Probleem stelling:
Om bvb. een symetrische antenne van 50 Ohm aan een asymetrische coax kabel van 50 Ohm te verbinden hebben we een aanpassing nodig. Zonder deze aanpassing, een balun, gaat de afscherming van kabel ook lustig langs zijn buitenkant stroom voeren, de zo genaamde mantelstroom.
( Balun: Balanced - unbalanced )
Deze HF stroom maakt ongewenst van de coax kabel een zendantenne.
Deze kan ook voor onaangename spanningen zorgen op allerlei apparatuur, bvb. op je microfoon..
Daarbij komt ook nog dat de nochtans symetrische antenne "scheef" gaat kijken.
De meeste antennes zijn niet impedantie-symetrisch en dit alleen al door de omgeving.
De opgespannen draadantennes boven gebouwen en andere objecten spannen hierbij de kroon.
Er zijn vele methoden om een balunwerking te bekomen en een ervan is de mantelstroom gewoon te blokkeren met een sperkring, nml.met een stroombalun en dit op de plaats waar de overgang plaats heeft, nml. vlak onder de antenne. De impedantie van de stroombalun moet steeds hoog genoeg zijn om bij elke electrische coaxlengte veel hoger te zijn dan de impedantie over de buitenmantel dewelke capacitief kan zijn en deels of geheel de inductieve reactantie van de spoel kan compenseren. (zie antenne cirkel)
Bij een voldoende hoge impedantie zal hierdoor bijna geen ongewenste stroom meer vloeien voorbij deze sperkring en bij een dipool antenne zullen hierdoor de stromen in beide antenne helften daardoor gelijk blijven.
Deze antenne blijft nu toch symetrisch kijken en dit zelfs wanneer de antenne helften van impedantie verschillen, hetgeen een spanningsbalun niet kan garanderen.
Een stroombalun kan eventueel na een spanningsbalun geplaatst worden.
Werking:
De HF stroom die door een draad vloeit en doorheen een ferriet ringkern gaat ondervindt op die plaats een bijkomende impedantie.
Z = 2.pi.f.L met f = de frekwentie (we houden geen rekening met de veel kleinere resistieve component)
en L = zelfinductie cfct dewelke o.a. kwadratisch afhangt van het aantal windingen.
Let wel, enkel wanneer de draad doorheen de ring gaat verhoogt de impedantie aanzienlijk. Het deel van de lus omheen de ringkern dat zich aan de buitenzijde ervan bevindt verhoogt eveneens de impedantie, maar dit met slechts een breukdeel van de bijdrage van het gedeelte doorheen de ringkern. De impedantie verhoogt dus ook iets wanneer een draadlus niet zonder meer recht door de ringkern gaat maar omgeplooid langs de buitenzijde tegen de ferriet kern verder gaat.
Wanneer deze draad er twee maal doorgaat, dus bij twee windingen om de ring, zal de impedantie zowat 4x zo hoog worden. Met drie windingen wordt dat ongeveer 9x, bij vier windingen 16x enz..
Dus de verhoging ligt dicht bij kwadratisch.
Vergeet echter hierbij niet dat tussen de windingen een capacitieve koppeling bestaat!
Veel hangt af van de frekwentie gecombineerd met de eigenschappen van het gebruikte ferriet (µr). Ferriet materiaal heeft een beperkt frekwentiegebied waarin het optimaal functioneert, dit zal onze keuze van de benodigde ringkern bepalen.
Metingen zullen ons hier veel kunnen vertellen.
Spoelen met een luchtkern (µr = 1) volgen de kwadraat regel veel getrouwer maar hebben in het KG gebied een veel kleinere werkingsgraad.
Ze eisen hier veel toeren met een grote diameter, dus meer coax en gewicht.
Deze luchtkern stroom baluns kunnen wel prima werken op hogere frekwentie banden.
De plaats waar de draad doorheen de ring gaat heeft slechts een beperkte invloed op het resultaat, wederom afhankelijk van de frekwentie en de soort ferriet. Wanneer de windingen niet vast om de ringkern zitten dan zal de impedantie bij beweging ervan miniem maar toch meetbaar veranderen.
Enkele metingen om het effect hiervan te bekijken:
 |
| 1 enkele winding tegen de wand doorheen een ferriet ringkern FT43(40mm diameter) |
 |
| 1 enkele lus door het midden van een ferriet ringkern FT43 (40mm diameter) |
 | |
| Met de meetlus naast de ferriet ringkern |
 |
| De lus zonder ferriet. |
Wanneer de werking van de montage zeer stabiel moet blijven, bvb. bij een meettoestel, monteert men de windingen het beste onbeweeglijk omheen de ringkern.
Ferriet materiaal is doorgaans een elektrische geleider en beschadigde isolatie van de wikkeling (bvb gelakte koperdraad zoals op de foto) kan een ongewild stroompad veroorzaken! Een laag goede isolatieband omheen de ringkern leggen alvorens de draad te wikkelen zal dit vermijden en de windingen zelf blijven ook beter op hun plaats zitten.
Wanneer de wikkeling uit coax kabel bestaat is deze bijkomende isolatie dikwijls overbodig.
Bedenking:
Wat is de impedantie die een HF stroom ondervindt bij 1, 2, 3 enz windingen doorheen een FT31?
Buiten diameter = 61, binnen diameter = 35,7, dikte = 12,7 (mm)
Om een idee van de grootte van de sper-|Z| te vormen, doen we een reeks metingen:
 |
| Meetopstelling van een FT31 met 11 windingen, elke winding heeft een meetpunt. |
 | |
| FT31 met één enkele winding. Een duidelijk verschil is hier te zien t.o.v. de vorige meting op een FT43. |
 | |
| FT31 met 2 windingen. |
 | |
| FT31 met 3 windingen. |
 | |
| FT31 met 4 windingen. |
 | |
| FT31 met 5 windingen. |
| |
| FT31 met 6 windingen. |
 | |
| FT31 met 7 windingen. |
 | ||
| FT31 met 8 windingen. |
 | |
| FT31 met 9 windingen. |
 | |
| FT31 met 10 windingen. |
 | |
| FT31 met 11 windingen. |
Bekijk |Z| op de laagste banden waarvoor nml. deze ferriet bedoeld is:
0.9MHz 1w=>10.7Ohm, 2w=>41.3Ohm,3w=>91.7Ohm,4w=>161.78, 5w=>251.29Ohm...
Voor de laagste banden lopen L en dus Z, wel degelijk kwadratisch op met het aantal windingen.
Voor veel hogere frekwenties wordt de impedantie onvoorspelbaar.
Er bestaan van deze balun ontelbare uitvoeringen maar het principe is steeds hetzelfde.
Een eenvoudige stroombalun bekomt men door een coaxkabel doorheen de ferriet ring te wikkelen.
Wikkelen we bvb. 8 windingen RG58 doorheen een FT31 ferriet ringkern dan bekomen we:
 | |
| FT31 met 8 windingen RG58 |
De windingen zitten hier vast door middel van aantrekbandjes ("Colson" bandjes of "Tyrap" bandjes)
Bij het wikkelen kunt ge best de eerste winding vastleggen met zo een bandje, het is dan veel gemakkelijker om de volgende windingen te plaatsen.
Zonder de eerste winding vast te leggen is het wikkelen eigenlijk niet te doen.
Als alle windingen op de ring zitten kunt ge elke winding op haar plaats schuiven en nadien kunt ge ze vastzetten op dezelfde manier.
Hier zit het geheel in een doosje, want deze stroombalun is bedoeld voor meet opstellingen.
Hierbij een overbodige opmerking: natuurlijk is het doosje niet van metaal...
 |
| FT31 ringkern met 8 windingen RG58 coaxkabel |
Het kleine verschil in dit gebied kan buiten de draaddikte o.a. ook aan de spreiding liggen van de eigenschappen van de twee ringkernen.
 |
| |Z| van 10windingen RG58 op F#43 van 40mm |
Bedenkingen:
Praktisch gezien is dit deze montage nmm. de beste keuze want de impedantie blijft de ganse weg 50 Ohm voor de gewilde HF stroom en wordt zeer hoog voor de ongewenste mantelstroom, de coax kabel blijft uit één stuk en deze montage zeer simpel om te maken.
De sper-impedantie verandert sterk met de frekwentie maar in het werkgebied van het ferriet materiaal blijft deze voor de verschilstroom steeds hoog en hoe hoger deze impedantie is, hoe beter.
Een bruikbare waarde bij 50 Ohm kabel begint zowat bij 1000 Ohm, een lagere impedantie van enkele honderden Ohms is absoluut onvoldoende.
|Z| = 1000 Ohm => 82% van P terug
2000 Ohm => 95%
(Bij Zo = 50 Ohm)
Bij hogere antenne impedanties moet deze impedantie eveneens hoger zijn.
Behandel de ferriet ringkernen zoals een tas van een duur servies. Hij kan breken bij een val en dan kunnen, zelfs al zet ge de stukken terug in elkaar, zijn eigenschappen verandert zijn
Tip:
Bij een eventuele herstelling, breng dan op het breukvlak een zo dun mogelijk laagje lijm aan.
Let erop dat de stukken perfect in elkaar passen en druk de patient rondom goed aan, bvb met een of meerdere "Colson" of "Tyrap"-bandjes.
En misschien beter geen secondenlijm gebruiken, daar deze geen correcties toelaat.
Een minieme luchtspleet verhoogt op belangrijke wijze de "weerstand" voor een magneetveld.
 | |
| FT43 ringkern met 10 windingen RG58 (Magnetische S-ring antenne) |
|Z| is voor de gebruikte frekwentie van 14MHz zeer hoog nml. 3474Ohm, met zulke hoge waarde moogt ge gerust zijn, daar komt niks door...
(reken even na: 99.8% P retour.)
Enkele metingen in een tabel:
Echt vergelijken kunt ge hier niet want de afmetingen van de ferrietkernen zijn te verschillend.
De FT31 en de HV zijn enigszins vergelijkbaar in grootte maar de FT43 is veel kleiner, deze ringkern past bijna in de opening van de FT31!
De waarden vergelijken met de FT43 heeft dus weinig zin, wel ziet ge deze kleine ringkern bij hogere frekwenties sterk bijbenen.
De ferriet van de HV transfo is eerder een LF ferriet en hij is dienstbaar op 160 meter.
Maar om deze wat hogerop te gebruiken zijn er veel meer windingen nodig om hetzelfde resultaat als op de FT31 te bekomen.
 |
| De bekeken ferriet ring kernen. |
Een FT43 ringkern van 60 mm is dus wel nodig om echt vergelijkende metingen te kunnen maken.
Op 2 meter zijn deze ringen volgens deze metingen van weinig of geen nut.
Dezelfde metingen met dunne (teflon)coax zijn nog nodig.
Intussen RG316 besteld en aangekomen, de verzwakking gevonden op het Internet is sterk verschillend...
Daarom zelf eerst de verzwakking gemeten bij enkele frekwenties: Lengte = 10 meter
Bij 10MHz -0.95dB
Bij 30MHz -1.7dB
Bij 50MHz -2.23dB
Bij 145MHz -5.32dB
Z = 52 Ohm
k = 0.7
De metingen op stroombaluns gewikkeld met RG316 volgen nog...
De capacitieve koppeling tussen de windingen begint bij de hoogste frekwenties een rol te spelen, een grotere afstand tussen de windingen zal deze verminderen maar het aantal ervan beperken.
Meer windingen verhoogt de L van de balun, dus verhoogt de impedantie, maar ook de C verhoogt terzelfder tijd, wat de impedantie weer doet dalen.
Dit kan een reden zijn om voor een grotere ringkern te kiezen alhoewel het zendvermogen dit niet zou vragen. Hou om dezelfde reden de in- en uitgang op afstand door de wikkelwijze.
Een stroombalun gemaakt door kleine ferrietbuisjes over de coax kabel te schuiven heeft hiervan geen last, maar om een hoge L te bekomen zijn vele buisjes nodig, zeker op de laagste banden.
Balun uit ferriet buisjes:
(zie ook hierover reeds een gedeeltelijke bijdrage onder TAB "metingen op ferriet ringkernen")Ferriet buisjes bestaan in verscheidene materialen en afmetingen.
We bekijken hier buisjes met lengte 28.7mm, diameter 14.4mm en opening van 6.3mm.
We kunnen deze buisjes over een draad, draden of een coax kabel schuiven.
Deze buisjes zijn geschikt voor RG58 met diameter 5mm en RG59 met 6mm diameter.
Elk buisje veroorzaakt een impedantie voor de verschilstroom door de kabel.
Voor de gewenste stroom die op elk punt tegengesteld en even groot is, is het buisje zonder invloed.
 | |
| Ferriet buisjes voor o.a. RG58 en RG59 |
We meten eerst |Z| van de draden zonder ferriet en daarna plaatsen we er eentje, daarna 2, 3 en 4...
 | |
| Zonder een enkel ferriet buisje over RG58 |
 | |
| RG58 met 1 enkel ferriet buisje |
 | |
| RG58 met 2 ferriet buisjes |
 | |||
| RG58 met 3 ferriet buisjes |
 |
| RG58 met 4 ferriet buisjes |
 | |||
| Overzicht RG58 voorzien van 1, 2, 3 en 4 ferriet buisjes. |
 |
| Nogmaals deze meting maar op een RG58 van 28cm lang en tot 9 ferriet buisjes |
De totale impedantie is zowat gelijk aan de som van de |Z| ferrietbuisjes.
Het zijn hier min of meer dezelfde buisjes, de totale |Z| is dan |Z| van eentje x het aantal.
Bij 29MHz en 52MHz is dit niet meer lineair en het bijvoegen van een 8ste buisje daalt |Z| zelfs.
De plaats waar het ferriet buisje op de draad zit heeft zeer weinig invloed op de meting.
Ook de afstand tussen de serie buisjes onderling heeft slechts een weinig invloed, deze is enkel een beetje waar te nemen op de hoogste frekwenties.
Op deze wijze kan dus ook een stroombalun gemaakt worden.
Op 10MHz hebben we voor |Z| >1000Ohm zowat 11 buisjes nodig, voor 14MHz volstaan 9 buisjes, en voor 21MHz hebben we "slechts" 8 buisjes van doen.
Bedenking:
Deze montage kan voor een toepassing ergens interessant zijn maar nmm. is een ferriet ringkern toch veel handiger.
Voor lagere en hogere banden schijnt deze ferriet niet of veel minder geschikt.
( Op de doos van deze ferriet buisjes staat "Standaard" vermeld )
Metingen op een koperdraad van 2.4mm diameter met ferriet buisjes:
 | |
| Draad met 1 x ferriet |
 | |
| Draad met 2 x ferriet |
 | |
| Draad met 3 x ferriet |
 | |
| Draad met 4 x ferriet |
 | |
| Overzicht met onderaan de draad zonder ferriet. |
Ook zien we weinig verschil tussen de |Z| waarden bij een draad (hier 2.4mm diam.) en het scherm van de RG58.(+/- 3.8mm diam.)
We kunnen de |Z| natuurlijk verhogen door de draad meerdere malen door het buisje te steken zoals doorheen een ferriet ringkern, maar met RG58 zal dat hier natuurlijk niet lukken.
Een HF transfootje voor klein vermogen is met zo een ferriet buisje wel te maken.
Meten is eens te meer (iets meer) weten..
En wat met ijzerpoeder ringkernen?
Metingen om hun eigenschappen te zien, laten direct vermoeden dat een stroombalun te maken met deze ringkernen geen succes zal zijn. ( zie onder TAB " metingen op diverse ringkernen" )Maar we gaan, en dat tegen beter weten in, toch eens meten op een rode ijzerpoeder ringkern voorzien van 8 windingen:
In vergelijking met een ferriet ringkern stelt de impedantie van deze "stroombalun" dus niets voor.
Bedenking:
We zien hier op het Smith diagram dat deze spoel een bijna zuivere inductiviteit is.(0.97µH)
De impedantie in functie van de frekwentie draait immers op de boven-buitenkant van het diagram.
Volledig rechts, op 36.1MHz, gaat de waarde door een maximum waarde, we hebben hier parallel resonantie van de spoel in combinatie met de eigen capaciteit Zc van de montage.
Meten we enkel op deze vaste frekwentie van 36.1MHz dan zien we de marker duidelijk uiterst rechts op het Smith diagram zitten.
De |Z| van de opstelling is hier dus erg hoog en deze zou eventueel als sperkring kunnen dienen, maar dan enkel voor dit smalle deel.
Deze montage is helemaal niet geschikt als mantelstroom sperkring voor een brede frekwentie band.
 |
| Vast op 36.1MHz |
De plaats en amplitude van deze piek verandert ook zeer gemakkelijk o.m. door de windingen ietsje te verschuiven.
Verhogen we de frekwentie tot 250MHz vinden we onderweg een tweede piek:
 |
| tot 250MHz |
Bij stijgende frekwentie vinden we verderop nog een reeks grillige dalen en pieken dewelke wijzen op resonanties met C's en L's van bedrading en omgeving.
We zien dan weer uiterst rechts ,meerdere hoge doorgangen en uiterst links een reeks lage Z doorgangen. Deze "cirkels" worden steeds kleiner in doormeter samen met de Q van de kring.
Proef: Stroombalun met groene (Chinese) MnZn ringkern.
Dit is een redelijk grote ringkern 74x44x13mm en kan met wat vermogen overweg, hij is omwonden met 24 windingen RG316.( doormeter = 3mm)
 |
| Proefopstelling met 24 windingen RG316. |
Daar het een ferrietringkern is, is het niet nodig dat de windingen er strak omheen zijn gewonden.
Er kunnen meer windingen omheen, maar dan liggen deze dicht naast elkaar waardoor de capacitieve koppeling kan verhogen.
We meten de isolatie impedantie van de buitenmantel van de coaxkabel in functie van de frekwentie.
Ook de doorgangsdemping in dB van de mantelstroom en ( ter illustratie ) haar zeer hoge VSWR.
De Impedantie IZI = maximum bij 300kHz
Voor 160m vinden we 2.2kOhm en -34.9dB, de mantelstroom voor deze frekwentie wordt dus meer dan 3000x verzwakt en voor 80m hebben we nog steeds 1.2kOhm en -32.5dB verzwakking dus nog zowat 1600x wat normaal volstaat.
Voor 40m hebben we nog maar 620Ohm en - 29dB of 800x verzwakking wat onvoldoende is, maar het is beter dan niets.
Deze ringkernen zijn dus geschikt voor de zeer lage 2200m en 630m, maar nog prima voor 160m en bruikbaar voor 80m.
Ze kunnen wat vermogen aan en €6.5 is niet duur..
We kunnen dezelfde proef doen met de dikkere RG58 coaxkabel (5mm), maar dan natuurlijk met minder windingen:
Invloed van de wikkelwijze van een stroombalun.
Een FT31 ferriet ringkern met 2 x 10 windingen.
 | |
| 1-Wikkelingen dicht bij elkaar in twee delen. |
 | |
| 2-Wikkelingen wat losser uit elkaar, steeds in twee delen. |
 | |||||
| 3-Tweedelig maar meer gespreid. |
 |
| ( Impedantie in Ohm.) |
 | ||
| Deze stroombalun met wikkelwijze #1 werd in een ABS doosje van 82 x 80 x 55 mm gemonteerd. |
Intussen hangt hij aan een dipool voor 40m..
Een mini 1:1 SpanningsBalun.
De gebruikte ferrietring werd op de traditionele manier trifilair gewonden met 12 windingen gelakte koperdraad van 0.44mm diameter.
 | |
| Meetopstelling |
Op de symmetrische uitgang is een weerstandje van 51Ohm geplaatst.
De VSWR curve gaat opwaarts met de frequentie, maar de schaal is dan ook 0.1/verdeling.
De ingangsimpedantie blijft nagenoeg constant.
Vooral de eerste helft van het KG gebied is uitstekend.
Deze spanningsbalun is prima in het KG gebied en kan zonder probleem dienst doen om een symmetrische ontvangstantenne aan een coaxkabel te verbinden.
Ter info: deze ringkernen kosten €3.26 voor 20 stuks, transport inbegrepen...😊
Wordt (waarschijnlijk) vervolgt..
