 |
  |
 |
 |
||||
 |
|
BALUNS
Door H. Ward Silver, N0AX, n0ax@arrl.org
Verschenen in QST January 2007
Balun is een afkorting van ba lanced-naar- un balanced. Balanced betekent gelijke en tegengestelde spanningen en stromen in een signaalbron, transmissielijn of lading. De geleiders van een gebalanceerde transmissielijn moeten identiek zijn, zoals bij lintlijn [kippenladder]. Unbalanced lijnen en ladingen hebben een spanning of stroom die in de ene lijn hoger is dan in de andere en waarvan een geleider meestal geaard is.
Termen om te onthouden:
“Balanced” belasting: belasting die gelijke impedanties laat zien bij beide aansluitpunten.
“Balanced” transmissielijn: een symmetrische transmissielijn; in beide geleiders gelijke spanningen en stromen.
“Common mode”: spanningen en stromen die in alle geleiders van een transmissielijn gelijk zijn.
Coaxiale transmissielijn:
Een coaxiale transmissielijn, waarvan spanning en stroom tussen de middengeleider en de binnenkant van de afscherming gebalanceerd is, heeft nog een derde geleider – de buitenkant van de afscherming – met andere spanningen en voltages en daarom is de coaxlijn niet gebalanceerd. Bij RF zijn binnen- en buitenkant van de afscherming gescheiden geleiders vanwege het skineffect en waardoor er een wisselstroom loopt aan de oppervlakte van de geleider. Bij coaxiale voedingslijnen kunnen totaal verschillende stromen lopen over beide oppervlakken van de afscherming.
Wat is een balun eigenlijk? Een balun is een electrische component die gebruikt wordt om energie tussen gebalanceerde en ongebalanceerde belastingen of lijnen te transformeren. Sommige worden om ringkernen gewonden zoals bij transformatoren, terwijl anderen gemaakt worden van stukken transmissielijn. Baluns kunnen ontworpen worden om op een bepaalde frequentie te werken of over een breed gebied.
Er zijn twee basistypen: spanning baluns en stroom baluns.
Spanning baluns zorgen ervoor dat de spanningen aan hun uitgang gelijk zijn en niet in fase.
Stroom baluns zorgen voor gelijke stromen die niet in fase zijn.
Amateurs gebruiken meestal stroombaluns. Het uitgestraalde vermogen in hun antennesystemen wordt bepaald wordt door de stromen in de antenne en niet door de spanning .in het voedingspunt.
Daar komt nog bij dat de meeste antennes, zelfs perfect symmetrische antennes als dipolen, niet electrisch gebalanceerd zijn vanwege de nabijheid van andere geleiders. Gelijke spanningen in het voedingspunt zijn geen garantie voor gelijke stromen.
Choke baluns
Laten we eens kijken naar een eenvoudig ontwerp: de common-mode choke stroom balun.
 |
 |
 |
|---|
| Fig.1 | Fig.2 | Fig.3 |
|---|
Deze balun verbindt een ongebalanceerde coaxlijn met een symmetrische, gebalanceerde antenne, zoals bijvoorbeeld een dipool.
We kennen drie types:
a. met ferriet kralen b. met een ringkern c. met coax
We zullen ons concentreren op baluns met ferrietkralen en ferriet ringkernen.
Alle drie onderdrukken [choke] ze de common-mode-RF stroom die langs de buitenkant van de afscherming loopt, door daarvoor een inductantie te vormen. Deze common-mode inductantie voorkomt dat er stroom loopt aan de buitenkant van de afscherming. Alleen de gelijke en tegengestelde stromen aan de binnenkant van de voedingslijn worden doorgegeven aan het voedingspunt van de antenne. Baluns van kralen zijn doorgaans het meest effectief.
Door het verhinderen van stroom aan de buitenkant van de afscherming, worden de stromen in beide helften van de dipool gedwongen om gelijk te zijn. Het stralingspatroon van de antenne wordt niet veranderd door de afstralende stromen aan de buitenkant van de coax-afscherming. Het vermindert ook de RF stroom aan de buitenkant van de voedingslijnen die zich kan mengen met andere signalen en van invloed kunnen zijn op het vermogen en de SWR-metingen.
Je kunt kralenbaluns maken door ferrietkralen over de coaxkabel te schuiven. De buitenkant van de afscherming fungeert als een enkele winding binnen de ringkern, terwijl de signalen in de coax niet worden beïnvloed.
Voorbeeld van een kralenbalun: 7 kralen van het type Amidon FB77-1024 op RG-213.
Gelijke types kralen van 31 of 73 ferriet werken op HF.
Voor VHF en UHF moet je type 43 ferriet gebruiken. Omwikkel de kralen met waterdichte tape of krimpkous.
Omhoog en omlaag transformeren:
De balun wordt vaak gecombineerd met een transmissielijn impedantie transformator.
Hoewel ze vaak balun worden genoemd, combineren ze eigenlijk de functies van een choke balun en een impedantie transformator. [De common-mode choke baluns uit fig. 1 zijn 1 : 1 baluns, hetgeen wil zeggen dat de verhouding tussen in- en output impedanties gelijk is.
Impedantie transformatoren veranderen niet de impedantie van wat er op is aangesloten, maar ze veranderen de electrische energie van de ene spanning/stroomverhouding in een andere.
Impedantieverhoudingen van 4 : 1 en 9 : 1 zijn gebruikelijk. Een 4 : 1 impedantie transformator heeft de halve stroom en twee maal de spanning bij de output als bij de input.
Door een enkele bifilaire winding te gebruiken worden de primaire en de secundaire van de transformator een transmissielijn. Als de transmissielijn dan om een ferriet ringkern wordt gewonden zoals in figuur 2, dan wordt het een 1 : 1 choke balun. Door de hoge impedantie bij common-mode stromen mogen we de einden A'B' beschouwen als een aparte signaalbron.
Figuur 3 laat zien hoe je een 1 : 1 balun kunt veranderen in een 4:1 balun door de belasting aan te sluiten tussen de input en output, in plaats van over de output. Dit ontwerp noemen we een Ruthroff balun. Hij werkt als volgt: Eerst is de stroom i bij B gelijk aan en niet in fase met de stroom die in A loopt. De stroom i die in B' loopt moet gelijk zijn aan de stroom bij B, en dus gelijk aan stroom i bij A [Net zoals bij A' en B].
De som van de stromen van de input signaal bron is 2i, tweemaal zo groot als er in de belasting loopt. Daar er geen energie gemaakt wordt of verloren gaat, moet het product van spanning en stroom in de bron en de lading gelijk zijn. Dit betekent dat de bronspanning bij de belasting de helft moet zijn en de stroom twee keer zo groot. Hieruit volgt dat de bron een vierde van de impedantie van de belasting ziet.
Dat de bifilaire winding zich gedraagt als een transmissielijn, is een goede zaak, maar de electrische lengte van de lijn [en de verschillende aansluitingen] zorgt voor een kleine vertraging. Die vertraging betekent dat het signaal bij A'B' niet in fase is met die bij AB. Het faseverschil betekent ook dat de stromen niet exact bij elkaar kunnen worden opgeteld en dus is de impedantie die de inputbron ziet, niet helemaal gelijk is aan een vierde van de impedantie van de belasting. Hoe hoger de frequentie, des te langer de lijn wordt [electrisch gezien] en hoe groter de vertraging en de afwijking.
Bij lage frequenties daalt de common-mode impedantie tot het punt waar de einden van de lijn niet langer geïsoleerd zijn. Deze twee afwijkingen bepalen een bovenste en een onderste frequentie grens voor de toepassing van een transmissielijn transformator.
Constructie van een 4 : 1 stroombalun:
Deze balun kan uitgevoerd worden voor een 1:1 of 4:1 impedantie verhouding en kan 1kW vermogen aan op 160 tot 10 m. Je hebt een SWR analyzer nodig, zoals MFJ-259, om de balun te testen. Je kunt er ook mee experimenteren met aangesloten antenne, maar dan wel op laag vermogen. De keus is gevallen op een FT-240-61 ringkern omdat type 61 materiaal zeer geschikt is voor gebruik op HF. De permeabiliteit [µ=125] geeft voldoende reactantie, en het formaat 240 is groot genoeg om dit vermogen aan te kunnen.
Neem twee lengtes geëmailleerd koperdraad van ruim 2 meter en zorg ervoor dat er geen bochten of knikken in zitten. Gebruik om de tien cm een strookje tape, of krimpkous, om de draden bij elkaar te houden. Label de uiteinden A, B, A' en B' om de draden uit elkaar te houden. Doorpiepen kan natuurlijk ook. Wikkel de balun zoals is getekend in figuur 2 en verdeel de wikkelingen gelijkmatig over de hele ringkern. Zet de uiteinden vast met tape.
Maak nu de 4:1 versie door een SO-239 connector als volgt aan te sluiten:
Middengeleider aan draad A; draad B en A' aan de behuizing; draad B' niet aansluiten.
Sluit de antenneanalyzer aan op de SO-239. Soldeer een weerstand van 220 O tussen draad B' en A. Zet de analyzer op 10 MHz en bepaal de SWR ongeveer op 1:1. Als de analyzer een weerstandsmeter heeft dan moet die iets meer dan 50 O aangeven. Vervang de 220 O weerstand door een van 390 O. De SWR moet nu ongeveer 2:1 zijn en de weerstandswaarde moet iets onder de 100 O zijn. Experimenteer met verschillende weerstanden om de 4:1 impedantie transformatie vast te stellen.
Ga terug naar de 1:1 uitvoering door A' los te maken van de behuizing en verwijder de weerstand. Soldeer een weerstand van 100 O tussen A' en B' en stel vast met de analyzer dat de SWR ongeveer 2:1 is. Experimenteer met andere weerstandswaarden om de impedantieverhouding 1:1 te bepalen.
Ga nu weer terug naar de 4:1 configuratie met de weerstand van 220 O. Bepaal de frequenties boven en onder de 10 MHz waarbij de SWR 1,5:1 wordt [weerstandswaarde van 75 O]. Dit zijn de frequenties waarbij de ---- van verwaarloosbare lijnlengte en voldoende dempende reactantie -----. Ergens in het midden kun je de balun toepassen.
Boodschappenlijstje:
- weerstanden van 100, 220 en 390 O
- coaxplug SO-239
- FT240-61 ferriet ringkern
- 5 meter geëmailleerd of geïsoleerd massief koperdraad van 2,5²
Aanbevolen literatuur:
* Jerry Sevick, W2FMI: Transmission Line Transformers
* idem: Understanding, Building and Using Baluns and Ununs
Internet:
www.eznec.com/Amateur/Articles/Baluns.pdf
Hier vind je bijv.: “Baluns: What They Do and How They Do It”
Vertaling: PA1DV
