O balunech jinak, kompenzace

O anténách

Kontakt

O balunech jinak

Všeobecně

Tento článek doplňuje dávno publikované a poměrně známé informace o balunech. Nejprve několik slov na úvod. Mezi radioamatéry se rozšířily konstrukce balunů s železoprachovými jádry a v poslední době s moderními feritovými jádry. Profesionální výrobci antén používají jádra ve tvaru toroidů, tyčí, trubek a víceděrových jader (např. dvouděrových). Hezký článek o balunech napsal Frits, pa0fri, zde uvádím odkaz na jeho stránky: http://www.pa0fri.com/ a jeho praktický článeček o balunech je ke stažení také zde. V češtině popsal hezký návod na klasiku s toroidy Franta, ok2fj, jeho článek je zde: http://www.radio-foto.eu/radio/balun.php a web je zde: http://www.radio-foto.eu Tak, jako vždy, nemám v úmyslu tady uvádět přesné návody, jak vinout balun. To, konečně velice dobře udělali Frits i Franta. Franta navrhoval balun dle klasické empirické zkušenosti. Kdo má dobrý analyzátor, může použít návrh nejmenší indukčnosti dle mého experimentálního postupu. Jinak ale uvádím náměty, jak na to jít, jaké materiály použít, jak jednoduše postupovat a dostat se do cíle. Můj článek píšu jen formou poznámek. A důležitá poznámka se týká toho, co Frits a ani Franta nepublikovali - jak kompenzovat to, co nás trápí, kapacitní reaktanci ....

Jádro

Při konstrukci balunů jsem si oblíbil feritová jádra z moderních materiálů. Používám toroidy, tyče, trubky a dvoudírová jádra různých velikostí. Vhodný materiál je moderní ferit 4C65 nebo jeho ekvivalent.

Oblíbil jsem si však také jádra vzduchová a celá roční produkce tzv. air-wound balunů byla prodaná do zahraničí.

Vodič

Pro výkony 1000 Wattů používám dvakrát smaltovaný vodič o průměru 1,6 mm

Konektor

Pro baluny používám konektor SO-239, označovaný také jako UHF. Samice v balunu je ošetřena zalévací hmotou mezi vývody, je to kvůli odolnosti proti průrazu vysokým napětím. Doporučuji však ošetřit také kabelovou zástrčku. Setkal jsem se s případem, že hořel oblouk na zástrčce a teplem přeneseným přes kolík byla namáhána také zásuvka.

Doplňková izolace

V případech vyšších impedancí antén a vyšších výkonů doporučuji vodič balunu ošetřit další izolací z tenkého teflonu nebo použít zalévací hmotu pro VN. Je třeba volit odpovídajícím způsobem konstrukci balunu a vzdušné vzdálenosti mezi vodiči.

Vlastní konstrukce a jak se vypořádat s indukčností a kapacitou vinutí

Dále uplatněné principy budu vysvětlovat na nejjednodušším balunu, jehož schématem začíná Fritsovo (pa0fri) článek:

Tento jednoduchý balun se vine na příslušné jádro dvěma bifilárními vodiči. Počty závitů, stejně tak vzdálenosti mezi vodiči a mezi závity lze přesně stanovit výpočtem nebo experimentálně. Osobně používám pro návrh výpočet a kontroluji měřením. Experimentální metoda je jednoduchá a dává naprosto rovnocenné výsledky. Bude nás stát navíc asi 2 metry drátu. Na jádro navineme několik závitů (u tohoto typu balunu bifilárně, u balunu 1:1 a 1:9 trifilárně, ...), zapojíme balun ke jmenovité umělé zátěži (pro měření stačí bezindukční odpor, v popisovaném případě 200 Ohmů) a změříme průběh impedancí a SWR. Při měření VSWR uvidíme něco podobného, jako je na tomto obrázku č. 1 (na svislé ose je VSWR, na vodorovné je kmitočet v MHz):

Všimněte si těchto detailů bez ohledu na hodnoty, teď a tady je důležitý jen průběh:
- na křivce vidíte minimum VSWR
- od minima k vyšším kmitočtům křivka pozvolněji stoupá
- od minima k nízkým kmitočtům křivka stoupá poměrně strmě
Uvedená křivka je pro různé konstrukce balunů typická. Ubereme-li počet závitů, minimum se posune směrem k vyšším kmitočtům, přidáme-li počet závitů, minimum se posune směrem k nízkým kmitočtům. My potřebujeme, aby balun fungoval od nízkých kmitočtů, proto experimentálně stanovíme počet závitů tak, aby minimum bylo na konci nejnižšího pásma (a VSWR nebylo na začátku větší než VSWR=1,2). Pokud dáme více závitů, snížíme si horní použitelný kmitočet a to není správně. S méně závity nám balun nebude fungovat na nejnižším kmitočtu. Namítnete, že u uvedeného balunu je na 21 MHz již VSWR dost vysoké. Záleží na tom, k čemu balun používáte. Na skládaný dipól pro pásmo 21 MHz by se balun s touto charakteristikou opravdu nehodil. Co s tím? Uklidním vás. Použitý graf průběhu VSWR je z nějakého nekompenzovaného balunu air - wound (bez ferit. jádra). S železoprachovým a ještě lépe s moderním feritovým jádrem budete potřebovat pro docílení potřebné minimální indukčnosti mnohem méně závitů, proto bude vinutí mnohem kratší a průběh směrem k vysokým kmitočtům hezčí :-)

Náhradní schéma balunu

Abych ukázal, co se na balunu z pohledu přizpůsobení děje, použiji tzv. náhradní schéma. Ve své mnohaleté praxi používám pro aplikace na krátkých vlnách ta nejjednodušší náhradní schémata a tak mi snad ti, co nemají rádi moc teorie nebudou nadávat. Ale vysvětlit princip bez této jednoduché teorie, kterou pochopí každý, nedovedu. Moje náhradní schéma balunu je:

Zleva doprava vidíte anténu ZL, indukčnost přívodů, transformátor s transformačním poměrem (pro balun 1:4 je poměr 1:0,500, tj. vinutí mají stejně závitů, jsou vinuta bifilárně). Vlevo od transformátoru je kapacita vinutí a indukčnost vinutí. Při úvahách teď a tady zanedbám indukčnost přívodů. Kapacita vinutí nám bude zhoršovat VSWR na vysokých kmitočtech a malá indukčnost vinutí nám bude bránit správné funkci napěťového balunu na nejnižším pracovním kmitočtu. To z průběhu VSWR na obrázku 1 samozřejmě nevidíte, můžete se to pouze domnívat na základě zkušeností s baluny. Pokud náhradní schéma vyřešíme např. ve Smithově diagramu, bude nám jasné, proč to tak je. Vezmu schéma konkrétní konstrukce balunu, která má náhradní schéma s těmito hodnotami: indukčnost vinutí je 12 mikroH, kapacita vinutí je 120 pF:

Takový balun má následující průběh VSWR, tedy stejný, jako na úvodním obrázku

Ve Smithově diagramu vypadají impedance takto, uvádím detail kolem středu diagramu. Jsou zakresleny body pro jednotlivé frekvence, kroužek nahoře, poblíž kružnice VSWR=2 odpovídá kmitočtu 1MHz, poblíž středu jsou kmitočty 4 a 5 MHz, dolů nám to utíká k vyššímu VSWR a kružnici s VSWR=2 nám protíná kroužek, který odpovídá asi 21 MHz. Vidíte, že znázornění ve Smithově diagramu nám vypovídá o mnohem více vlastnostech.

Přesto se však ještě ke grafu VSWR - frekvence jednou nebo dvakrát vrátím:

Na obrázku nad touto větou vidíte 4 čáry, kterým odpovídají různé konstrukce a tedy různá vinutí a různá jádra balunů. Červená čára je běžná pro širokopásmové baluny na jádrech, které se používají pro střední výkony. Zelená čára je typická pro air-wound balun se vzduchovým jádrem. Konstruktéři se snaží pečlivě provedeným vinutím dělat baluny, které odpovídají řervené čáře. Při požadavku na vyšší výkony však musíme použít velké průřezy jader s malou permeabilitou a velké průřezy vodičů. Charakteristiky se pak více blíží modré čáře.

Na dalších obrázcích uvedu ještě několik různých konstrukcí balunů, které se liší indukčností a kapacitou vinutí a tedy také charakteristikami:

Vidíte, že první řešení má vysokou indukčnost (balun nemá potíž na nízkých kmitočtech) a ne až tak vysokou kapacitu. Vyšší kmitočty mají stále VSWR uvnitř kruhu s VSWR=2.

Druhé řešení má vasokou indukčnost i kapacitu vinutí. Balun je dobrý na nízkých kmitočtech (VSWR je uvnitř kruhu VSWR=1,2), ale na vyšších kmitočtech už VSWR uteklo mimo kruh VSWR=2.

Třetí řešení má malou indukčnost (VSWR na 1 MHz utíká mimo kruh VSWR=2) a velkou kapacitu (VSWR utíká na vyšších kmitočtech mimo kružnici VSWR=2.

Dá se s tím něco dělat? Předpokládal jsem, že pokud jsem vytáhl řešení ve Smithově diagramu a byť jednoduchá náhradní schémata, že vás to bude evokovat k vyřešení vašeho balunu pomocí těchto nástrojů. Ukážu vám další a asi už poslední graf VSWR - frekvence pro balun nekompenzovaný a kompenzovaný:

Vidíte, že kompenzovaný balun má hezký průběh VSWR.

Kdy kompenzovat ?

Nemá smysl kompenzovat např. baluny pro směrovky na vyšší pásma. Příznivého průběhu VSWR lze dosáhnout vhodnou konstrukcí i bez kompenzace. Nemá smysl kompenzovat balun u drátové antény napájené žebříčkem, v případě, že použijeme nesymetrický tuner, krátký koaxiál (např. 1 až 2 metry skrz zeď nebo okno) a pak už je balun a žebříček. V tomto případě nám vyšší VSWR na krátkém koaxiálu nevadí a kompenzaci udělá tuner.

Kompenzace má smysl u air-wound balunů, které mají horší charakteristiky VSWR frekvence, než baluny s feritem, ale mají zase jiné výhody. A kompenzace má smysl u širokopásmových antén napájených koaxiálem s postupnou vlnou.

Jak kompenzovat?

Způsobů je více a přišli byste na ně určitě už po prostudování mých cvičení na práci se Smithovým diagramem. Nejjednodušší kompenzace vypadá takto - schéma:

Zleva od zátěže vidíte naše jednoduché náhradní schéma balunu. Vlevo před vysílačem je kompenzační L článek, který je realizován jednou indukčností a jednou kapacitou.

Postup řešení kompenzace

1. Experimentálně - viz jeden z prvních odstavců tohoto článku, stanovíme minimální indukčnost balunu. Tj. Nekompenzovaný balun bude mít nejmenší VSWR na konci nejnižšího pásma.

2. Změříme kapacitu vinutí a indukčnost vinutí a budeme vědět např. toto:

3. Vše spolu s indukčností přívodů a transformačním poměrem zakreslíme do Smithova diagramu a obrázek bude vypadat takto (generátor má impedanci 50 Ohmů a pracuje na kmitočtu 30 MHz nebo na horním kmitočtu, kde kompenzujeme):

Vpravo je zakreslen bod 200, jX=0, parazitní indukčnost přívodů nám popojede o něco nahoru. Transformační poměr 1:4 nás posune nad střed diagramu, nejmenší potřebná indukčnost vinutí (20 mikroH) nás posune o něco nahoru a parazitní kapacita vinutí nás posune po modré kružnici dolů. Tam, v tom bodě, bychom naměřili VSWR=2,68 a tato kružnice ja zakreslená kolem středu. V druhém diagramu je vidět kompenzace L článkem:

Kompenzujeme tak, že z posledního bodu vyjedeme kompenzační indukčností nahoru (průsečík s modrou kružnicí) a paralelní kapacitou sjedeme po modré kružnici doprostřed diagramu, kde je VSWR=1. A podíváme se, jak to vypadá na ostatních kmitočtech. To jsou ty malé červené body, které ukazuji v detailu na tomto obrázku:

Jejda, jejda, co se nám to s balunem stalo? Vidíte, že křivka s rudými bodíky, které odpovídají různým kmitočtům a různým hodnotám VSWR se nám "zahnula" zpět ke středu diagramu a VSWR nám nikde "nevyběhlo" mimo kruh ohraničený VSWR=1,5. Parádička. A co dál? Takže naposledy ukážu již ukázaný obrázek charakteristiky VSWR-frekvence celkem mizerného nekompenzovaného balunu a jeho vykompenzovanou charakteristiku:

A co dál? Vlastně závěr k tomuto článku ...

Umíme jednoduše navrhnout minimální indukčnost balunu. Umíme vykompenzovat horní kmitočet. Použili jsme tlustý drát, který snese vysoké proudy. Zbývá tedy provést zkoušku přenosu výkonu a ověřit oteplování jádra. K tomu již potřebujeme výkonný lineár a umělou zátěž na vysoké výkony. Protože jsem pro popis problematiky zvolil balun 1:4, zapojuji při testu dva do série. Měřím výkon na vstupu do prvního balunu a na výstupu z druhého balunu, tj. na jmenovitých impedancích 50 Ohmů. Z rozdílu výkonů počítám ztráty v mědi i jádru. Měřím teploty jádra. Baluny navržené touto jednoduchou metodou a s moderními feritovými jádry mají skutečně vysokou účinnost a nízké ztráty. Dělám také zkoušky s baluny na nízkých a vysokých impedancích. V takovém případě je na svorkách balunu paralelní zátěž s několika plechovkami (50 Ohmů, olejové chlazení) nebo plechovka s rezistorem 4000 Ohmů v oleji. Přizpůsobení na vlnový odpor 50 Ohmů je při měření realizováno tunerem Ameritron ATR-30. Pro zkoušku elektrické pevnosti s přizpůsobením na reálné impedance drátových antén používám anténu G5RV se žebříčkem a s testovaným balunem (balun as D.U.T.) zapojeným přes 2m dlouhý koaxiál na výstup tuneru ATR-30.

Popsanou metodu a principy lze v přiměřené míře uplatnit i na jiné druhy balunů, vč. Guanella balunů.

73's Míra, ok1ufc