Wie finde ich heraus, ob ein bestimmter Ringkern für meine Anwendungen im KW-Amateurfunk geeignet ist ?

Hier liegt als Grundlage der Anwendung die Messung des Nutzfrequenzbereichs und nicht die maximale HF-Leistung.

Das Messverfahren mit NanoVNA und Zusatzboard siehe weiter unten, mit Ergänzungen zum CQDL-Beitrag in Heft 01/2024.

aufgebaut:

Eine relativ einfache Testmethode ist die Messung des induktiven Blindwiderstands einer Testspule mit z.Bsp. 5 Windungen auf dem zu testenden Ringkern. Damit die Windungskapazität nicht die Messung verfälscht, wird sie mit einem gegenphasigen Signal aus dem zweiten Ausgang eines 1:1-Strombaluns kompensiert.

Durch Anlegen eines HF-Signals (Sinus) im Bereich von <1MHz bis etwa 50MHz beobachtet man die Spannung am Teiler aus L1 und R2 bei steigender Frequenz. Ein ungeeigneter Kern beginnt bereits unter 1MHz mit großer Amplitude und geringem Phasenunterschied zwischen den beiden Kanälen bei steigender Frequenz. Diese geringe Zunahme des induktiven Blinwiderstands ist ein Indiz für geringe Nutzfrequenzen des Kerns. Erhöht man die Frequenz nimmt die Amplitude langsam ab, die Phase ändert sich dabei jedoch kaum.

In der Regel wird bei einem geeigneten Kern, dieses induktive Verhalten erst bei Erreichen einer deutlich höheren Frequenz merklich nachlassen, damit hat man dann die jeweilige nutzbare Grenzfrequenz des Kerns mit der darauf befindlichen Wicklung ausfindig gemacht. Der oben abgebildete blaue Ringkern schafft nur wenige 100kHz. Dabei macht es im KW-Bereich keinen Unterschied, ob die Wicklung so "schlampig" wie abgebildet ausgeführt ist, oder super genau in der Drahtführung ist. Entscheidend ist nur, wie oft der Draht durch den Kern gefädelt wird.

Ein vermutlich geeigneter Kern zeigt einen linear mit der Frequenz steigenden Blindwiderstand und die Phase verschiebt sich weiter gegen die theoretischen 90 Grad. Mit dem Trimmer muss bei jedem neuen Prüfling auf Minimum Amplitude abgeglichen werden.

Es gibt sehr viele günstige Ringkerne bei Händlern oder auf Flohmärkten im Angebot, leider ist die Mehrheit davon für KW-Anwendungen kaum zu gebrauchen. Sie stammen oft aus Schaltnetzteil-Anwendungen im Bereich um einige 100kHz und sind dort für Speicherdrosseln und EMV-Maßnahmen gedacht, schon unter 1MHz werden sie in der gezeigten Testschaltung durchfallen.

Zugegeben, diese einfache Testschaltung ist natürlich nur ein Hilfsmittel für OMs die kein NanoVNA haben und auch keines kaufen wollen.

Eine andere Messmethode um Kerne zu qualifizieren, mittels einem NanoVNA, ist weiter unten beschrieben.

Hat ein Prüfling diesen Eingangstest einmal bestanden, ist es noch nicht sicher, ob er auch in der jeweiligen Anwendung befriedigende Ergebnisse liefert. Beabsichtigt man den Bau eines Baluns, Ununs oder HF-Autotrafos zum Zwecke der Impedanzanpassung, so ist die zu übertragende Sendeleistung und die Betriebsdämpfung zu beachten. Der Kern darf nie in die Sättigung gefahren werden. Geeignete Messmittel dafür sind teure Geräte und nur wenige OMs haben Zugang zu ihnen oder besitzen solche. Man kann aber nach der Methode "Versuch macht klug", die Eignung der Schaltung mit einfachen Mitteln prüfen, so zum Beispiel mit 1 Minute Dauerstrich auf eine Dummy-Load senden und die Kern- und Drahttemperatur mit einem preiswerten Laserpointer-Infrarot-Thermometer überwachen. Das VSWR im 50Ohm-System messen, hilft meistens nicht weiter. Für den Frequenzgang/Durchgangsdämpfung bedarf es aber ein Paar identischer Übertrager wie bei den Messbeispielen gezeigt.

Wenn ein Ringkern frequenzmäßig überfordert wird, so erkennt man das auch daran, dass am Beispiel eines Ununs mit nominal 1:9, keine Transformation auf 450 Ohm erreicht wird.

Welcher Ringkern ist gut geeignet ?

Diese Frage ist nicht einfach pauschal zu beantworten. Es hängt von der Anwendung und dem gewünschten Nutzfrequenzbereich ab. Es wurden in einer Messreihe die folgenden 3 Kerntypen: WE74270097=RK1 beim DARC-Verlag, amidon FT240 59430038 und amidon FT240 59610038 näher betrachtet. Ferner die amidon Kerne der Kennfarben rot und gelb und weitere.

Welcher Kern für einen 1 zu 1 - Balun ist nun gut geeignet ? Das ist umfangreich geworden, hat jetzt einen eigenen Link21a

Mehr erfahren unter: hier klicken

Die Tabelle der dB-Werte der S11-Rückflußdämpfung ins VSWR übersetzt hier klicken Ein EXCEL-Rechenblatt dazu: Klick

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Ringkerne mit dem NanoVNA überprüfen

Dazu wird nur eine einzige Windung durch den zu testenden Kern gefädelt, sie an Masse und über insgesamt ca.45cm Koaxkabel&Leitung an den S11-Port angeschossen. Die genaue Leitungslänge ist unkritisch. Die Messergebnisse sind mehr vom Kernmaterial abhängig, weniger von der jeweiligen Ringkerngröße.

WE7420191 = RK4 im Test mit langen (15cm) Messschlaufen an einer ersten Lochrasterplatine. Für bessere Reproduzierbarkeit wurde inzwischen eine eigene Leiterplatte entwickelt.

Kurz 2 Ergebnisse vom RK4: AL-Wert bei 8MHz = 330 und AL-Wert bei 24MHz = 145

Empfehlung: Grundeinstellung Messbereiche am NanoVNA:

Bei offener Windung beschreibt der Impedanzverlauf im SmithChart damit gut einen Viertelskreis (je nach elektrischer Leitungslänge), ausgehend von ganz rechts im Uhrzeigersinn nach unten:

Mit der Kalibriertaste wird ein Masseschluss eingelegt und die Konstante des Messaufbaus ohne die Messschlaufen ermittelt. Schließt man die Messschlaufe ohne Kern an Masse, so bekommt man die Summe aus dem Kalibrierwert und die Induktivität der Messschlaufe in [nH] angezeigt. Fügt man nun einen Kern ein, so ermittelt man seinen AL-Wert aus der angezeigten Induktivität minus Kalibrierkonstante und minus Messschlaufe.

und mit der zweiten Leiterschleife (offen) an Port S21

Vorerst einmal 5 Beispiele einer Messreihe im Frequenzbereich 1 bis 60MHz.

Linkes Bild: amidon Kennfarbe rot <- sehr breitbandig, guter Verlauf des Blindwiderstands, bleibt sehr lange am Aussenkreis

Mittleres Bild ein Ringkern aus einem älteren Balun mit sehr gutem Frequenzgang.

Rechtes Bild: der RK1=WE74270097 ist auch bis über 20MHz relativ gut und dazu recht günstig.

***(das ist auch ein Beispiel wie man mittels der Frequenzmarke1 die Obergrenze des Nutzfrequenzbereichs erkennen kann)

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Jetzt die weniger guten bzw. eher ungeeigneten Kerne

und wie zu erwarten, der blaue Kern von oben zeigt auch hier wieder, dass er ungeeignet für breitbandige Trafos, Ununs und Baluns im KW-Bereich ist! Er weist am Anfang des Bereichs 1 - 60MHz keinen brauchbaren Verlauf aus.

Kerne, die solch einen Kringel im SmithChart schon bei relativ niedrigen Frequenzen aufweisen, haben normalerweise einen hohen AL-Wert (hohe Permeabilität) und neigen folglich schon bei niedrigen Frequenzen zu einer Resonanz: taugen aber meist nicht für Übertrager, Baluns, Ununs und HF-Autotrafos. Es ergeben sich bis zu 3 Schnittpunkte der Impedanzkurve mit den Kreisbogen-Linien des konstanten induktiven Blindwiderstands. Also auf 3 Frequenzen entsteht der selbe Blindwiderstand und das ist bei einem breitbandigen Übertrager ungeeignet. Sie sind aber dennoch kein Schrott, man kann sie im EMV-Einsatz, für Drosseln aller Arten verwenden. Die Funktion der Schaltung muss jedoch im Einzelfall messtechnisch überprüft werden.

Dieses Ringkern-Exemplar ist für KW-Anwendungen nicht nutzbar: Generell deutet so ein Kringel im SmithChart meist auf eine Resonanzstelle hin. Bei Kernen mit hoher Permeabilität stellt sich die Resonanz schon auf relativ niedrigen Messfrequenzen ein. Deutlich oberhalb dieser Resonanz kann so ein Kern im EMV-Einsatz vielleicht nutzbar sein, je nach dem weiteren Impedanzverlauf. Mit diesem Kern habe ich vor Jahrzehnten die Stereoanlagen meiner Nachbarn gegen meine Sendungen im 20m-Band erfolgreich ruhig stellen können. Jede Lautsprecherleitung, direkt am Ausgang, mehrmals durch einen Kern gefädelt half.

Mehr erfahren mit Datei-Download Seite1 Zum Dokument

Blatt2 Zum Dokument

Blatt3 Zum Dokument

Rohrkerne / Ferrithülsen zeigen interessantes Verhalten

Zum Messen einer etwa 50mm langen Ferrithülse sind Messschlaufen etwa 15cm lang notwendig, ansonsten ist alles gleich wie bei den Ringkernen, also auch die beiden Frequenzbereiche 100kHt-11MHz und 1-60MHz. Die Frequenzmarke steht in Mitten des 10m-Bands. Im Gegensatz zu Ringkernen mit einem Kringel im SmithChart ist die hier zu erkennende Einbuchtung (gelber Pfeil) kein Problem, denn der Blindwiderstand bleibt bestehen, er nimmt nur in dem Bereich nicht mehr so stark zu. Die Ferrithülse bleibt brauchbar. Wichtig ist, dass der induktive Blindwiderstand mit steigender Frequenz weiter zunimmt. Erst wenn der Impedanzverlauf sich stärker nach unten neigt, wird es kritisch. Weiter oberhalb wird das Gebilde dann irgendwann mal kapazitiv, sobald die reelle Achse geschnitten wird (endgültig unbrauchbar). Durch Bewickeln erreicht man dann nichts mehr. Einzige Möglichkeit besteht noch, die Hülsen über das Koaxkabel (RG58 oder ähnlich dicke) zu stecken, zu einem Strombalun. Diese Messergebnisse sparen uns vergebliche Mühe.

Hier sind jetzt auch die Messungen an Ferrithülsen WE74270057, die für Strombaluns geeignet sind und man sie über RG213 und ähnlich dicke Koaxkabel stecken kann. Der Unterschied beim Impedanzverlauf im SmithChart zum WE74270044 ist gering, es ist dasselbe Kernmaterial 4W620.

AL-Werte mit dem NanoVNA messen, sie direkt vom Display ablesen

Fädelt man nur eine Windung (die Messschlaufe) durch einen Kern, kann man dessen AL-Wert im Display direkt ablesen, sofern die Komponenten R/X zum S11 SmithChart angewählt wurden. Hier die Tabelle von einigen gemessenen Kernen:

Der AL-Wert eines Kerns hängt vom Kern-Material und auch seiner Größe ab, sein AL-Wert kann bei mehrfach gestockten Ringkernen auch sinken. Man muss es eben messen.

Die Messschlaufen selbst, sollen so kurz wie möglich gehalten werden, denn sie liefern zusätzliche nH. Drei Standardlängen sind empfohlen: 7 / 10 / 15cm. Es wird eine Silikon-isolierte Litze mit 0,75qmm verwendet, was auch von Vorteil ist im Hinblick auf eine geringe Eigeninduktivität. Mittels einem Masseschluss direkt an der Klemme, habe ich am ersten Versuchsboard die 111nH ermittelt, als "Konstante des Messaufbaus". Diese 111nH müssen von den Induktivitätswerten in der Tabelle abgezogen werden.

Es fällt auf, dass einige Kerne über einen weiten Frequenzbereich einen relativ konstanten AL-Wert zeigen (Gruppe 1), während andere einen deutlich frequenzabhängigen AL-Wert haben (Gruppe 2). Die Kerne der Gruppe 1 (amidon rot & gelb sowie das 61er Material) eignen sich besonders für breitbandige Anwendungen, die der Gruppe 2 (die restlichen) sind eher für einzelne Bänder nutzbar. Die oft zu findende Angabe eines AL-Werts ohne eine Frequenz dazu, ist leider wenig hilfreich. Die hier beschriebene AL-Wert-Messung mit dem NanoVNA liefert die nötigen Daten. Durch Verschieben der Frequenzmarke in Richtung steigender Frequenz auf der Impedanzkurve im SmithChart findet man leicht die maximale Nutzfrequenz, sie liegt im induktiven Bereich dort, wo die Kurve stark nach unten abbiegt und bereits lange bevor die reelle Achse geschnitten wird. Siehe *** weiter oben

Inzwischen wurde eine Leiterplatte für die zum Messen von Ringkernen und deren AL-Werten nötige Erweiterung des NanoVNA entwickelt (ca.53 x 94mm). Sie wird auf einen Gehäusedeckel montiert, welcher mit Klettband an der Unterseite des NanoVNA befestigt werden kann. Die Messschlaufen können am Klemmblock werkzeuglos geöffnet werden, um sie durch den Prüfling zu fädeln. Die Kalibriertaste sitzt nah am Klemmblock        Hier ist ferner zu sehen die Ergebniskurven eines amidon Ringkerns aus 43er-Material und eines TX58-4C65 von DX-Wire (Kalibrierwert 139 von 292 abziehen ergibt AL=153).

Ergänzung zum Bericht im CQDL, alternative Kalibration

Es gibt zwei Varianten wie man diese Messeinrichtung kalibrieren kann, jeweils mit short / open / load: Klassisch an der S11-Buchse des NanoVNA (so entstanden bisher alle Bilder) und alternativ an den Messklemmen für die Messschlaufen. Dazu muss man sich mit 2 parallelen 100 Ohm-Widerständen (Metallfilm 1%) einen guten Abschluss bauen. Für Short drückt man die Kalibriertaste. Jetzt ist die Koaxleitung herauskalibriert und die [nH]-Anzeige liefert sofort direkt den AL-Wert für die Frequenz der Marke1 (es gilt jetzt L = AL da W=1). Mit dem Wipptaster oben auf dem NanoVNA kann man bequem die Marke1 nach rechts und links verschieben.

nach alternativer Kalibration: mit amidon "rot"

Ansichten des betriebsbereiten Zusatzboards im zum NanoVNA passenden Gehäuse:

Die Klemme mit den schwarzen Hebeln liefert zweimal die Masse. Die Klemme mit den orangen Druckknöpfen verbindet mit dem S21-Port und dem wichtigen S11-Port, mit dem auch die Kalibration durchgeführt wird. Beachte die Eintragungen im Bild! Für die schwarzen Kipphebel an der Masseklemme empfehle ich ein Tool aus einem Stück Alurohr gefertigt, um sie bei Bedarf leicht zu öffnen.

Da diverse Spezialteile zum Einsatz kommen und geeignet zu verarbeiten sind, wird vom Selbstbau abgeraten. Das Design ist in langer Arbeit optimiert worden und wird nur fertig, geprüft & vermessen angeboten. Für OV-Bastelprojekte unter qualifizierter Anleitung erfahrener OMs, kann ich auf Anfrage und bei entsprechenden Stückzahlen, die notwendigen Bauteile lose liefern. Bitte Email !

[Bemerkung] Bei der zuerst genutzten Kalibration direkt an den SMA-Ports des NanoVNA, erscheint bei unbrauchbaren Kernen der typische Kringel etwas deutlicher und da das Koaxkabel mitwirkt, sind die Kurven im SmithChart einiges länger. Weshalb da der Kalibrierwert auch abgezogen werden muss, um zum AL-Wert zu kommen.

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Noch ein Versuch: Messung von 1 und 2 identischen amidon FT140-43 auf 29,2MHz zeigt einen ansich unerwarteten AL-Wert bei 2 Kernen (AL=162), der deutlich niedriger ist, als nur 1 Kern hat, der (AL=216) aufweist. Dabei wurde auch kontrolliert, ob sich ein Unterschied ergibt, zwischen 2 lose aufgefädelten und 2 eng zusammengedrückten (von Hand) Kernen. Er ist mit 1 oder 2% praktisch vernachlässigbar.

Wer demnach Kerne stapelt um mehr Leistung zu übertragen, muss auch die dadurch erfolgte Reduzierung der oberen Grenzfrequenz beachten!

Auf meiner Balun-Seite weiter unten zeige ich, wie man mit dieser Messmethode sogar einen Balun und dessen Kern auf Schäden untersuchen kann: klick

Zuletzt noch eine weitere Information zu der Frage, wozu dient die zweite Messschlaufe die an Port S21 angeschlossen ist?

Mit ihr wird ein 1:1-Übertrager mit geringst möglicher Windungs-Induktivität realisiert. Der blau dargestellte Pegel über der Frequenz gibt Auskunft wie gut und breitbandig der Kern das angelegte Mess-Signal übertragen kann. Auf 7MHz, beim Kernmaterial -61 ist der S21 noch bei -11dB, während sie beim 43er-Material um -5dB liegt.

Die zweite Messschlaufe am S21-Port, beeinflußt eindeutig die AL-Wert-Messung, wie einige OMs hinterfragt haben. Zum Vergleich eine Beispielmessung mit einem FT140-61 im Bereich bis 61MHz. Da die Kerne meist in einer 50 Ohm-Umgebung eingesetzt werden als Übertrager/Spannuns-Baluns/Unun, ist die Messung "unter Last" mit der zweiten Schlaufe, wohl näher an der Realität als sie unter Leerlaufbedingungen ist. Hier überträgt der Kern die Energie.

Bei Messungen an den Rohrkernen/Ferrithülsen, wenn man sie über Koaxkabel zieht, um sie zum Beispiel für Mantelwellensperren oder Strombaluns einsetzen möchte, öffnet man die Schlaufe2 (die an S21 geht) und bekommt dann eine recht gute Übereinstimmung mit den [Z]-Angaben im jeweiligen Datenblatt (geprüft mit WE74270044 und ,,,57 und weiteren) Hier heben sich die Felder im Kern zu Null auf.

Wichtig: Je nach Anwendung, die richtige Messbedingung (mit/ohne S21) herstellen !

Wird fortgesetzt... im CQDL Heft 01/2024 ist mein Artikel darüber erschienen, Ergänzungen dazu finden sich hier und auf Klick

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zu Ferritmaterialien vom DARC-Verlag

Bei Fragen, bitte mir eine Email senden. Ich nutze keine "social medias", kein facebook, bin auch nicht auf YouTube, kein WhatsApp und nichts dergleichen!

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Stand der Seite: 01.04.2024

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