De spoel is zo ongeveer waar het om draait bij onze hobby. Het probleem is dat je zo’n ding op 101 manieren kan maken. Ook al is inductie gelijk, de prestaties zijn het niet. Het vervelende ding bestaat uit draad wat kopervelies heeft, dan zit er vaak nog een isolatie omheen met verliezen, er is zo iets als skin-effect en om het af te maken heeft het last van paracitaire capaciteit waardoor een spoel in zijn eentje als resonantiekring kan fungeren of nog erger zich boven een bepaalde frequentie als condensator gaat gedragen.
Bowick schrijft het heel mooi: there is no perfect component and, thus, there can be no perfect filter. If we understand the mechanics of resonant circuits, however, we can certainly tailor an imperfect circuit to suit our needs just perfectly.
Ik heb een aantal spoelen gemaakt. Deze met een voltcraft L meter gemeten, de theoretische waarden uitgerekend en daarna mbv een HP8407 VNA en philips standaard condensator gemeten. De parallelkring die zo ontstond zat op een adapter met twee bnc aansluitingen en dmv 1,5pF condensators gekoppeld aan de hete kant. Met de top van de resonantie beeldvullend bij 1dB per divisie heb ik de bandbreedte gemeten.
Klik voor een vergroting
De volgende stap is het bepalen van de zelfresonantie frequentie. Hier het idee van hoe dat er uit ziet (1-110MHz)
Hiermee heb ik gemeten aan de philips elders op deze site:
__________________
Hier onder een mooi plaatje over waar een spoel uit is opgebouwd.
Je ziet hier dat de waarde van de spoel niet een vaststaande magnitude is. Het veranderd met frequentie. De waarde wordt meestal op lage frequentie bepaald op het punt waard de fase 45 graden is (meestal ergens tussen 30 en 60).
Eerst de zelfinductie. Helemaal links zie je die met de frequentie omhoogschieten tot zelfresonantie, daarna omlaag gaan om dan verder capacitief te blijven. Het mooist zie je dat in het smithchard. Boven de middenlijn is iets inductief, daaronder capacitief. Deze hele dikke kristalradio spoel is dus in zijn werkgebied (500-1000KHz) prima maar daarboven alleen nog als condensator geschikt.
De reactantie loopt op met de zelfinductie, hij loopt dus ook mee terug. Je ziet dat hij eerst net als de L omhoogschiet en daarna naar beneden om langzaamaan steeds verder omlaag te gaan omdat het condensatordeel steeds groter wordt. Deze capaciteit ontstaat doordat de windingen elkaar “zien”. Als de spoel perfect zou zijn dat zat hij alleen op de buitenste circel en dan alleen in de bovenste helft van de smithchard. Dat is dat circel ding in het midden. Een ideale spoel heeft geen weerstand, naarmate hij van die buitenrand naar binnen gaat krijgt hij verlies weerstand. Gaat hij onder de middenlijn door dan wordt hij capacitief.
De Q. Dit is de kwaliteit en wordt bepaald door veel factoren. Hij is ook frequentie afhankelijk. Een Q van 50 zegt dus niet zo veel. Op 1KHz is dat best veel, op 100MHz niet. Het is namelijk de verhouding tussen Xl en R. De Xl van een spoel neemt toe met frequentie. De kunst is om R (alle verliezen) minder hard te laten stijgen. Dit kan door een zo goed mogelijke spoel. Zo min mogelijk draad is minder ohms verlies. Zilver is weer beter dan koper. Het liefst dik draad en weinig of geen isolatie. RF heeft de neiging om met het stijgen van de frequentie minder diep door de draad te gaan. Het oppervlak neemt dus af en de weerstand daardoor toe. Verlies door het toenemende skin-effect. Dat is de diepte waarbij de ladingdichtheid van de RF stroom terugvalt tot l/e, of 37% van de waarde van het oppervlak. Dit is de skin-depth.
Paracitaire capaciteit. De reactantie van een spoel neemt toe met het stijgen van de frequentie. De reactantie van capaciteit neemt af. Er is capaciteit als twee geleiders bij elkaar in de buurt zijn en gescheiden door een dielectric (lucht of draadisolatie) Als er een spanningsverschil tussen die geleiders is heb je een condensator. Een spoel heeft windingen die elkaar zien en omdat de draad weerstand heeft en de spoel reactantie is er een spanningsverschil tussen de windingen en dus is er capaciteit. Nu neemt bij een capaciteit dus de reactantie af. Op een gegeven moment is de reactantie van de capaciteit lager dan de reactantie van de spoel. Die reactanties samen met de weerstanden vormen een reactantie en die loopt terug met het stijgen van de frequentie.
Je moet dus niet te veel dik draad gebruiken. De onderlinge afstand tussen de windingen moet groot genoeg zijn. Theoretisch is een spoel die net zo lang als dik is ideaal. In de praktijk meestal niet. Maar je bent vaak gebonden aan eisen. Een 400uH spoel wordt al snel langer dan dik, een 20nH spoel wordt dat niet snel. Maar langer kost ook meer draad. Een ferrietkern geeft verlies maar soms weegt dat ruimschoots op tegen de andere verliezen. Als je ipv 100 windingen er maar 2 nodig hebt bv.
________________________
Ieder stukje draad heeft een bepaalde zelfinductie doordat er een wisselstroom doorheen loopt ontstaat om de geleider een wisselend magnetisch veld. Dat op en neer bewegende magnetisch veld zorgt voor een spanning over de geleider. Hierbij de formule uit het boek RF circuit design van Bowick:
