Kernauswahl für Balun und HF-Transformator

Diese Seite ist eine zusammenfassende Übersetzung von http://w8ji.com/core_selection.htm.

Die Auswahl des richtigen Kerns ist nicht ganz einfach. Manchmal haben die Entwickler auch ziemlich eigenartige Ideen. Dazu gehört der Versuch, durch das Kombinieren mehrerer unterschiedlicher Kernmaterialien gleichzeitig hohe Belastbarkeit und hohe Impedanz erreichen zu können, indem man die Strombelastung langsam reduziert. Eine andere falsche Forderung ist die nach einem µ jenseits von 10.000 für 1,8 MHz oder noch höhere Frequenzen. Oder auch der Einsatz von Kernen mit extrem niedriger Permeabilität für den gleichen Zweck.

Meine Empfehlungen beruhen immer auf eigenen Messungen – mit vernünftigen Messgeräten am Testplatz oder in entsprechenden Anwendungsfällen.

Die Auswahl des Kernmaterials

Für QRP-Anwendungen im Kurzwellenbereich benutze ich vorzugsweise das Material 73. Dieses und ähnliche Kernmaterialien führen zu niedrigen Windungszahlen ohne übermäßige Verluste. Eines der besten Anzeichen für eine Gute Kernauswahl ist die Windungszahl. Die meisten meiner Transformatoren haben nur 1-2 Windungen pro 100 Ω Impedanz. Mein 75:450 Ω-Beverage-Transformator hat beispielsweise zwei Primär- und und fünf Sekundärwindungen.

Leistungsanwendungen im Kurzwellenbereich verlangen oft Kerne mit niedrigerer Permeabilität. Das hat zwei Gründe:

• Kerne mit niedriger Permeabilität haben eine höhere Curie-Temperatur. Sie verlieren also auch bei höheren Betriebstemperaturen ihre magnetischen Eigenschaften nicht.
• Kerne mit niedrigerer Permeabilität haben bei einer festen Frequenz geringere Verluste. Das senkt die Verlustleistung, eine wichtige Eigenschaft im QRO-Bereich.

Die Permeabilität ist frequenzabhängig. Mit steigender Frequenz erreicht die Permeabilität irgendwann ein Maximum, um dann abzufallen. Für Breitbandtransformatoren kann diese Eigenschaft ganz nützlich sein. Man sollte aber den Bereich des ganz steilen Abfalls vermeiden. Wenn Die Permeabilität bei niedrigen Frequenzen zu hoch ist, kann der Impedanzabfall mit der Frequenz im Arbeitsbereich zu recht niedrigen Impedanzen führen. Das kann die Bandbreite deutlich einschränken.

Hohe Windungszahlen zwingen zu dünneren Drähten, beeinträchtigt oft die Temperaturstabilität und führt zu unnötig hohen Streukapazitäten. Letzteres beeinträchtigt wieder die Bandbreite.

Kerne sollten NICHT nur nach ihrer Anfangspermeabilität ausgewählt werden, denn dieser Wert wird mit Gleichstrom bestimmt. Wichtig sind die Eigenschaften bei der Betriebsfrequenz!

Grundsätzlich führen kürzere Drahtlängen zu größeren Bandbreiten. Dabei ist wichtig, möglichst viel Draht in den Kern hinein zu bringen und möglichst wenig außen herum zu führen.

Erwärmung

Für höhere Leistungsklassen fordern geringere Kernverluste und Materialien mit höherer Curie-Temperatur wie 65, 61 oder sogar 43. Auch Bruchteile von dB Leistungsverlust können kleine Kerne stark aufheizen, wenn 1 kW Leistung drüber geht. Bei nicht resonanten Schaltungen mag der Verlustunterschied zwischen Ferritmaterialien mit niedriger oder hoher Permeabilität nicht sehr groß sein. Aber die Erwärmung kann sich stark unterschieden!

Die Erwärmung wird oft so interpretiert, dass der Kern sehr höhe Verluste hätte oder in die Sättigung ginge. Dem ist aber oft nicht so. Zum ganzen Bild gehören auch benutzte Leistung, Taktgrad und die Möglichkeit des Kerns, die Verlustleistung auch loszuwerden.

Sehr kleine Kerne, etwa solche mit 1,27 cm Durchmesser, werden oft als Mantenwellensperre auf Kabel aufgefädelt. Sie können nur Bruchteile von Watt an die Luft abgeben. Dann hilft, sich vorzustellen, wie warm eine 60-W-Glühbirne im Betrieb wird. Der Kern leitet die Wärme schlecht und oft wird er so eingepackt, dass um ihn herum keinerlei Luftaustausch stattfinden kann.

Bei einer solchen Mantelwellensperre werden die Kerne häufig mit Schrumpfschlauch befestigt. 20 W Verlustleistung bedeuten bei 1,5 kW nur eine Dämpfung von 0,1 dB, trotzdem werden die Kerne überhitzt!

Fast immer geht es hier um Wärmeprobleme, nicht um zu hohe Kernverluste. Um Kerne in die Sättigung zu treiben und sie dadurch zu überlasten muss man sie mit sehr geringen Tastgraden und sehr hohen Leistungen beaufschlagen. Bei der Kernauswahl sollte man sich also in erster Linie um die Verlustleistung und die Windungszahl kümmern, nicht um relativen Verluste.

Bauform des Kerns

Weicheisen-Kerne erhöhen die Induktivität, weil sie die magnetische Flussdichte in der Nähe des Leiters erhöhen. Mit geringer Flusskonzentration gehen auch geringe Induktivitäts- und Impedanzsteigerungen einher. Nur starke Flusskonzentrationen führen auch zu kräftigen Impedanzanstiegen.

Der Bereich außerhalb der Kernöffnung bewirkt keinen geschlossenen magnetischen Pfad. Hier hat die Nähe des Kerns keinen wesentlichen Effekt auf die Induktivität des Leiters. Der magnetische Fluss dieser Leiterteile verläuft weitgehend durch Luft, wo er nicht konzentriert wird und folglich nciht viel zur nutzbaren Induktivität beiträgt. Im Gegenteil: Diese Windungsteile tragen viel zu Streufeldern und Streukapazitäten bei. Wenn wir also dafür sorgen, dass ein möglichst großer Teil des Leiters innerhalb des Kerns bleibt, führt das zu einer wirkungsvolleren Induktivität oder einem besseren Transformator.

Dieser Effekt lässt sich leicht mit einem kleinen Experiment beweisen, das man beispielsweise mit einem Antennenanalysator durchführen kann: Verbinden wir die anschlüsse des Analysators mit einem Stück Draht und messen die Impedanz. Dann beobachten wir die Impedanz, während wir einen Kern von außen an den Draht annähern. Die Induktivität erhöht sich nur minimal.

Wenn wir jetzt aber den Draht durch den Kern fädeln, erhöht sich die Impedanz deutlich. Das zeigt deutlich, warum so viel Leiter wie möglich in den Kern hinein gehört.

Kernabmessungen

Der Kern konzentriert den magnetischen Fluss auf die Umgebung des Leiters. Je weiter das Weicheisen vom Leiter entfernt ist, um so geringer ist sein Einfluss.

• Wenn wir einen Kern auf einen Draht fädeln, so ist die dadurch erzielte Impedanzerhöhung praktisch proportional zur Länge der Kernbohrung.
• Die Dicke des Kernmaterials dagegen hat dagegen nur wenig Einfluss auf die Impedanz.

Also erhöht die Kernlänge parallel zum Leiter die Impedanz proportional, während mehr Kernmaterial radial um den Leiter längst keinen so starken Einfluss hat.

Persönlich bevorzuge ich für Kleinleistung Doppellochkerne und nebeneinander liegende Stapel von Ringkernen für breitbandige Leistungsanwendungen. So hängt wenig Draht "außen" herum, die Drahtlänge wird minimal und auch die Streukapazitäten und -induktivitäten bleiben niedrig. Gegenüber einem Ringkern oder einfachem Ringkernstapel kann man so oft ein Drittel des Drahtes einsparen!

Kleinsignalmessungen

Phasenumkehrung und Mantelwellendrosseln

Einige meiner Empfängerentwürfe benutzen Transformatoren zur Phasenumkehr. Solche Transformatoren unterscheiden sich vom Aufbau her nicht von Mantelwellendrosseln. Für Empfängeranwendungen verwende ich Doppellochkerne aus Material 73 und 6 Windungen 0,5-mm-Kupferlackdraht. Als Kern benutze ich Doppellochkerne von Fair Rite Products Bestellnummer 2873000202. Die sind etwa 12x12 mm groß und 7,5 mm dick.

Und hier ein paar Messergebnisse, die bei 2,5 MHz und mit durchaus modernen, kommerziellen Messgeräten erstellt wurden:

Offensichtlich ist diese Konstruktion gut, denn noch bei 10 Ω Abschlussimpedanz arbeitet sie gut!

Anpasstransformator für Beverage-Antennen

Manchmal benutze ich bestimmte Schaltungsteile immer wieder und vergesse, wie ich ihre Funktion damals überprüft habe. So erhielt ich eine Frage nach den Windungszahlen meines Beverage-Baluns. Das nahm ich zum Anlass, die Dimentsionierung zu verifizieren.

Also testete ich meinen 2:5-Balun mit dem üblichen Doppellochkern nach zwei Methoden mit einer Anordnung aus Messsender, Netzwerkanalysator und vektoriellem Impedanzmesser. Das Messobjekt waren zwei solche Baluns, die ich "Rücken an Rücken" miteinander verband, um einen 1:1-Balun messen zu können.

Die Dämpfung der Reihenschaltung war 0,84 dB bei 1 MHz, mit einem linearen Anstieg auf 0,98 dB bei 30 MHz. Die Dämpfung in einem einzelnen Balun ist dann die Hälfte davon.

Ein verdoppeln der Windungszahlen verschleichterte den Frequenzgang: Zwar sank die Dämpfung bei 1 MHz auf 0,69 dB, aber bei 30 MHz stieg sie auf 1,21 dB.

Für die zweite Messung schloss ich den Balun mit 470 Ω ab. Mit der Fehlanpasung ergab sich eine Dämpfung von 0,65 dB bei 1 MHz. Nachdem die Eingangsimpedanzen von Empfängern in der Regel stark frequenzabhängig sind, kann eine Fehlanpassung schaden oder nützen. Mit Kompensation der Fehlanpassung ergibt sich bei der zweiten Messmethode und 1 MHz eine Dämpfung von 0,53 dB für den ursprünglichen Entwurf und 0,43 dB bei der doppelten Windungszahl.