Home Baluns Verticals      

 


  Širokopásmové baluny 1:1 pro vysoké výkony
 

 
Baluny s transformačním poměrem 1:1 zpravidla používáme bezprostředně u symetrické antény, kterou musíme napájet nesymetrickým koaxiálním napáječem. Zpravidla se používají dva základní typy balunů - baluny proudové a baluny napěťové.
 
Proudové baluny

Proudový balun tvoří symetrické nebo nesymetrické vedení navinuté na vhodném feritovém jádře. Společným zemním proudům má zabránit impedance, která vzniká působením indukčnosti mezi pláštěm koaxiálního napáječe a zemí.

Přestože se zdá být konstrukce balunu jednoduchá, je třeba, aby bylo vyřešeno několik základních problémů:
- Impedance pro potlačení společných proudů musí být dost vysoká. Např. na pásmu 80 m vytvoří indukčnost 35 mikroH impedanci jenom asi 800 Ohmů. To je více než 10x při použití koaxiálů 50 nebo 75 Ohmů, ale je to často hodnota srovnatelná se svorkovou impedancí některých typů drátových antén. Pokud takový balun dáme na výstup tuneru, moc si se symterizací nepomůžeme.

Poznámka:

1. Abychom dosáhli u proudového balunu potřebné hodnoty indukčnosti, volíme často konstrukci s vyšším počtem feritových jader. Příkladem budiž Maxwellova konstrukce, realizovaná například vysokým počtem "nacvakávacích" feritových jader na napájecím koaxiálu.
2. Proudový balun se na schématu často kreslí takto (obrázek dole). Pro další výklad principu se nám však bude hodit schéma vpravo.

   

 

Příklady provedení proudových balunů

Proudový balun má zpravidla dobré vlastnosti, pokud je vinutý na feritové tyči. Pro dosažení vysokých hodnot indukčností konstruktéři vinuli vinutí na uzavřená jádra (toroidy). A projevil se další vliv, který se nehodil. Začátek a konec vinutí se dostaly blízko sebe, uplatnily se kapacity a z indukčnosti se stal rezonanční obvod, který už nedosahoval v širokém pásmu kmitočtů potřebných hodnot impedancí. Dělené vinutí vymyslel w1jr. Konstrukce se často používá u profesionálních směrovek, továrně vyráběných širokopásmových vertikálů, atd.
 

Napěťové baluny

Známou a oblíbenou se stala konstrukce podle Ruthroffa. Princip vysvětlím pomocí známého schématu - viz vpravo. Ruthroff zapojil do obvodu proudového balunu - viz první schéma nahoře - napěťové vinutí. Toto vinutí významně kompenzuje společné zemní proudy (rozdílové proudy v napáječi a jeho plášti). Výsledkem je podstatně vyšší potlačení společných zemních proudů.

Mnoho výrobců tento balun vyrábí s tzv. trifilárním vinutím. A řeší několik následujících problémů, na které si zadělali:
- Proudové napájecí vedení musí mít impedanci 50 Ohmů. Zkusili jste si takové vinutí zhotovit a změřit? Asi jste "namotali" cokoliv, jenom ne vedení s charakteristickou impedancí 50 Ohmů. Ono to jde blbě. Takže jste takové vedení zkrátili, jak to šlo a použili jádro s vyšší permeabilitou. A začali tvrdit, že taková jádra nejsou pro vysoké výkony vhodná, protože jste je v balunu doslova rozvalili vysokým ztrátovým teplem. Pamatujte, že jádra se v dobrém balunu příliš nehřejí, pokud dodržujete základní zásady. Nepatrný koeficient odrazu je důležitý. Docílíte ho jen a pouze tak, že v anténním napáječi si nepěstujete impedanční skoky a výkon přenášíte beze ztrát. Druhou zásadou je, že vyřešíte všechny věci mezi symetrickou neuzemněnou anténou, přechod na nesymetrický napáječ a způsob uzemnění stanice, tzv. staniční zem. To není problém balunu, ale není to rozhodně dobrou vizitkou návrhu napájení a způsobu zemnění antény, když musí balun "transformovat" tedy vracet 95% vyrobeného výkonu ze společných zemních proudů.
 

Pro úplnost tu uvedu úplné schéma balunu podle Ruthroffa, které jsem uvedl ve svých článcích o krátkovlnných anténách a tak, jak ho znáte i z jiných dobrých publikací:

 

Parametry dobrého balunu

Dobrý balun provádí vynikajícím způsobem symetrizaci, mnohem lépe potlačuje společné zemní proudy, než proudový balun. Dobrý balun má výborný průběh charakteristické impedance, tj. také koeficientu odrazu (VSWR), nevnáší do napájecí soustavy žádné impedanční skoky a tedy ztráty. Pokud balun měříme nezapouzdřený, s bezindukční umělou zátěží, musíme naměřit přibližně toto:

Systém dobrých širokopásmových balunů 1:1 má Z = 50 a jX=0 v celém rozsahu kmitočtů. Po zapouzdření se samozřejmě projeví parazitní indukčnosti a kapacity průchodkových izolátorů a delších vodičů umělé zátěže se svorkami pro připojení. V takovém případě naměříme např. toto:

Konstrukce širokopásmového balunu pro vyšší výkony  
Na obrázku je fotografie s příkladem konstrukce balunu na feritovém jádře 50/30 x 20 mm. Proudové vedení je vyrobeno z koaxiálu v provedení "semirigid". Proudové vedení na toroidním jádře je v provedení podle W1JR. Balun je vybaven Ruthroffovým vinutím, které tvoří Cu lanko tvořené z více vodičů.

Výše uvedené naměřené charakteristiky byly pořízené měřením vyfotografovaného prototypu. Jádro má rozměr 50/30 x 20 mm, koaxiální semirigid má průměr necelých 5mm a několikacentimetrové délky napěťového vinutí (viz foto) se v rozsahu kmitočtů od 1 do 29 MHz při měření neuplatnily ani náhodou.

Poznámka ke konstrukci: Ruthroffovo napěťové vinutí má stejný počet závitů jako proudové vinutí z koaxiálu. Je vinuto několika (u konstrukce na fotografii třemi) vodiči mezi závity koaxiálu. Uprostřed, v místě, kde je proudové vinutí přehozeno (aby konce byly daleko od sebe-podle W1JR) je samozřejmě "přehozeno" i Ruthroffovo vinutí. Vinutí tedy sleduje koaxiální kabel, pouze začátek a konec směřuje "na druhou stranu balunu", což je na fotografii zvýrazněno černou izolační trubičkou nad jádrem. Druhý konec vede zprava do leva pod jádrem a na fotce není vidět. Kam je Ruthroffovo vinutí zapojeno vidět je. Vlevo na vnitřní žílu koaxiálu, vpravo na stínění koaxiálu. Schéma balunu naprosto odpovídá Ruthroffovu schématu balunu 1:1
 
Závěr

Na závěr tu zopakuji zásady, nejčastější poruchy a nejčastější chyby v konstrukci balunů, které jsem viděl. Uvedu je jako příčiny a důsledky:
 

Příčina Důsledek
1. Nesprávně zvolená charakteristická impedance proudového vinutí.
 
Impedanční nehomogenita (impedanční skok ve vedení), vysoké VSWR (PSV), vznikají ztráty odrazem.
2. Nezalité konektory. Konektory je třeba zalévat elektroizolační hmotou. Snadno dojde ke ztrátě  elektrické pevnosti na malých vzdušných vzdálenostech. Pokud není použita na výstupu anténa se stejnou impedancí, jako má napáječ, dojde na konektoru ke ztrátě elektrické pevnosti a k průrazu, hoří tam oblouk, který zničí celý balun. Často se omylem domníváme, že jsme balun zničili vysokým proudem nebo tepelnými ztrátami.
 
3. Nevhodně dimenzovaný koaxiální kabel pro proudové vinutí. Zbytečně předimenzované vedení vede k menšímu počtu závitů. Proudový balun méně potlačuje společné proudy.
 
Proudovou hustotu na HF vedení neřešíme tak, jak jsme zvyklí při dimenzování rozvodů NN. Použijeme hodnoty pro přenos výkonu, který uvádí výrobce koaxu pro použitý kmitočet. Kabely s teflonovým dielektrikem, typu semirigid o průměru necelých 5 mm spolehlivě přenesou výkon 1000 - 1500 W.
 
Poddimenzovaný koaxiální kabel balunu snadno zničíme překročením povoleného výkonu. Zejména to nastane, pokud se balun snažíme používat u antén, které pracují se stojatou vlnou na napájecích svorkách. Dojde k elektrickému průrazu, začne hořet oblouk a balun během krátkého okamžiku doslova vyhoří.
 
4. Nevhodné průchodkové izolátory na symetrické části pouzdra. U balunů 1:1 nejsou až tak důležité. U balunů s poměrem 1:4 nebo 1:9 mají u vysokých výkonů zásadní vliv. HF napětí je transformováno do vysokých hodnot. Často dochází ke ztrátě elektrické pevnosti a průrazu.

U dobře navržených balunů obvykle omezuje maximální přenesený výkon elektrická pevnost.
 
5. Nevhodně vyřešené napájení antény a staniční zem. Ani použití sebelepšího balunu nemusí vést k potlačení společných zemních proudů, pokud děláme doslova všechno, aby zemní proudy snadno tekly různými vodiči, napájením zdrojů, tunerů, různým potrubím v domě, atd. Jde o samostatnou problematiku, rozhodně nad rámec tohoto článku, kterou jsem popsal jinde.
Využití zde popsaného balunu

Balun uvedený na poslední fotografii slouží k napájení přesně vyladěného dipólu pro kmitočet 3780 kHz a paralelně připojených dipólů pro pásma 17m a 12m. Jde o základní symetrizační balun určený pro vysoké výkony, použitý u zařízení, které nemá ve vysílací cestě anténní tuner s vysokým rozsahem ladění. Byl řešen požadavek na potřebnou širokopásmovost (dle zadání 1 - 29 MHz), výborný koeficient odrazu (nízké ztráty) a vysoký přenášený výkon.

Poznámky
1. Článek byl zaměřen převážně na tzv. druhou roli balunu, tj. schopnost převést beze ztrát výkon z napáječe do antény. S ukázkou měření, že to lze - viz např. ukázka měření koeficientu odrazu (nebo R+jX). Plnění základní (první role) balunu, tj. schopnost symetrizovat se v článku předpokládá.
2. Základní role balunu byly rovněž popsány v publikaci o anténách.
3. O minimálních tepelných ztrátách v balunu (o dobrém přenosu výkonu) se také snadno přesvědčíte použitím termokamery.

 

last edited: 15.7.2017