ΜΠΑΛ-ΑΝ μια απλοποιημένη σύγκριση αυτών

BALUN's A simplified comparison of various types (in Greek)

Τάκης Περρέας SV3AUW

BAL-UNΜπάλαν και όχι “μπαλούν”!Αν το λέμε σωστά θα βοηθηθούμε να καταλάβουμε την λειτουργία του και αν αφομοιώσουμε τον τρόπο λειτουργίας θα το πούμε σωστά!

Το BAL-UN/μπάλαν είναι σύνθετη λέξη και τα δύο συνθετικά της έχουν να κάνουν με την εργασία την οποία έχουν μνα φέρουν εις πέρας!Είναι το σημείο επαφής της BALance, ζυγισμένης, ισοσταθμισμένης ή όπως αλλιώς, δίπολης κεραίας με το σημείο της UNbalance, αζύγιστης, άνισης (για να μην πω ανισόρροπης!) ομοαξονικής γραμμής μεταφοράς!Φανταστείτε ένα δίπολο με μήκος σκέλους 50cm. Ένα δίπολο ουσιαστικά για τα 2m. Μπορούμε κάλλιστα να το ισορροπήσουμε στο δάκτυλό μας!Και τα δύο σκέλη του διπόλου είναι στο αέρα και σε πλήρη ισορροπία στον χώρο!Φανταστείτε τώρα ένα κομμάτι ομοαξονικό καλώδιο ανεξαρτήτως μήκους. Σαν υλικό μπορούμε να το ισορροπήσουμε στο δάκτυλό μας. Η συμμετρία στον χώρο όμως είναι αδύνατη γιατί το μπλεντάζ είναι γειωμένο στον κονέκτορα του πομποδέκτη και κατά προέκταση όταν το καλώδιο συνδέεται στο BALUN είναι γειωμένο.

Δεν υπάρχει κεραία πλήρως ισορροπημένη ηλεκτρομαγνητικά στον χώρο παρά μόνο η θεωρητική Ισοτροπική κεραία και αυτή στην οθόνη του υπολογιστή μας. Fig.1Μιλώντας τουλάχιστον για τις συρματοκεραίες αλλά και άλλου υλικού και τύπου, στα Βραχέα!

Κάποιο από τα δύο σκέλη θα είναι πιο κοντά σε έναν τοίχο το άλλο θα περνά πάνω από ταράτσα και σε γενικές γραμμές όλο και κάτι θα είναι ηλεκτρικά κοντά τους για να χαλά την συμμετρία τους και τον ιδεατό λοβό τους! Fig.2

Το σχήμα έχει Αγγλικές “προδιαγραφές”. Φανταστείτε τις αντίστοιχες Ελληνικές με κεραίες τηλεοράσεως και κάγκελα και καμαράκια δώματος και ότι άλλο!

Ακόμα και αν δεχτούμε ότι θα απλώσουμε την κεραία όλη σε ελεύθερο χώρο, θα πρέπει και την κάθοδο να την απομακρύνουμε από το κέντρο του διπόλου σε ορθή γωνία για ένα μήκους που ισούται με το μισό του μήκους κύματος για το οποίο είναι κομμένη η κεραία!Εύκολο ίσως για έναν “κτηματία” αλλά για περιορισμένους χώρους πολύ δύσκολο.Έτσι το ιδεατό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο πάει περίπατο και στην θέση του έχουμε μία χαρακτηριστική ανομοιομορφία εξαρτώμενη από την γειτνίαση της κεραίας με μεταλλικά και άλλα αντικείμενα. Αφού λοιπόν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της κεραίας θα είναι ασύμμετρο το ίδιο ασύμμετρες θα είναι κατά προέκταση οι τάσεις και οι εντάσεις οι οποίες θα διαρρέουν τους αγωγούς!Το ασύμμετρο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έχει επίδραση στον λοβό της κεραίας το οποίο στην ουσία μπορεί και να περάσει απαρατήρητο αλλά η διαφορά συμμετρίας των ρευμάτων στα δύο σκέλη του διπόλου θα οδηγήσει στην δημιουργία ενός “common mode RF current”. Το οποίο θα ρέει κυριολεκτικά στο έξω μέρος του ομοαξονικού προς τον πομπό και θα μας δημιουργεί προβλήματα. Τα γνωστά Rf-ιάσματα! Το ομοαξονικό καλώδιο διαρρέεται από δύο ρεύματα. Το Ι1 το οποίο ρέει στην επιφάνεια του κεντρικού αγωγού ή ψίχας και το Ι2 το οποίο ρέει στο εσωτερικό της θωράκισης ή μπλεντάζ του ομοαξονικού. Με δεδομένη την επαγωγή ρεύματος από την κεραία στα μεταλλικά αντικείμενα τα οποία την περιβάλουν και της διασπούν την συμμετρία, γίνεται επαγωγή ρεύματος και στον μεταλλικό θώρακα του ομοαξονικού καλωδίου τροφοδοσίας εξωτερικά αυτήν την φορά! Το ρεύμα αυτό το οποίο ρέει εξ' επαγωγής λέγεται επίρευμα ή “Common mode RF current” κατά τον Αγγλικό όρο και με τον οποίο θα το συναντήσετε στην βιβλιογραφία! fig.3

Το επίρευμα αυτό το οποίο τροφοδοτήται από την ίδια την κεραία μας και όχι από “αρμονικές” ή ότι άλλο, είναι αυτό το οποίο ξεκινά να χαλά την διαμόρφωση, περνά να “τσιμπά” τα χείλια μας και καταλήγει σε καυγάδες με τους γειτόνους για αθέλητη παρεμβολή στην τηλεόραση, το στερεοφωνικό και έως το θυροτηλέφωνο!Αυτά είναι τα καλά νέα. Έχει και άσχημα!Τα κακά νέα είναι ότι κατά πολύ για αυτή την αν-ισορροπία (Unbalance) φταίμε και εμείς λόγο του τρόπου με τον οποίο κάνουμε την σύνδεση του μπλεντάζ στο ένα σκέλος του διπόλου.Για σκεφτείτε το λίγο! Όλοι μας γυμνώνουμε το μπλεντάζ από την ψίχα, το στρίβουμε καλά-καλά και το κολλάμε(?) στο σύρμα!Αυτό δεν κάνουμε?Δυστυχώς δεν μπορούμε να κάνουμε διαφορετικά.Θυμηθείτε στην ανάρτηση για την διαφορά της RF γης με την ηλεκτρική. Ολόκληρη κουβέντα είχε γίνει για το επιδερμικό φαινόμενο της RF.Η RF ρέει σαν Ι2 στο μέσα μέρος του μπλεντάζ και συνεχίζει σαν Ι3 στο σύρμα του διπόλου. Το ίδιο το μπλεντάζ δρα σαν θώρακας προστασίας!Στρίβοντας όμως το μπλεντάζ δίνουμε πρόσβαση στην RF και στο έξω μέρος του, πράγμα που δεν συμβαίνει έως εκείνο το σημείο!Έτσι έχουμε και ένα τέταρτο ρεύμα το Ι4.Τι μας λέει ο Νόμος των Ρευμάτων του Κίρχοφ? Kirchhoff's current law (KCL).Το άθροισμα των ρευμάτων τα οποία εισέρχονται σε έναν κόμβο είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων τα οποία εξέρχονται από αυτόν!Ι2 = Ι3 +Ι4Όσο μεγαλύτερο είναι το Ι3 και κατά προέκταση η ομοιομορφία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου της κεραίας τόσο μικρότερο το Ι4 και μικρότερα τα προβλήματα τα οποία δημιουργεί η αναπόφευκτη επιστροφή της RF!Αναπόφευκτη?Όχι ιδιαίτερα γιατί εδώ μπαίνει ο ήρωας του έργου, το BAL-UN!Το BAL-UN έχει ως σκοπό της ζωής του και της ύπαρξής του, να προσαρμόσει την ασύμμετρη γραμμή μεταφοράς με την συμμετρική κεραία και να υποβιβάσει το μέγιστο δυνατό το Ι4 ρεύμα!

fig.3

Τα καταφέρνει?Ας δούμε πρώτα πόσοι τύποι BALUN υπάρχουν και πως δουλεύει το κάθε ένα από αυτά.

VOLTAGE BAL-UN (προσαρμογέας τάσεως ζυγισμένου BAL προς αζύγιστο UN)

Είναι το γνωστό μαύρο κουτάκι το οποίο χρησιμεύει και ως σημείο σύνδεσης και συνήθως ο λόγος προσαρμογής είναι 1:1Είναι στην ουσία ένας αυτομετασχηματιστής με τρία τυλίγματα ολόιδια μεταξύ των συνδεδεμένα εν σειρά και σε φάση! fig.4

Η τάση εισόδου Vin εφαρμόζεται στο τύλιγμα 1-2 και τύλιγμα 2-3 σε σειρά. Αρά το κάθε τύλιγμα έχει το μισό τη τάσης εισόδου.Την συμμετρική έξοδο την παίρνουμε από το 2 και το 4 με “μεσαία λήψη” το 3 και το άθροισμα των δύο τάσεων ισούται με το αρχικό. Έτσι λόγω της συμμετρίας V=V/2+V/2 και V/2+V/2=V.Εάν τώρα εφαρμόσουμε και την σύνθετη αντίσταση του φορτίου της κεραία με την μορφή δύο ίσων σύνθετων αντιστάσεων το σχήμα θα το δούμε έτσι.

Δύο ίσες και αντίθετες (ως προς την φορά) σύνθετες αντιστάσεις με κοινό σημείο την “μεσαία λήψη” 3.Σε μία πραγματικά συμμετρική κεραία έχουμε πλήρη εφαρμογή της θεωρίας!Εάν όμως η κεραία δεν είναι συμμετρική οι σύνθετες αντιστάσεις Ζ1 και Ζ2 παύουν να είναι ίσες ενώ ο αυτομετασχηματιστής εφαρμόζει επάνω τους την ίδια τάση.Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να υπάρξει διαφορά στο Ι1 ρεύμα του ενός σκέλους σε σύγκριση με το Ι3 ρεύμα του άλλου σκέλους, διότι I = V / ZL, η ένταση ισούται με το πηλίκο της Τάσης δια την Σύνθετη Αντίσταση. Η διαφορά του Ι1 και του Ι3 δημιουργεί έτσι το επίρευμα Ι4.

Το BAL-UN ακόμα και αν καταπνίγει την πρωτογενή δημιουργία του Ι4, από την ασυμμετρία του αυτό-μετασχηματισμού το ξαναδημιουργεί!Τουλάχιστον βάσει θεωρίας το Voltage BALUN δεν συνιστάται!!!Με απλά καθημερινά λόγια, το συμμετρικό ρεύμα της ψίχας του ομοαξονικού, “τρέχει” στο μέσα μέρος του μπλεντάζ.Στην σύνδεση με το σύρμα του διπόλου δίνουμε διέξοδο και στο έξω μέρος του μπλεντάζ με αποτέλεσμα ένα μέρος του RF ρεύματος να γυρίζει πίσω στο μηχάνημα!Για να το αποφύγουμε αυτό βάζουμε εκεί ένα μπαλούν ή καλύτερα Μπάλαν(!) αλλά αυτό δεν καταφέρνει πολλά πράγματα και μάλιστα μπορεί στην προσπάθειά του να βελτιώσει τα πράγματα, να τα κάνει χειρότερα!

CURRENT BAL-UN (προσαρμογέας ρεύματος ζυγισμένου BAL προς αζύγιστο UN)Από τον χαρακτηρισμό και μόνο βλέπουμε ότι αγγίζει το πρόβλημα.Με την ένταση, με το Ι δηλαδή έχουμε το πρόβλημα και αυτό το BAL-UN, το Ι είναι που προσπαθεί να προσαρμόσει!Είναι πρακτικά αδύνατο στα ραδιοερασιτεχνικά τουλάχιστον μέτρα και σταθμά, να αποφύγουμε την διαρροή του Ι4 στο έξω μέρος του μπλεντάζ λόγω του τρόπου σύνδεσης αλλά και της ασυμμετρίας της κεραίας μας στον χώρο!Μπορούμε όμως κάλλιστα εφαρμόζοντας μια μεγάλη αυτεπαγωγή XL στο σημείο σύνδεσης της καθόδου με την κεραία να αποπνίξουμε το Ι4 και ακόμα να βελτιώσουμε το ισοστάθμισμα-BALance του Ι1 και Ι3.Δεν χρειάζονται εξωτικά υλικά για την XL. Αρκούν μερικές σπείρες του καλωδίου της καθόδου τυλιγμένες γραμμικά μεταξύ των και το τσοκ το οποίο δημιουργούμε είναι το καλύτερο και φτηνότερο BAL-UN!

Από τις επιδράσεις του περιβάλλοντος χώρου της κεραίας θα δημιουργηθεί επίρευμα I4 επάνω στην ομοαξονική κάθοδο και ίσως να χρειαστεί και ένα δεύτερο τσοκ κοντά στο σημείο εισόδου στο σπίτι αλλά, όπως και να 'χει η ένταση του Ι4 δεν θα είναι ίδια

fig.5

και τα “Rfιάσματα” δεν θα έχουν τα ίδια άσχημα αποτελέσματα!Η κατασκευή του είναι απλή και φτηνή. Για συχνότητες έως 14MHz αρκούν 15 σπείρες με διάμετρο γύρω στα 7εκατοστά! Fig.5Το μόνο μειονέκτημα είναι το επιπλέον καλώδιο και το βάρος!

FERRITE BEAD BALUN (προσαρμογέας ζυγισμένου BAL προς αζύγιστο UN με χάντρες φερρίτη)Μεγάλη αυτεπαγωγή μπορούμε να δημιουργήσουμε στην κάθοδο με την προσθήκη χαντρών φερρίτη στο κοάξιαλ με τον τρόπο τον οποίο βλέπετε στην φωτογραφία. Fig.6

Ένα πολύ καλό υλικό με την απαραίτητα μεγάλη Μαγνητική Διαπερατότητα (permeability) είναι το τύπου 77 το οποίο δεν έχει μεγάλη διαφορά από το εικονιζόμενο τύπου 73.Μπορείτε να φτιάξετε πολύ εύκολα ένα BAL-UN χρησιμοποιώντας 12 χάντρες φερρίτη Amidon type FB-77-5621. Προσοχή μόνο στο γεγονός ότι είναι αγώγιμες λόγω της μεγάλης περιεκτικότητας σε σίδηρο.Αυτό το BAL-UN συγκεκριμένα θα αντέχει γύρω στα 100W στα 160m, γύρω στα 250W στα 80m και πάνω από 600W στις υπόλοιπες HF μπάντες!Στο τέλος θα σας δώσω πληροφορίες για περισσότερο διάβασμα ειδικά γι αυτού του είδους τα BAL-UN.Ο W2DU είχε την ιδέα να τοποθετήσει αυτό το BAL-UN στην είσοδο του τιούνερ και με αυτό τον τρόπο να ξεκινήσει την δημιουργία της συμμετρίας ακριβώς στην έξοδο του Π/Δ.Με το να είναι το τιούνερ στον “αέρα”, το μπλεντάζ του ομοαξονικού είναι και αυτό στον “αέρα” και με αυτό τον τρόπο η τροφοδοσία της κεραίας είναι κατά βάση συμμετρική και δεν συντρέχει λόγος δημιουργίας μεγάλου Ι4.Σε μετρήσεις του ο W2DU διαπίστωσε ότι η διαφορά ασυμμετρίας δεν ήταν μεγαλύτερη από 8% και συνήθως όχι περισσότερο από 5%.Ένα άλλο πάλι Ferrite bead BAL-UN το οποίο μπορείτε να φτιάξετε και έχει πολύ καλά αποτελέσματα στα 160m και το πιστώνω (με την καλή έννοια της λέξης) στον SV1HCH χρησιμοποιεί είτε 50 χάντρες FT-73-2401 ή 30 χάντρες FT-43-1024.

Δεν είναι πλήρης η παρουσίαση αλλά το θέμα Ζυγισμένο-BALance προς Αζύγιστο-

fig.6 W2DU bead balun consisting of 50 FB-73-2401 ferrite beads over a length of RG-303 coax.

UNbalance είναι πολύ μεγάλο και η βιβλιογραφία του, ακόμα μεγαλύτερη!Ακούω για προσπάθειες προσανατολισμού των διπόλων για εκπομπή προς ορισμένες κατευθύνσεις αλλά, μη διορθώνοντας την συμμετρία της κεραίας, όλες οι προσπάθειες είναι μάταιες.Ένα χαμηλό δίπολο ακτινοβολεί κατά “μήκος” και όχι κατά “πλάτος”.Δείτε πάλι την fig.2. Φανταστείτε ότι η επιθυμητή κατεύθυνση ακτινοβολίας είναι στην διεύθυνση του σπιτιού.Δείτε την διαφοροποίηση του ΗλεκτροΜαγνητικού πεδίου και τις απώλειες από τον περιβάλλοντα χώρο!Δεν μπορώ να σας προτείνω να πετάξετε τα αγοραστά BAL-UN αλλά θέλω να σας δώσω περισσότερες ιδέες για την καταπολέμηση του RFI.Αν δεν έχετε πρόβλημα παρεμβολών και επιστροφής ραδιοσυχνότητας με την ήδη υπάρχουσα κεραία σας, αφήστε το ως έχει.Αν όμως αντιμετωπίζετε πρόβλημα, προτού πετάξετε τα ωραία σας λεφτουδάκια (και μάλιστα αυτούς τους χαλεπούς καιρούς) δοκιμάστε κάτι άλλο εναλλακτικό και λιγότερο ακριβό!Στοιχεία και φωτογραφίες γι αυτό το άρθρο πήρα από το RadCom Dec. 2009 p41 και το άρθρο του Ian White GM3SEK “voltage baluns versus current baluns- there is only one winner”,The ARRL Antenna Compendium Vol 1 p.157 R.W Lewallen W7El “Baluns: What They Do And How They Do It”The ARRL Antenna Compendium Vol 2 p.172 Albert A. Roehm W2OBJ “Some Additional Aspects of the Balun Problem”

Άξια προσοχής και μελέτης.http://www.eznec.com/Amateur/Articles/Baluns.pdfhttp://www.nonstopsystems.com/radio/balun-cebik.pdfhttp://www.nonstopsystems.com/radio/balun-problem.pdfhttp://www.qth.com/ka9fox/Ferrite-on-Reducing-RFI.htmhttp://audiosystemsgroup.com/RFI-Ham.pdfhttp://www.k1ttt.net/technote/airbalun.htmlhttp://www.w8ji.com/core_selection.htmhttp://lists.contesting.com/_rfi/1999-12/msg00029.html

Αν έχω ξεχάσει κάποια παραπομπή συγχωρέστε με αλλά το ψάξιμο ήταν επίπονο και χρονοβόρο!73SV3AUW