UBA HF & VHF zendamateurs: Smoorspoeltjes & Common Mode filters

Smoorspoelen bestaan in allerlei vormen..

Enkele metingen op kleine smoorspoelen, reeds gemonteerde ferrietkralen of "inductors"

Deze Chinese smoorspoeltjes bestaan uit een enkel draadje dat doorheen een ferriet kraaltje is gestoken. Het draadje is, zoals bij vele Chinese componenten, gemaakt uit vertinde ijzerdraad, maar hier hoeft dit geen groot probleem te zijn. Door het "skin effect" is het verschil in weerstand van vertinde koperdraad t.o.v. vertinde ijzerdraad kleiner dan men zou kunnen denken. Bij geleiders met een hogere soortelijke weerstand is de indringingsdiepte groter en deze zal deels de hogere Ohmse weerstand van het onderliggende ijzer compenseren. Hoe hoger de frequentie, hoe minder het onderste materiaal hiervoor van belang is.

Vervangen van de ijzerdraad door koperdraad gaf geen echt beter meetresultaat.

De eventuele warmte afvoer is echter zéér slecht.

De spoel bestaat uit één "winding" en heeft een veel kleinere eigen capaciteit dan een gewikkelde spoel, de mogelijkheid ( of risico ) van eigen resonantie wordt hierdoor kleiner.

We hebben twee modellen en we meten van elk de zelfinductie L:

L van Nr1@1MHz

L van Nr2@1MHz

Daar er maar één "winding" is, moeten we de waarde van L aanvaarden als waarde van Al.

Wat is het aandeel van de aansluitdraden op L? We meten op een draad van dezelfde dikte, dezelfde afmeting en op dezelfde wijze geplooid:

L van de draden gemeten bij 1MHz

Z van de draden = f(freq)

Daar deze "spoel" een luchtkern heeft is de curve een rechte. Het aandeel van de draden op L en Z is helemaal niet onbelangrijk.

We meten vervolgens IZI van elke inductor tot 145MHz:

IZI=f(freq) van Nr1

IZI=f(freq) van Nr2

De kleine ferrietkraal heeft onderaan de frequentie een hogere impedantie dan de grotere inductor. Bij verhogen van de frequentie kruisen de curves elkaar en wordt IZI van de grote, hoger dan die van de kleinste. Het ferriet materiaal is verschillend, mogelijk is de kleine eerder een MnZn en de grotere eerder NiZn mix.

De kleinste kan de grootste worden: L = f (freq) !!

Nmm. bezit zo'n klein dingetje een verrassend hoge zelfinductie, haar L is enigszins vergelijkbaar met een spoel van 3cm diameter met 3 dichte windingen.

Mini draadgewonden inductors:

Piepklein met hoge waarden.

Deze nog kleinere smoorspoeltjes zijn te vinden met zeer hoge L's.

Hun eigen Ohmse weerstand is echter hoger dan de ferriet versies. Met stijgende frequentie neemt de impedantie van het spoeltje snel toe, maar ook begint de relatief grote eigen capaciteit een belangrijke rol te spelen en bij een bepaalde frequentie gaat het dingetje in een scherpe parallel resonantie met een maximale impedantie (hier bij 7.1MHz). Wanneer de frequentie verder stijgt wordt de impedantie capacitief en daalt snel. We hebben nu in feite een condensator i.p.v. een spoel. Bij nog verder stijgende frequentie duikt het ding in de bredere serie resonantie en is de impedantie minimaal (hier bij 269.7MHz). Bij nog verdere verhoging van de frequentie is de impedantie terug inductief en hebben we terug een spoel.

Bij het monteren van deze smoorspoeltjes in een schakeling zal men eventueel rekening moeten houden met dit frequentie afhankelijk gedrag! Het inzetten van smoorspoel (#1) bij een frequentie rond 269MHz is hier niet ok, zie hieronder..

Smoorspoel in serie & parallel resonantie.


Detail Serie resonantie, 10Ohm/ div.

Detail Parallel Resonantie, 10kOhm/div.

Een ander smoorspoeltje uit dezelfde reeks.

Z van de aansluitdraden wordt belangrijker bij stijgende frequentie

Mini Ferriet ringkern smoorspoel.

Ringkern smoorspoeltjes.

L @100kHz

Z van #1 tot 300MHz

#1 Detail in KG-band

Metingen op een ander ringkern smoorspoeltje geven niet echte enorme verschillen in de KG-band:

Ringkern #2 Detail in KG-band

Z van #2 tot 300MHz

Bij hogere frequenties meten we wel grote verschillen tussen sm#1 en sm#2.

Zoals het te verwachten was, zijn deze smoorspoeltjes interessant in de KG-band en dat vooral in de onderste helft van deze band.

Smoorspoeltje van 34 windingen

L & Q

Weer vinden we een frequentie waar we een scherpe parallel resonantie hebben: ditmaal bij 9MHz.

Parallel resonantie bij 9MHz

Serie resonantie bij 65,4MHz

Smoorspoel met 3x ?..veel windingen

Smoorspoelje met 3 compartimenten.

500µH met Q = 28 ( prima).

Parallel resonantie bij 6.2MHz, geen uitgesproken serie resonantie.

6 gaten Varkensneus smoorspoelen met 5 en 6 windingen

Deze modellen hebben 6 gaten en kunnen met doorgangen (of windingen) van draad voorzien worden.

Met een vergrootglas zien we dat het ferriet materiaal van deze reeds bedrade neusjes sterk verschillend is.

Door 5 draden te voorzien bekomen we een draad aan elk uiteinde, bij de 6 draden versie zitten beide aansluitingen aan dezelfde kant.

We meten op reeds bedrade exemplaren.

Nota:

De aangegeven stroomzin is die van de electronen, de achterhaalde 19e eeuwse conventionele stroomzin wordt ook hier niet meer opgedrongen... de zon draait ook niet meer om de aarde.

Varkensneus met 6 gaten & 6 windingen

Varkensneus met 6 gaten & 6 windingen

Varkensneus met 6 gaten & 5 windingen.

De draaddoormeter van de 5w versie = 0.6mm.

De draad diameter van de 6w versie = 0.5mm.

Het materiaal van de twee varkensneuzen is ook meetbaar sterk verschillend.

Deze inductors zijn VHF & UHF inzetbaar.

Inductor 6 gaten en 5 draden tot 500MHz

Common mode filters.

Mini Common mode filter:

Mini Common mode filter

Common mode filter: een filter die alles meer of minder zal trachten te blokkeren wat gemeenschappelijk (common) is op de twee ingangen. Een "normaal" signaal op een lijn is op beide draden invers-identiek, in vorm, amplitudes en fase. Een ongewenst signaal, bvb. komende van buitenaf, is meestal min of meer identiek op de twee draden. Een enkele ferriet ring over een signaalkabel of over een voedingskabel vormt reeds een cmc, een dubbele wikkeling doorheen een ferrietringkern is dan weer een werkzamere montage.

Dikwijls wordt zulk een filter aangeduid met de afkorting CMC (Common Mode Choke)

Door de wikkelwijze van de twee identieke spoelen zullen de twee invers-identieke magnetische velden elkaar opheffen, twee identieke signalen dorheen de spoelen zullen in tegendeel elkaars magnetisch veld versterken. Door de zelfinductie wordt dan een tegen-emk opgewekt dewelke het symetrische signaal zal proberen te blokkeren.

Een goede filter heeft twee (meestal bijna) identieke spoelen, we kunnen van elke filter de zelfinductie per spoel meten.( Print #1 BNC "L" )Wanneer er een grote afwijking is tussen de twee gemeten waarden is het meest waarschijnlijke dat er een gedeeltelijke kortsluiting is tussen de windingen. Een verschil tussen de twee L's veroorzaakt doorheen de filter een bijkomende demping van het gewenste signaal.

Een dertigtal gemeten filters hadden slechts minimale L-verschillen tussen de twee spoelen, tussen "dezelfde" filters onderling was er tot 10% verschil.

Dit verschil wordt nmm. veroorzaakt door het steeds terugkerende verschil van de gebruikte ferriet en bovendien bestaan deze ferrietkernen uit twee aan elkaar geplakte delen..

Daar één filtertje beschadigd uit China aankwam, werd het uit elkaar gehaald:

Gedemonteerd filtertje.

L van één spoeltje

Door er hete lucht op te blazen viel het filtertje uit elkaar, doordat de lijm die het dingetje samen hield vloeibaar werd. Het is dus van belang -en dat niet enkel voor de ferriet eigenschappen- om deze filtertjes niet te warm te laten worden...

L van één spoel ZONDER ferrietkern.

L met kern is 262x hoger dan zonder kern..ferriet met hoge µr.

Demo meetprintjes

Als COMMON MODE filter:

Meten S21 doorgang: meting met printje #1.

Doorlaat S21 in "common mode"

Zeer dikwijls vindt men bij deze filters enkele condensatoren dewelke het ongewenste signaal een weg naar de massa bieden. Er kunnen eveneens bijkomende L-C kringen naar de "aarde"geplaatst worden, dewelke in serie resoneren bij gekende stoorfrequenties.

Als smoorspoel:

Wanneer slechts één van de spoelen is aangesloten, bekomt men een "gewone" smoorspoel.

met bypass

Als de aansluitingen van één spoel worden gekruist, bekomen we een nog werkzamere "gewone" smoorspoel, maar..

Om de meting met de VNWA te doen van een filter met gekruiste aansluitingen hebben we tussen-tranformators nodig.(printje #2) en een aangepaste calibratie set.

Gekruist.

De VSWR meting was met deze enorm hoge waarden eigenlijk overbodig...

De capaciteit tussen de windingen en wikkelingen zal ook bij cmc's haar invloed laten gelden en dit zal verhogen met stijgende frequentie. We vinden dan ook een grillige doorgangs curve met serie en parallel resonanties.

Als Transfo:

Deze common mode filter kan eventueel ingezet worden als "LF" 1/1 scheidingstransformator.( printje #3)