Jeder Funkamateur, der sich jemals mit dem Bau eines Baluns, einer Antennendrossel, eines Breitbandtransformators, eines Tiefpassfilters, eines Bandpassfilters oder eines HF-Verstärkers beschäftigt hat, ist früher oder später auf eine einfache Frage gestoßen, die keine einfache Antwort hat: Welches Ferrit soll man verwenden?
Auf den ersten Blick erscheint dies ein banales Problem: Ringkern wie Ringkern, Fernglas wie Fernglas, Ferritkern wie Ferritkern. Die Realität sieht jedoch völlig anders aus. Die Verwendung des falschen Materials kann dazu führen, dass der Balun gar nicht funktioniert, die Drossel eine schlechte Gleichtaktimpedanz aufweist, der HF-Transformator überhitzt oder der Kern im QRO-Betrieb in die Sättigung gerät.
In der Amateurfunk-Szene kursieren viele Halbwahrheiten, vereinfachte Empfehlungen und vermeintliche „Rezepte“, die in bestimmten Situationen funktionieren, aber auf anderen Frequenzbändern oder in anderen Anwendungsbereichen versagen. Ein typisches Beispiel ist die weitverbreitete Empfehlung: „Einfach einen FT240-43 anschließen, dann funktioniert es.“ Manchmal stimmt das. Manchmal aber auch gar nicht.
Ak chceme navrhovať spoľahlivé baluny, Guanella Transformatoren, Drosseln zur Unterdrückung von Rückströmen, Transformatoren für Empfangsantennen oder VHF Um Elemente zur Unterdrückung von Störungen zu verstehen, müssen wir die grundlegenden physikalischen Eigenschaften der verwendeten magnetischen Materialien kennen.
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Zwei grundlegende Arten von magnetischen Materialien
In der Amateurfunkpraxis begegnen wir zwei Hauptgruppen von Kernen:
- Ferritmaterialien
- pulverförmige Eisenmaterialien
Auf den ersten Blick mögen sie ähnlich aussehen. Beide Gruppen werden als Toroiden, zylindrische Kerne, Ferngläser oder aufsteckbare Ferritkerne hergestellt. Elektrisch gesehen unterscheiden sie sich jedoch grundlegend.
Ferritmaterialien
Ferrite sind keramische magnetische Werkstoffe, die meist auf Kombinationen von Eisen-, Mangan-, Nickel- und Zinkoxiden basieren.
Für einen Funkamateur sind zwei Hauptgruppen von entscheidender Bedeutung:
- MnZn (Mangan-Zink)
- NiZn (Nickel-Zink)
MnZn-Werkstoffe weisen eine hohe Permeabilität auf und eignen sich hervorragend für niedrige Frequenzen. Daher sind sie geeignet für HF-Gleichtakt-Drosseln, Drosselbaluns und die EMV-Unterdrückung.
NiZn-Werkstoffe weisen eine geringere Permeabilität, aber bessere Eigenschaften in höheren Frequenzbändern, d. h. VHF/UHF, auf.
Ferrit in Drosselanwendungen dient nicht ausschließlich als Induktivität. Dies ist ein grundlegendes Missverständnis. Eine gut ausgelegte Gleichtaktdrossel sollte eine resistive Gleichtaktimpedanz erzeugen, d. h. die Energie des störenden Gleichtaktstroms in Wärme umwandeln.
Genau deshalb betont Jim Brown K9YC, dass bei einer Drossel der Rs-Parameter wichtig ist, nicht nur die Gesamtimpedanz Z.
Eisenpulver
Pulverförmige Eisenkerne funktionieren nach einem anderen Prinzip. Sie bestehen aus Eisenpulver, das durch ein dielektrisches Bindemittel gebunden ist.
Ihre Hauptmerkmale:
- geringere Durchlässigkeit
- höheres Q
- geringere Verluste
- bessere Stabilität für Resonanzanwendungen
Dadurch eignen sie sich ideal als Material für:
- Resonanzspulen
- LPF
- BPF
- Antennentuner
- Anpassungsschaltungen
- QRP-Filter
Im Gegenteil, als Gleichtaktdrosseln sind sie meist ungeeignet. Ein typischer Fehler im Amateurfunk: Die Verwendung einer T200-2 als Gleichtaktdrossel. Elektrisch funktioniert sie zwar irgendwie, aber nicht so, wie man es von einem hochwertigen Strombalun erwartet.
Die gebräuchlichsten Amateurfunkmaterialien
Mischen 31
Aktuell eines der vielseitigsten Materialien für HF-Gleichtakt-Drosseln.
Stärken:
- 1,8–30 MHz
- ausgezeichnete Gleichtaktverluste
- Breitband
- hoher ohmscher Anteil der Impedanz
Typischer Anwendungsfall:
- 1:1 Strombalun
- Drossel am Netzanschluss
- EFHW Drossel
- Drossel für Einband-Dipol
- Mehrband- oder Rundbanddrossel
- RFI-Unterdrückung
Die Empfehlungen von K9YC weisen sehr oft darauf hin. Die FT240-31 in gestapelter Konfiguration ist praktisch der Standard für eine QRO-HF-Drossel.
Mischen 43
Historisch sehr beliebt. Funktioniert gut:
- höhere HF
- einige VHF-Anwendungen
Im Vergleich zu Mix 31 schneidet es auf den unteren HF-Bändern schlechter ab.
Viele ältere Designs verwenden automatisch FT240-43, aber moderne Messungen zeigen, dass es für 80 m und 160 m bessere Alternativen gibt.
Mischen 61
NiZn-Material für höhere Frequenzen. Anwendung:
- VHF
- 6 Meter
- 2 m
- UHF
- Breitbandtransformatoren
Nicht ideal für HF-Drosseln im 160–40 m-Band.
Mischen 73
Hervorragend geeignet für niedrige Frequenzen und zur EMV-Unterdrückung. Anwendungsbereiche:
- Medizinische Fakultät
- MF
- Empfangssysteme
- Rauschunterdrückung
Mischen 75
Ein robustes Material für niedrige Frequenzbänder, beispielsweise für Transformatoren in Empfangsantennen. Es ist kein universelles HF-Drosselmaterial.
Mischen 77
Extrem hohe Durchlässigkeit.
Gut geeignet für niedrige Frequenzen, weniger geeignet als eine universelle HF-Drossel.
Überblick über die Verwendung von Ferritmaterialien in der Amateurfunkpraxis
| Material | Gleichtakt-Drossel (1 Durchgang) | Gleichtaktdrossel (mehrere Umdrehungen) | Impedanzwandler (UN-UN) | BAL-UN 1: 1 |
|---|---|---|---|---|
| #31 | 3,5 - 100 MHz | 1,5 – 50 MHz | — | 1,5 - 30 MHz |
| #43 | 25 - 600 MHz | 2 – 60 MHz | 2 – 50 MHz | 2 – 30 MHz |
| #52 | 150 – 1000 MHz | 4 – 150 MHz | 1 – 60 MHz | 1 – 60 MHz |
| #61 | 200 – 2000 MHz | 5 – 200 MHz | 15 – 200 MHz | 10 – 100 MHz |
| #77 | 200 kHz – 10 MHz | 100 kHz – 10 MHz | 0,5 – 8 MHz | 1 – 8 MHz |
Technische Parameter von Ferritmaterialien
Material Nr. 31
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Anfangspermeabilität | µi | 1500 | — |
| Magnetische Flussdichte bei Feldstärke | B/H | 3900 / 5 | Gauss / Oersted |
| Restmagnetische Induktion | Br | 3200 | Gauss |
| Zwangsgewalt | Hc | 0,28 | Oersted |
| Verlustfaktor bei einer gegebenen Frequenz | Tan δ / µi | 20 @ 1MHz | 10⁻⁶ |
| Temperaturkoeffizient der Permeabilität (20–70 °C) | — | 1.6 | % / °C |
| Curie-Temperatur | Tc | >130 | °C |
| Elektrischer Widerstand | ρ | 3000 | Ohm·cm |
Material Nr. 43
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Anfangspermeabilität | µi | 800 | — |
| Magnetische Flussdichte bei Feldstärke | B/H | 2900 / 10 | Gauss / Oersted |
| Restmagnetische Induktion | Br | 1300 | Gauss |
| Zwangsgewalt | Hc | 0,45 | Oersted |
| Verlustfaktor bei einer gegebenen Frequenz | Tan δ / µi | 250 @ 1 MHz | 10⁻⁶ |
| Temperaturkoeffizient der Permeabilität (20–70 °C) | — | 1,25 | % / °C |
| Curie-Temperatur | Tc | >130 | °C |
| Elektrischer Widerstand | ρ | 1 × 10⁵ | Ohm·cm |
Material Nr. 52
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Anfangspermeabilität | µi | 250 | — |
| Magnetische Flussdichte bei Feldstärke | B/H | 4200 / 10 | Gauss / Oersted |
| Restmagnetische Induktion | Br | 3300 | Gauss |
| Zwangsgewalt | Hc | 0,6 | Oersted |
| Verlustfaktor bei einer gegebenen Frequenz | Tan δ / µi | 45 @ 1MHz | 10⁻⁶ |
| Temperaturkoeffizient der Permeabilität (20–70 °C) | — | 0,75 | % / °C |
| Curie-Temperatur | Tc | >250 | °C |
| Elektrischer Widerstand | ρ | 1 × 10⁹ | Ohm·cm |
Material Nr. 61
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Anfangspermeabilität | µi | 125 | — |
| Magnetische Flussdichte bei Feldstärke | B/H | 1500 / 15 | Gauss / Oersted |
| Restmagnetische Induktion | Br | 1000 | Gauss |
| Zwangsgewalt | Hc | 1.1 | Oersted |
| Verlustfaktor bei einer gegebenen Frequenz | Tan δ / µi | 30 @ 1MHz | 10⁻⁶ |
| Temperaturkoeffizient der Permeabilität (20–70 °C) | — | 0, 1 | % / °C |
| Curie-Temperatur | Tc | >300 | °C |
| Elektrischer Widerstand | ρ | 1 × 10⁸ | Ohm·cm |
Material Nr. 77
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Anfangspermeabilität | µi | 2000 | — |
| Magnetische Flussdichte bei Feldstärke | B/H | 5100 / 5 | Gauss / Oersted |
| Restmagnetische Induktion | Br | 1800 | Gauss |
| Zwangsgewalt | Hc | 0,25 | Oersted |
| Verlustfaktor bei einer gegebenen Frequenz | Tan δ / µi | 15 @ 100kHz | 10⁻⁶ |
| Temperaturkoeffizient der Permeabilität (20–70 °C) | — | 1.2 | % / °C |
| Curie-Temperatur | Tc | >200 | °C |
| Elektrischer Widerstand | ρ | 100 | Ohm·cm |
1:1-Strombalun – praktisches Design
Moderner Amateurfunkstandard: Ferrit-Gleichtaktdrossel
Das Prinzip ist einfach: Das Differenzsignal im Inneren des Koaxialkabels wird normal übertragen, aber der Gleichtaktstrom auf dem Mantel trifft auf eine hohe Impedanz.
Praxiskerne
| Kern | Verwenden | Notiz |
|---|---|---|
| FT240-31 | HF-Drossel | ausgezeichnete universelle Wahl |
| 2× FT240-31 | QRO | niedrigere Heizung |
| 3× FT240-31 | Gesetzliche Grenze | robuste Lösung |
| FT240-43 | höhere HF | älterer Standard |
Anzahl der Threads
Es hängt stark ab von:
- mischen
- Kerndurchmesser
- Bands
- verwendete Koaxialkabel
Ungefähr:
- 8–12 Windungen für die HF-Multiband-Drossel
- weniger Windungen für höhere Frequenzen
- mehr Umdrehungen für niedrigere Frequenzen
Zu viele Windungen sind ein Fehler. Warum? Die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen verschiebt die Resonanzfrequenz, und die Drosselspule funktioniert nicht mehr richtig an der gewünschten Stelle.
Welche Art von Koaxialkabel?
Am häufigsten:
- RG316
- RG400
- RG142
PTFE-Koaxialkabel sind mechanisch und thermisch besser geeignet als billiges PVC-Koaxialkabel. Für QRO lohnt sich ein robusteres Kabel.
Guanella-Baluns: Wenn es um Stromregelung und nicht nur um Impedanztransformation geht.
Wenn es ein Konstruktionsprinzip gibt, das in der Amateurfunkgemeinschaft Beachtung verdient, dann ist es der Guanella-Übertragungsleitungstransformator. Viele Funkamateure verwenden die Bezeichnungen 1:1-Balun, 4:1-Balun oder 9:1-Unun, ohne zu unterscheiden, ob es sich um eine Spannungs- oder Stromarchitektur handelt. Dies ist ein Fehler, da sich das elektrische Verhalten der beiden Lösungen grundlegend unterscheidet.
Das Konzept wurde 1944 von Gustav Guanella vorgeschlagen, erlangte aber erst durch Jerry Sevick W2FMI Bekanntheit in der Amateurfunkpraxis. Der Guanella-Balun ist im Wesentlichen ein Übertragungsleitungstransformator, der die definierten Eigenschaften einer auf einen geeigneten Ferritkern gewickelten Übertragungsleitung nutzt.
Anders als beim Ruthroff-Spannungsbalun liegt die Priorität hier nicht in der Einhaltung des korrekten Spannungsverhältnisses. Ziel ist die Kontrolle des Stroms und des Gleichtaktverhaltens.
Deshalb wird die Guanella-Architektur in hoher Qualität eingesetzt:
- 1:1 Strombaluns,
- 4:1-Baluns für symmetrische Antennen,
- 9:1 bei Transformatoren,
- Breitband-RX-Transformatoren,
- passende Mitglieder für Beverage und andere RX-Antennen
1:1 Guanella-Strombalun
Die einfachste Ausführung ist ein klassischer 1:1-Strombalun.
Typische Implementierung:
- Koaxialkabel auf FT240-31 gewickelt,
- PTFE-Doppelleitung am FT240-43,
- Für den QRO-Betrieb werden 2–3 Toroiden gestapelt.
Typische Fadenzahlen:
| Band | Mischen | Kern | Anzahl der Threads |
|---|---|---|---|
| 160–40 m | 31 | FT240 | 10–12 |
| 80–20 m | 31 | FT240 | 8–10 |
| 20–10 m | 43 | FT240 | 6–8 |
Diese Werte sind Richtwerte. Die endgültige Auslegung hängt stets von der erforderlichen Induktorimpedanz, dem verwendeten Draht und der Leistung ab.
K9YC empfiehlt für eine effektive Gleichtaktunterdrückung eine Drosselimpedanz in der Größenordnung von 1–5 kΩ, wobei ein hoher Widerstand Rs wichtiger ist als eine rein reaktive Impedanz.
4: 1 Guanella balun
Eine sehr beliebte Konstruktion. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei 1:1-Stromwandlern, die in einer geeigneten Konfiguration miteinander verbunden sind. Typische Anwendungen:
- OCF-Dipol,
- einige Windom-Konfigurationen
- Symmetrisches Netzteil mit höherer Impedanz.
Wichtiger Hinweis: Ein 4:1-Balun ist kein Allheilmittel. Die Amateurfunklegende „4:1 an jede Leitung anschließen“ verursacht oft mehr Probleme als Nutzen. Ist die Last elektrisch ungeeignet, führt dies zu folgenden Folgen:
- Kernüberhitzung
- erhöhter Gleichtaktstrom,
- unvorhersehbare PSV,
- Verzerrung des Strahlungsmusters.
9:1 Guanella Unun
Äußerst beliebt bei mobilen Funkamateuren. Verwendung:
- zufälliger Draht,
- tragbare Drahtantennen,
- EINHUNDERT,
- SCHWEISS,
- QRP-Expeditionen.
Hier ist jedoch technisches Geschick gefragt. Ein 9:1-Unun ist kein Wundermittel zur Breitbandanpassung für jede Leitung. VK1OD zeigt sehr genau, dass bei ungeeigneten Leitungslängen extreme Impedanzen entstehen und der Transformator weit außerhalb des zulässigen Bereichs betrieben werden kann.
Typische Kerne:
- FT240-43
- 2× FT240-43
- FT140-43 für QRP
Bei höherer Leistung verlässt der FT140 sehr schnell seinen Komfortbereich.
Aufsteckbare Ferritplatten: Ein nützliches Werkzeug, kein Placebo oder Wunder.
Aufsteckbare Ferritkerne gehören zu den am meisten missverstandenen Bauteilen im Amateurfunk.
Viele OMs verwenden sie als universelles "HF-Abwehrmittel".
- zum USB-Kabel,
- auf CAT-Kabel,
- für Mikrofonkabel
- für die Stromversorgung
- auf Koaxialkabel.
Manchmal zu Recht. Manchmal völlig unnötig.
So funktionieren sie
Aufsteckbares Ferrit erhöht die Gleichtaktimpedanz des durchlaufenden Leiters. Es bestimmt:
- Material,
- Kerngröße
- Anzahl der Dirigentenpassagen,
- Frequenz.
Eine einzelne Ader an einem USB-Kabel kann helfen. Eine einzelne Ader an einem 80 m langen Koaxialkabel als Hauptdrossel ist oft nichts weiter als psychologische Therapie.
Mischungen für die Verwendung mit Schnappverschlüssen
| Mischen | Verwenden |
|---|---|
| 31 | HF-Gleichtaktunterdrückung |
| 43 | höhere HF / universelle EMV |
| 61 | VHF/UHF |
Anzahl der Kerne
Ein wichtiger Punkt, den viele OMs ignorieren: Ein Kern reicht oft nicht aus.
Praktische Lösungen:
- 4–8 Schnappverschlüsse für das Stromkabel,
- mehrfaches Durchlaufen eines größeren Kerns
- Multi-Core-Stack.
K9YC warnt schon lange davor, dass schwache Ferritlösungen ein falsches Gefühl der Beseitigung des Problems vermitteln.
VHF-Anwendungen: Wo die HF-Logik nicht mehr funktioniert
Ein großer Fehler in der Amateurfunkpraxis: eine bewährte HF-Drosselvorrichtung unverändert auf VHF anzuwenden.
Das ist ein Rezept für Enttäuschung. Der Grund ist einfach: Parasitäre Kapazitäten, Resonanzen und Materialeigenschaften verhalten sich bei höheren Frequenzen völlig anders.
Materialien für VHF
Am häufigsten:
- Mix 43
- Mix 61
- Ferritperlen
- NiZn-Materialien
Mix 31, hervorragend für Kurzwelle, ist nicht automatisch die richtige Wahl für UKW.
2 m / 70 cm Drossellösungen
Typische Implementierungen:
- Koaxialrohrdrossel,
- Ferritperlen auf Koaxialkabeln.
Für VHF ist ein Hülsenbalun oft eine elegantere Lösung als ein großer Ringkerntransformator im HF-Stil.
Typischer Anwendungsfall:
- 2m Yagi-Stromanschluss,
- 70 cm vertikal,
- Satellitenantennen
GPSDO, LNB und Transverter
In einer modernen Funkstation mit VHF/UHF/SHF-Technologie sind Ferritkerne allgegenwärtig:
- GPSDO-Stromversorgung
- LNB-Vorspannungslinie,
- I2C-Verkabelung
- Arduino Nano-Steuerung
- Stromversorgung des Rotators
Hier ist eine aufsteckbare EMI-Unterdrückung aus praktischer Sicht sehr sinnvoll.
Sättigung: der stille Killer von Ferritstrukturen
Sättigung tritt ein, wenn ein magnetisches Material die Grenze seiner Magnetisierung erreicht.
Praktische Auswirkungen:
- ein starker Effizienzrückgang
- Zunahme der Verluste
- Überhitzung
- Transformatorinstabilität.
Im Extremfall:
- Kernbruch,
- Verschlechterung der Isolierung
- Balun-Fehler.
Was verursacht die Sättigung?
- zu hohe Leistung
- unpassende Mischung
- asymmetrische Belastung
- Gleichtaktstrom,
- zu kleiner Kern.
Ein Strombalun kann nicht aufgrund von Differenzleistung, sondern aufgrund von Gleichtaktleistung überhitzen.
Das ist ein entscheidendes Detail.
Leistungsgrenzen
Die Frage „Wie viele Watt verträgt es?“ hat keine allgemeingültige Antwort.
Es hängt davon ab:
- Kerne,
- Material,
- Anzahl der Kerne,
- Frequenzen
- SWR,
- Lastzyklus.
QRP
Bis zu 10 W ist die Welt sehr tolerant. FT82 oder FT140 sind in der Regel verwendbar.
100-W-Klasse
Normale Shack-Leistung. Angemessenes Minimum:
- FT240 Strombalun,
- die richtige Mischung
- guter Fahrer.
QRO
500 W+
Hier endet die Improvisation. Empfehlung:
- 2–3 gestapelte FT240,
- hochwertiger PTFE-Leiter
- Wärmereserve.
Gesetzliche Grenze
Das erfordert professionelles Vorgehen. Ein defekter Balun an der zulässigen Grenze ist kein Experiment. Er erzeugt Rauch.
Die häufigsten Konstruktionsfehler
Eisenpulver als Strombalun
Sehr häufig. LPF-Ringkern ≠ Gleichtaktmaterial für die Drossel.
Zu viele Threads
Mehr ist nicht automatisch besser. Parasitäre Kapazität beeinträchtigt die Breitbandleistung erheblich.
Kern zu klein
QRP-Komponente bei 1 kW eingesetzt. Vorhersehbares Ergebnis.
Falsche Mischung
43 statt 31 auf 160 m. 61 statt HF-Drosselmaterial.
Spannungsbalun, wo ein Strombalun benötigt wird
Typisches Problem einer abstrahlenden Stromversorgung.
Einzelnes aufsteckbares Koaxialkabel
Das ist normalerweise keine ernsthafte Erstickungsgefahr.
Praktische Referenztabelle
| Anwendung | Material | Kern | Notiz |
|---|---|---|---|
| HF 1:1 Strombalun | 31 | FT240 | universelle Wahl |
| QRO HF-Drossel | 31 | 2–3× FT240 | Wärmereserve |
| 4: 1 Guanella | 31 / 43 | FT240 | von der Band |
| 9:1 unun | 43 | FT240 | keine Universallösung |
| VHF-Choke | 61 | Perlen / Röhrchen | besser als HF-Rezepte |
| LPF | Mischen 2 / 6 | T68/T106/T200 | Eisenpulvermaterial |
| ATU | Mischen 2 / 6 | T200 | hohes Q |
| RFI-Unterdrückung | 31 | Schnappverschluss | weitere Teile |
Abschluss
Ferrit ist nicht einfach nur ein „schwarzer Ring für ein Kabel“. Die richtige Materialwahl entscheidet darüber, ob Ihre Konstruktion als Strombalun, Breitbandtransformator oder nur als teures, überhitzendes Keramikbauteil funktioniert.
In der Amateurfunkpraxis gibt es keine universelle Mischung, die für alles geeignet ist.
Und das sind gute Neuigkeiten.
Denn ein korrekt ausgelegtes Ferritelement kann das Antennensystem deutlich verbessern, HF-Störungen im Shack reduzieren und Ihren TCVR vor Problemen schützen, die sonst als mysteriöser Fehler in der Antenne, der SWR-Brücke oder dem Stromversorgungssystem auftreten würden.