Eerder verschenen oktober-nieuwsbrief van VERON afdeling Leiden e.o. en de Electron van oktober 2024.
Rectificatie: zie onderaan.
Ik heb zo’n mooie gecombineerde vermogens/SWR-meter, een K-PO SX-20 met twee wijzers voor de HF-banden. Daar ben ik wel een beetje zuinig mee. Ik neem hem nu regelmatig mee het veld in, maar dan moet ik goed opletten dat er geen gekke dingen mee gebeuren. Een wat robuuster exemplaar zou beter zijn; dan kan ik de andere bewaren voor experimenten die er meer toe doen. Op mijn transceiver zijn het vermogen en de SWR ook wel beschikbaar, maar een beetje klein om goed te kunnen aflezen. Vandaar mijn zoektocht naar een goedkoop maar degelijk apparaatje. Heel nauwkeurig hoeft niet, als het maar problemen aangeeft.
Dat zoiets nodig is bleek onlangs toen ik het Leidsche Hout (POTA NL-0189) activeerde. Zonder dat we het in de gaten hadden hing de endfed-trafo in de zon. Toen we een tijdje achter elkaar op de 40 meter band aan het zenden waren kwam plotseling het gereflecteerde vermogen langzaam op. Na het stoppen zakte die weer braaf terug. Op hogere banden was dit minder een probleem en ook verdween de zon langzamerhand uit beeld. Maar het incident maakte duidelijk dat een SWR-meter op locatie toch wel nodig is.
Bouwpakket
Al zoekende stuitte ik op Chinese bouwpakketjes van nog geen twee tientjes met twee transformators. Het ontwerp lijkt als twee druppels water op het exemplaar van KitsAndParts.Com[1] naar het ontwerp van Diz W8DIZ (SK). Een handleiding is op de betreffende website ook te vinden. Natuurlijk heb ik het in elkaar gezet, zie bovenstaande figuur, en uitgeprobeerd. Wat meteen opvalt is dat het geheel lastig is af te regelen. Er zitten twee eenvoudige potmeters op van 50kΩ en ik belast de uitgangen met weerstanden van 5k6. Ik heb ze vervangen door 10-slags potmeters en het gaat nu redelijk goed.
De uitgangen van de SWR-brug kan ik op twee manieren gebruiken. Enerzijds wil ik er een “VU-meter” op aansluiten: het linker kanaal geeft het uitgezonden vermogen en het rechter het gereflecteerde. Anderzijds wil ik het gewoon met een simpele USB-AD-converter (Adafruit MCP2221 breakout board) en een Python programmaatje op de PC uitlezen.
Specificatie maximaal vermogen
Zoals u in de foto hierboven ziet is het allemaal best fragiel. De belangrijke vraag doemt dus op: tot welk vermogen kan ik die brug gebruiken? In de handleiding wordt gesproken over het afregelen voor 5 Watt en noemt men 100 Watt “intermittent” als maximum. Op andere plaatsen kwam ik 10 Watt als maximum tegen. Tja, nu zijn de digitale communicatiemethoden die ik gebruik, zoals FT4, FT8 etc., inderdaad zo dat gedurende een korte tijd met vol vermogen wordt gezonden en dan vervolgens dezelfde tijd wordt geluisterd – intermitterend dus. Bedoelt men dat?
Ik ben eens verder gaan zoeken op het internet en kwam in een forum een reactie van de ontwerper, Diz W8DIZ, tegen op de vraag hoe het maximaal vermogen van de schakeling verhoogd kan worden. Zijn antwoord is dat hij daar geen onderzoek naar heeft gedaan en hij suggereert naar de transformatoren te kijken[2].
Berekening maximaal vermogen
De interessante vraag is dan, gegeven de FT50-43 ferrietkernen, wat het maximaal vermogen is dat de huidige schakeling kan verwerken. De berekening zelf is al wat eerder helemaal uitgeplozen door Jeff K6JCA[3]. De essentie ligt in de inductiewet van Faraday[4], die de variërende spanning over een spoel relateert aan de veranderende magnetische flux door de spoel; bij sinusvormige spanningsvariaties is het verband een factor frequentie. Om die berekening na te doen gebruikte ik 10 als aantal windingen voor de transformatoren en 0.129 cm2 als doorsnede van de spoelkern. De resultaten voor 10 Watt bij 7 MHz en een SWR van 1 staan in onderstaande tabel.
Door de transformator T1 gaat de antennestroom en over de transformator T2 staat de antennespanning. De gevonden waarden schelen bij een SWR van 1 precies een factor 100, bij andere SWR waarden is dat niet het geval. Verder zijn, zoals Jeff K6JCA zelf al ontdekte, de veldsterktes alleen in de spannings-transformator T2 belangrijk. De aanbevolen maximale waarden voor de veldsterkte (tweede kolom) zijn verstrekt door Amidon[5], de leverancier van de ferrietkernen. Voor lage frequenties liggen de berekende waarden voor 10 Watt er boven en voor hogere frequenties er onder. Meer vermogen maakt dat zeker niet beter, net als een van 1 afwijkende SWR. De 10 Watt lijkt met de aanbevelingen van de Amidon het hoogst mogelijke vermogen waarbij de SWR-brug gebruikt mag worden.
| Frequentie (MHz) | Maximale veldsterkte (Gauss) | T1-veldsterkte (Gauss) | T2-veldsterkte (Gauss) |
| 1 | 150 | 4.0 | 390 |
| 1.8 | 112 | 2.2 | 217 |
| 3.5 | 80 | 1.2 | 112 |
| 7 | 57 | 0.6 | 56 |
| 14 | 42 | 0.3 | 28 |
| 21 | 36 | 0.2 | 19 |
| 28 | 30 | 0.1 | 14 |
De maximale veldsterkte wordt overigens niet bepaald door magnetische verzadiging van de ferrietkern, maar door de warmteontwikkeling. Als het ferriet te warm wordt, boven de zogenaamde Curietemperatuur[6] komt, dan verdwijnen de magnetische effecten. Volgens Amidon ligt die bij de gebruikte ringkernen boven de 130 oC.
Warmteontwikkeling
Ook de warmteontwikkeling in ferrietkernen is al door meerdere auteurs onderzocht. Wat uitgebreider heb ik de blog van de Nashua Area Radio Society[7] en de uitgebreide behandeling van het onderwerp door Bob van Donselaar ON9CVD[8] bestudeerd. Het berekenen van de dissipatie in de ferrietkern wordt door beiden goed beschreven dus dat kon ik – na wat controles – goed implementeren voor het onderhavige geval. Waar het bij beiden aan schort is een behandeling van de thermische consequenties. De moeilijkheid is natuurlijk dat we dan de thermische weerstand nodig hebben van de ferrietkern naar de omgeving. Wat moet je daarvoor nemen? Ik heb daarvoor, denk ik, een betrouwbare bron gevonden, de Encyclopedia Magnetica[9]. Daar wordt een overtuigende correlatie gelegd tussen de thermische weerstand van ferrieten naar stilstaande lucht (“still air”) met het volume van de ferrietkern. Een heleboel ferriet-types voldoen daaraan en ondanks dat juist het ferriet nummer 43, een NiZn mengsel, er niet bij staat ga ik er toch van uit dat de correlatie ook voor dat materiaal geldt. De andere parameter die nodig is, is de warmtecapaciteit. Die kon ik wel vinden, namelijk op MakeItFrom.com[10]. Voor degenen die het allemaal na willen rekenen stel ik mijn geannoteerde spreadsheet ter beschikking[11]. Bij een uitgezonden vermogen van 10 W vind ik een dissipatie van 0.5 W. Niet veel zult u zeggen, maar het is maar een klein ferrietkerntje. De temperatuurstijging bereken ik – onder bovengenoemde omstandigheden – toch nog wel op 18.5 oC voor continu bedrijf. De tijdconstante die er bij hoort – het product van thermische weerstand en warmtecapaciteit – is ongeveer 5 minuten. Dus die stijging is pas na een klein half uurtje – 6 à 7 RC-tijden – ingesteld. Zenden we intermitterend, dan verwacht ik de helft van de opwarming. De dissipatie is nog altijd 4.6% van het uitgezonden vermogen, dus bij 30 Watt is het 1.4 W. Dat levert – volgens mijn berekening – al een temperatuurstijging op van 55 oC bij continu bedrijf. Fors maar met normale omgevingstemperatuur blijft dat onder de Curietemperatuur. Bij 50Ω wordt de temperatuurstijging 92 oC, dat wordt wat kritiek. Maar voor korte zendperioden is er niets ernstigs te verwachten. Alle genoemde waarden zijn berekend voor 7 MHz. Bij hogere frequenties is de dissipatie minder, bij lagere frequenties hoger.
Temperatuurmetingen
De berekeningen geven zeker inzicht, maar de gevonden waarden voor temperatuurstijging zijn eigenlijk bovengrenzen. De kerntjes gemonteerd op een printplaat in een afgesloten doosje doen vast wat anders! Dit roept dus om een experiment: warmteontwikkeling is goed te bepalen en daarmee zou ik kunnen bekijken hoe lang bij een zeker vermogen de SWR-brug goed blijft werken. De opstelling is eenvoudig: een IC706MkIIG transceiver op 7.074 MHz, de SWR-brug en een belastingsweerstand van 50Ω/50W (“dummy load”). De transceiver werd bestuurd via een computer met WSJT-X ingesteld op FT-8. Gedurende de meetperiode werd constant CQ PA2KOP uitgezonden; er kwam geen antwoord overigens … Met de “watchdog” werd de meetperiode ingesteld op 10 of 30 minuten. De temperatuur meet ik vóór en na een gegeven tijdsinterval met een thermokoppel, steeds vanaf ongeveer kamertemperatuur. Bij de eerste set experimenten mat ik de temperatuurverhoging na 10 minuten bij 30 W, 40 W en 50 W zendvermogen. Die varieerde van 15 tot 20 oC; heel precies was dit niet te bepalen door de snelle afkoeling van de ringkern. Ik heb ook even gekeken wat er gebeurde bij een periode van 30 minuten met een zendvermogen van 40 W, dan was de verhoging ongeveer 25 oC.
Verdere metingen leken me voor mijn gebruik niet nodig. Mijn zendvermogen is meestal 30 W of minder, heel soms 40 W. De hogere vermogens heb ik gebruikt om een grotere SWR te kunnen nabootsen. Mijn conclusie is dat ik met 40 W zendvermogen zo’n 2 uur constant FT8-signalen moet uitzenden om een temperatuurverhoging van zo’n 100 oC te bewerkstelligen. Het is bijzonder onwaarschijnlijk dat ik ooit in die situatie kom maar als dat gebeurt blijft bij een omgevingstemperatuur rond 25 oC de temperatuur nog steeds lager dan de Curietemperatuur. En dat is dan bij 7 Mhz, bij hogere frequenties is het minder.
Nawoord
Mijn conclusie is dat de SWR-brug goed is te gebruiken bij digitale communicatie met zendvermogens tot zeker 30 Watt. De streefwaarden die door Amidon worden verstrekt zijn zeer conservatief en waarschijnlijk ingegeven door werkelijk continu bedrijf bij omgevingstemperaturen tot 70 oC zoals in instrumenten wel mogelijk is; zie overigens ook de blog van Owen Duffy die hetzelfde concludeert[12]. Mijn berekeningen laten zien dat er veel meer mogelijk is en stemmen in grote lijn overeen met de gemeten waarden. Voor het gebruik in een SWR-brug voor radio-zendamateurs mogen dus best wat hogere waarden dan 10 W gehanteerd worden.
Omdat ik toch bezig was met berekeningen aan ferrietkernen heb ik ook gekeken naar de mini-transformator die bij mijn endfed van HFKits zit[13]. Zoals anderen ook al opmerkten[14] is de toegepaste FT140-43 helemaal niet zo efficiënt. Bij 7 MHz wordt 1/3 van het vermogen dat de transceiver aanbiedt in de ferrietkern gedissipeerd. Bij 45 W continue bereken ik dan een temperatuurstijging van zo’n 70 oC! Maar hier is de tijdconstante ruim een kwartier, dus het duurt even voordat je wat merkt. Zoals gezegd, ik vertrouw er op dat de simpele SWR-brug eventuele oververhitting goed detecteert.
Met dank aan Hans PE1AAY voor het opmerkingen en suggesties.
[1] https://kitsandparts.com/bridge1.5.php (inmiddels nieuwere versie).
[2] https://groups.io/g/kitsandparts/message/234
[3] https://k6jca.blogspot.com/2018/02/tandem-match-transformers-and.html
[4] https://nl.wikipedia.org/wiki/Inductiewet_van_Faraday
[5] http://www.amidoncorp.com/product_images/specifications/1-35.pdf .
[6] https://nl.wikipedia.org/wiki/Curietemperatuur .
[7] https://www.n1fd.org/2022/08/12/ferrite-loss-2/
[8] http://on9cvd.be/Ferriet.html
[9] http://www.e-magnetica.pl/doku.php/thermal_resistance_of_ferrite_cores
[10] https://www.makeitfrom.com/material-properties/Nickel-Zinc-Ni-Zn-Ferrite
[11] Op te vragen bij pa2kop@veron.nl
[12] https://owenduffy.net/blog/?p=19919
[13] https://www.hfkits.nl/product/10-20-40-endfed-antenne-kit/
[14] https://pa3hho.wordpress.com/end-fed-antennes/hwef-is-it-really-broadband/
Rectificatie: Harold PA0QRB wees mij op een fout in mijn spreadsheet waardoor de berekende temperatuurveranderingen fors groter uitpakken. Met die waarden komen de uitkomsten voor de temperatuurstijging volgens de “Amidon-formule” en de “methode Maniktala” ook veel meer overeen, aldus Harold. De discrepantie met de gemeten waarden wordt daardoor alleen maar groter, iets dat nader uitgezocht moet worden. Vooralsnog ga ik zelf uit van de gemeten waarden.