<<

De geheimen onthuld van Common Mode Chokes (CMC's).
pa0nhc 20200314
"Mantelstromen smoorspoelen".
Dit is een Nederlandse samenvatting van gegevens van en onderzoekingen door K9YC en PA0NHC.
Lees
K9YC artikelen voor nog meer en nog gedetailleerder informatie.

Goede Common Mode Chokes zijn onontbeerlijk in de volgende projecten :

>> Cobra. De pa0nhc eind gevoede, toch symmetrische dipool antenne.
De ideale vervanger van een long wire of "End-fed". 
>> Het zeer storing-ongevoelige pa0nhc breedband puur H-velden raam ontvang antenne.
Met de juiste constructie, geen last van coax kabel gerelateerde storingen !
>> Miniwhip. Pa0nhc versie van deze actieve breedband E-velden ontvang antenne.

 

Nieuw
>>

De invloed van veranderende temperaturen op Common Mode Chokes.
pa0nhc 20200601.

 


Enkele test-CMCs met RG58 en RG316 coax op 29mm mix #31 kernen.


11 Euro / kern.


Grote CMC voor de MG.
Zeven 61mm kernen + één grote "Snap It".

De belangrijkste CMC info in het kort :

Een CMC (Common Mode Choke) met dominant resistieve verliezen zal altijd common mode stromen verzwakken,
onafhankeleijk van een eventueel capacitieve of inductieve antenne systeem common mode impedantie.
Een dergelijke CMC heeft een grote effectieve bandbreedte.

Minstens één CMC moet geïnstalleerd worden bij het voedingpunt van de antenne (dipool).

 

K9YC beveelt het gebruik van Fair-Rite mix #31 kernen aan.
19mm gat artikel Nr 04 31 17 64 51 "Snap It" kernen zijn het makkelijkst over bestaande kabels aan te brengen,
en maken meer windingen door het gat, en effectievere CMCs mogelijk. 

Koop goedkoop :
Bestel voor totaal meer dan 50 Euro bij bv. mouser.com.
U krijgt dan korting, gratis verzenden, en geen douane kosten.

10 grote 61mm kernen kunnen dan ongeveer evenveel kosten als 5 stuks.

 

Al een (coax) transmissie lijn "N" maal door het gat van een ferriet  kern gaat,
worden de ferriet eigenschappen met de factor "N" x "N"  of  "N2" vergroot.

  

Met als resultaat :
N2  grotere verlies weerstand,
N2  grotere beperking van common mode stoor stroom.
N2 N2 vermindering van warmte ontwikkeling in ferriet kernen.
EN
de CMC resonantie frequentie verschuift omlaag.

Meer windingen => veel minder common mode stroom => zeer veel minder opwarming van de CMC.

Tevens :
Één ferriet kern met 10 windingen coax erdoor is effectiever EN goedkoper dan
100 passende kleine kernen over de coax kabel.


In detail.

CMCs in ontvang antenne systemen.

In ontvang systemen worden ook CMCs en transformatoren toegepast om stoor stromen te verzwakken. Met kleine goedkope 13x13mm #31 kernen (26 31 48 00 02) kunnen effectieve CMCs vervaardigd worden. Als wikkel draad is 0,25mm soldeerbaar lakdraad of een "twisted pair" uit een UTP kabel geschikt.

Omdat #31 mix ferriet geleidend is, en beschadiging van de draad isolatie een onbruikbare spoel oplevert, moeten deze kleine kernen vooraf door twee lagen blanke nagellak geïsoleerd worden. 

Een éénmaal in de schakeling gemonteerde defecte spoel is later lastig te diagnosticeren. 

Zie ook : http://k9yc.com/RXChokesTransformers.pdf   en  pa0nhc Active RXloop antenna 

CMCs in zend antenne systemen.


Coax choke.

K9YC  beschrijft in http://k9yc.com/630MTXChokes.pdf waarom in zend antenne systemne CMCs toegepast moeten worden. 
K9YC adviseert minstens 5 kOhm resistieve CMC impedance.
Voor KG gebruik (2-30 MHz) is alleen ferriet mix #31 geschikt.

Omdat in zend antenne systemen de meest gebruikte coax diktes 5 tot 11mm zijn, en voor CMCs vaak 7 of meer windingen nodig zijn, worden hier grote ferriet kernen met een groot gat gebruikt.
            Bij voorbeeld :
  29mm kern met 19mm gat 26 31 80 12 02
  50mm kern met 25mm gat 26 31 62 62 02
 61mm  kern met 35mm gat 26 31 80 38 02
101mm kern met 76mm gat 26 31 81 40 02

Er moet over de coax transmissielijn, direct bij het voedingpunt van de antenne, minstens één CMC worden aangebracht.

Problemen door 1/2 lambda lange voeding lijnen.

Transmissie lijnen die 1/2 lambda lang zijn (of een veelvoud daarvan : 1, 1.5, 2, 2.5 lambda etc.) zullen door lengte resonantie, tijdens zenden, sterke common mode stromen in het midden van de lijn, en hoge common mode spanningenaan aan de einden van de lijn veroorzaken.

Tijdens ontvangst veroorzaken deze 1/2 lambda resonanties versterkte stoorstromen op alle 1/2 lambda resonantie frequenties. Die worden dan merkbaar als sterkere storingen op die frequenties. Met bv. 20m lange voeding lijn op 40m, 20m, 13m  en 10m. Zie ook : pa0nhc Active RXloop antenna 

Er zijn twee mogelijkheden om hinder door die feeder resonanties te vermijden :
1. Wijzig de lengte van de voeding lijn.
2. Installeer CMCs op de voedinglijn. Begin bij de antenne, dan de antenne tuner of zender uitgang, en installeer daartussen elke 1/4 lambda of korter een CMC.

Het dempen van common mode resonanties is in de praktijk onmogelijk. In  breedband actieve ontvang antenne systemen (zoals mijn pa0nhc Active RXloop antenna ) moeten daarom ALLE coax lijn resonanties OMHOOG VERSCHOVEN worden naar een gebied BOVEN de bandbreedte van het antenne systeem (>30 MHz). Installeer dan eerst CMCs direct onder de antenne, en direct naast de combiner. Installeer daarna meer CMCs daartussen met maximale onderlinge afstanden van 3m.

Antenne onbalans.

            Antenne onbalans veroorzaakt :
-  Sterke common mode (stoor)  stromen.
-  Hoge common mode spanningen.
-  Temperatuur stijging in CMCs.
-  Straling van HF in huizen.
-  HF terug werking in microfoons.
-  Versterkte ontvangst van storingen.
-  Vervorming van het antenne straling diagram.

Antennes die bekend staan om over-verhitte en defecte CMC;s zijn : FD3, FD4, end-fed, inverted V.  

Onbalans kan ook veroorzaakt worden door capacitieve invloeden van objecten in de buurt van één antenne helft : andere antennes, masten, bomen, huizen, daken, dak goten etc.

In een goed gebalanceerd en goed aangepast antenne systeem blijven de kernen van CMCs koud.
Alleen in het gat van de kern kan het koper van de transmisie lijn een temperatuur stijging vertonen.

Het maximaal te verdragen vermogen.

Zolang common mode spanningen over, en stromen in de CMCs klein zijn, is In een goed gebalanceerde en goed aangepast antenne systeem een smoorspoel impedantie van 5 kOhm voldoende.
Één coax choke is goed voor 100W.
 

Een door de buitenlucht gekoelde twee draad CMC kan tot 800W aan !      ===>>

Voor groter vermogen twee CMCs in serie schakelen.

        Door twee CMCs in serie  te schakelen zal :
-  De totale smoorspoel impedantie 2x zo groot worden.
-  De common mode stroom 2x zo klein worden.
-  De (in twee CMCs ontwikkelde) warmte 4x zo klein worden   (P = I x I x Z = 1/2 x 1/2 x Z = 1/4 x Z).
-  Deze warmte over twee CMCs worden verdeeld.
-  Elke individuele CMC dan 8x minder warmte ontwikkelen.
-  Het toelaatbare vermogen stijgen tot 8x zo groot.
-  De -3dB bandbreedte 2x zo groot worden.
-  De antenne voor meer frequentiebanden bruikbaar zijn.

Chokes wikkelen.

        Voor het wikkelen van bi-filaire CMCs geldt :
Gebruik twee kleuren PTFE geïsoleerd soepel draad.
Twisten van de draden is niet toegestaan. 
Beide draden moeten parallel een elkaar gewikkeld worden.
Houd evt. de draden parallel door een paar stukjes krimpkous erover.

        Voor bi-filaire en coax CMCs geldt :
Wikkel in één richting, wikkel niet terug.
Elke winding moet naast een voorgaande liggen. 
Geen enkele winding mag over of onder een andere door gaan.

        REM : 
Bij een vol gewikkelde wikkeling liggen de wikkeling einden naast elkaar. 
Als de kern vol gewikkeld is, mag eventueel in dezelfde richting over het begin van de wikkeling verder gewikkeld worden.
De wikkeling einden kunnen dan, indien gewenst, tegenover elkaar komen te liggen.
Dit vergroot ook het aantal windingen, de spoel impedantie, en verlaagt de CMC resonantie frequentie. METEN of dit gunstig is !

De achter liggende theorie.

            SKIN effecten.
De geleidende afscherming van coaxiale kabels wordt voor HF verdeeld in twee van elkaar gescheiden lagen :
Skin1 : het common mode circuit. Hier lopen ONgebalanceerde HF stoor stromen die uit de omgeving worden opgepikt.
Skin2 : het differentiaal mode circuit. Hier vindt het gebalanceerde energie transport van zender naar antenne plaats.

Deze "Skin layers" zijn voor HF van elkaar geïsoleerd, omdat HF stromen een zeer kleine "indring diepte" hebben (enkele duizendste van een millimeter). Dit wordt het "Skin effect" genoemd. 

Een ferriet kern over de coax heeft alleen invloed op de buitenste skin (het common mode circuit).

Het differntiaal mode circuit "ziet" de ferriet kern aan de buitenzijde van de coax NIET.

Common mode stroom is slecht.

        Common mode stroom veroorzaakt :
-  Stralende voeding lijnen.
-  Vervormd antenne straling diagram.
-  Versterkte ontvangst van storingen uit de directe omgeving.
-  HF op de kast van tuner, zender en voeding.
"Terugwerking".
-  HF in huis (TV, radio, koelkast etc.).
-  HF op het lichtnet.
-  HF ellende bij de buren.

Hoe een CMC werkt.

De impedantie van een CMC bestaat uit een serie schakeling van : 
        Verlies weerstand "Rs" + (inductie of capaciteit met fase relatie) "jXs".

Deze worden als een serie schakeling in het common mode circuit (de buitenste skin) tussengevoegd.

Stel dit u zo voor, dat de CMC daar het common mode circuit "onderbreekt", en de grote verlies weerstand "Rs" van de CMC tussenvoegt.

Een goede CMC voegt een grote verlies weerstand in het common mode circuit toe.
Hierdoor wordt de common mode stroom sterk verzwakt.

Hoe groter de verlies weerstand "Rs" in een CMC,
hoe kleiner de common mode stromen.
Altijd.

Waarom niet elke ferriet mix goed werkt in een CMC.

In elk willekeurig punt van een totaal antenne systeem kan op elke frequentie de common mode (systeem) impedantie of inductief, of capacitief zijn.

Als de common mode systeem impedantie inductief is, zal een inductieve CMC de common mode stroom verzwakken.
Als de common mode systeem impedantie capacitief is, zal een inductieve CMC de common mode stroom NIET verzwakken.
Er kan zelfs common mode stroom versterkende SERIE resonatie tussen kabel-C en CMC-L optreden.

Als een CMC dominant RESISTIEF is, zal zijn verlies weerstand "Rs" de common mode stroom ALTIJD verzwakken.

Alleen ferriet materialen die in het gebruikte frequentie gebied GROTE VERLIEZEN vertonen,
zijn geschikt voor CMCs.
Zie tabel.

De Q van goede CMCs is zeer laag :
Q = 0.5 tot 1.

Goede CMCs vertonen dus een grote band breedte.

Er moeten ferriet materialen gebruikt worden
met dominante resistieve verliezen
over een grote band breedte
.