SRF in een HF spoel
Wat is het? Wat doet het?
SRF in een HF spoel van de zender of de radio die je aan het bouwen bent kan het resultaat van je werk flink nadelig beïnvloeden.
In onze publicatie “De geheimen van een Ringkern Ferriet HF spoel” zagen we dat zelfs een spoel met heel weinig windingen al een SRF kon bezitten die de werking van je project totaal naar de knoppen help.
Daarom gaan we bekijken:
- Hoe zit dat?
- Waarom is het belangrijk om te weten?
- Wat kun je er aan doen?
- Hoe kun je het meten?
- En is zelfbouw slechter of beter dan een gekocht gelikt exemplaar?
SRF, Self Resonant Frequency,
ofwel, zelf oscillerende frequentie
Die resonantie hebben we te danken aan de verborgen condensator die in elke spoel zit.
De verborgen condensator in elke spoel?
Hoe zit dat?
De theorie zegt dat in een spoel, een radio onderdeel met een hoge impedantie (dat is door inductie veroorzaakte wisselstroom weerstand) ook een condensator zit.
Die condensator veroorzaakt een reactantie (dat is door condensator capaciteit veroorzaakte wisselstoom weerstand). Die capaciteit zit parallel aan de inductie.
De spoel bestaat dus uit drie onderdelen. Een ohmse weerstand van de draad, inductie van de spoelwindingen en capaciteit die ontstaat tussen naast elkaar liggende windingen. Zie het fictieve spoel schema hiernaast.
We zien hier een LC kring zoals we veelvuldig toepassen in zenders en radio ontvangers.
En we weten dat zo’n kring een resonantiefrequentie bezit. Van die resonantiefrequentie maken we gebruik om de zender of de radio op de juiste frequentie, de gewenste golflengte af te stemmen.
Nu zien we dat elke spoel, los van welke onderdelen wij er omheen monteren, die spoel is al een LC kring en bezit dus een resonantie frequentie.
Kanttekening bij SRF in een HF spoel
In de wetenschap bestaat discussie over de eigen capaciteit van een spoel en over SRF. Sommige wetenschappers betogen dat beide niet bestaan.
Zij betogen en onderbouwen met experimenten dat afhankelijk van de lengte en de dikte van een spoel er fasesnelheid verschillen optreden en dat die fasesnelheid verschillen het gedrag van de spoel verklaren.
Deze wetenschappers erkennen echter dat de SRF theorie in de praktijk prima voldoet om het gedrag van een spoel te verklaren en te voorspellen.
Vanuit dat gegeven ga ik verder met mijn metingen en toepassing van de theorie over SRF in een HF spoel.
De SRF in een HF spoel; belangrijk om te weten?
Jazeker, het is van belang om te weten wat de SRF in een HF spoel is. Die SRF geeft je informatie over de condensator capaciteit in je spoel. En die capaciteit kan, als hij te hoog is, het gedrag van het circuit waarin jij je spoel monteert ernstig belemmeren of verstoren.
Duidelijke voorbeelden hiervan zagen we bij onze eerste experimenten met PI-filters voor AM Zenders.
Kun je er wat aan doen?
Ja en nee. Om met nee te beginnen. Een al bestaande spoel daar verander je meestal niet veel meer aan.
Uit de metingen die ik in de geheimen van ringkern ferriet spoel beschreef, metingen ook uitgevoerd met luchtspoelen, kun je opmaken dat de relatie tussen inductie en capaciteit niet eenduidig is.
M.a.w. meer windingen levert soms minder capaciteit op maar soms ook meer capaciteit.
In het algemeen is mijn ervaring wel dat een spoel gewikkeld met draad dat beschermd is door een plastic mantel minder capaciteit oplevert dan draad met een veel dunnere emaille isolatielaag.
Natuurlijk kun je, zeker op hogere HF frequenties een luchtspoel ook winden met luchtspatiering tussen de windingen. Ook die lucht spatiering reduceert de spoel capaciteit en verhoogt dus de zelf resonerende frequentie (SRF) van de spoel.
Hoe kun je de SRF in een HF spoel bepalen?
De SRF en de eigen condensator capaciteit van een spoel zijn zeer interessant om te weten. In de publicatie over de geheimen van ferriet kernen liet ik een eenvoudige meting zien.
Die meting is erg globaal en vooral als je kleinere spoelen met eveneens een kleine capaciteit wilt meten, dan is die meting die ik toen gebruikte niet zo geschikt.
Waarom niet?
Eenvoudig omdat de lange snoeren die het signaal van de signaalgenerator aanvoeren ook de nodige condensator capaciteit bevatten. Capaciteit ten opzichte van elkaar en ten opzichte van ‘aarde’.
Hetzelfde geldt voor de snoeren en meet probes van de oscilloscoop.
Probeer het maar eens uit. Je zult zien dat je scoop beeld gaat dansen (bij een moderne en snelle scoop) of vaag wordt (bij een oudere buizen oscilloscoop).
Dat komt doordat de voedingsdraden van de signaal generator als zendantenne werken en die meet probes van de oscilloscoop als ontvangantenne.
Het signaal dat ik gebruikte liep van 500 kHz tot enkele Mega Hertz. Dat zijn gewoon radio frequenties.
Op het oscilloscoop scherm komen daarom twee sinussen voor. Eén sinus die door de lucht is ontvangen op de meet probes en een sinus die door de meet probes van de meetopstelling is betrokken.
De nieuwe meting
Een meetopstelling met grotere nauwkeurigheid voor het vaststellen van de SRF in een HF spoel.
In de nieuwe meting hanteren we een veel lagere meetfrequentie. Iets van 10 of 20 kHz. Met en sinus van die frequentie kun je niet veel. We gaan nu echter en blokgolf als signaal gebruiken.
Een blokgolf?
Ja. Een blokgolf heeft namelijk een stijl recht omhoog lopende flank. Een flank zo stijl als de flank een sinus van wel 100 tot 1000 Mega Hertz. Daarmee kunnen we de SRF in een HF spoel gaan bepalen.
Die flank daarmee gaan we de te onderzoeken spoel op zijn waardes testen.
Hoe?
Weet je nog hoe een zender met een eindbuis in Class C werkt? Hoe dat ernstig afwijkt van wat we gewoon zijn te zien, bijvoorbeeld in Class A.
Die eindbuis in Class C produceert alleen maar heel smalle piekspanninkjes. Piekjes die in niets lijken om een mooi hf sinus signaal.
Maar als we de scoop aan de uitgang van die zender hangen dan zien we toch een mooi sinusvormig signaal.
Dat signaal wordt gemaakt door de afstemkring, de LC kring of het PI filter dat aan de anode van die eindbuis hangt. De frequentie van dat signaal wordt deels bepaalt door de frequentie waarmee de anode zijn pieksignaaltjes produceert.
Maar de belangrijkste factor is de resonantie frequentie van de LC kring of het Pi filter. Die resonantiefrequentie van wat in jargon ‘de tankkring’ wordt genoemd vormt het uitgangssignaal van de zender.
Tankkring, want de spanning beweegt hierin heen en weer zoals water in een tank, een vat, heen en weer klotst als je dat vat een duwtje geeft. In je zender is dat duwtje het piek-spanninkje van de eindbuis.
Deze eigenschap van een LC kring, een tankkring gaan we nu gebruiken om de SRF in een HF spoel te bepalen.
De Blokgolf in actie
Het spanningspiekje wordt nu door de blokgolfgenerator gegeven. De frequentie van die blokgolf hoeft niet heel hoog te zijn. Het gaat ons op die opgaande flank. We gebruiken 10 of 20 kHz een toon uit de top van het audio segment.
Hieronder zie je de meetopstelling.
Met die lage frequentie hebben we geen last meer van radiografische signaaloverdracht. Maar in die signaalgenerator zitten ook inducties en capaciteiten. En ook de aansluitdraden bezitten een capaciteit ten opzichte van elkaar en ten opzichte van ‘aarde’.
Om die reden zit er een weerstandje van 6,8 Mega ohm aan de te onderzoeken spoel (de grootse weerstandwaarde die in mijn weerstanden doosje zat).
Voor de oscilloscoop en de meetaansluitingen daarvan gelden soortgelijke overwegingen. Hier heb ik de beïnvloeding van de meting geprobeerd te minimaliseren door de verbinding naar de te onderzoeken spoel via een condensatortje van 10pF te laten lopen.
De meet probes heb ik op de stand 10X gezet met het doel ook die weerstand zo groot mogelijk te laten zijn. Verder meten we het signaal over de weerstand en niet over de spoel zodat we de spoel zo min mogelijk met vreemde extra capaciteiten belasten.
Bovenstaande afbeelding laat zien wat je dan op de scoop te zien krijgt.
Net als bij de tankkring van een zender in class C gaat nu de spoel die je test ook op spanningspieken reageren met een mooie sinus golf als resultaat.
De frequentie waarop de spoel nu die slingerbewegingen laat zien is de frequentie waarop hij oscilleert. Dat is dus de frequentie waarop de capaciteit in de spoel gelijk is aan de inductie in de spoel.
Dit is je SRF punt
Je ziet in voorgaande tekening 12 golfbewegingen gedurende de tijdspanne van 1 blokgolfbeweging.
We weten dat die blokgolf in werkelijkheid 20 kHz meet. De SRF in deze tekening is dus 12 * 20 kHz = 240 kHz.
Video over het meten van SRF in een HF spoel
In de video zie je een vergelijkende meting tussen een gekochte HF spoel en een ‘home brew’ spoel. Home brew zoals de Amerikanen zo mooi hun eigen bouwsels kunnen typeren.
Beide spoeltjes zijn 2,5 mH. Een waarde die heel veel in radio’s en in zenders wordt toegepast.
Is die zelfgemaakte spoel nu beter
dan een gekocht exemplaar?
Dit was een vraag waar ik ook even over na moest denken. Het antwoord op die vraag blijkt afhankelijk te zijn van de toepassing die je voor ogen hebt. Lees even met me mee.
Even recapituleren.
De home brew spoel meet een SRF van 1.02 MHz. De inductie is 2,6 mH. De capaciteit in die spoel is dan ruwweg 9 pF.
De commerciële spoel meet een SRF van 0,45 MHz. De inductie is 2,5 mH. De capaciteit in die spoel is dan ruwweg 50 pF.
Toepassing op de korte- en midden golf
Laten we de SRF in een HF spoel meting nu eens toepassen op een anode circuit. Die buis moet een signaal met een frequentie van 3,5 MHz versterken.
Eerst nemen we het commerciële spoeltje
Op de 80 meterband zeg 3,5 MHz is de inductieve weerstand, de impedantie, 54,95 kOhm. De capacitieve weerstand, de reactantie is 0,909 kOhm. De ohmse weerstand heb ik gemeten op 24 Ohm.
Tellen we die drie weerstanden vectoriëel bij elkaar op dan hebben we een schijnbare weerstand te pakken van 0,894 kOhm.
Op de 160 meterband zeg 1,8 MHz is de impedantie 28,26 kOhm. De reactantie is 1,769 kOhm.
Tellen we die drie weerstanden vectoriëel bij elkaar op dan hebben we een schijnbare weerstand te pakken van 1,66 kOhm.
Dat zijn schamele resultaten.
Op de 80 meterband ben je dus veelal beter af met een spoeltje van 1 mH en een SRF van 1 à 1,5 MHz. Dat is dus een capaciteit van 11pF -25 pF.
De schijnbare weerstand van die spoel licht dan tussen 2 à 4 kOhm.
Toepassing van dit spoeltje op de Middengolf
Bij de Middengolf Zender op 675 kHz brengt deze commerciële spoel in de anode van de 807 buis 3,34 kOhm op tafel. Een mooie waarde.
In de anode van de EL84 in de bouwpakket zender is dat een iets minder fraaie resultaat van 2,06 kOhm.
Het Home Brew spoelje
Bij 3,5 MHz is de impedantie 57,14 kOhm. De reactantie is 5,05 kOhm. De ohmse weerstand heb ik gemeten op 0,3 Ohm.
Tellen we die drie weerstanden vectoriëel bij elkaar op dan hebben we een schijnbare weerstand te pakken van 4,64 kOhm.
Op de 160 meterband zeg 1,8 MHz is de impedantie 29,39 kOhm. De reactantie is 9,82 kOhm.
Tellen we die drie weerstanden vectoriëel bij elkaar op dan hebben we een schijnbare weerstand te pakken van 7,46 kOhm.
Conclusie bij dit SRF in een HF spoel experiment
De SRF, c.q. de eigen condensator capaciteit, de reactantie van een HF spoel is een zeer belangrijk gegeven bij het gebruik van een spoel.
Je ziet dat op de hogere frequenties die SRF, en daarmee de reactantie, de condensator capaciteit van de spoel, super belangrijk wordt.
- Belangrijk is ook dat die SRF frequentie buiten de band (de golflengte) ligt waarop je wilt werken.
Als voorbeeld.
Zou je de home brew spoel gebruiken bij een buis die Middengolf frequenties moet versterken dan zou dat een zeer verschillend versterkingsbeeld opleveren.
Rond de 1 MHz (het SRF punt) is dan de versterking vele malen hoger dan bijvoorbeeld op 1,3 MHz of op 0,7 MHz.
- Belangrijk is ook dat het SRF punt niet te ver afwijkt van de band waarop je wilt werken.
Je zag bij het commerciële spoeltje van 2,5 mH dat deze in de 80 meterband en hoger gewoonweg slecht presteert. Met een kleiner spoeltje met lagere inductie waarde maar met ook een veel hogere SRF waarde (hogere frequentie) ben je dan veel beter uit.
Dat laatste is opmerkelijk omdat ik deze spoeltjes vaak door amateurs zie gebruiken op deze hogere frequenties.
- Zonder kennis van de SRF in een HF spoel die je gebruikt loop je feitelijk zonder lantaarn te wandelen in het pikdonker.
Helaas wordt de SRF bij commerciële aanbiedingen niet altijd vermeld.
Tot zover.
Vragen, opmerkingen, je krijgt altijd een reactie van mij.
-
Koos Overbeeke
Terug van SRF in een HF spoel naar de Radio Amateur Diverse