Var gång vi radioamatörer vill linda spolar av något slag på en s.k. ferritkärna, i all synnerhet när vi vill göra en bra BALUN, refererar vi till facklitteraturen - tidskrifter eller böcker och finner visserligen en mängd kakrecept, men tyvärr härskar det en babylonisk språkförbistring, när det gäller specificeringen av kärnmaterialet. Författarna tycks inte kunna ena sig, om vi nu ska använda 'FERRITE' eller IRON POWDER'-ringkärnor! Att förstå skillnaden mellan 'IRON POWDER' och 'FERRITE' material är viktigt, när det gäller att välja det optimala kärnmaterialet för ett särskilt ändamål. Varje grupp uppvisar nämligen ett stort antal variationer i storlek och materialblandning, som resulterar i olika permeabilitetsvärden, frekvensområden, mättning och flux, temperaturkoefficienter osv. Vi ska därför i den föijande texten försöka förklara de viktigaste begreppen och skillnaderna.

 IRON POWDER CORES (Järnpulver-kärnor) 

Järnpulverkärnorna finner vi i gruppen med låg permeabilitet, d.v.s. inom ett område från 90 my ner till 3 my eller t.o.m. lägre. Denna grupp är alltså idealisk för användningar inom HF och VHF områderna. Då järnpulverkärnor är svåra att mätta är de speciellt användbara för HF-avstämningskretsar, MF- kretsar och andra kretsar, där hög stabilitet står i förgrunden. De används även i enkla filter, såväl som i 'PI' och 'T' filter, brusgeneratorer, impedans-anpassningstransformatorer, sändarslutsteg (tank-kretsen), bredbandsbaluns, etc.' 

Järnpulverkärnor förekommer i en mängd storlekar mellan 1.25 mm upp till 12. 75 cm ytterdiameter. De uppdelas i två huvudgrupper: koloxidjärn och vätereducerat järn. Kärnor ur den första gruppen kännetecknas av deras utmärkta stabilitet över ett stort frekvens- och fluxvariationsområde. Deras permeabilitet ligger i allmänhet mellan 3 och 35 my och uppvisar utmärkta 'Q' faktorer mellan 50 kHz och 200 MHz. De passar därför i första hand för insats i HF-kretsar, där man önskar stabilitet och höga 'Q,-värden. Man kan utan svårighet uppnå 'Q,-värden omkring 200, i vissa fall t.o.m. upp till 350. Så har tillexempelvis Mix Nr 6 (se tabell nedan) en temperaturtolerans på enbart 35 x 10-6 , ett ovanligt lågt värde, som ej kan uppnås hos ferrittyperna. I detta sammanhang bör emellertid omnämnas, att materialblandningen 41 inte skall användas för applikationer, där man önskar höga 'Q,-värden. Detta material ängnar sig huvudsakligen för lågfrekvens och pulskretsar. 

Kärnor av det vätereducerade järnmaterialet har permeabiliteter mellan 35 och 90 my. Denna grupp uppvisar något lägre 'Q,-värden och användes huvudsakligen som 'EMI '-filter samt lågfrekvensdrossiar. Så har t.ex. just denna typ erfarit en mycket stor efterfrågan de senaste åren for insats i s.k. switched power supplies. Färgmarkeringen kännetecknar såväl järnpulverkärnans materialblandning (som har en nummerteckning 'Mix Nr') som dess permeabilitet och frekvensområde. Hos de flesta fabrikaten har färgerna följande betydelse: 

Färg

 

Mix Nr

 

My

 

Frekvens

 

Grön

 

41

 

75

 

1-10 kHz

 

Grå

 

3

 

35

 

.05-.5 MHz

 

Röd/Vit

 

15

 

25

 

.1-2 MHz

 

Blå

 

1

 

25

 

.5-5 MHz

 

Röd

 

2

 

10

 

1-30 MHz

 

Gul

 

6

 

8

 

2-50 MHz

 

Svart

 

10

 

6

 

10-100 MHz

 

Grön/Vit

 

12

 

3

 

20-250 MHz

 

Brun

 

0

 

1

 

50-300 MHz

 

 

FERRITE CORES (Ferrit-kärnor) 
Ferritmaterialet är en blandning av järn-, magnesium-, mangan, coboit-, nickel- och zink-oxider. Ferritkärnorna uppvisar permeabiliteter från 100 my upp till mer än 10.000 my. Med dessa eftersträvar man alltså höga induktansvärden med så små komponeneter som möjligt. Även denna grupp är uppdelad i två undergrupper: Nickel-Zink-gruppen, som har permeabiliteter mellan 20 my och 800 my Mangan-Zink-gruppen, som har permeabiliteter mellan 800 my och 5000 my. Nickel-Zink-typen kännetecknas av högt specifikt genomgångsmotstånd, medelmåttig stabilitet och relativt bra 'Q-värden inom frekvensområdet 500 kHZ till 100 MHz. Man kan använda den i iågeffektkretsar och tack vare dess höga permeabilitetsfaktorer även i bredbandsapplikationer. Inom kortvågsområdet kan blandingen 61 väljas (transformationsbandbredden ligger mellan 0.2 och 150 MHz) och för VHF- området (med bandbredd mellan 15 och 380 MHz) rekommenderas blandning nr 63. 

Permeabilitetsområdet börjar vid 125 my för blandning 61 och vid 40 my för material 63. Mangan-zink-typen uppvisar ett relativt lågt genomgångsmotstånd parat med medelmåttig fluxtäthet. inom frekvensområdet 1 kHz till 1 MHz kan den uppnå rätt bra 'Q- värden. Denna typ finner man bl.a. rätt ofta i frekvenskonvertrar, som arbetar mellan 20 kHz och 100 kHz, där dess snabba mättning utnyttjas. För dessa och liknande lågfrekventa användningsområden lämpar sig materialblandningarna nr 43, 72 och 75. Den lägre mättningspunkten kan med fördel också användas vid andra applikationer, som fordrar kärnmättning, som t.ex. i counting-, memory-, inverter- och liknande kretsar. Ferriter finner man även som pärlor, som huvudsakligen sätts in som induktiva frekvensspärrar. Denna typ kommer att behandlas längre fram i texten. Nedan följer en uppställning av de vanligaste ferritmaterialen och deras karaktäristiska egenskaper:

 

Mat-Nr

 

Perm.

 

Leg.

 

Egenskaper

 

68

 

20

 

Ni-Zn

 

Hög temperaturstabilitet högt 'Q-värde inom frekvensområdet 80 180 MHz Användes för HF-induktorer, antenner, bredbandsförstärkare och linjära sändarslutsteg.

 

63

 

40

 

Ni-Zn

 

Har högt specifikt genomgångsmotstånd, högt 'Q'-värde i frekvensområdet 15 25 MHz.

 

67

 

40

 

Ni-Zn

 

Mycket lika med '63' men frekvensområdet sträcker sig upp till 80 MHz och har högre fluxtäthet. Ägnar sig utmärkt för HF linjära bredbandssändarslutsteg.

 

61

 

125

 

Ni-Zn

 

Medium temp-stabilitet, högt 'Q,-värde melIan 0.2 och 15 MHz.

 

64

 

250

 

Ni-Zn

 

Högt specifikt genomgångsmotstånd. Användes huvudsakligen som pärlor för att dämpa harmoniska frekvenser över 200 MHz.

 

33

 

800

 

Ni-Zn

 

Användes inom frekvensområdet 1 kHz - 1 MHz.

 

43

 

850

 

Ni-Zn

 

Högt specifikt genomgångsmotstånd. Insättes för MF induktorer, bredbandsförstärare upp till 50 MHz. Användes mycket i pärlform för dämpning av harmoniska frekvenser mellan 50 och 200 MHz.

 

77

 

1800

 

Mn-Zn

 

Hög mättningsgrad vid höga temperaturer. Små förluster i 1 kHz - 1 MHz området

 

72

 

2000

 

Mn-Zn

 

Högt 'Q' vid låga frekvenser mellan 1 kHz och 500 kHz.

 

73

 

2500

 

Mn-Zn

 

Låg spec. genomgångsmotstånd och hög impedans från 5 MHz till 50 MHz. Kan även användas till baluner.

 

75

 

5000

 

Mn-Zn

 

Användes huvudsakligen för lågeffekt-, bredbands- och puls- trafos mellan 1 kHz och 1 MHz. Finns som pärlor för dämpning av harm. frekvenser mellan 5 och 20 MHz.

 

Några fabrikat har avvikande beteckningar:

Mix Q1 = Mix 61

Mix Q2 = Mix 63

Mix H = Mix 43

Alla typer av ringkärnor äro i högsta grad självavskärmande, eftersom den största delen av de magnetiska fluxlinjerna håller sig totalt inom ringstrukturen, varvid fluxlinjerna löpa likformigt över hela den magnetiska flödesvägen. Främmande magnetiska ströfält utöva praktiskt taget inget inflytande på en ringkärne-induktor. Därför är det ytterst sälIan, att man packar in sådana induktorer i en extra skärmburk, såvida de ej skall skyddas för någon form av mekaniska skador. För beräkning av antalet lindningsvarv anger fabrikanterna i dom flesta fallen ett s.k. AL-värde, fastlagt med uH/100 varv. Med detta värde kan varvantalet uträknas med hjälp av formeln:

 

ferritAntal varv = 100* Ö ((önskad induktans i uH) / (AL-värdet (m.a.o. uH/100 varv)))

'Q'-FAKTOR 
För att uppnå bästa möjliga 'Q'-faktor bör ringkärnans totala periferi utnyttjas för lindningen, samtidigt som den största, praktiskt möjliga tråddiametern användes. Möjligtvis måste man därvid lämna regelmässiga avstånd mellan de enskilda varven. Då 'Q' är lika med den induktiva reaktansen dividerat med koppartrådens motstånd, måste koppartråden uppvisa minsta möjliga motstånd for att högsta möjliga 'Q-värde skall uppås. Ofta är det bättre att använda en finare koppartråd och att utföra spolen med s.k. bifilar- eller trifilar-lindning, med vilka man även uppnår högt 'Q'-värde tillsammans med lågt motstånd. Om man ej har tillgång till en HF-'Q'-Meter för att fastställa 'Q'-värdet, kan för dessa mätningar en tillförlitlig griddipmeter istället användas. 

BELASTBARHET & MATTNING 
Ett flertal faktorer måste beaktas, när belastbarheten hos en ringkärna av en viss fysisk storlek skall beräknas. De flesta fabrikanter visar belastbarheten i form av kurvor för de olika kärnstorlekarna. Vill man erhålla noggranna värden är dock den bästa vägen, att använda sig av bestämda formler, vilka visas nedan. När fluxvärdet överstiger en viss punkt börjar permeabiliteten hos kärnan att minska. Detta är samtidigt den punkt, där kärnan börjar att mättas. När en växelspänning sändes genom spolen, använder man Faraday's lag för att räkna ut max. AC-flödestäthet (i Kilogauss). Det funna värdet får därvid inte överstiga det av tillverkaren angivna värdet för den valda kärnan. När likspänning läggs på spolen skall Amperes lag användas för att finna DC-mmf (mätt i Örstedt). För detta levereras till kärnan kurvor, som visar permeabilitetsförlusten i procent för det valda materialet. Om det visar sig att permeabiliteten har sjunkit mer än 80% av sitt normala värde, måste en större kärna väljas. I de fall, där både lik- och växelström föres genom lindningen, kan den totala max. fluxtätheten beräknas med hjälp av kombinationsformeln, presenterad här nedan. Även i detta fall, om fluxtätheten överstiger fabrikantens värde för den valda kärnan, måste en större väljas. En rätt användbar tumregel är att använda ringkärnestorleken 'T-200', som hos alla fabrikanter har måtten

Ytterdiam = 50.0 mm

 

Innerdiam = 31.75 mm

 

Tjockleken = 13.97 mm2

 

Tvärsnittsytan = 1.33 cm

 

Genomsnittliga fluxIängden = 12.97 cm

 

 

 

som en standard och att referera alla mindre typer till denna på följande sätt: vi vet t.ex. att 'T-200' kan arbeta under 1000 watt som balun och upp till 100 watt, när den användes i ett LC-avstämt sändar-slutsteg. En hälften så stor kärna kan ta hand om bara en fjärdedel av dessa effekter vid samma användningar. Även om detta inte är en noggrann värdering p.g.a. alla andra faktorer, så visar den i alla fall vägen till den ungefärliga storleken för en viss applikation. Här följer ytterligare några tips: Med stigande kärnstorlek förlänger sig fluxlinjerna, som har till följd att magnetiseringskraften minskar, som återigen betyder, att kärnan blir svårare att mätta. Med stigande kärnstorlek behövs mindre lindningsvarv för samma föregivna induktans ju mindre varv desto mindre magnetiseringskraft och - igen - kärnan blir svårare att mätta. Man kan ytterligare öka mättningspunkten och förbättra stabiliteten genom ett avlägsna en liten 'tårtbit' från en ringkärna. Detta för emellertid samtidigt med sig, att andra parametrar ändrar sig. Graden av dessa ändringar beror på hur stort stycke som avlägsnas. Skall en induktans användas för högre effekter än den enskilda kärnan kan klara av, kan en effektstegring åstadkommas, i och med att man 'staplar' två eller flera kärnor inom en lindning. Stegringen är emellertid icke, som man skulle kunna förmoda, linjär. Slutligen, för att vara på den säkra sidan att kärnan ej mättas vid eventuella spänningsspetsar, är det tillrådligt att välja den största möjliga kärna, som plats och utrymme tillåter.

ferrit

 

I dessa formler gäller:

B = Fluxtäthet i kilogauss

 

H = magnetiseringsstyrkan i Örstedt

 

AL = fabrikantens induktans-index

 

E = spänning i Volt

 

f = frekvens i Herz

 

I = ström i Ampere 2

 

Ae = kärnans effektiva snittarea i em

 

Ie = den effektiva magnetiska längden i kärnan

 

N = antal lindningsvarv

 

 

 

OBS! AL-värdet i formlerna står för uH/100 varv, vilket är standard för järnpulverkärnor. Däremot betyder det i samband med ferritkärnor mH/1000 varv. Därför är det nödvändigt att konvertera AL-värdet, när beräkningar skall göras med ferritkärnor, vilket helt enkelt sker genom att multiplicera mH/1OO0 med 10, exempelvis 50 mH/1000 varv x 10 motsvarar 500 uH/100 varv. 

FERRITPÄRLOR

Även om det finns ytterligare en mängd andra typer av ferriter, t.ex. cirkulatorer, skall vi avsluta med ferritpärlorna, som även är av speciellt intresse för radioamatören och över vilka han tyvärr finner ytterst få informationer i den tillgängliga amatörlitteraturen. Ferrit 'pärlor' är egentligen ett något missvisande uttryck, eftersom dessa i allmänhet är cylinderformade med ett, två eller sex genomgående axiella hål. Men eftersom de kallas 'beads' i urspungslandet, är den direkta översättningen av ordet till 'pärlor' korrekt, även om 'beads' har ett par andra betydelser dessutom. De förekommer, liksom ringkärnorna, i ett flertal storlekar med olika magnetiska egenskaper. När man trär en ferrit-pärla över en strömförande ledning, fungerar den precis som en liten HF-drossel. Den erbjuder därmed en mycket billig och bekväm men ytterst effektiv metod för HF-avskärming, HF-avkoppling och dämpning av parasitsvängningar. 

Det existerar en mängd källor och möjligheter för uppkomsten av brus, pip och andra interferenser i HF-kretsarna i våra kommersiella apparater eller egenkonstruktioner. Vanligast finner vi orsaken i nätdelen, i förbindelserna mellan olika steg eller enheter och hos jordningspunkter fördelade på olika ställen på chassit. Vanliga källor är t.ex. också ledare, som ligger parallellt med vissa komponenter, ledare parallellt med varandra eller med chassit det spelar ingen roll om det gäller lösa ledningar eller tryckta ledare på ett kort , som inducerar HF energi från en krets till en annan, men på fel ställe. Självinduktanser och s.k. distribuerade kapaciteter förorsakar ofta parasitsvängningar vid högre frekvenser. I alla dessa fall kommer ferritpärlorna väl till pass. 

Vid höga frekvenser ändrar sig permeabiliteten och förlusterna i ferritmaterialet. Med stigande frekvens avtar permeabiliteten samtidigt som förlusterna stiger till ett max värde. Denna egenskap kan användas som ett bredbandsfilter. Ferrit-pärlan besitter liten eller ingen impedans vid låga frekvenser eller likström. Allt efter frekvensen stiger ökar impedansen hos ferrit-pärlan mycket fort och eftersom den är ett homogent block, kan den ej bli avstämd genom eventuella strökapaciteter. Ferrit-pärlan behöver ej att jordas och den kan mycket enkelt trädas över en existerande ledning eller komponent-Iedare hos en transistor, IC eller motstånd etc. Frekvensen, vid vilken spärreffekten börjar att sätta in, beror naturligtvis på materialet hos den ferritpärla man har valt. Så har t.ex. materialet 64 sin högsta impedans vid 200 MHz och däröver, materialet 43 däremot är bäst för frekvenser mellan 50 och 200 MHz och materialet 73 rekommenderas för frekvenser under 50 MHz. För frekvenser omkring 10 MHz ägnar sig materialet 75-B bäst, men eftersom detta material undantagsvis är halvledande, måste man se till, att pärlan är väl isolerad från chassie och andra komponenter. Impedansen hos ferrit-pärlan är direkt proportionell till den totala längden och kan således ökas genom att träda på flera pärlor på ledaren. 

Eftersom det magnetiska fältet är helt slutet inom varje enskild pärla spelar det ingen roll om de har mekanisk kontakt med varandra eller ej. Högre impedans kan erhållas, om man lindar ledaren flera varv genom den axiella borrningen. Motstånd och induktans är proportional till kvadraten på antalet varv. Denna metod är, tack vare kapaciteten i lindningen, olämplig vid höga frekvenser men rätt användbar vid lågfrekvenser. I vissa fall kan man stämma av pärlans induktans genom att lägga en kondensator mellan 'utgångs-sidan' och 'jord' för att därmed filtrera bort en bestämd frekvens. 

Hög likspänning eller höga lågfrekvensamplituder förosakar en viss minskning i ferritpärlans spärreffekt, men eftersom ledaren för det mesta går rakt igenom utan att lindas, som nämndes ovan, kan tämligen höga strömmar föras igenom pärlan innan den börjar att mättas. Vid mättning reduceras induktans och motstånd kraftigt. Höga HF-spänningar kan förorsaka hysterisisförluster, som i sin tur vill öka det effektiva motståndet. 

De mekaniskt större typerna av ferritpärlor hittar man sedan längre tid i bredbandiga transistoriserade sändarslutsteg, där de insättes som ferritbelastade HF-transformatorer. De förutnämda typerna med flera än en borrning användes i regel som bredbands-drosslar. Dessa ferritpärlor förses med ett eller flera varv koppartråd trädda axialt genom kärnan. Slutligen en stor del av amatörer med tillgång till amerikansk litteratur stöter ofta på problem, när det gäller uppgifterna om koppartrådarnas diameter, som i byggnadsbeskrivningarna i regel angives i AWS, en förkortning av American Wire Standard. 

Tabellen nedan visar AWG-dimensionerna i mm.

 

AWG-Nr

 

Diam mm

 

AWG-Nr

 

Diam mm

 

1

 

7.348

 

21

 

.723

 

2

 

6.544

 

22

 

.644

 

3

 

5.827

 

23

 

.573

 

4

 

5.189

 

24

 

.511

 

5

 

4.621

 

25

 

.455

 

6

 

4.115

 

26

 

.405

 

7

 

3.665

 

27

 

.361

 

8

 

3.264

 

28

 

.321

 

9

 

2.906

 

29

 

.286

 

10

 

2.588

 

30

 

.255

 

11

 

2.305

 

31

 

.227

 

12

 

2.053

 

32

 

.202

 

13

 

1.828

 

33

 

.180

 

14

 

1.628

 

34

 

.160

 

15

 

1.450

 

35

 

.143

 

16

 

1.291

 

36

 

.127

 

17

 

1.150

 

37

 

.113

 

18

 

1.024

 

38

 

.101

 

19

 

.912

 

39

 

.090

 

20

 

.812

 

40

 

.080

 

Den svenska standarden motsvarar naturligtvis inte denna indelning i tusendels mm utan har i bästa fall hundradels, 5 hundradels och tiondels stegning. Man måste alltså använda den diameter, som kommer närmast och sedan experimentellt variera varvtalet tills man erhållit den i beskrivningen föreskrivna induktansen.

Litteraturreferenser:
Ham radio Magazine, div. artiklar beträffande baluns: June 1986, Nov.1976, Sept. 1978, Feb. 1980

QST, Aug. 1964, Dec.1968, June 1968, Apr. 1969 och June 1979

Siemens, Lagerliste der bauteile

Service Siemens, Applikations-Berichte

Philips, Ferroxcube Cores For Industrial Applications

Volvo, Ferroxcube 1978

TDK Electronics Co., Ltd, Ferrites

Spang Industries Inc., Magnetics, (produktinformationer)

Trans-Tec, Inc.: A Basic Introduction to Ferrimagnetic Materials

Amidon Associates, produktinformationer

Palomar Engineers, produktinformationer

R.M. Bozorth: Ferromagnetism, utgiven 1951

W.H. von Aulock: Handbook of MIcrowave Ferrite Materials, 1969

D. Fink & D. Christiansen: Electronics Engineer's Handbook, Sid. 6-65 till 6-79

ITT reference Data for Radio Engineers, Kap.4

Karl Rothammel: Antennenbuch

Gerd Janzen: Kurze Antennen, Franck-h'sche Verlagshandlung 1986

DL9ST: 'Balun- Transformatoren',CQ-DL Juli 1968

F. Spillner: 'Baluntrafo mit Ringkern für 1 kW', QRV 1973, sid 653

T. Gross: 'Super Toroids. .', Electronic Design Sep, 1976

John J. Nagle: 'Impedance Matching Balun', Electronic Design Dec. 1979

Jerry Sevick: Broadband Matching Trans- formers', Electronics, Nov. 1976

H.L. Krauss, C.W. Allen: 'DesigningToroidal Transformers to Optimize Wideband Performance', Electronics, 16. Aug. 1973

C. L. Ruthroff: 'Some Broad-Band Trans- formers', Proc. IRE, vol. 47, Aug. 1959

Orginalartikel författad av SM7/DJ0DU, Tore W. Frendeborg
Källhänvisning: QTC 1987 nr 3 s117-119 
Granskad och återpublicerad av Christer Ståhl, SM7LXC


 

Joomla templates by a4joomla

Vi använder cookies för att förbättra våra webbsidor och din upplevelse när du använder dem. Cookies som används för den nödvändigt funktionaliteten för dessa webbsidor har redan blivit satta. To find out more about the cookies we use and how to delete them, see our privacy policy.

  I accept cookies from this site.
EU Cookie Directive Module Information