<<

Ontwerp overwegingen voor het aanpas circuit.
pa0nhc update 20181123
.

(C) The use, publication, copy and modification of all info on this site is only permitted for non-commercial purposes, and thereby explicitly mentioning my radio amateur call sign "PA0NHC", as the original writer / designer / photographer /publisher. (C)

De voedingpunt impedantie in het stroom maximum van ramen met omtrekken van 1/4 en 1/8 lambda.

In een raam met 1/4 lambda omtrek heeft G0CWT in het stroommaximum een voeding punt impedantie gemeten van 5,5 Ohm.
Voor 7,1 MHz moet een aanpas transformator voor een 10m omtrek raam daarom een impedantie verhouding krijgen van 50 ohm :  5,5 ohm.
De gewenste windingen verhouding wordt dan (Pri : Sec) = V(50 : 5,5)  = 3 : 1.

In een raam met 1/8 lambda omtrek heeft G0CWT in het stroommaximum een ca. 9 maal lagere voeding punt impedantie gemeten (ca. 0,61 ohm).
Voor 3,65 MHz moet een aanpas transformator voor een 10m omtrek raam dus een impedantie verhouding krijgen van 50 ohm :  0,61 ohm.
De gewenste windingen  verhouding wordt dan (Pri : Sec) = V(50 : 0,59)  = 9 : 1

        Welk type transformator ?
De transformator :
-  moet van het type UNbalanced   to   BALanced  zijn
-  moet twee uitgangen hebben
-  met de transformatie verhoudingen 3 :1 en 9 :1 

Als transmissielijn transformatoren gebruikt worden, zijn er drie ferriet kernen nodig :
-  twee voor de transformatoren  plus
-  een voor de balun in de uitgang.

Als een conventionele transformator gebruikt wordt, is slechts ťťn ferriet kern nodig.

           De ringkern.
Een 61mm diameter ringkern met materiaal mix #61 is voor ons doel optimaal : Fair-Rite  5961003801 
Arrow.com is het goedkoopste en levert vanuit Nederland. 
=> Een Amidon FT240-61 is equivalent, maar kost beduidend meer <=.

REM : hetzelfde geldt voor de common mode choke L1 : Fair-Rite 2631801202.
Dit is een 29mm kern met de voor storing onderdrukking optimale materiaal mix #31.
Hier is eventueel een equivalente Ferroxcube kern met materiaal soort 3S4 (evt. 4s2) bruikbaar voor.

De Al waarde van de 61mm kern is 0,17 uH, en dit mix #61 kern materiaal is van 0,2 MHz tot 15 MHz geschikt voor resonantie toepassingen en transformatie toepassingen. De kern verliezen zijn gering, de curie temperatuur is hoog en de temperatuur coŽfficiŽnt klein. Waardoor bij lage buitentemperaturen en hoge bedrijfstemperaturen de zelfinductie weinig verandert. De maximale flux is 25mT (10 Gauss), waardoor maximaal 300W vermogen mag worden toegevoerd.

            Spreiding zelfinductie.
De spreiding zelfinductie van de transformator, en
de zelfinductie van de aansluit draden, verhinderen een optimale aanpassing van een correct afgestemd raam. De spreiding zelfinductie ontstaat doordat de transformator wikkelingen onderling niet optimaal gekoppeld zijn. Er lijkt dan een spreiding zelfinductie in serie te staan met ťťn van de wikkelingen. De zelfinductie van de aansluitdraden komt daarmee nog eens in serie. De transformator moet daarom zorgvuldig worden geconstrueerd, en de lengte van de aansluitdraden zo kort mogelijk worden gehouden.

Deze spreidingszelfinductie in de transformator is minimaal als :
-  het aantal windingen minimaal is.
-  alle windingen zo dicht mogelijk tegen het kern oppervlak gewikkeld zijn. 
alle windingen zo veel mogelijk over de hele kern omtrek gelijkmatig verdeeld zijn.

De van mijn  transformator bepaalde waardes van spreiding zelfinducties (fig.3) :
80m (1 winding)     = 117 nH. 
40m (3 windingen) = 358 nH. 

De seriŽle schijn weerstand van de spreidingszelfinductie en de aansluit draden kan tot nul worden gereduceerd, door de uitgangen mbv. condensatoren op het band midden in serie resonantie te brengen.

Dit resulteert uiteindelijk in :
-  grote aanpas bandbreedte van het raam
-  exact overeenkomende frequenties voor min. VSWR en max. magnetische veldsterkte
-  max. straling rendement
-  geen invloed van de coax kabel lengte op het afstem gedrag van het raam.


        De keuze van het aantal primaire en secundaire windingen.

Volgens Amidon.de zijn de door mij gebruikte wikkel aantallen voor het hier gebruikte frequentie gebied optimaal. 

Er is bewust gekozen voor een secundaire wikkeling met aftakking voor 80m.
-  Als de serie resonantie c
ondenstoren in serie met de primaire wikkeling aangebracht worden, resulteert dit in een kleinere nuttige band breedte.
-  Bovendien zou er dan op de primaire wikkeling een 40m aftakking aangebracht moeten worden, met voldoende reactantie.
Dat zou dan leiden tot een groter totaal aantal primaire windingen, en hoge HF spanningen op de (op 40m ongebruikte) 80m aansluiting en het band omschakel relais. Met kans op vonk overslag en schade.

1.  Ivm. de spreidingszelfinductie wordt het aantal windingen minimaal gehouden.
2.  Het kleinst mogelijke aantal windingen is 1.
3.  De voedingpunt impedantie van het raam is op 80m het laagst (0,61 Ohm).
4.  Het secundaire 80m wikkelingdeel bestaat daarom uit 1 winding.
5.  De voedingpunt impedantie van het raam is op 40m 9x zo hoog (5,5 Ohm).
6.  Voor 40m zijn dus secundair 3 windingen nodig.
7.  De secundaire wikkeling krijgt dus 3 windingen met een aftakking na 1.
8.  De wikkel verhouding Pri. : Sec. voor 40m is 3:1.
8.  Hieruit volgen primair 9 windingen.

Ook volgens "amidon.de" leveren deze winding aantallen voldoende zelfinductie en reactantie op.

        Voordelen van een aftakking op de secundaire wikkeling :
-  …ťn primaire wikkeling.
-  Met minimaal aantal windingen.
-  Minimale spreiding zelfinductie.
-  Geen kans op storende 7MHz parallel resonantie in de primaire wikkeling.
-  Geen kans op vonk overslag bij 100W op 7MHz, 220Veff HF op de open 80m aansluiting.
-  De (lengte van de) 50 ohm voeding lijn heeft geen invloed op het afstem gedrag van het raam.

            Controle berekening van wikkeling reactantie "Xl" :
De Xl van elke wikkeling moet minstens 4x hoger zijn dan de erop aangesloten belasting.
L = n2 x 0.17 uH. 
Xl = 2 x 3,14 x f x l .

       3.5MHz:

Primair 9 windingen. L = 13,8 uH.  
Xl = 304 Ohm +- 25%..
Xl : Zload = 304 / 50 = 6,1.

Secundair 1 winding. L = 0,17 uH +- 25%.  
Xl = 3,7 Ohm  +-25%.
Xl : Zload = 3,7 / 0,59 = 6,3

        7MHz :
Primair 9 windingen : L = 13,8 uH. 
Xl = 607 Ohm  +- 25%.
Xl : Zload = 607 / 50 = 12,1.

Secundair  3 windingen. L = 1,53 uH  +- 25%. 
Xl = 67,3 Ohm   +- 25%.
Xl : Zload = 67,3 / 5,5 = 12,2.

Als gevolg van onderdelen toleranties van de ferriet ringkern (+-25%), en de wikkel methode (strak of iets losser, dikke of dunnere draden), kunnen de daadwerkelijke eigenschappen van verschillende ringkern transformatoren onderling enigszins verschillen.

            De benodigde condensatoren.
Er lopen in het antenne voedingpunt flinke HF stromen : 12,8 A @ 3.65MHz en 4,26A @ 7,1 MHz.

=>> Verkeerd gekozen condensator types zullen te warm worden, en kunnen daardoor defecten of instabiele eigenschappen veroorzaken.

De HF spanningen over de condensatoren worden dan : I x Xc.            
3.5 MHz :   C80 = 4680 pF. X
C80 = -  9,7 Ohm. IC80 = 12,8 Aeff. UC80 = 12,8 x   9,7 = 124Veff. 
7.0 MHz :  
C40 =   806 pF. XC40 = -28,2 Ohm. IC40 = 4,26 Aeff. UC40 = 4,26 x 28,2 = 120Veff

    Geschikte condensator types zijn : Mica 500V.  
Eventueel kunnen ook condensatoren voor hoge spanningen en met grotere afmetingen gebruikt worden :FKP2, MKP, NP0, Styroflex. 
Controleer dan met 110W gedurende 10 min. de body temperaturen en het capacitieve waarde verloop.

Door meerdere condensatoren parallel te schakelen is :
     -  de resonantie frequentie nauwkeuriger in te stellen.
     -  de benodigde waarde per condensator het kleinst.
     -  de HF-stroom per condensator het geringst.
     -  de opwarming per condensator het geringst.
 

Mica condensatoren 500V zijn uitermate geschikt, omdat ze door relatief grote HF stromen weinig opwarmen, en daardoor weinig resonantie verloop veroorzaken. De door mij gebruikte mica condensatoren hadden een licht positieve temperatuurcoŽfficiŽnt.
Van Wima folie condensatoren verdraagt het type FKP2 de hoogste wissel spanningen en wisselstromen, heeft de geringste verliezen, en warmt het minst op, en heeft een licht negatieve temperatuur coŽfficiŽnt.

            Lek weerstanden.
Door vanaf beide voedingpunt aansluitingen een (10k) lekweerstand met de afscherm zijde aan de uitgang van mantelstromen smoorspoel L1 te verbinden, worden eventuele storingen die op de coax afscherming aanwezig zijn, in fase en even sterk aan beide zijdes van het raam toegevoerd.

Zelfs al zou er zich storing op de afscherming bevinden, dan loopt er geen stoorstroom in de transformator wikkeling. Storingen worden dan niet hoorbaar.

Omgekeerd wordt vanaf het raam tijdens zenden verzwakt HF in balans op de massa aansluiting geÔnjecteerd, resulterende in geen spanning, en bovendien door L1 gesperd wordt. 

De voedingpunt impedantie is 5.5 Ohm op 7,1 MHz, en 0.61 Ohm op 3,65 MHz.
Met 100W toegevoerd vermogen bevat iedere voedingpunt aansluiting in tegen fase :
  7,1 MHz 24 V / 2 = 12 Veff.
3,65 MHz   8 V / 2 =   4 Veff.
Beide 10 k draadgewonden lek weerstanden dissiperen dan ieder max. (122 / 10.000) = 15mW.Verwaarloosbaar.