richtige Ferritkerne für Loop-Antennenverstärker

Ich leide unter der Brummverseuchung von LMK durch Schaltnetzteile und habe eine Loop-Antenne aus 15mm Kupferrohr nach Ludger Kreuz bzw. Elektor  3/95 gebaut. Im KW-Bereich bin ich mit dem Ergebnis zufrieden, das Brummen ist erheblich reduziert aber im MW- und vor allem LW-Bereich ist das Signal tagsüber deutlich zu schwach.

Nun könnte das an den verwendeten Ferritkernen im Verstärker liegen. Die empohlenen G2-3FT16 mit 20 mm² Kernquerschnitt treibe ich nicht auf und habe auch sonst keine weiteren Daten darüber. Ich habe ersatzweise die NiZn-Kerne FT50-43, erhältlich bei Reichelt verwendet bei gleicher Windungszahl. Diese Kerne haben nur 13 mm² Querschnitt. Ich könnte mir vorstellen, dass das nicht optimal ist. Ich weiß nicht, wie die Übertrager zu dimenionieren sind und ich kenne den Al-Wert der alten G2-Kerne nicht .Weiß jemand Rat? Weitere Daten stehen im Schaltplan.

Vielen Dank mit sommerlichen Grüßen

This article was edited 29.May.17 18:12 by Franz Heimerl .

95

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Hallo Herr Heimerl

Die Daten der angegebenen Ferritkerne "G2-3FT16" habe ich leider auch nicht auffinden können, allerdings würde ich davon ausgehen, dass die verwendeten FT50-43 Kerne mit 400nH einen viel zu geringen A_L Wert haben.

Zunächst mal gilt grundsätzlich bei der Dimensionierung von Primär- und Sekundärinduktivitäten von
Transformatoren bzw. Übertragern, dass der Betrag des induktiven Blindwiderstandes der Primärwicklung deutlich größer als der (ohmsche) Ausgangswiderstand der Spannungsquelle auf der Primärseite sein muss. Weiterhin muss auf der Sekundärseite der Betrag des induktiven Blindwiderstandes der Sekundärwicklung deutlich größer als der (ohmsche) Lastwiderstand sein. Nur in diesem Falle verhält sich der Transformator so, wie man es im Rahmen der "Trafogleichungen" in Schule oder Ausbildung gelernt hat. Dies gilt allgemein für Netz-, NF- und HF-Transformatoren.

Dieses Thema wird ausführlich unter dem Thread "Die Allgemeinen Transformatorformeln" behandelt.

Wenn man sich jetzt einmal die Bauvorschrift für den 1:1 Übertrager vor dem Koax-Kabel ansieht, so
ergeben 4 Windungen bei A_L=440nH gerade mal L=7μH. Dies resultiert in einem induktiven Blindwiderstand von lediglich Z=8.8Ω bei f=200kHz im Langwellenbereich, der damit natürlich gegenüber dem Ausgangswiderstand der Spannungsquelle auf der Primärseite bzw. dem Lastwiderstand auf der Sekundärseite viel zu gering ist. Auch bei f=1MHz im Mittelwellenbereich ist mit Z=44Ω die oben erwähnte Bedingung noch lange nicht erfüllt.

Mein Vorschlag wäre testweise mal Ferritkerne mit einem deutlich höherem A_L Wert von 4000 nH oder sogar 10000nH zu verwenden, bzw. die Windungszahlen entsprechend zu erhöhen.

Gruß Jochen Bauer

95 from 6157

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Vielen Dank für die Antwort.

Ich habe bei gleicher Windungszahl beide Ferritkerne ersetzt durch welche mit 1175 nH/N² statt wir früher mit 440 nH/N². Höhere Al-Werte für kleine Kerne, die bis in den KW-Bereich gehen, fand ich nicht und Übertragerkerne mit höheren Al-Werten gehen nur bis 1 MHz. Das Ergebnis:

Im oberen LW-Bereich ist jetzt einigermaßen Empfang, unten fast gar nichts. Der Rat war war also richtig. Ich könnte jetzt beim Ausgangsübertrager von 4 auf 10 Windungen gehen, dann hätte ich 118 µH entsprechend einer Impedanz von 150 Ohm bei 200 kHz. Das ist mehr als die Ausgangsimpedanz des Emitterfolgers von  ca. 60 Ohm. Nur wie ist es beim Eingangsübertrager? Die Antennenschlaufe hat 2,7 µH, wenn da die Primärwicklung mit 4 Windungen 19 µH hat, sollte das nicht reichen?

Schöne Grüße, F. Heimerl

PS: Nachdem es mir zweimal den Ausgangstranistor BCW16A zerstört hat, hab ich jetzt doch den robusteren 2N5109 besorgt und über die Übertragerwicklung eine Löschdiode gesetzt.

452 from 6157

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Hallo Herr Heimerl

An der Funktion der Spule L₁ (in ihrem Schaltplan aus Port #1) mit den gekoppelten Teilspulen "A" und "B" hatte ich auch einige Zeit gerätselt. Es stellte sich heraus, dass es sich dabei eben nicht, wie man auf den ersten Blick meinen könnte, um einen Eingangsübertrager handelt. Die Eingangsbeschaltung mit der Spule L₁, die aus den stark gekoppelten Teilspulen A und B besteht, führt zu einer Rückkopplung die die Eingangsimpedanz der Common-Gate MOSFET Stufe noch weiter herabsetzt.

Zur Erklärung muss ich etwas ausholen:

Die von einer Loop Antenne (eine Windung) aus der einfallenden elektromagnetischen Welle gezogene
Antriebsspannung mit Amplitude U₀ ist gegeben durch (siehe AM Receiving Antennas)

Dabei ist A die Fläche der Leiterschleife (Loop), B die Komponente der magnetischen Flußdichte der einfallenden elektromagnetischen Welle senkrecht zur Ebene der Loop und ω die Kreisfrequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle.

Nun sieht man sofort, dass die Leerlaufspannung der Loop Antenne als Generator gesehen, die ja der
Antriebsspannung U₀ entspricht stark frequenzabhängig ist. Ein Anschluss der Loop an einen Verstärker mit hochohmigem Eingang (z.B. Gate eines MOSFET oder Gitter einer Röhre) würde zu einer inhärenten Frequenzabhängigkeit der Eingangsgröße führen und ist bei Breitbandantennen natürlich unerwünscht.

Statt dessen arbeitet man bei Breitband Loop Antennen mit dem Kurzschlußstrom der Loop Antenne (wieder als Generator gesehen). Dieser ist bei einer verlustfreien Loop Antenne durch deren induktiven Blindwiderstand begrenzt, da der Strahlungswiderstand der Loop hier praktisch völlig vernachlässigbar ist. Der Betrag des Kurzschlußstroms I_sc ist also

und damit frequenzunabhängig! Es liegt also nahe für Breitbandanwendungen den Kurzschlußstrom der Loop als Eingangsgröße des Verstärkers zu verwenden. Um die Loop in der Praxis möglichst weitgehend kurz zu schließen muss der Eingangswiderstand des Verstärkers sehr viel kleiner als der induktive Blindwiderstand der Loop sein, also z.B. im einstelligen Ohm Bereich liegen.

Ein Transistor in Basischaltung bzw. Common-Base oder Common-Gate (FET) hat bekanntlich eine Eingangsimpedanz von

wobei g_m die Steilheit am Arbeitspunkt ist. Der verwendete BF981 MOSFET hat eine Steilheit von typisch 14mS bei +4V an Gate 2. Damit liegt die Eingangsimpedanz bei Z_in=71 Ohm, was für die oben beschriebene Anwendung meistens viel zu hoch ist.

Und jetzt kommen wir zurück zur Funktion der Induktivität L₁ mit den Teilspulen A und B. Im linearen
Kleinsignalmodell der Schaltung lässt sich zeigen, dass die Eingangsimpedanz der MOSFET Stufe unter der Bedingung

durch

gegeben ist, wobei L_A und L_B die Induktivitäten der Teilspulen A und B sind und k der Kopplungsfaktor zwischen beiden Teilspulen ist. Da A und B auf einem gemeinsamen Ringkern liegen, liegt k nahe bei eins (positiv bei der gegebenen Polung der Teilspulen). Damit kann nun durch eine entsprechend hohe Induktivität L_B der Teilspule B die Eingangsimpedanz weiter herab gesetzt werden.

Wenn ich ihre Werte für L_A und L_B einsetze, dann ist die Bedingung für die Gültigkeit der Z_in Formel
für f=150kHz noch nicht wirklich erfüllt, mindestens doppelt so hohe Induktivitäten bei der Spule L₁
wären vermutlich besser.

Gruß Jochen Bauer

This article was edited 22.Jun.17 16:15 by Jochen Bauer .

607 from 6157

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Sehr geehrter Herr Bauer,

vielen vielen Dank dafür, wie Sie sich da so reingekniet haben. Dass die Antennenschleife eher eine Stromquelle als eine Spannungsquelle sein könnte, hatte ich mir schon gedacht, aber dass man den FET als niederohmige Basisschaltung betrachten kann, deren Eingangsimpedanz zumindest bei niedrigen Frequenzen (k=1) 6:1 runtertransformiert wird und dass die Antennenschleife einen frequenz-unabhängigen Kurzschlussstrom hat, da kam ich nicht dahinter. Jetzt ist mir bei der Schaltung wohler und sie funktioniert jetzt auch. Ich habe den Verdacht, dass die im Elektorheft empohlenen 16 mm Ringkerne G2-3FT16 extrem permeabel waren und trotzdem auf KW trotzdem verwendet wurden.

Ich habe beim Eingangübertrager die Windungszahl um die Hälfte erhöht, womit ich bei 150 kHz auf  für L_A auf Z=40 Ohm komme. Das ist deutlich mehr als die runtertransformierten 12 Ohm vom Transistor her. Beim Ausgangs-übertrager nahm ich je 10 Windungen und komme auf 110 Ohm. Es muss aber unbedingt bifilar gewickelt sein, sonst geht KW nicht mehr durch. Das Ausgangspoti habe ich weggelassen, weil man eh immer voll aufdreht. Weiter habe ich die Ausgangswicklung galvanisch getrennt, damit die Antenne nicht auch elektrisch wirkt. Bisher kam ein Brumm, wenn ich die Antenne auf den Grasboden stellte. Um das Netzteil und die Fernspeisung zu sparen, arbeite ich nur mit 9V Blockbatterie statt mit 12V. Ich musste daher R2 auf 18 kOhm reduzieren.

Ich habe mit einem (relativ) modernen Philips Pallas Stereo einen Vergelich zwischen 25 m Antenne in 1,70 m Höhe und der auf dem Gras stehenden magnetischen Loopantenne gemacht: Fast immer ist die Magnetantenne  etwas weniger empfindlich als die elektrische, es ist aber auf alle Wellenbereichen erträglich, jetzt auch auf LW! Die Brummstörungen sind bei der Magnetantenne wesenlich weniger. Am meisten gewinnt MW, die ja von den Oberwellen der Schaltnetzteile der Nachbarschaft regelrecht zugepflastert ist. Bei LW sind es ja nur wenige Störstellen und bei KW ist der Brumm nicht so stark. Auch die Gewitterstörungen sind meist weniger, die Empfangsqualität fast immer besser. Mit der Loopantenne kann ich durch drehen die Brummstörungen etwas mindern, der optimale Winkel ist aber bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich. Ich schreibe noch die empfangbaren Sender in der Reihenfolge elektrische/magnetische Antenne auf:

Heller Tag: LW 3/5;  MW: 1/1    18:30h (Juni) : MW 2/4     22:30h: LW 6/8   MW ca.38/ca. 62
Bei KW ist generell der Brumm weniger oder fast weg, die Qualität besser.

This article was edited 25.Jun.17 16:23 by Franz Heimerl .

737 from 6157

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Hallo zusammen,

ich habe etwas gefunden, mit einem OP. Der Eingang hat theoretisch 0 - Ohm. Solche OP's gibt es ganz viele. 

Interessant finde ich, dass am Eingang ein Trafo ist ( Ringkern). Damit ist die Antenne galvanisch getrennt und somit können keine Störspannungen empfangen werden.

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So etwas ähnliches habe ich für den Empfang des Längstwellensenders Grimeton 17,2kHz einmal gebaut.

Der Eingangsübertrager muss eine höhere Induktivität haben, die Loop hat mehrere Windungen, dafür tut es ein Universal-OP

810 from 6157

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Da das Schaltbild aus Post 6 schlecht lesbar ist, habe ich im Netz gesucht und hier eine lesbare Version gefunden.  Auf der Seite dort steht allerdings auch, dass der verwendete AD8099 für Lang- und Mittelwelle nicht sonderlich geeignet ist:

Large signal behaviour

The AD8099 is not as good as the broadband amplifier (see link above). In the evening several whistles can be heard, but during the rest of the day its large signal behaviour is very acceptable. The AD8099 is not very useful on the long and medium wave. When you want to receive the medium and the long wave also, you have to go for the broadband amplifier (see link above).

Large signal behaviour can be improved by making Rgain 4.7k. The 6dB lower output signal is not a problem for most receivers, may be even an advantage.

953 from 6157

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Vielen Dank fuer die Hilfe. Ich bin gerade unterwegs und habe nur beschraenkte Internet-Moeglichkeiten.

Bei Interesse lasse ich mich gerne detailierter auf das Thema ein. 

Es geht mir um folgende Punkte:

-Eingangsuebertrager mit gal. Trennung, um E-Feld Stoerungen aus dem Nahfeld abzukoppeln.

-OP mit Stromeingang.

Dass der Op fuer KW jedoch nicht fuer Mittel und Langwelle brauchbar sein soll, habe ich auch gelesen, jedoch kann ich das nicht nachvollziehen. Vielleicht liegt es eher an der Diemensionierung des Eingangsuebertragers.

988 from 6157

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Liebe Freunde,

Jemand hat mir eine Mail geschickt, vermutlich zum obigen Thema.

Durch ein Missgeschick wurde diese Mail jedoch unwiderruflich gelöscht, ohne dass ich sie
lesen konnte.
Bitte einfach nochmal schicken.

MFG

Georg Beckmann

1096 from 6157

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Hallo RM,

heute bin ich über Herrn Heimerls Frage gestolpert.

Für seinen Verstärker sehe ich keinen realisierbaren, breitbandigen Übertrager.

Die Schleife sollte im Kurzschluss betrieben werden und liegt selbst bei 1 bis 4µH ( 1m Durchm. )
Der limitierende Faktor ist ihre eigene Induktivität.
Man versucht diese störende, eigene Induktivität  ( durch Größe, Form, parallele Schleifen, Materialquerschnitte usw. ) zu minimieren. Das gilt natürlich auch für den ohmschen Widerstand.
Ein Übertrager im Kurzschluss ist mehr als kontraproduktiv.

Die Frage ist, wie kommt man an den Strom in der kurzgeschlossenen Schleife ?
Üblicherweise fügt man einen Verstärker mit möglichst geringem Eingangswiderstand in die Schleife ein. Dazu gibt es eine oft kopierte, probate Schaltung:

Ich habe mehrere, sehr ähnliche Verstärker gebaut.

Vermutlich mein „bester“ ist dieser. Tatsächlich befindet sich darin ein Übertrager, den es nicht bräuchte. Seine Induktivität pro Windung liegt bei lediglich 0,9µH, es soll ja ein guter Kurzschluss werden. Eingefügt habe ich ihn um den Frequenzgang nach oben zu begrenzen. Der Verstärker funktioniert so gut bis in den VHF Bereich, dass viele Empfänger ( SDRs ) vom FM Rundfunk und DAB+ Signal völlig überfordert wurden. Die Verluste im Kern steigen jenseits von 40 MHz sprunghaft an, ein Tiefpass der eigenwilligen Art. Richtige Tiefpässe bräuchten wieder Spulen :O(. Im gewollten Empfangsbereich hilft der Übertrager 1:4 den Eingangswiderstand des Verstärkers klein zu halten.

Trotz der geringen Induktivität der Wicklung wird LMK problemlos übertagen, die Impedanz an diesem Ort ist niedrig. Sogar U-Boote sind zu sehen.

Das ganze macht ohnehin nur Sinn, wenn es völlig symmetrisch ohne Bezug zur Erde aufgebaut wird.Koaxkabel und das Märchen vom „Schirm“ über Bord. CAT 6-7 Ethernet Kabel und Symetrieglieder direkt am Empfängereingang. Zumindest empfange ich so an Orten, wo es eigentlich unmöglich ist, nahezu störungsfrei …

Bei ~70mA Stromverbrauch scheidet Batteriebetrieb leider aus. Ich versuche mich mit möglichst erdfreiem Strom.

Ich habe einige Zeit experimentiert, manche Kerne ( oder Kernmaterialien ? ) versagen völlig im Kurzschluss.
Zur Frage:
Mit diesem Doppelloch Kern der Fa. NEOSIT,  FT8 F2,
Best. Nr. 250520 beim  Pollin deiner Wahl  ging es sehr gut.
( Das Foto dort zeigt den falschen Kern ? Er ist eigentlich graphitgrau. )

 Grüße

Werner

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1729 from 6157

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