"Antennenstrommessung nach DF3OJ" im QRP-Report 4/2013

Ja Günter, genau das meinte ich, und habe diese für mich bislang unklaren Zusammehänge dank Deiner und Uwes Ausführungen nun zumindest grob verstanden- vielen herzlichen Dank dafür!

Ist es auch richtig, dass das Verhältnis Blindwiderstand:Lastwiderstand auf Sekundär- und Primärseite gleich ist, unabhängig von der Sekundärwindungszahl (denn rechnerisch hängt sowohl die Abwärtstransformation des Lastwiderstandes als auch die Höhe der Induktivität vom Quadrat der Sekundär-Windungszahl ab)?

Hintergrund: ich möchte mit einem solchen Antennenstrommeßgerät die Ströme auf der Speiseleitung dieser Antenne auf Symmetrie untersuchen, wobei mir dazu nur 5 Watt Senderleistung zur Verfügung stehen.

73 Wolfgang

Zitat von DL1GWW

Ist es auch richtig, dass das Verhältnis Blindwiderstand:Lastwiderstand auf Sekundär- und Primärseite gleich ist, unabhängig von der Sekundärwindungszahl

Das stimmt, wenn wir unter "Lastwiderstand auf Primärseite" den um ü^2 transformierten Widerstandswert (R1 im diskutierten Schaltbild) der an der Sekundärseite des Trafos angeschlossen ist verstehen. Das ist eine der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten beim (idealen) Transformator. Der Engergieerhaltungssatz (von nix kommt nix ) gilt und daraus lässt sich über P auf Primär als auch auf Sekundärseit wowohl Strom als auch Spannung ableiten und damit auch die Widerstände.

Nun zu deinem Beispiel: Du willst mit einer 600Ohm Hühnerleiter eine Antenne speisen und den Strom auf der Speiseleitung messen. Dann rechne den Strom aus, der bei 5W an Z = 600 Ohm fließt: I = SqR(P/Z). Ist in dem Antennenstrommessgerät ein Wandler-Trafo mit ü = 30, wird ein dreißigstel dieses Stromes auf der Sekundärseite durch den dort angeschlossenen Widerstand R1 fließen und über ihn eine Spannung U = R x I erzeugen. Daraus kann man je nach verwendeter Diode abschätzen welche Größenordnung an Gleichspannung hinter dem Gleichrichter zu messen sein wird.

Im Grunde sind die Zusammenhänge ganz einfach (äähhhm im Grunde, so lange alles angepasst ist und man nicht komplex rechnen muss )

73, Günter

Kann man demzufolge als Faustregeln formulieren ?

1. Der ohmsche Lastwiderstand auf der Sekundärseite (hier:R1) muss in bestimmten Grenzen liegen, um Anpassung an den Eingangswiderstand der nachgeschalteten Gleichrichtung- und Anzeigeschaltung zu erhalten.

2. Betrieb mit niederen Sendeleistungen zwingen zur Auskopplung eines höheren Anteils der Leistung. Man muss dazu einen höheren Lastwiderstand in den Antennenleiter hereintransformieren, um noch meßbare Spannungen auf der Sekundärseite zu erhalten. Da R1 vorgegeben ist, erreicht man dies durch Verringern der Sekundärwindungszahl.

3. Um dann dennoch das notwendige Verhältnis zwischen dem induktiven Blind- und dem ohmschen Widerstand erhalten, muss man evtl. Kernmaterial mit einem noch höheren AL Wert einsetzen und somit eine höhere Längsinduktivität in der Speiseleitung in Kauf nehmen.

4. Um die Verluste nicht unnötig zu erhöhen, beschränkt man sich bei der Berechnung auf die tatsächlich genutzte unterste Frequenz. Also nicht für 160m dimensionieren, wenn als tiefste Betriebsfrequenz der Antenne 7Mhz vorgesehen sind.

5. Aufgrund stehender Wellen auf der Speiseleitung wird der Koppler je nach seiner Position verschiedene Leistungen auskoppeln, weshalb man eine Stelle in der Speiseleitung suchen könnte, die eine gerade noch verwertbare Anzeige ergibt, um bei vorgegebener Dimensionierung die Verluste gering zu halten. Das wäre bei einer offenen Hühnerleiter mit geklipsten Abstandshaltern sogar praktikabel. Allerdings verschieben sich beim Frequenzwechsel die Maxima auf der Speiseleitung.

Bin ich irgendwo einem Denkfehler aufgesessen?

73 Wolfgang

hallo Wolfgang,
du hast das schon richtig erfasst, hier noch einige ergänzende Kommentare.

Zitat von DL1GWW

1. Der ohmsche Lastwiderstand auf der Sekundärseite (hier:R1) muss in bestimmten Grenzen liegen, um Anpassung an den Eingangswiderstand der nachgeschalteten Gleichrichtung- und Anzeigeschaltung zu erhalten.

Ich würde es so formulieren: Der ohmsche Lastwiderstand auf der Sekundärseite (hier R1) und dazu in Verbindung das Übertragerverhältnis ü ist so zu wählen, dass a) ausreichend Spannung für die Gleichrichtung erreicht wird und b) der mit ü^2 auf die Primärseite eintransformierte Widerstand , der als Serienwiderstand zur zu messenden Leitung erscheint, minimal ist.

Zitat von DL1GWW

2. Da R1 vorgegeben ist, erreicht man dies durch Verringern der Sekundärwindungszahl

Siehe Antwort zu 1. Sowohl R als auch ü können verändert werden.

Zitat von DL1GWW

3. Um dann dennoch das notwendige Verhältnis zwischen dem induktiven Blind- und dem ohmschen Widerstand erhalten, muss man evtl. Kernmaterial mit einem noch höheren AL Wert einsetzen und somit eine höhere Längsinduktivität in der Speiseleitung in Kauf nehmen.

Der AL-Wert bestimmt lediglich die untere Grenzfrequenz des Übertragers. Nur oberhalb der Grenzfrequenz ist der Frequenzgang der Stromauskoppelung flach und sie entspricht ü. Unterhalb der Grenzfrquenz sinkt der übertragene Strom mit 6dB/Oktave ab. Die 3dB Grenzfrequenz eines Trafos ist erreicht, bei XL = R. Daher soll XL möglichst größer als R sein. Daumenregel zur Dimensionierung: XL = 5 x R bei der niedrigsten Betriebsfrequenz

Zitat von DL1GWW

4. Um die Verluste nicht unnötig zu erhöhen, beschränkt man sich bei der Berechnung auf die tatsächlich genutzte unterste Frequenz.

siehe Antwort zu 3.

Zitat von DL1GWW

5. Aufgrund stehender Wellen auf der Speiseleitung wird der Koppler je nach seiner Position verschiedene Leistungen auskoppeln, weshalb man eine Stelle in der Speiseleitung suchen könnte, die eine gerade noch verwertbare Anzeige ergibt, um bei vorgegebener Dimensionierung die Verluste gering zu halten

Ja, Der Koppler wird bei stehenden Wellen auf der Leitung ortsabhängig unterschiedliche Ströme auskoppeln

73, Günter

Im "Funkamateur", Heft 6/16 Seite 562 findet sich ein sehr ähnlicher Bauvorschlag für eine Messanordnung, die zwar einen bzw. zwei Ferritkerne FT50-43 verwendet, aber sekundärseitig keinen gesonderten Lastwiderstand (entsprechend R1 der Zeichnung im post #4) aufweist.

Bedeutet dies näherungsweise also jeweils eine zusätzliche Längsinduktivität von 375 nH in jedem der beiden Antennenleiter (laut Mini-Ringkern-Rechner) und somit bei 30 MHz einen zusätzlichen Blindwiderstand von jeweils ca. 70 Ohm? Wie hoch ist schätzungsweise der in jeden Leiter hineintransformierte reale Widerstand?

Eine im selben Beitrag veröffentlichte, offenbar experimentell ermittelte Tabelle verlangt umso mehr Windungen sekundärseitig, je geringer die Sendeleistung ist.

73 Wolfgang

Hallo Wolfgang,

Die Schaltung in der FA 06/2016 ist eher als Stromindikator für die beide Leitungen einer Ladder-Line gedacht.
In der gezeigten Schaltung geht es um die Stromanzeige auf beiden Leitungen.
Also weiter mit der Frage: ist der Strom gleich oder nicht ?

Zitat von DL1GWW

Eine offenbar experimentell ermittelte Tabelle verlangt umso mehr Windungen sekundärseitig, je geringer die Sendeleistung ist.

Nein so ein Übertrager koppelt im Verhältnis der Windungen einen Strom aus.
Pin zu Pout mit 1 zu 10 Wdg.
==> Iout = 1 / 10 * Iin [A]

Formel: U = I * R, P = U * I
==> P = I² * R
==> I = wurzel( P / R )

Zitat von DC5PI

Nein so ein Übertrager koppelt im Verhältnis der Windungen einen Strom aus.

Hallo Uwe, das ist genau der (scheinbare?) Widerspruch, der sich für mich ergibt. Siehe Post #23, unter 2.
Die besagte Tabelle ist Teil des erwähnten Artikels.

73 Wolfgang

Zitat von DL1GWW

Zitat von »DC5PI«
Nein so ein Übertrager koppelt im Verhältnis der Windungen einen Strom aus.

Hallo Uwe, das ist genau der (scheinbare?) Widerspruch, der sich für mich ergibt. Siehe Post #23, unter 2.
Die besagte Tabelle ist Teil des erwähnten Artikels.

73 Wolfgang

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Guten Morgen,

obiges gilt eben nur, wenn der Wandler annähernd im Kurzschluß betrieben wird, d.h. der Lastwiderstand viel kleiner als die Impedanz der Sekundärwicklung des Wandlers ist. Nur dann folgt der Sekundärstrom umgekehrt proportional dem Primärstrom.

73

Jörg

Zitat von DL3NRV

obiges gilt eben nur, wenn der Wandler annähernd im Kurzschluß betrieben wird, d.h. der Lastwiderstand viel kleiner als die Impedanz der Sekundärwicklung des Wandlers ist. Nur dann folgt der Sekundärstrom umgekehrt proportional dem Primärstrom.

Danke für diesen Hinweis, Jörg.

Bei einer Sekundär-Wicklungsinduktivität von 6,4 uH und einem Abschlußwiderstand von 150 Ohm @ 3,5 MHz sind diese Bedingungen offenbar bei weitem noch nicht erreicht, wie mir eigene Versuche zeigten. Da bewirken mehr Windungen einen höheren Anzeigewert am Meßinstrument.
Wie müsste der Faktor Impedanz/Abschlußwiderstand größenordnungsmäßig sein?

73 Wolfgang

Guten Morgen,

1. eine Korrektur meines etwas eiligen Beitrages von gestern.
Der Sekundärstrom ist natürlich immer dem Primärstrom proportional, nur verhält er sich umgekehrt zu den Windungszahlen. Beispiel (idealisiert): primär 1 A und 1 Windung gibt bei korrekter niederohmiger Last und 10 Windungen auf der Sekundärseite 100 mA.
2. Im Idealfall (Kurzschlußbetrieb der Sekundärseite) bestimmt somit das Windungsverhältnis die Auskoppeldämpfung.
1 Wdg. prim. zu 10 Wdg.sek => - 20 dB.

Also je nach benötigter Koppeldämpfung Windungszahl festlegen.
Der induktive Blindwiderstand der Sekundärseite muß sehr groß gegen den Widerstand der Meßschaltung sein. Somit entsprechend hochpermeables Kernmaterial nötig.
Ideal müsste die Sekundärseite im Kurzschluß betrieben werden - geht natürlich kaum - zur Messung benötigt man etwas Energie.
Wie groß Du den Bürdewiderstand machst bestimmt somit die erzielbare Genauigkeit.
Viel Spass bei den Rechnungen.

73 J.

Zitat von DL1GWW

Wie müsste der Faktor Impedanz/Abschlußwiderstand größenordnungsmäßig sein?

Gegenfrage: welchen Messfehler lässt du zu?

Die Verhältnisse macht man sich am besten am Ersatzschaltbild klar. Um einen Trafo zu verstehen teilt man sich ihn auf in einen idealen Transformator und separiert davon die nicht-idealen Effekte drumherum und stellt diese als "Bauelemente" dar.

Der ideale Transformator transformiert Spannungen und Ströme ohne Verluste proportional zum Verhältnis der Windungszahlen (Pprim = Psek). Aus dem ohmschen Gesetzt P=U x I folgt daraus zwingend: Spannungen werden proportional, Ströme werden umgekehrt proportional und Widerstände und Impedanzen werden im Quadrat der Windungszahlen transformiert. (P=U^2/R, P=I^2 x R)

Das Ersatzschaltbild im Bild-Anhang hier zeigt den Transformator vereinfacht. Induktiver Widerstand der Wicklungen, Verlustwiderstand, Wicklungs-Kapazität , Streuverlust, Ummagnetisierungsverluste u.a. werden als externe Bauelemente hinter dem idealen Trafo hinzugedacht.Die primäre Quellenimpedanz (Sourceimpedanz) Zs erscheint um den Faktor n^2 transformiert als 1/Zs^2 auf der Sekundärseite als Serienwiderstand zum idealen Trafo. (wobei „n“ das Verhältnis von Primär /Sekundär Windungen darstellt). Das Gleiche gilt für den primären ohmschen Wicklungswiderstand, der auch mit n^2 transformiert als Serienwiderstand zur Sekundwicklung auftaucht. Rws sei der Drahtwiderstand der Sekundärwicklung. Rws und Rwp kann man bei einem Kleinsignal HF-Trafo meist vernachlässigen. Wir denken sie uns mal als quasi nicht vorhanden.

Der induktive Widerstand der Sekundärwicklung taucht als parallele Induktivität zum Lastwiderstand auf. Daraus beantwortet sich die Frage für den Stromtransformator „Wie müsste der Faktor Impedanz/Abschlußwiderstand größenordnungsmäßig sein?“. Nämlich so hoch, dass sich durch die Parallelschaltung des induktiven Widerstandes zum Lastwiderstand der Strom durch den Lastwiderstand (Detektor) nicht maßgeblich verfälscht wird. Und das Windungsverhältnis bemisst man so, dass der Lastwiderstand, der auf die Primärseite hineintransformiert wird, den primären zu messenden Stromfluss wenig verfälscht.

Der durch die Messanordnung bedingte Messfehler bestimmt demnach maßgeblich die Dimensionierung der Induktivität.

73
Günter

Zitat von DL1GWW

Im "Funkamateur", Heft 6/16 Seite 562 findet sich ein sehr ähnlicher Bauvorschlag für eine Messanordnung, die zwar einen bzw. zwei Ferritkerne FT50-43 verwendet, aber sekundärseitig keinen gesonderten Lastwiderstand (entsprechend R1 der Zeichnung im post #4) aufweist.

Bedeutet dies näherungsweise also jeweils eine zusätzliche Längsinduktivität von 375 nH in jedem der beiden Antennenleiter (laut Mini-Ringkern-Rechner) und somit bei 30 MHz einen zusätzlichen Blindwiderstand von jeweils ca. 70 Ohm? Wie hoch ist schätzungsweise der in jeden Leiter hineintransformierte reale Widerstand?

Diese Überlegung ist korrekt.

Seltsamerweise wird auch in der im FA6/16 Seite 562 gezeigten "Mess-Anordnung" der Transformator sekundär nicht breitbandig als Stromtrafo im Quasi Kurzschluss betrieben, sondern hochohmig abgeschlossen. Dadurch steigt - wie man sieht - die Primärimpedanz frequenzabhängig mit zunehmender Frequenz an. Und zwar merklich. Auch wenn eine Hühnerleiter einige Hundert Ohm Wellenwiderstand aufweist, beeinträchtigen einige 10 Ohm Impedanz, wie sie mit dieser Anordnung bei den höheren KW-Frequenzen eingefügt werden die erhaltenen Messwerte. http://www.qrpforum.de/index.p…ad&postID=73117#post73117

Genau der gleiche Nachteil war in der Ursprungsversion der im QRP Report 4/2013 abgebildeten Schaltung des Antennenstrom-Messgerätes von DF3OJ zu finden und wurde später im Laufe dieser Diskussion umdimensioniert und korrigiert

Auch die Dimensionierung des Antennestrommessgeräts von Uwe, DC5PI ist als breitbandiger Stromtrafo wirksam und arbeitet korrekt. http://www.qrpforum.de/index.p…ad&postID=73093#post73093

73
Günter

Hallo und vielen Dank für die weiteren Ausführungen!

Das bedeutet also, dass der hochohmig abgeschlossenen Übertrager mit Eisenpulver-Kern aus dem Eröffungsthread immerhin weniger nachteilhaft ist als der ebenfalls hochohmig abgeschlossene mit Ferritkern aus dem FA-Heft, da er nicht so viel zusätzliche Impedanz in die Leitung bringt.

Da mir die umgekehrte Proportionalität zwischen Windungszahl und Ausgangsstrom anfangs noch paradox erschien, habe ich mit meinem FA-Netzwerktester ein paar Messungen an einem Ferritkern mit AL=55 gemacht, an dem ich, von 20 Windungen ausgehend, schrittweise die Sekundär -Windungszahl bis auf 1 verringert habe. Primär war ein Draht durch den Kern einfach hindurchgeführt mit 50 Ohm in Reihe. Sekundäre Bürde: 37,5 Ohm (bestehend aus 150 Ohm Widerstand, parallel dazu NWT Detektoreingang von 50 Ohm).
Bei 1MHz, 5MHz, 10 MHz, 20MHz und 30 MHZ steigt jeweils mit abnehmender Windungszahl die Spannung am sekundären Abschluß und erreicht ein flaches Maximum, wenn der induktive Blindwiderstand der Sekundärwicklung etwa nur noch ein bis zweimal so groß ist wie der Bürdewiderstand. Bei noch weiterer Verringerung der Windungszahl sinkt die Spannung dann wieder.
Deckt sich das mit der Theorie? Hat ein Übertrager den besten Wirkungsgrad (auf den es bei Anwendung als Stromwandler natürlich gar nicht ankommt), wenn XL der Sekundärwicklung = Lastwiderstand? Das wäre dann wohl gleichzeitig der "Umschlagpunkt" zwischen Stromwandler und "normalem" Trafo, oberhalb dem bereits von Quasi-Kurzschluß gesprochen werden darf und der o.g. 3 dB Grenzfrequenz -post Nr 24 zu Punkt3- entspricht?

73 Wolfgang

Zitat von DL1GWW

Das bedeutet also, dass der hochohmig abgeschlossenen Übertrager mit Eisenpulver-Kern aus dem Eröffungsthread immerhin weniger nachteilhaft ist als der ebenfalls hochohmig abgeschlossene mit Ferritkern aus dem FA-Heft, da er nicht so viel zusätzliche Impedanz in die Leitung bringt.

Statt weniger nachteilig, dimensioniert man doch besser gleich so, dass es einen richtigen Stromübertrager mit Breitbandeigenschaften ergibt. Die Thorie und die praktische Umsetzung ist im Verlauf dieses Threads mehrfach beschrieben.

Zitat von DL1GWW

Deckt sich das mit der Theorie?

Grundsätzlich deckt sich die Praxis immer mit der Theorie - so lange die Theorie stimmt und die Wirklichkeit abbildet.

Spass beiseite. Aus dem einfachen Ersatzschaltbild lassen sich doch alle Eigenschaften des Übertragers mit Bruchrechnung und dem Ohmschen Gesetz überschlagen. Eine Strommesszange (und so was will man ja) ist dann breitbandig und stromproportional, wenn ihre Sekundärwicklung niederohmig abgeschlossen ist. (Je niederohmiger der Abschluss, desto niedriger ist die untere Grenzfrequenz.) In der Praxis bedeutet das: ein Trafo mit einer Primärwindung und einem Windungsverhältnis das man mindestens so groß macht, das der sekundäre Lastwiderstand nur wenig auf die Primärseite transformiert wird, damit die Rückwirkung der Messanordnung auf das zu messende System klein bleibt.

Je idealer der Trafo ist (guter Koppelfaktor, geringe Streuung), desto weniger spielt dessen Leerlauf-Induktivität eine Rolle. Die größere Sekundärinduktivität liegt ja nach dem Ersatzschaltbild parallel zur Lastimpedanz und bestimmt dadurch in erster Linie die untere Grenzfrequenz.

73
Günter