Tx=20250316.

Spider Web Coil

Auf meiner Suche nach Spulen mit hoher Güte Q bin ich auf die Spinnennetz-Spulen gestoßen. Diese sehen nicht nur sehr hübsch aus (wie ein Dream Catcher der amerikanischen Indianer) sondern wurden schon frühzeitig (1920?) verwendet, um Spulen mit hoher Güte und geringer Eigenkapazität herzustellen. Im Gegensatz zu einer einlagigen Zylinderspule geht man hier ins andere Extrem, nämlich N Lagen für N Windungen, sozusagen alles direkt übereinander gewickelt. Um den Proximity-Effekt und auch die Wicklungskapazität gering zu halten, werden die Drähte abwechselnd auf der Vorder- und der Rückseite des Spulenkörpers (Dicke ca. 5mm) geführt. Somit ist, bis auf die kurzen Kreuzungen in den Schlitzen, stets ein guter Abstand vorhanden.

Bei Frequenzen unter 1 MHz dominiert der Skin-Effekt, weshalb HF-Litze (viele, einzeln isolierte Drähte in einem Bündel) verwendet wird. Kommt man jedoch zu höheren Frequenzen, so dominiert der Proximity-Effekt: man verwendet massiven, versilberten Kupferdraht, der mit Abstand gewickelt wird. Dies wollte ich einmal mit einer Spiderweb Spule probieren, da ich bisher diese Spulen nur mit HF-Litze gesehen hatte.

Ich verwendete also blanken, versilberten Kupferdraht von 1mm Durchmesser. Den Spulenkörper erstellte ich auf dem 3D-Drucker (files siehe unten). Dazu einen Halter für den Spulenkörper, sodass dieser ohne Hilfsgerüst flach auf dem Druckbett gedruckt werden konnte. Den Halter schraubte ich dann auf ein kleines Holzbrett (10cm), damit ausreichend Standfestigkeit vorhanden ist. Meinen ersten Versuch sieht man oben im Bild. Ja, es sieht aus wie ein richtiges Spinnennetz, obwohl Spinnen vermutlich ein saubereres Netz spinnen. Es stellte sich heraus, dass es recht schwierig war, den starren Draht durch die Schlitze zu führen. Ausserdem musste ich höllisch aufpassen, dass es zu keinen Windungsschlüssen kam. Daher musste ich einen größeren Abstand zwischen den Windungen in den Schlitzen lassen, als ich geplant hatte.  Es haben 14 Windungen draufgepasst. Alles nicht so optimal, denn so erreichte ich nur L=16H Induktivität. Die Eigenresonanz der Spule (mit meiner 1:10 Oszi-Probe) liegt bei 9.25MHz und das Q( 9.25MHz )=19. Das Q nimmt stark zu, wenn ich einen 110pF Kondensator (Styroflex) parallel schalte Q( 3.65MHz )=116.

Für meinen zweiten Versuch verwendete ich den gleichen Spulenkörper, jedoch isolierte ich mit Domi's Hilfe die Drähte in den Schlitzen mit Kapton-Band, damit ich die Drähte in den Schlitzen näher aneinander führen konnte und so mehr Windungen unterbringen konnte, um mehr Induktivität zu erreichen. Es stellte sich aber heraus, dass das Einbringen winziger Fitzelchen von Kapton-tape eine furchtbare Fummelei war. Wir gingen daher dazu über, ganze Abschnitte des Drahts mit Kapton zu isolieren. Da auf eine isolierte Windung stets eine blanke Windung folgen konnte, sodass eine isolierte Windung von zwei blanken Windungen umgeben ist, sieht man im Bild oben abwechselnd blanke und isolierte Windungen. Da wir nicht immer genau 1 Windung isolierten, sondern was sich halt gerade ergab, erscheint das Muster oben etwas unregelmäßig. Es haben 27 Windungen draufgepasst.

Einfacher wäre es vielleicht gewesen, auf den Draht kurze Stückchen von passendem Schrumpfschlauch aufzuschieben (etwa 122 Stücke von je 7mm Länge) und dann bei jedem Schlitz eines zur Isolation zu verwenden (nur jede zweite Windung muss isoliert werden, siehe oben).

Während des Wickelns prüften wir immer wieder die Induktivität: der innere Durchmesser beträgt 3cm, der äußere Durchmesser 15cm und die Induktivität stieg innen von Windung zu Windung nur sehr wenig an. Den größten Induktivitätsgewinn erzielten wir in den äußeren Windungen. So erreichte ich die gewünschten L=50H. Dies folgt auch aus der mit der Windungszahl quadratisch zunehmenden Induktivität:
1 Wdg => 2 Wdgn: 4-fache Induktivität, aber nur sehr kleiner Ausgangswert, daher nur sehr kleiner Anstieg
26 Wdgn => 27 Wdgn: nur 1.08-fache Induktivität, aber von 45H auf 48H
Ein weiterer Grund ist natürlich auch die gestiegene umschlossene Fläche, die mit r² steigt. Eine Windung bei 3cm Durchmesser bringt nur 0.067H, bei 15cm Durchmesser dagegen 0.36H. Da die Drahtlänge mit r, die Fläche aber mit r² steigt, ist klar, dass eine große Spule mehr Induktivität pro Drahtlänge hat, als eine kleine. Da die Ohm'schen Verluste bei Luftspulen nur vom Drahtwiderstand abhängen, der linear mit der Länge zunimmt, wird klar, dass bei gleicher Windungszahl eine große Spule eine höhere Güte haben wird, als eine kleine, weil sie weniger Draht pro H braucht.

Durchm.	| Wdg	| H	| Länge	| H/m
150mm	| 1	| 0.36	| 0.477	| 0.754717
150mm	| 2	| 1.414	| 0.967	| 1.462254
150mm	| 3	| 3.124	| 1.47	| 2.12517
150mm	| 4	| 5.46	| 1.985	| 2.75063
150mm	| 5	| 8.398	| 2.513	| 3.341823
150mm	| 6	| 11.921	| 3.053	| 3.904684
150mm	| 7	| 16.014	| 3.606	| 4.440932
30mm	| 1	| 0.067	| 0.1	| 0.67
30mm	| 2	| 0.252	| 0.213	| 1.183099
30mm	| 3	| 0.546	| 0.339	| 1.610619
30mm	| 7	| 2.829	| 0.967	| 2.925543
30mm	| 15	| 13.986	| 2.827	| 4.947294
30mm	| 16	| 16.142	| 3.116	| 5.180359
30mm	| 17	| 18.493	| 3.418	| 5.410474

Betrachtet man jedoch die H/m für eine vorgegebene Induktivität, z.B. 16H, so schneidet die kleinere Spule besser ab, die Tabelle zeigt 5.2H/m bei 3cm vs. 4.4H/m bei 15cm Durchmesser.

Obwohl ich also fast die doppelte Windungszahl hatte (3.7 x 16H = 59.5H) erreichte ich nur 50H. Dies liegt am kleineren Abstand der Drähte zueinander. Gerne mal mit dem online-Rechner (unten verlinkt) spielen.

Die Eigenresonanz der Spule (mit meiner 1:10 Oszi-Probe) liegt bei 5MHz und das Q( 5MHz )=31. Das Q nimmt stark zu, wenn ich einen 110pF Kondensator (Styroflex) parallel schalte Q( 2MHz )=132.

Zum Vergleich schauen wir jetzt noch eine Zylinderspule an. Sie hat 16 Windungen bei einem Durchmesser von 31.5mm.
Die Eigenfrequenz beträgt 20 MHz. Q( 20MHz ) = 14.
Bei 110pF steigt das Q( 6.4MHz ) = 85.

Links
http://www.pa2mrx.nl/UK/PA2MRX-UK.htm?coil%20homebrewing_uk.htm ein niederländischer Amateur, der gerne Diodenempfänger bastelt
http://www.deepfriedneon.com/tesla_f_calcspiral.html online Rechner für flache Spulen
https://audiopub.co.kr/wp-content/uploads/2019/01/THE-SPIDER-WEB-COIL.pdf Erklärung und Berechnung von Spider Web Coils

https://www.tinkercad.com/things/1xRA9CQx0re-spiderweb-coilform 3D Spulenkörper
https://www.tinkercad.com/things/f8fEWsnSNNj-spidercoilbase 3D Spulenhalter

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