<<

Smoorspoelen voor (zend) antenne circuits.
Maak zelf de beste en de goedkoopste.
pa0nhc 20210124

Including two #31 core tables.

Onvindbare paginas of afbeeldingen ? => Begin op WWW.PA0NHC.NL en druk op elke pagina eerst op F5 om de nieuwste pagina versie van de server op te vragen.

Dit is mijn uit het engels vertaalde korte samenvatting van een 50 pagina's tellende presentatie door K9YC.
Afbeeldingen en data zijn meest afkomstig van K9YC en FairRite.

Er zijn goede en slechte common mode chokes te koop.                    Maar betere maak je zelf.            Gewenst : Goedkope CMCs (smoorspoelen) die iedereen maken kan.
Hier zijn ze :



Slechte (INDUCTIEVE) commerciële CMCs ($43 - $260) .
Tevens (veel) te lage impedanties.
Ze kunnen zelfs de common mode ellende juist VERERGEREN.

Zelf een betere maken :
Schuif over RG213 100 stuks FiarRite No. 2631480002.
Rs = 8,8 kOhm @ 5 MHz / 17,5 kOhm @ 25 MHz (breedband).
Dominant resistief, werkt altijd.

Gewicht : 1,22 kg (hangt aan de antenne).
Lengte : 2,54m.
Mouser prijs : 40 - 60 Euro.



Goede
eigenbouw Common Mode Chokes met verliesgevende 61mm #31 kernen  FiarRRite No. 2631803802
  Kosten 10 Euro.


#31 Clamps zijn handig.
Deze van de foto is groot en duur, want nodig zijn :
2 helften + een plastic behuizing  (40 Euro ?).


Goedkoper :
FairRite No. 0431176451  met 18mm gat.
Mouser prijs : 6 - 8 Euro/st.


Grote dikke ring met 25mm gat : FairRite No. 2631626202  
Mouser prijs :  6,50 - 8,50 Euro.

Praktische voorbeelden :
14 bifilaire windingen 1,5mm2 installatie draadpaar op een 61mm  #31 kern, bestrijkt   80 m - 10 m.
16 bifilaire windingen 1,5mm2 installatie draadpaar op een 61mm  #31 kern, bestrijkt  160 m - 30 m.

De juiste ferriet MIXen voor deze frequentie gebieden :
1.               AM omroep : MIX #77, #78
2. KG amateur banden : MIX #31
3       30 MHz tot 1GHz : MIX #43, #61, #67.

Hoe goed zijn ze ?

61mm #31 kern.

RG58CU of RG316 coax (voor 400W).
Coax in één richting parallel wikkelen en over de hele omtrek verdelen.

61mm #31 kern.
BI-FILAIRE CMC.
Installatie draad paar 1.5mm2 (voor 700W).

In één richting en parallel wikkelen. Draden niet twisten
en over de hele omtrek verdelen.
61mm $31 kernen.

Dikke RG213 of RG214 coax.voor meer vermogen.
Met de coax 6x door de kernen wordt de CMC impedantie @ 5MHz minstens
(6x28) x 62 = 6 kOhm.
Ferriet kosten ca. 30 Euro (Mouiser).

Breedbandiger door variërende wikkeling diameter.


De invloed van het aantal draad paar windingen gewikkeld op één 61mm #31 ringkern.
THHN (1,5mm2 installatiedraad) geeft beter resultaat dan lakdraad.

BI-FILAIRE CMC.
16 windingen installatie draad-paar op één grote 61mm #31 kern geeft tussen 160m en 40m minstens 7 kOhm impedantie !


Hogere impedantie door later toegevoegde klepkern.


Bifilaire choke op kleinere 29mm kernen.
Geschikt voor invoegen in gebalanceerde lijnen en coax feeders.
Ferriet kosten : 3.84 Euro.
3 gestapelde FairRite kernen 2631801202, 11 windingen 6x2,8mm speaker cord.
Draad lengte ca. 1m. Weinig invloed op VSWR in 50 Ohm coax feeders.
Goede symmetrie.

Tips:
Wind in parallel, NIET over/onder elkaar door.
Windingen NIET twisten (houd de witte streep aan één zijde)..
Gebruik 2 van deze CMCs in serie voor hogere choke impedantie op 160m en 80m.
Gebruik in plaats van drie, 5 gestapelde kernen voor hogere choke inpedantie op 160m.

Voor buiten gebruik :
Voorkom kontact corrosie door plugge te sprayen met Tectyl ML of CRC 3.36.
Bescherm connectoren tegen water (wikkelen in vulkaniserende tape).
=> Voorkom dat water coax kabels in kan trekken <=


NanoVNA meting van deze choke (3 kernen 11 windingen)..


Mogelijkheden en onmogelijkheden :

In behoorlijk gebalanceerde antennesystemen blijft de ferriet kern van dergelijke bifilaire smoorspoelen
koud bij 1.5 kW vermogen.
Alleen de draad wordt iets warm door de differentiaal mode stroom die erdoor loopt.

LET OP :
  In slecht gebalanceerde systemen (FD4 / invertedV / EndFed) kunnen deze CMCs
mogelijk slechts 100 - 300 W aan.

U wenst hoger vermogen (2 kW) of
hogere common mode impedantie (> 7 kOhm) ?

Voeg dan een tweede (identieke) smoorpoel in serie toe.
- De choke bandbreedte wordt groter (monoband draad antenne wordt meer banden antenne).
- Per CMC blijft slechts 1/8 warmte ontwikkeling over !  want :
- De totale choke impedantie wordt 2x hoger.
- De common mode stroom wordt 2x kleiner.
- De totale verliezen worden dus 4x kleiner (P = I2. R).
- Deze geringere totaal verliezen worden over beide smoorspoelen verdeeld.


Waarom common mode smoorspoelen voor zenden :

-  Een goede common mode smoorspoel (CMC) introduceert een grote weerstand in serie met het common mode stroom circuit.
-  Ze verminderen common mode stromen dus sterk,
-  Isoleren antennes ten opzichte van hun eigen transmissielijn (feeder),
-  Verminderen onderlinge beïnvloeding tussen antennes en feeders,
-  Ontkoppelen een verticale antenne van een andere antenne feeder,
-  Verminderen het ontvangen van storing,
-  Verminderen HF bij de zender.
-  Verminderen de dissipatie (warmte ontwikkeling / verliezen) in de zender, de tuner en de feeder.

De meeste commerciële 1 : 1 "baluns" zijn in feite common mode smoorspoelen.
Sommige 2:1, 3:1 en 4:1 "baluns" zijn ook common mode smoorspoelen.

Common mode smoorspoelen kunnen bestaan uit :
-  Een coax lucht spoel bij de antenne,
-  Een ketting van ferriet ringen over de coax,
BETER : Meerdere windingen transmissielijn (coax of twee draad) gewikkeld door een ferriet ring kern.

De door W9YC gemeten Guanella baluns bleken geen effective common mode smoorspoelen te zijn.


De theorie en de praktijk van Common Mode Chokes (CMC's).

                Differetiaal mode stromen.
Een transmissie lijn vervoert energie van de zender naar antenne, of van de antenne naar ontvanger.
Dit signaal bestaat uit een hoogfrequent wissel spanning tussen beide geleiders.
De signaal stroom vloeit in één geleider heen, en in de andere geleider terug.
Beide stromen zijn (als het goed is) even groot maar tegengesteld in polariteit.
Dergelijke stroom wordt differentiaal stroom genoemd.

In de boven beschreven situatie is er een hoogfrequent wissel veld tussen beide geleiders.
Op grotere afstand van de transmissielijn (verre veld), heffen de velden van beide geleiders elkaar op.

De meeste objecten op kleinere afstand van de geleiders (nabijveld), zullen iets dichter bij de ene geleider zijn, dan bij de andere. Waardoor de velden van beide geleiders elkaar niet helemaal opheffen.

            Common mode stromen :
De verschil stroom tussen de geleiders van de transmissielijn is de "common mode" stroom, waardoor de voedinglijn energie uit straalt.
-  Ze lopen in de lengte richting van de transmissie lijn,
-  Ze lopen in alle geleiders in dezelfde richting,

Omdat beide stromen in dezelfde richting lopen, heffen de velden van de diverse geleiders elkaar niet op. 
Het gevolg : de transmissie lijn wordt een stralende antenne.

            Circuit onbalans..
Een circuit is gebalanceerd, als de impedanties van alle geleiders gelijk zijn ten opzichte van een referentie niveau. 
Circuit onbalans wordt dus bepaald door ongebalanceerde impedanties, niet door spanningen of stromen.
Als de impedanties in geleiders ongelijk zijn, veroorzaakt dit in die geleiders ongebalanceerde (common mode) stromen.

            Antenne onbalans.
Als een antenne ongebalanceerd is ontstaan er  :
-  Ongelijke spanningen en stromen ten opzichte van aarde,
-  Ongelijke stromen in de transmissielijn => common mode stroom.

Radio amateur antennes zijn, door de invloeden van de omgeving, meestal niet gebalanceerd.
Zelfs als ze door een gebalanceerde bron en lijn worden gevoed.

            Oorzaken van antenne onbalans  :
-  Ongelijke antenne eindcapaciteiten ten opzichte van geleiders in de omgeving (bomen, gebouwen, masten, terrein).
-  Ongelijke lengtes of hoogtes van stralende antenne delen (Windom, End fed, Zeppelin, Inverted V).
-  De voedinglijn (feeder) verlaat het midden van de straler niet onder een hoek dan 90 graden.

De onbalans van de antenne werd NIET door de feeder veroorzaakt !

            Coax is speciaal :
Het "Skin Effect" scheidt beide oppervlakken van de coax afscherming in twee gescheiden geleidende huid lagen ("Skins") :
-  De inwendige skin van de afscherming voert de differentiaal mode stroom,
-  De uitwendige skin van de afscherming voert de common mode stroom,
   (de stroom als gevolg van eventuele systeem onbalans).

            De HF velden in en rond coax (en open lijn) zijn zeer verschillend van aard.
-  Alle differentiaal vermogen en velden zijn beperkt tot het inwendige van de coax.
-  Alle common mode vermogen en velden bevinden zich aan de buitenzijde van de coax afscherming.
-  Een over een coax geschoven ferriet ring ziet alleen het common mode veld.

             Common mode smoorspoelen (kortweg CMC).
Common mode smoorspoelen vertegenwoordigen een hoge impedantie die in serie is geplaatst met de common mode stroom.
-  De common mode stroom langs de kabel wordt door die extra "serie weerstand" beperkt.
-  Waardoor de straling door de kabel wordt beperkt.
-  En omgekeerd : ook de ontvangst van stoor stralingen door de coax vermindert.

Waarom #31 ferriet materiaal gebruiken.

Een ongebalanceerde kabel die korter is dan 1/4 lambda, gedraagt zich capacitief.
-  Een (spoel-) zelfinductie ermee in serie zal resonantie, en een grotere common mode stroom kunnen veroorzaken.
Een ongebalanceerde kabel die langer is dan 1/4, en korter dan 3/4 lambda, gedraagt zich inductief.
-  Een (spoel-) capaciteit ermee in serie zal ook resonantie en een grotere common mode stroom kunnen veroorzaken.

Een weerstand in serie met een common mode stroom zal deze stroom altijd beperken.

Verlies weerstand in serie met de common mode stroom is dus beter dan reactantie (= zelf inductie)
-  We willen de common mode stroom zo veel mogelijk beperken,
-  Hogere smoorspoel verlies weerstand is daarom altijd beter,

            Een coax eenvoudig als spoel gewikkeld is een beroerde smoorspoel :
-  Het is een simpele zelf inductie,
-  Het kan dus met de coax lijn resoneren, en de stoorstromen juist versterken.

-  De spoel zelfinductie resoneert ook nog eens met de eigen capaciteit tussen de windingen,
Boven deze spoel-resonatie is een coax-spoel een condensator,
-  En kan dan dus weer resoneren met de coax lijn, en weer de stoorstromen versterken.

Verliesgevende ferriet smoorspoelen zijn het antwoord !
#31 ferriet is tussen 1 MHz en 30 MHz (RESISTIEF) verliesgevend.

De meeste door radio amateurs gebruikte ferrieten zijn in werkelijkheid door Fair-Rite vervaardigd. Winkels die aan radio amateurs leveren, geven er een ander (verzonnen) type nummer aan (niet traceerbaar bij fabrikanten). En rekenen enorme marges (vaak 5x hun inkoop).

 Industriële leveranciers die geen grote marges rekenen, bij grotere aantallen kortingen geven, en boven 50 Euro besteld gratis verzenden :
    Mouser, Farnell, Sinuss (Allied, Newark, Lodestone Pacific, Digikey, Dexter, Magnetics, Kreger, Arrow).

            Waarom FairRite ?
-  Het is een goed bedrijf om mee te werken,
-  Hun ferrieten zijn het bruikbaarst voor de radio amateur,
-  In Noord Amerika en Europa eenvoudig te koop,
-  Bestel bij de industriële leveranciers (Mouser, Farnell, Sinuss).

De door hen gepubliceerde technische gegevens zijn veel beter dan die van hun concurrenten. 
Door die gedetailleerde ferriet gegevens te bestuderen begrijpt u :
-  Hoe ferrieten werken,
-  Waarin de ene kern verschilt van de andere,
-  Waarin de ene mix verschilt van de andere,
-  Hoe elke kern in uw circuit werkt.

            Een ferriet is een keramisch materiaal bestaande uit :
-  Een ijzer oxide,
-  Mangaan-zink,
-  Nikkel-zink.

             Ferriet heeft  :
-  Een veel grotere permeabiliteit (magnetische geleidbaarheid) dan lucht,
-  Vormt daarom een beter pad voor magnetische flux dan lucht,
-  Vergroot de inductie van een geleider die door het gat gaat,
-  Vertoont bij stijgende frequentie steeds grotere verliezen (OK voor CMCs)..

pa0nhc : De volgende vermelde ferrieten en frequentie gebieden gelden voor gebruik in common mode smoorspoelen.
LET OP : Voor gebruik in transformatoren (magnetische overdracht van energie) gelden andere ferriet types of andere frequentie gebieden.

De hier genoemde nummers zijn Fair-Rite nummers.

Ferrieten bestaan in veel verschillende maten en vormen.
Het mix nummer "#xx" vertegenwoordigt de chemische samenstelling van de ijzer oxide.

#31mix is en nieuwer MNZN mix dat
- zich op HF en VHF als #43 gedraagt
- maar veel beter is onder 5MHz. 
- bovendien GOEDKOOP is door afwezigheid van dure metalen.
#31 kern wordt ook in sommige commerciële producten toegepast.

            Een ketting met ferriet buis- of ring kernen.
De W2DU smoorspoel bestaat uit een ketting van kleine ferriet kernen.
Voorbeeld : 15 kernen resulteert in Ztotaal = (15 x Z-één-kern) of 15 x 20 = 300 Ohm.
W2DU gebruikte #73 mix, een zeer goede keuze. Deze kernen hebben boven 3 MHz een stijgende verliesweerstand.
Deze smoorspoel is weinig gevoelig voor de lengte van de coax voeding lijn.
Er zijn veel (echter goedkope) kernen nodig. De smoorspoel is 25cm lang.

De W0IYH smoorspoel is ook een ketting, maar dan van #43 ferriet kernen. Deze smoorspoel is veel slechter. 
Deze kernen zijn onder de 25 MHz voornamelijk inductief
Deze smoorspoel is daardoor zeer gevoelig voor de lengte van de coax lijn. 
De smoorspoel inductie resoneert met een capacitieve coax lengte. 

Er is een veel betere manier om een hoge zelfinductie te verkrijgen.

          Met de kracht van N2 :
  
Met N windingen door het gat van een kern :
-  Neemt de spoel wikkel capaciteit toe met de factor N.
-  Ook de capaciteit tov. de kern wordt groter.
De inductief gekoppelde verlies weerstand stijgt met de factor N2  (N x N).
-  Ook de zelfinductie stijgt met de factor N2
 De totale spoel impedantie neemt echter niet overal met N2 toe, omdat de resonantie frequentie omlaag geschoven is.

TIP : Gebruik een GROTE ferriet klem als je de connector niet van de kabel wilt verwijderen.

            Windingen met kleine of grote spaties ?
Kleine winding spatie is beneden 10MHz meestal beter.
-  Meer zelfinductie.
-  Meer eigen capaciteit.
-  Lagere resonantie frequentie.
Grote winding spatie is meestal beter boven 10 MHz.

      Hoeveel smoorspoel impedantie nodig is.
-  Met goed aangepaste en gebalanceerde antenne is 5.000 ohm meer dan genoeg.
-  Bij sterke onbalans kan zelfs 10.000 ohm nog onvoldoende zijn !
Smoorspoelen aan Windom antennes (sterke antenne onbalans !) staan erom bekend dat ze defect raken.

            Dissipatie (warmte ontwikkeling).
Warmte ontwikkeling is geen probleem :
-  In coax
-  In smoorspoelen
-  Zolang de CMC verliesweerstand GROOT genoeg is.
-  Dus veel windingen door het gat van één grote #31 kern.

            De dissipatie in een smoorspoel is gering met :
-  Een behoorlijk aangepaste antenne 
-  Die redelijke in balans is
-  Zolang de smoorspoel  verlies weerstand minstens R=5000 ohm is.

Smoorpoelen die bloot staan aan lucht stromen hebben minder kans om over verhit te raken.

            Oorzaken van defecte smoorspoelen :
 -  Antenne systemen die een hoge spanning veroorzaken,
-  Totale voedinglijn lengte in de buurt van 0.5 , 1 , 1.5 of 2 lambda etc,
-  Tuners die aanpassen op hoog impedante voeding lijnen,
-  Sterke onbalans,
-  Onvoldoende lucht circulatie,
-  Te lage smoorspoel impedantie.

            Bifilaire smoorspoelen.
Een bifilaire smoorspoel is een twee draads transmissielijn op een ferriet kern gewikkeld. 
De tweedraads wikkeling vormt een gebalanceerde transmissielijn.
De twee draads lijn impedantie is afhankelijk van :
-  Draad afstand
-  Draad dikte
-  Dielectic.

            Transmissie lijn impedanties van draad paren zonder onderlinge spatie :
Lakdraad ~ 50 ohm
Installatie draad ~ 80 - 90 ohm.

            Maar :
-  Lakdraad is duur en lastig verkrijgbaar.
-  De gespecificeerde maximale spanning ervan is afhankelijk van de coating, en varieert sterk.
-  Installatiedraad is goedkoop, degelijk en overal verkrijgbaar

Smoorspoelen die gewikkeld zijn met paren #14 (1,5mm2) installatiedraad op #31 kernen hebben een gunstige invloed op de impedantie curve.

            Misaanpassing door tussenvoegen van een smoorspoel is onbelangrijk omdat :
-  De lijn lengte kort is :
-  12 windingen => lijn lengte 1m. Dat is 1/20 lambda op 14 Mhz, 1/10 lambda op 28 MHz.

-  16 windingen => lijn lengte 1,33m. Dat is minder dan 1/50 lambda op 4 MHz.

Deze kleine mis aanpassingen veroorzaken geen meetbare verliezen, en zijn makkelijk op te vangen door een tuner. Een kleine prijs die betaald moet worden voor een hoge smoorspoel impedantie !

            De invloed van een CMC op antenne en feeder stromen :
   Een NEC model toonde van een 80m dipool op ca. 43m hoogte, gevoed met 43m coax aan :
Zonder smoorspoel              : de stroom langs de voedinglijn = 1/3 van de stroom in de dipool (-10dB)
Met 5000 ohm smoorspoel : de stroom langs de voeding lijn werd 24 dB (ruim 20x) kleiner
   dat is in totaal -34 dB (50x) kleiner dan de stroom in de dipool.

            Bifilaire (twee draads) smoorspoelen op #31 "lossy" cores, ingevoegd in coax lijnen :
-  Kunnen op elke plaats in de coaxiale transmissielijn ingevoegd worden
-  De symmetrie is zeer goed
-  De lek flux is gering
-  Verminderen het gewicht tov. coax CMCs 
-  Veel compacter
-  Veel lagere kosten
-  Kunnen 700W aan in goed gebalanceerde systemen

Een overzicht van MIX31 ringkernen, geschikt voor breedband Common Mode Chokes 1 MHz - 250 MHz.
(Uittreksel uit een FairRite catalogus).



De opgegeven impedanties zijn dominant RESISTIEF en voor 1 winding, dus met de coax er recht doorheen.
N aantal windingen door het gat resulteert in N x N x Z1 Ohm.
Merk op, dat in het "Part Number" het 3e en 4e cijfer "31" MOETEN vormen.
Dit MIX31 materiaal is goedkoop. Een kernprijs wordt hoofdzakelijk door het gewicht van het ferriet bepaald.
A = buitendiameter. B = gat diameter. C = lengte (dikte).

==>> De 50mm en 31,6mm buis kernen geven de hoogste Z per winding.

Een overzicht van MIX31 GEDEELDE kernen ("SnapIts"). Ook "Klapkernen"genoemd. 

Geschikt voor breedband Common Mode Chokes 1 MHz - 250 MHz.
(Uittreksel uit een FairRite catalogus).


De opgegeven impedanties zijn dominant RESISTIEF en voor 1 winding, dus met de coax er recht doorheen.
N aantal windingen door het gat resulteert in N x N x Z1 Ohm.
Merk op, dat in het "Part Number" het 3e en 4e cijfer "31" MOETEN vormen.
Dit MIX31 materiaal is goedkoop. Een kernprijs wordt hoofdzakelijk door het gewicht van het ferriet bepaald.
A = buitenmaat. B = gat diameter. C = lengte.

Let op :
Alle kernen zitten in een houder, behalve type 4, die wordt als HALVE kern geleverd, zonder polipropyleen houder.
Informeer naar een complete prijs.

 


.