<<

Common Mode Chokes.
(mantel stromen smoorspoelen).
pa0nhc
20181222 / 20190123

            Zend antenne systemen.
K9YC  beschrijft in http://k9yc.com/630MTXChokes.pdf waarom, en hoe, "common mode chokes" in zend antenne systemen worden gebruikt. Hij beveelt minstens 5 kOhm resistieve smoorspoelen impedantie aan, en dat minstens één smoorspoel direct bij het antenne voedingpunt geïnstalleerd wordt. 

Als de verlies weerstand van de smoorspoel op de werk frequentie te klein is, en de zelfinductie van de smoorspoel overheerst, kan bij bepaalde ongunstige coax kabel lengtes resonantie tussen smoorspoel en kabel optreden. Met als ongewenst resultaat : in plaats van verzwakking, juist versterking van de invloed van common mode stromen. 

Omdat in zend installaties dikkere coax kabels als transmissielijn worden gebruikt, en vaak minstens vijf windingen door het gat van de kernen  nodig zijn, moeten over zend coaxen grotere kernen met een groot gat worden gebruikt.

            Ontvang antenne systemen.
In ontvang antenne systemen worden naast scheiding transformatoren, ook common mode smoorspoelen toegepast, ter onderdrukking van op de transmissielijn geïnduceerde common mode stoor stromen. Omdat bij ontvangst zeer geringe vermogens worden gebruikt, zijn hier kleine ring kernen toepasbaar, met als dun wikkeldraad-paar een uit een CAT5 of CAT6 netwerk kabel verwijderd aderpaar. Zie : http://k9yc.com/RXChokesTransformers.pdf

            Optimaal kern materiaal voor common mode smoorspoelen.
Om een common mode smoorspoel onder alle omstandigheden (met alle kabel lengtes) met succes te kunnen gebruiken, is kern materiaal nodig dat over een groot frequentie bereik een grote verlies weerstand bezit.

K9YC beveelt voor smoorspoelen het gebruik van Fair-Rite mix #31 kernen aan. Helaas is de keuze aan dergelijke kernen met groot gat vaak beperkt, en kunnen verzend- en douane kosten de kernen soms duurder maken. Bestellen bij ARROW.COM kan de kosten laag houden. Gratis verzenden vanuit Venlo (NL), zonder bijkomende douane kosten.

PA0MER attendeerde me op (Philips) Ferroxcube mix 3S4, dat nagenoeg gelijke specificaties vertoont als Fair-Rite mix #31. Van 3S4 bestaat een grotere 36mm kern met een 23mm gat : T36/23/15-3S4.  Op dx-wire.de is deze kern te koop voor maar 2E40 / stuk.  

Beide materialen (MIX #31 en 3S4) vertonen over een breed frequentie gebied de voor common mode smoorspoelen gunstige weerstand verliezen.  Nog een voordeel : in dit ferriet zijn geen kostbare metalen verwerkt, hun prijs is laag. Gedeelde (klap) kernen met Ferroxcube kern materiaal 4S2 zijn mogelijk ook bruikbaar.

            De kracht van N2.
Door een coax kabel "N maal" door het gat van een kern te wikkelen, worden de inductie- en verlies weerstand met een factor "N2" (N-kwadraat !) vergroot. 

Door meerdere windingen door het gat te wikkelen, worden niet alleen de in serie met het common mode circuit zo gewenste serie "weerstand" groter, maar ook de spoel zelf inductie en de winding capaciteit. Hierdoor daalt de spoel resonantie naar een lagere frequentie.  De common mode impedantie is op lagere frequenties hoger.

Met #31 en 3S4 kern materiaal is de Q van een dergelijke resonantie zeer laag (0,5 tot 1), en de dempende bandbreedte groot.

            Voorbeeld:
Als een coax in plaats van éénmaal, vijf maal door het gat van een kern gaat, worden zelfinductie en verliesweerstand 25 maal zo groot.
Als dit effect bereikt moet worden, door meerdere (kleinere) kernen over de coax te schuiven, zijn in plaats van één kern, minstens 25 kernen nodig. 
Bovendien is de resonantie frequentie van de smoorspoel met 5 windingen gunstiger :  veel lager dan die van de 25 kernen. Waardoor de verlies weerstand voor lage frequenties extra toeneemt.

            Hoe een over coax aangebrachte ferriet kern werkt.
De afscherming van een coax kabel wordt, door het skin effect, verdeeld in twee gescheiden geleidende lagen (skins) :
a. een skin aan de binnen omtrek van de afscherming,
b. een tweede skin aan de buiten omtrek van de afscherming.

In welke mate beide lagen van elkaar gescheiden zijn, hangt van de kwaliteit (geslotenheid) van de afscherming af. Met een slechte kwaliteit afscherming kunnen common mode stromen aan de buitenzijde van de coax afscherming, nog steeds spanningen aan de binnenzijde van de coax induceren

Als gevolg van het skin effect, "ziet" de binnenzijde van de coax (het differentiaal mode circuit) de smoorspoel aan de buitenzijde van de coax niet. Alleen common mode stromen aan de buitenzijde van de coax afscherming zullen worden beïnvloed. 

Ter plekke van de common mode smoorspoel wordt zijn impedantie (> 5 kOhm) als het ware in serie met uitwendige coax-"skin" geschakeld. 

Door een goede common mode smoorspoel wordt de common mode stroom ter plekke over een breed frequentie gebied sterk gereduceerd.

            Maximaal vermogen.
In goed aangepaste, en goed gebalanceerde antenne systemen, wordt in goede common mode smoorspoelen weinig energie in warmte omgezet. Zolang de common mode spanning over de smoorspoel, en de common mode stroom gering zijn, blijft de spoel tot 800W heel. 

Voor nog grotere vermogens kunnen, om de verliezen (warmte ontwikkeling) per smoorspoel te beperken, twee of drie smoorspoelen in serie worden toegepast. Met verschillend aantal windingen per smoorspoel, kunnen de spoel resonanties ten opzichte van elkaar worden verschoven, en het geheel nog breed bandiger gemaakt.

Antenne systemen met sterke onbalans (FD3, FD4, end-fed) zijn berucht voor over verhitte, defect rakende common mode smoorspoelen.

            Het effect van een groter aantal windingen (de kracht van N2) :
Volgens Fiar-Rite metingen aan een grote (#31) klap kern 2631181381 :
Als in plaats van twee windingen, drie windingen door het gat gaan, daalt de resonantie frequentie met een factor 2 , en stijgt de impedantie met een factor 1,8.

Één Ferroxcube T36/23/15-3S4 kern heeft een Al waarde van ca. 2,3 uH. De impedantie van één kern bedraagt op 3,7 MHz dus ca. 50 Ohm.

Één T36/23/15-3S4 kern, met 10 windingen RG300 (RG58) door het gat, zal op 3,7 MHz een impedantie van (50 x 102) of minstens 5 kOhm vertonen. 
Vijf  T36/23/15-3S4 kernen gestapeld, met 5 windingen Aircell7 door het gat, zal op 3,7 MHz een impedantie van (5x50 x 52) of minstens 6 kOhm vertonen.

Als een dergelijke smoorspoel, door een gunstig aantal windingen, een resonantie in de buurt van 3,5 MHz vertoont, zullen deze waardes voor 1,8 MHz tot 7 MHz nog gunstiger (hoger) uitvallen.

Een enkele ferriet kern met een groot gat, en het maximaal aantal windingen, is als common mode smoorspoel het effectiefst en het goedkoopst.

            Wikkel tips :
-  Het wikkelen van een tweede laag om het aantal windingen te vergroten is toegestaan. 
-  Vermijd capacitieve koppeling tussen in- en uitgaande bedrading van de smoorspoel.
-  In het gat van de kern mogen de in- en uitgaande kabeldelen elkaar daarom niet raken.
-  Twisten van aders is NIET toegestaan, dit neutraliseert windingen => lagere Lo..
-  Vermijd "terugwikkelen"in de verkeerde richting, dit neutraliseert windingen => lagere Lo..
    Wikkel dus elke winding in dezelfde richting.
-  Gebruik bij toepassing in de buitenlucht (druip water  dichte) N-connectoren.

Hieronder enkele wikkel voorbeelden met 29x19x13 Fair-Rite kernen.


29mm kernen met RG58 en RG314 bewikkeld.
Om de paracitaire koppel capaciteit te minimaliseren,
raken de in- en uitgaande kabel delen
elkaar in het gat van de kern niet.


29mm kern met
netsnoer 7x door het gat.

Merk op, dat na de helft van het
totale aantal windingen, de draad
kruislings door het gat oversteekt.

In- en uitgang raken elkaar niet,
en de flux van beide spoel
helften hebben de zelfde richting
(rechter hand regel).