Om spolar och instrument för att mäta dem

Det var hokus-pokus som jag undvek i början av min radiobyggartid. Antingen fanns ingen information i kopplingsschemat eller så angavs data men jag hade inte rätt stomme, tråd och kärna. Det jag plockat ur skrotade radioapparater visste jag inte mycket om. Inte förrän jag byggt mig en transistordippa (resonansmätare) fick jag möjlighet att göra riktiga resonanskretsar. Jag parallellkopplade spolen med en kondensator på 50 eller 100 pF, dippade kombinationen och läste av induktansen i ett nomogram som finns i ELFA-katalogen eller en radiohandbok. Nu har jag en batteridriven Heathkit HD-1250 transistordippa som är bra för antennjobb, en Measurements 59 rördippa från 1952 för 1,4-420 MHz, en annan Measurements 59 för 420-940 MHz, en Millen rördippa 90651 för 1,7-300 MHz, en Grundig 709 rördippa för 0,1-20 MHz samt tre helt hemgjorda: en rördippa för 1-330 MHz, en för 360-490 MHz och en transistordippa för 78-400 MHz. Anslutning till frekvensräknare gör skala onödig, endast billigt vridspoleinstrument behövs.
Min enklaste impedansbrygga är Belco BR-8 från 1974 (pris 395 kr). Mer exakt mäter jag spolen i en brygga som nedanstående GR 1656 som dessutom anger förlustfaktorn vid 1 kHz och intressant är att använda en Q-meter som nedanstående Boonton 260A, lanserad 1953 men tillgänglig i Sverige först 1956 (pris 6015 kr år 1962). Då ser jag dessutom hur bra spolen är på frekvenser mellan 50 kHz och 50 MHz så jag kan välja lämpligaste kärnmaterial. Läs gärna (på engelska) om Boonton-metern. 
En modernare induktansmätare är en LC-mätare med PIC-krets 16F84 och teckenfönster, enkelheten i handhavandet är oslagbar och noggrannheten rent förbluffande. Jag skaffade även en annan mätare av samma typ med Atmega 328 som använder lägre mätfrekvens och därmed klarar högre värden på bekostnad av sämre noggrannhet vid låga.

Measurements 59 UHF-dippa	Fyra dippor	LC-meter med 16F84
Belco BR-8 RCL-brygga	General Radio 1656 RCL-brygga	Boonton 260A mäter  induktans och Q-värde

ELFA-katalogens formel för beräkning av en enkellagerspoles induktans stämmer bra. Längd och diameter i cm och induktans i uH, v=antal varv:
0,08  d²  v²
3d + 9l

Några fakta om spolar:
Stor diameter ger högt Q-värde, dvs låga förluster. Optimal form är när längden är hälften av diametern men förlängning upp till samma mått som diametern medför endast en svag försämring. Litztråd, som består av många tunna lackisolerade trådar, är överlägsen heldragen tråd vid frekvenser mellan 10 kHz och 6 MHz. Ju mer en spolkärna höjer induktansen, desto sämre högfrekvensegenskaper har den. Ändrar trimkärnan induktansen 3-4 ggr är den av ferrit, ändrar den mindre än 100 % är den av järnpulver. På VHF/UHF förekommer mässingkärna som sänker induktansen istället. Ju mindre kapacitans mellan varven/lagren, desto bättre. En optimal lindning är gjord i ett lager med samma trådavstånd som tråddiametern, större blir bara sämre. Spolar utan nämnvärt magnetiskt läckage, t ex på toroid- eller potcore-kärna, har högre Q-värde än öppna, raka. Bifilärlindning, dvs med två parallella trådar, används när symmetri gentemot jord är viktig. Den används också när lindningsimpedansen ska stämma med kretsimpedansen. Tätt lagda parallelltrådar ger ca 30-60 ohm, för lägre impedans parallellkopplar man parallella eller tvinnade par. Tvinning används för riktigt tunna trådar som lindas på små kärnor.

 

Här ses en spole med högt Q-värde 375 vid 7-10 MHz. Induktansen 5 µH fås med bästa formfaktor, 50 mm längd och 50 mm diameter, och optimalt varvavstånd, en tråddiameter (1,5 mm). Den keramiska stommens kammar med grunda spår ger minimal kontakt med tråden och centrum är luft. Till höger en spole från Barker & Williamson med samma induktans, 30 mm längd och 33 mm diameter med 1 mm tråd. Plastribbor håller varven fixerade och Q-värdet är 300.

Spole med kortslutna varv förekommer t ex i sändares slutsteg. Jag mätte på 4 MHz Q-värdet 320 på en spole med 26 varv, med 6 varv kortslutna sjönk Q till 240 och med 12 varv kortslutna blev Q 225, ett skäl till att istället använda två seriekopplade och vinkelställda spolar. Med öppen ände riskerar man både oönskad parasitresonans och så hög spänning att den leder till överslag.

B%W modell Miniductor är spolar med plastribbor avsedda för lågeffekt. Datablad
B&W modell Air Dux är spolar med polykarbonatstavar avsedda för radiosändare. Avsaknaden av stomme ger högt Q-värde. Datablad
Amidon har gjort ett bra datablad om sina produkter. Där finns bl a tabeller om toroidkärnor:

En spolkärnas förmåga att öka spolinduktansen betecknas med konstanten AL. En okänd toroidkärna artbestäms genom att man lindar med förslagsvis 10 varv och mäter induktansen. Varvtalet i kvadrat x AL ger induktans i nH. Om induktansen blir 1 uH (=1000 nH) är kärnans AL-faktor 10, dvs en järnpulvertyp för avstämda KV-kretsar. Är induktansen 100 uH är det en ferrittoroid med AL 1000, dvs lämplig för bredbandstransformator på MV och de lågfrekventa KV-banden. Om induktansen blir 25 µH (AL 250) är kärnan lämplig för bredbandskrets för hela KV-bandet.
För att dippa en resonanskrets med toroidspole måste dippans spole sättas mellan kondensatorns anslutningstrådar, annars går det inte att dippa på grund av för litet magnetfält runt spolen.

Förluster i en spole sker både i tråden och i eventuell kärna. Valet av kärnmaterial görs för balans mellan de två förlustfaktorerna, med tilltagande frekvens behöver kärnan ha minskad induktansfaktor för att förlusten i den inte ska vida överstiga den i tråden. Ringkärnetillverkare tillhandahåller linjediagram som visar varje typs optimala frekvensområde, då är kärnan lindad i ett lager med en tråddiameter som fyller det tillgängliga utrymmet med undantag för ett gap mellan ändarna. Ferritblandningar med mangan och zink används under 1 MHz, däröver används blandningar med nickel och zink. I avstämda kretsar används järnpulvertyper som är mer temperaturstabila och har snävare toleranser än de av ferrit.

Små luftlindade spolar med få varv är vanliga på VHF och det finns diagram som underlättar beräkningen av dessa. Följande är hämtade ur VHF/UHF Manual av G6JP.

Till en preselektor i 3,5 MHz-mottagare använde jag två spolburkar "Toko RCL" med trimkärna och måtten 10z10 mm, induktansen är 18 µH. När jag märkte att avstämningsskärpan inte var den jag väntade mig mätte jag Q-värdet till 50, det hade varit bättre att använda ringkärnor av typ T50-2. Samma sorts spolburk med 3-4 µH, alltså kortare och grövre tråd uppvisade Q 100.

---

Litet experiment:
Jag mätte med 260A Q-värden på två spolar lindade på korta pappershylsor som är avsedda att träs på ferritstav där de utgör antennkrets för MV-mottagare. Den ena var originalspole med litztråd, den andra lindades med lackisolerad enkeltråd av samma diameter och med samma varvtal så att båda fick samma induktans. Den första mätningen gjordes utan kärna, den andra med en kort järnpulverstav och den tredje med en ferritstav med samma diameter och längd som järnpulverstaven. Jag ville se hur spolarnas Q-värde varierade beroende på kärnmaterial och frekvens. Tabellen visar att järnpulvret ökade induktansen till nära den dubbla och ferriten till den tredubbla och att järnpulvret inte förorsakade förluster i den entrådiga spolen. Det syns också att litztråd visserligen ger en bättre spole även utan kärna men är överlägset bättre med en kärna som i en avstämd krets ger hög cirkulerande HF-ström. Något som påverkar avläst Q för de tre induktansvärdena är att mätaren använder lägre parallellkapacitans för högre induktans och därför indikerar högre Q, men det gör ingen skillnad för jämförelsen mellan trådtypen. På frekvenser över 7 MHz används inte litztråd eftersom kapacitansen mellan de tunna trådarna gör att fördelen med deras sammanlagda yta försvinner.

---

Man kan mäta Q-värde med stor noggrannhet utan speciellt instrument, det behövs en signalgenerator eller lågeffektsändare med konstantenn som kan ge ett par volt HF och en voltmätare med HF-prob. Lägg spolen i parallellresonans med kondensator av god kvalitet såsom försilvrat glimmer, välj 1 pF per meter våglängd. Anslut generatorn via 0,5 pF kopplingskondensator (två 1 pF i serie) och 0,5 eller 1 pF till proben. Ställ in generatorn till max spänningsutslag som noteras som referens, variera frekvensen på båda sidor tills 0,707 gånger referensen (-3 dB) uppnås och notera frekvensskillnaden mellan dessa punkter som bandbredd. Dividera centerfrekvensen med bandbredden för att få Q-värdet, 70 kHz vid 7000 kHz ger Q=100.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Bredbandiga impedanstransformatorer för kortvåg beskrivs i detalj av W2FMI i boken Transmission line transformers, oumbärlig för den som t ex ska tillverka balunen mellan koax och dipolantenn. Här följer en sammanfattning av vad jag lärde mig:

• Impedansriktig transmissionsledning är en grundbult för god funktion och avgörande för bredbandigheten.
• Parallella trådar är bättre än tvinnade och för nedtransformering från 50 ohm är hemgjord koax bäst.
• Tvinning är bara att rekommendera för tunna trådar på små kärnor.
• En ferritstav från skrotad mellanvågsradio duger ofta lika bra som en mera svåråtkomlig toroidkärna.
• Centimetertjock stav klarar en kilowatt och induktansfaktorn är ovidkommande.
• Toroider ska vara av ferrit med låg induktansfaktor, bäst är 4C6- och Q1-material med verkningsgrad över 98%.
• En toroidkärna med 37 mm diameter klarar en kilowatt.
• 4-trådslindning används för impedanstransformering med mindre än 1:4.
• Baluner med impedanstransformering görs i två steg, först balun och därefter transformator.
• Bredbandsbaluner är i grunden lågimpediva, och impedanser över 200 ohm kräver komplicerad konstruktion.
• Hur man gör hemgjord koax och vilket inbördes avstånd parallelltrådar ska ha för en viss impedans.
  
  En nätverkstestare visar hur väl man har lyckats med impedansanpassningen.