarde die voor 4C65 werd gegeven. Om hiermee te kunnen rekenen moeten we deze factor eerst delen door het kwadraat van dit aantal windingen (1002 = 104 ) om weer op de 'standaard' eenheid van nH / n2 uit te komen. Dat dit dan bij de T200-2 kern weer uitkomt op 12 nH/ n2 zal ons niet verbazen.

 

Er zijn daarom een aantal zaken die specifiek van toepassing zijn bij het maken van spoelen (met een gewenste hoge Q) op kern materialen met een lage permeabiliteit:

 

-     Leg de windingen zo dicht mogelijk tegen elkaar aan (vermijding van lek-flux).

-     Gebruik het kernmateriaal zo efficiënt mogelijk (vol wikkelen). Dit betekent ook dat bij dezelfde zelfinductie,

      een vol gewikkelde kleinere ringkern   een hogere Q zal hebben dan een niet vol gewikkelde grotere kern.

-     Let op de gebruikte eenheid voor de wikkelfactor AL

 

Voor alle typen spoelen geldt verder nog:

 

- Wikkel steeds met draad van 0.5 mm. diameter of dikker; op de HF-banden treden dan geen verliezen op a.g.v.

   de indring diepte (skin effect).

- Het gebruik van litze draad is af te raden boven een frequentie van 2 MHz. De winst door parallel schakeling van

   een groot aantal dunnere draden gaat geheel verloren door een sterke toename van de eigen capaciteit van dit

   materiaal, hetgeen een Q-verlagende werking heeft.

- Maak niet meer dan een enkele wikkellaag. Bij elke volgende laag neemt de parasitaire capaciteit (onevenredig)

   sterk toe.

 

 

Enige praktijk metingen

 

Ten einde het ijzerpoeder materiaal goed ‘in beeld’ te krijgen, zijn er enkele metingen gedaan die direct zijn te relateren aan toepassingen op onze HF-banden. Een eerste, duidelijke verschil tussen de ijzerpoeder en de (NiZn) ferrieten, is het grote verschil in geleidbaarheid van het materiaal. Voor ijzerpoeder kernen wordt een ‘resistivity’ opgegeven van ca 0.5 Ohm.m bij 1 MHz, terwijl dit voor (NiZn) ferriet in de orde van 50 kOhm.m ligt.

 

Dit verschil in materiaaleigenschappen komt op twee manieren tot uiting bij HF toepassingen.

Allereerst zal men een kern van ijzerpoeder materiaal moeten isoleren voordat hierop draad wordt gewikkeld; een winding wordt anders gemakkelijk kortgesloten en zelfs geëmailleerd koperdraad kan op de scherpe randen een beetje inkerven met hetzelfde resultaat.

De kernisolatie zal de kern wat dikker maken waardoor opnieuw een deel van de flux buiten magnetische materiaal loopt. Het gevolg hiervan is een relatieve afname van de toch al lage permeabiliteit (meff wordt kleiner) en een afname van de onderlinge koppeling indien de kern gebruikt wordt in een transformatoropstelling (toename van de spreidingszelfinductie). 

 

Een tweede gevolg van de geleidende kern van ijzerpoeder materiaal vinden we in een toename van de (parallel-)capaciteit van de spoel op dit materiaal, omdat de (extra) capaciteit naar de kern merkbaar wordt. Dit laatste zal de eigenresonantie van de spoel-op-ijzerpoeder verlagen, hetgeen nog eens wordt verergerd omdat er (veel) meer windingen nodig zijn voor eenzelfde zelfinductie dan bij een spoel op ferriet. 

 

Verder zijn er wat metingen gedaan aan spoelen op T200-2, T68-2 en T50-2 ijzerpoeder materiaal van de firma Micrometals, omdat dit ‘mix-2’ materiaal nogal eens wordt toegepast in HF amateur omstandigheden. In tabel 2 vinden we enige metingen aan een spoel met zes windingen op Micrometals, T200–2 materiaal, een ronde kern (torus) met een diameter van 51 mm.

 

    

T200-2, 51 mm. ringkern, 6 windingen

f

r

XL

 

L

µ"

µ'

Q

MHz

Ohm

Ohm

 

mH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0.06

6.2

0.99

0.23

22.4

98

2

0.12

12.4

0.99

0.21

22.3

108

5

0.23

30.9

0.99

0.17

22.3

132

10

0.46

62.3

0.99

0.16

22.4

137

15

0.73

94.9

1.01

0.17

22.8

131

20

1.47

129.3

1.03

0.26

23.3

88

30

5.99

210.8

1.12

0.72

25.3

35

 

 

Tabel 2: Metingen aan ‘mix –2’ijzerpoeder materiaal

 

 

Allereerst valt op dat de gemeten permeabiliteit (m’) hoger is dan wat de fabrikant opgeeft. Dit is niet helemaal te verklaren omdat de fabrikant een strikte leveringstolerantie voor dit materiaal op geeft van +/- 5%. We zien ook dat deze permeabiliteit over het hele HF- gebied mooi constant blijft, waardoor dit materiaal over een brede frequentieband bruikbaar is. Dit laatste is ook goed te zien bij de waarde voor de zelfinductie, die direct samenhangt met de m’.

 

Het valt verder op dat de equivalente serie-weerstand in het lage HF-gebied mooi laag is, maar vanaf ca 20 MHz merkbaar begint te worden. Dit effect is ook goed zichtbaar als we naar het verloop van de Q-waarden kijken. De maximale kwaliteitsfactor wordt bereikt rond 10 MHz, waarna deze weer afvalt a.g.v. de toenemende verliezen. De fabrikant geeft zelf op dat het mix-2 materiaal vooral geschikt is in resonantie toepassingen tot 10 MHz.

 

Een vergelijkende meting met de kleine 36 mm. 4C65 kern is te vinden in tabel 3.

 

4C65, 36 mm. ringkern, 6 windingen

f

r

XL

 

 

L

µ"

µ'

Q

MHz

Ohm

Ohm

 

mH

 

 

 

1

0.18

41.0

 

6.53

0.58

134.8

232

2

0.35

82.0

 

6.53

0.57

134.8

236

5

1.12

207.3

 

6.60

0.74

136.3

185

10

4.38

436.2

 

6.94

1.44

143.4

100

15

36.7

739.4

 

8.42

8.04

162.0

20

20

203.56

1058.0

 

8.42

33.46

173.9

5.2

30

743.12

1540.0

 

8.17

81.42

168.7

2.1

 

Tabel 3: Metingen aan 4C65 ferriet materiaal

 

 

Ook bij dit ferriet materiaal blijft de permeabiliteit (m’) mooi constant over het frequentie gebied. De hogere verliezen bij toenemende frequentie zijn duidelijk zodat dit materiaal minder geschikt wordt bij gebruik van afgestemde kringen boven de 10 MHz.

Door de hogere permeabiliteit van dit ferriet t.o.v. het eerdere ijzerpoeder, mix-2, is met dezelfde 6 windingen de impedantie op 10 MHz. ruim 7 maal hoger. Dit betekent dat we in transformator toepassingen (balun) met veel minder windingen kunnen volstaan voor dezelfde impedantie en daardoor minder te maken krijgen met (parasitaire) capaciteit; e.e.a. levert een aanzienlijk hogere toepassingsbandbreedte voor deze materialen.

 

 

Verlies vermogen

 

In een eerder artikel over ferriet materialen werd een formule afgeleid voor de maximale spanning over een spoel op dit kernmateriaal. Hierbij werd een verliesfactor ingevoerd, die verband hield met de mate van uitsturing. Carbonyl materialen kunnen verder uitgestuurd worden voordat deze extra verliezen gaan optreden. Dit wordt duidelijk wanneer de verzadigingsveldsterkte van deze laatste materialen (ca 1 Tesla) vergelijken met ferriet (ca 300 milli-Tesla). De formule voor de maximaal toelaatbare spanning over een spoel op carbonyl materiaal voor een zeker verlies vermogen (en dus temperatuurverhoging) kan daarom gemakkelijk worden aangepast aan deze ruimere uitsturing:

              ______________________

Umax = Ö(Pmax.kern . (Q/2 + 1/Q) . XL)                                                                      (1)

 

hierin is :

Umax     = de maximaal toelaatbare spanning over de spoel

Pmax.kern= het maximaal toelaatbare vermogen in de spoelkern.         

Q         = de kwaliteitsfactor van de spoel (XL / R of ook m’ / m”)

XL          = de reactantie van de spoel

 

Uit metingen bleek verder, dat de 36 mm. ferriet ringkern een thermische weerstand naar de vrije lucht heeft van ca 7 °C / Watt. Voor een temperatuur toename van 28 °C mogen we dus 4 Watt in deze 36 mm. kern met een volume van 8.6 cm3 ‘opstoken’. Het maximale vermogen in andere (ring-)kernvormen rekenen we gemakkelijk uit als we bedenken dat de thermische weerstand in eerste benadering ‘schaalt’ met de wortel uit de verhouding van de volumes.

 

Op basis van bovenstaande formule werd het maximale systeem vermogen bepaald voor de eerder genoemde 4 Watt kerndissipatie in spoelen met 6 windingen op ijzerpoeder (mix 2) en ferriet (4C65), beide op een gelijke 36 mm. kern. en met een belastingsweerstand van 50 ohm. Na toepassing van formule 2 vinden we dan grafiek 1 voor toepassingen in het HF gebied.

We kunnen deze formule toepassen omdat zowel voor dit ijzerpoeder als voor het ferriet geldt dat de maximale materiaalbelasting beneden ca 1 MHz. wordt bepaald door de maximale kern-flux en daar boven uitsluitend door het maximale vermogen dat in de kern wordt gedissipeerd (temperatuur belasting).

Grafiek 1: Maximaal systeem vermogen in ijzerpoeder mix-2 en 4C65 ferriet.

 

 

Bij dezelfde 4 Watt in de kern kan voor een groot deel van het HF frequentiebereik veel meer systeem vermogen toegelaten worden bij toepassing van 4C65 ferriet dan bij mix-2 ijzerpoeder, b.v. meer dan 100W. over deze 6 windingen over het gehele HF gebied van 1 tot 30 MHz.. Onder dezelfde omstandigheden bereikt het ijzerpoeder materiaal pas bij ca 30 MHz. dit systeemvermogen.

 

We moeten hierbij niet vergeten dat we rekenen met een maximale kern-temperatuur verhoging  van 28 °C. Dit betekent dat de omgevingstemperatuur bij het mix-2 materiaal niet hoger mag oplopen dan (75 – 28 =) 47 °C. Dat is bij gebruik binnen de shack en in een niet gesloten doos nog wel te realiseren, maar wordt al moeilijker als de kern in een toepassing buiten in de zon hangt te 'blakeren'.

Het 4C65 materiaal daarentegen mag nog worden toegepast tot een omgevingstemperatuur van  ver boven de  100 °C omdat de Curie temperatuur van deze ferrietsoort 350 °C ligt. We hebben hier nog veel ‘reserve’ en kunnen daarom nog wel wat meer vermogen in de kern toestaan en / of deze spoel toepassen bij nog grotere systeem vermogens.

 

We kunnen ons afvragen wat er gebeurt indien we de bijna dubbel zo grote T200 kern (5.1 mm.) zouden toepassen i.p.v. de equivalente 36 mm. kern.

Om te beginnen neemt de impedantie van de 6 windingen spoel met zo’n 7 % af vanwege de wat ongunstiger verhouding tussen de kerndoorsnede en de magnetische weglengte. Door het grotere kernvolume (T200 is 14.4 cm3) kunnen we echter wat meer dissipatie toestaan vanwege de eerder genoemde schaalfactor, en wel met een factor Ö(14.4/8.6) = 1.29.  Toepassing van de grotere kern levert dan een verhoging van het toegestane systeemvermogen met een factor 1.29 x (100 – 7) = 1.2. Echt veel winst is hier dus niet te halen.

 

Wat echter wel helpt is een verhoging van het aantal windingen van de spoel.

Bij onze vergelijkingen zijn we steeds uitgegaan van een spoel met 6 windingen. Deze spoel heeft op 1 MHz bij een 36 mm. 4C65 kern een zelfinductie van 6.53 mH en bij een mix-2 kern een zelfinductie van 0.99 mH. Voor dezelfde waarde van de zelfinductie als bij het ferriet moeten we op deze mix-2 kern dan (6 x Ö6.53 / 0.99 = 15.4) 16 windingen aanbrengen. De mix-2 kern schuift dan in grafiek 1 omhoog tot het niveau van de 4C65 kern en kan dan bij dezelfde (grote) vermogens worden toegepast. De vele windingen en de daarmee samenhangende parasitaire capaciteiten (en naar de geleidende kern!) zullen dan echter voor een sterkte beperking van de toepassingsbandbreedte zorgen.     

 

 

Een slecht voorbeeld

 

Tenslotte nog een toepassingsgebied waar we niet 'zomaar' een spoel-met-kern mogen toepassen, en waar we dit toch regelmatig in amateur schema’s tegen komen. Het is natuurlijk ook erg verleidelijk om met een eenvoudig ‘opvoer setje’ een simpele, a-symmetrische antennetuner om te bouwen tot een doorgaans meer gecompliceerde, symmetrische tuner. Laatst zag ik daar nog een voorbeeld van, hetgeen uiteindelijk (mede) aanleiding was voor dit artikel en de opmerking in de aanhef van dit verhaal.

In de bewuste tuner vinden we aan de uitgang een T157-2 ringkern met 5 ŕ 6 windingen, die als symmetrische uitgangstransformator kan worden geschakeld of als stroom balun. Deze symmetrische tuner zou geschikt moeten zijn voor het frequentiegebied van 1 – 30 MHz en een vermogen van 100 Watt.

 

Laten we eens rekenen aan een situatie, waarbij deze tuner op 1.8 MHz een zender moet aanpassen met een vermogen van 100 Watt, op een symmetrische voedingslijn, waar we een impedantie vinden van 400 Ohm: de uitgangspanning wordt dan al gauw zo’n  200 Volt.  Een T157-2 ringkern wordt door Amidon (Micrometals) gespecificeerd met een AL-waarde van 14 nH. De 6 windingen vertegenwoordigen dan een zelfinductie van:

 

 L = n2 . AL  = 62 . 14. 10-9 = 0.5 mH,

 

indien de windingen dicht naast elkaar worden gelegd. Uit de tekeningen bij het bewuste artikel blijkt dat de windingen over de hele lengte van de kern zijn verdeeld, waardoor de zelfinductie dus nog aanzienlijk lager kan uitvallen, zie figuur 1.  Het is duidelijk dat bij deze lage impedantie de stromen tot onaanvaardbare hoogte gaan oplopen, met gevolgen voor het verliesvermogen in de component, en de daarmee samenhangende extreme temperatuur verhoging.

 

 

Daarom .... oppassen 

 

Een antennetuner wordt doorgaans toegepast om een willekeurige antenne impedantie om te zetten naar 50 Ohm, die de fabrikanten graag aan de uitgang van de transceivers zien. Deze willekeurige impedanties kunnen vele (hoge) waarden aannemen, waarover, zelfs bij een bescheiden 100 Watt, nog flinke spanningen kunnen optreden. Dit is de reden waarom men uiterst terughoudend moet zijn met de toepassing van spoelen-met-kern in het gebied tussen de uitgang van de tuner en de antenne, zelfs als dit kernmateriaal ferriet is!

Kunnen we de impedanties hier echter beperkt houden tot waarden rondom 50 Ohm, dan zijn er nog wel oplossingen mogelijk.

 

 

Toepassingsgebieden

 

Nadat we in voorgaande artikelen de ferriet materialen hebben bekeken en nu iets hebben verteld over verschillende ijzerpoeder materialen, is het een goed moment om deze in een overzicht naast elkaar te zetten, met het (radio-amateur)toepassingsgebied als uitgangspunt (zie tabel 4: Toepassingsgebieden van spoelkern materialen)

 

 

m

Q

Tco

Bsat

keuze

 

Afstem spoel (Q > 50)

 

 

+

 

++

 

++

 

~

< .5 MHz: MnZn

< 10 MHz: NiZn

> 10 MHz: Carbonyl

Smoorspoel (emc)

++

~

~

~

MnZn (+NiZn > 10 MHz)

 

Smoorspoel (power)

 

++

 

+

 

~/+

 

+

< 0.5 MHz: elektrolytisch ijzer

<    2 MHz:  MnZn

<  30 MHz: NiZn

>  30 MHz: Carbonyl

 

Trafo (Impedantie)

 

+

 

+

 

~

 

~

<  3 MHz: MnZn

< 20 MHz: NiZn

> 20 MHz: Carbonyl

 

Trafo (power)

 

+

 

+

 

~/+

 

+

< 0.2 MHz: elektrolytisch ijzer

<  1 MHz:  MnZn

< 15 MHz: NiZn

> 15 MHz: Carbonyl

 

Figuur 4: Toepassingsgebieden van spoelkern materialen.

 

 

In figuur 4 is een overzicht gegeven van diverse spoelkern materialen en hun globale toepassingsgebieden. In de kolommen voor m, Q, Tco en Bsat is aangegeven wat het 'gewicht' is van de betreffende materiaal eigenschap voor de toepassing, waarbij geldt dat het '+' teken staat voor 'belangrijk' en het '~' teken voor 'niet van groot gewicht'. Verder staat MnZn voor Mangaan-Zink ferriet materiaal (Ferroxcube 3xx type), NiZn voor Nikkel-Zink materiaal (Ferroxcube (4xx type). 

 

Bij dit globale overzicht moet bedacht worden dat binnen de diverse materiaalgroepen grote verschillen in eigenschappen bestaan en dat de aangegeven toepassings-'grenzen' steeds globaal gelden voor het beste materiaal uit die groep.

 

Uit dit overzicht blijkt dat de elektrolytische ijzerpoeder materialen voornamelijk gebruikt worden in het LF gebied, b.v. (schakelende) voedingen, het MnZn ferriet materiaal wordt toegepast tot in het lage HF gebied, het NiZn ferriet materiaal over het hele HF gebied en dat het carbonyl materiaal pas in het hoge HF gebied interessant begint te worden. Bij elke toepassing moeten echter steeds alle materiaal eigenschappen worden bekeken en tegen elkaar worden afgewogen omdat deze in het HF-gebied vrijwel allemaal een meer of minder belangrijke rol spelen.  

 

    

Bob J. van Donselaar,

mailto:on9cvd@amsat.org