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 instrument 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 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.

smådippor
Measurements 59 UHF-dippaFyra dipporLC-meter med 16F84
RCL-bryggaRCL-bryggaQ-meter
Belco BR-8 RCL-bryggaGeneral Radio GR 1656 RCL-bryggaBoonton 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 diameter=längd. 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 trådavstånd 0,5-1 gånger tråddiametern. 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.

Air Dux gjorde spolar, vars varv fixerades med plastribbor. Avsaknaden av stomme ger högt Q-värde. Datablad
Amidon har gjort ett bra datablad om sina produkter. Där finns bl a tabeller om toroidkärnor:

Järnpulver:
induktans
Järnpulver:
frekvens
Järnpulver:
trådutrymme
Järnpulver:
storlek
Ferrit:
sorter
Ferrit:
induktans
Ferrit:
korsreferens

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 är kärnan lämplig för bredbandskrets för hela KV-bandet. Dippans spole sätts mellan kondensatorns anslutningstrådar, annars går en resonanskrets med toroid inte att dippa.

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.

Diameter 6 mm
Diameter 12 mm
Andra diametrar
Raka kretskortsledare

Här finns en annan beräkningstabell.


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. På frekvenser över 7 MHz används inte litztråd eftersom kapacitansen mellan de tunna trådarna gör att fördelen med deras sammanlagda yta försvinner.


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:

Åter till Tekniskt-sidan