<<

Smoorspoelen en isolatie transformatoren voor ontvang antennes.
Jim Brown, K9YC
(vertaald en bewerkt door p0nhc 20181120 / 20210122)
Met gegevens van K9YC.
(Copyright) The use, 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.

Dit is een uittreksel. Het volledige artikel, met daarin ook : 
-  Equivalente serie- en paralel cicuits,
-  Het common mode circuit begrijpen,
-  Appendix met twee S11 metingen (grafieken),
-  De originele Engelse tekst met grafieken van gemeten impedanties van twee representatieve smoorspoelen vind u op :   
   http://k9yc.com/RXChokesTransformers.pdf    

        Waarom smoorspoelen en isolatie transformatoren in ontvang antenne circuits.
-  Een coax voedinglijn moet bij de zender worden geaard voor bliksem beveiliging, waardoor de coax afscherming gaat fungeren als een met aarde verbonden "long wire" antenne. Het is een ontvang antenne voor omgeving ruis, en kan zelfs een parasitair element voor een andere antenne in de buurt worden.

Als de voedinglijn een 2-draads open lijn is, verschijnt de stoorstroom als een verschil stroom tussen de twee geleiders. Dit noemen we een "Common mode stroom". Bij afwezigheid een Common Mode stroom, lopen er alleen twee stromen van gelijke sterkte, in tegengestelde richting. Deze noemen we de "Differentiaal-mode stroom". 

In het inwendige van een coax kabel is de "Differentiaal-mode stroom" de signaal voerende stroom, die van antenna naar ontvanger, of van zender naar antenne loopt. De "Common mode" stoorstroom loopt dan aan de buitenzijde van de afscherming. 

Een "Common mode stroom" kan de volgende koppelingen tot stand brengen :
-  Tussen twee circuits aan het begin en het einde van de coax
-  Direct vanaf de buitenzijde van de coax naar de binnenzijde van de coax, door een mechanisme, vaak gespecificeerd als de "Transfer impedance" van de kabel. 

De "transfer impedance" is de verhouding tussen : 
-  de in de kabel intern ge´nduceerde differentiaal spanning (Ed),
(als gevolg van de common mode stroom) 
           en de
-  "Common mode stroom" (Ic) op de buitenzijde van de afscherming.
De eenheid is "Ohm", (Z=Ed/Ic). Hoe lagere waarde hoe beter. 
De weerstand waarde van de afscherming, op de frequentie waarin we ge´nteresseerd zijn, vormt de ondergrens.

Iedere aan de buitenzijde van de afscherming lopende (stoor) stroom zal, naar de binnenzijde van een coax, een gelijkaardig (stoor) signaal tussen de afscherming en centrale geleider koppelen. Als die stroom "storing" is, zal het de signaal/ruis verhouding nadelig be´nvloeden, en kan het richt diagram van de antenne worden be´nvloed.

Voor ontvangst wordt vaak CATV coax gebruikt. Het is goedkoop, de buiten isolatie repareert zichzelf bij beschadiging, en insecten eten er niet graag van.

De constructie van de afscherming ervan is echter slecht voor de lagere amateur banden. De afscherming en zijn omvlechting bestaan uit aluminium, waardoor de afscherming een grotere weerstand heeft, en de coax gevoeliger is voor koppeling via zijn "transfer impedance". 

Het belangrijke argument is hier, dat "Common mode stromen" op transmissielijnen een slechte zaak zijn, en vermeden moeten worden. 
Hier zijn twee voor ons bruikbare maatregelen tegen :
1. Common mode smoorspoelen
2. Capaiteit-arme transformatoren. 

Deze smoorspoelen en transformatoren moeten in een niet-geleidende (druipwater dichte) behuizing ondergebracht worden.

Een metalen behuizing laat common mode stromen door, want die verbindt de massa delen van de coax connectoren met elkaar door.

            Smoorspoelen.

Tabel 1.    Common mode smoorspoel impedantie [kOhm] @ frequentie band

Aantal
windingen

Kern aantal en type nummer 630m 180m 80m 40m 30m 20m
18 1x 5975001401 3 7.7 5.2 3 4.5 6
16 2x
5975001401
3.8 8,2 5,5      
17 2x
5975001401
5 11 6.3 2.9    
18 2x
5975001401
5.8 11.5 6.2 2.5    
19 2x
5975001401
6.5 12.5 5.9 1.7    
20 2x
5975001401
7.2 12.5 5 1.7    
21 2x
5975001401
7.8 13 5.8 2    
16 1x
2675821502
4.5 6 4.1 2.5    
18 1x
2675821502
5.8 7.2 4.6 2.6    
20 1x
2675821502
7.5 8 4.7 2.2    
22 1x
2675821502
9.7 8 4,2 1.6    
26 1x
2675821502
15.6 8 3.6 1.1    
15 1x
5943001601
  0.55 1.5 3.3 4.5 6
27 1x
5943001601
  2.2 9 19 8.5 1.5

Effectieve common mode smoorspoelen bestaan uit een (groot) aantal windingen door een verliesgevende ferriet ring kern, zodat een RLC circuit met lage Q (0,5 tot 1) gevormd wordt, met een breedbandige resonantie in de buurt van de werk frequentie.
In een breed gebied rond deze resonantie frequentie fungeert de smoorspoel dan als een grote serie weerstand voor common mode stromen,
en vormt er een effectieve blokkade voor. [pa0nhc : er wordt dan door de kern zelf nagenoeg geen energie geabsorbeerd].

            Dit is te bereiken door :
-  kern materiaal te kiezen met grote verliezen voor het gewenste frequentie gebied
-  met de juiste afmetingen
-  en het aantal windingen zodanig te kiezen, dat de resonantie in het midden van het gewenste frequentie gebied optreedt .

Het differentiaal circuit (aan de binnenzijde van de coax) ziet alleen de extra lengte coax, die nodig is voor het wikkelen van de spoel. 
Het differentiaal circuit ziet de door de choke aan de buitenzijde van de coax afscherming ge´nduceerde "weerstand" niet.

- De gebruikte kerntjes hebben 25.4 mm buiten diameter, en zijn ca. 8mm dik.
-  De smoorspoelen werden gewikkeld met ÚÚn getwist aderpaar, verkregen uit goede kwaliteit CAT6 kabel.
-  Een getwist paar aders uit CAT5/6 kabel heeft een impedantie van 100 ohm. Bij gebruik van 75 ohm coax zijn de verliezen, door de korte draad lengte op een smoorspoel, onmeetbaar gering.
-  De weerstand waardes van aanbevolen smoorspoelen zijn vet gedrukt.
Rood gedrukt zijn optimale smoorspoelen.
-  Meerdere smoorspoelen in serie kunnen de totale weerstand, of de bandbreedte vergroten.
-  Omdat smoorspoelen elektrisch gezien zeer kort zijn, zijn hun verliezen onmeetbaar klein (< 0.01 dB). 

Een smoorspoel met 18 tot 21 windingen op twee #75A kernen, 
in serie
met een smoorspoel van 27 windingen op een #43 kern, 
geeft een excellent smoorpoel duo voor 480 kHz tot 10 MHz.


 

            Transformatoren.
 
    Indien zorgvuldig gewikkeld, met minimale capaciteit tussen windingen,  zijn de eigenschappen :
een goede transformator voegt slechts een zeer kleine koppel capaciteit (= zeer hoge impedantie) toe in serie met het common mode circuit.
-  de transformator geeft dan een andere manier om common mode signalen te blokkeren. 

            Bifilair wikkelen ?
Vermogen transformatoren (in zender circuits) zijn vaak bifilair gewikkeld. Met twee draden zo dicht mogelijk bij elkaar, om de koppeling zo sterk mogelijk, en de verliezen zo klein mogelijk te maken. Te veel koppel capaciteit tussen primaire en secundaire wikkeling veroorzaakt echter een pad voor common mode stromen. Dit is een reden dat bifilair gewikkelde windingen in transformatoren voor ontvangst moeten vermeden worden.

Als een andere wikkel verhouding dan 1 : 1 wordt gebruikt, zal de wikkeling met de meeste windingen op de laagste frequentie resoneren. 

Tabel2. Transformator verliezen in dB.
Kern diameter ca. 25mm, dikte ca. 8mm.

Fiar-rite
Mix (partNr)
turns 0.5 MHz 2MHz 4MHz 7MHz 10MHz 14MHz
#61 2.5   2.04 1.9 2.5 3.25  
#61 3.5   1.4 1.8 3.1 4.5  
#61 4.5   1.6 2.9 5.4 7.4  
#61 5.5   1.0 3.9 7.2 10  
#61 6.5   2.2 4.7 8.5 10.8  
#75
5975001401
3 1.2 1.25 1.6 2 2.6 3.5
#75
5975001401
4 0.7 0.8 1.25 2.1 3.1 4.4
#75
5975001401
5 0.4 0.6 1.1 2.2 3.4 5.1
#43
5943001601
3 2.1 1.5 1.7 1.9 2.4 3.2
#43
5943001601
4 1.15 1.1 1.6 2.5 3.7 5.2
#43
5943001601
5 0.75 1 2 3.7 5.4 7.5

De eigen resonantie frequentie van deze wikkeling moet dan boven het gebruikte frequentie gebied liggen.

Voor transformatoren wordt 18-20 AWG, ge´soleerd stijf koper draad aanbevolen. Dit wikkelt het makkelijkst.

            Waar plaatsen ?
Er moet altijd een smoorspoel of een transformator bij de antenne worden gemonteerd. 
╔Ún of meer extra smoorspoelen op diverse plaatsen langs de transmissielijn, moeten de transmissielijn voor common mode stromen in niet-resonante delen verdelen. Dit is vergelijkbaar met ei-isolatoren in metalen tui draden. 

            Smoorpoel of transformator ?
De verliezen in de smoorspoelen van tabel1 zijn te gering om te kunnen meten.
Smoorspoelen laten gelijkspanning door. Transformatoren niet.
Smoorspoelen bestrijken in het algemeen ÚÚn of twee frequentie banden.
Meerdere smoorspoelen met verschillend aantal windingen in serie bestrijken meerdere frequentie banden.
Een goede transformator kan vaak het hele frequentiegebied van ontvang antennes bestrijken, maar vertoont meer verliezen dan smoorspoelen.

            Waar beide goed werken :
-  High outputantennes (Baveridge, grote ramen).

        Wanneer geen transformator gebruiken.
-  Low output antennes (kleine loops)
-  Als de coax ook DC voeding spanning voor relais of voorversterker vervoerd.

            Verliezen in transformatoren.
Tabel2 toont verliezen in diverse ontvang antenne transformatoren.
Kies hieruit de ringkern en aantal windingen voor uw toepassing.

            Materialen bestellen.
K9YC ondervond dat ARROW electronics de beste prijzen had voor kleine hoeveelheden 

Fair-Rite onderdelen. Verzenden is gratis voor orders boven $20. Deze kleinere ferriet ringen zijn goedkoop, $1 tot $1.25. Bestel voldoende aantallen om de $20 te halen voor gratis verzending.

            Nederlandse leveranciers :
Ik heb als particuliere klant goede ervaringen met MOUSER (Eindhoven) en SINUSS (Emmen).
Gratis verzending boven 50 Euro en aanzienlijke kortingen bij grotere aantallen. 

Zakelijke klanten kunnen in Nederland ook terecht bij MOUSER en FARNELL.