Trefwoorden

 

Berekening

Metingen

Meer typen

Conclusie

 

DRAADBalun

(Eerder gepubliceerd in Electron #4, 2007)

 

 

 

Inleiding

 

Bij veel radioamateur antennes ziet men in het voedingspunt een opgerold 'bosje' coax kabel hangen. Het idee zou kunnen opkomen dat dit een voorraadje draad is, bedoelt om de antenne in een later stadium nog enkele meters hoger te kunnen hangen. Bij nadere beschouwing blijkt dit echter een met zorg samengestelde spoel te zijn die een duidelijke functie heeft bij de overgang van een symmetrische antenne naar een a-symmetrische voedingslijn. Zo'n spoel heeft een impedantie die hoger wordt met de frequentie en vormt hiermee een barrière voor stromen die via de buitenmantel van deze voedingskabel zouden kunnen wegvloeien. De functie van dit bosje draad is daarmee bepaald als mantelstroom smoorspoel of  stroombalun met een 1 : 1 overzet verhouding.

 

 

Impedantie berekening

 

Om een gevoel te krijgen voor wat getalletjes, rekenen we zo'n stroombalun uit voor een antenne met een impedantie van 50 Ohm; afhankelijke van de hoogte boven de grond zal een dipool antenne inderdaad zo'n impedantie (stralingsweerstand) kunnen vertonen. Uit het inleidende balunverhaal weten intussen dat we voor de mantel-impedantie een waarde zoeken van vier maal de systeem-impedantie, hier dus: 4 x 50 = 200 Ohm, en wel op de laagste frequentie waarop we de balun willen toepassen, b.v. vanaf 2 MHz. Omdat de impedantie van een spoel omhoog loopt met de frequentie, wordt de mantel impedantie dan automatisch beter (hoger) op hogere frequenties.

 

Op een laagste frequentie van 2 MHz. berekenen we voor een spoelimpedantie van 200 Ohm, een zelfinductie van:  

L = XL / w =  200/ (2.p. 2.106) = 16 mH

 

Let op: De waarde van de impedantie (en dus van de hieruit afgeleide zelfinductie) hangt samen met de 'systeem' impedantie van 50 Ohm. Dit geldt dus in het algemeen zo ongeveer indien toegepast in samenhang met een dipoolantenne-in-resonantie. Buiten resonantie is de impedantie (veel) hoger en dient dus ook de mantel impedantie van de balun-'spoel' hoger te zijn als deze nog steeds 'groot' moet zijn t.o.v. de dan geldende 'systeem'-impedantie. We dienen dus altijd op te passen als we een dipool antenne buiten resonantie aansturen.

 

De algemene formule voor het berekenen van een zelfinductie luidt:

L = n2 . μ . Q / l,    (H)

 

waarin 'n' staat voor het aantal windingen, 'Q' voor het oppervlak van één winding en 'l' voor de lengte waarover gewikkeld werd. Deze theoretische formule levert redelijk nauwkeurige waarden, zolang de lengte meer dan drie maal zo groot is als de doorsnede van de spoel.

 

Een spoel die is opgerond tot een keurig bosje draad voldoen absoluut niet aan de lengte / diameter eis, maar gelukkig levert de ARRL in hun handboeken een praktijkvoorbeeld van het maken van zo'n draaddipool. Afhankelijk van de specifieke toepassing / gewenste bandbreedte raadt men voor het HF-gebied (3 - 30 MHz) een aantal van 6 - 10 windingen aan met een diameter tussen de 10 en 15 cm. Als voorbeeld heb ik zo'n draadbalun gemaakt bestaande uit 6 windingen met een diameter van 12 cm, die we vinden in figuur 1.

 

 

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: Wire balun klein

 

Figuur 1. Draad balun voor de HF banden volgens ARRL.

 

 

 

 

Metingen aan draad baluns

 

Transmissie

De balun uit figuur 1 werd vervolgens gemeten op zijn 'stroombalancerende' eigenschappen door te kijken naar zijn transmissie en reflectie gedrag, steeds afgesloten met een weerstand van 50 Ohm. De metingen werden verricht onder maximaal ongunstige balans condities, d.w.z. aan de 'secundaire' zijde met de middengeleider aan aarde.

Allereerst zien we de transmissie eigenschappen in figuur 2.

 

 

 

                                   Figuur 2. Transmissie van een draadbalun

 

 

 

In figuur 2 zien we het transmissiegedrag (insertion loss) van de draadbalun van figuur 4.

Vanaf ca 2 MHz. en hoger zijn de verliezen al lager dan 1 dB om pas bij ca 50 MHz. weer te gaan toenemen. Het gedrag aan de lage kant wordt veroorzaakt door de spoelimpedantie van de 6 windingen, die voor frequenties lager dan 2 MHz. merkbaar wordt als een parallelspoel aan de ingang. Aan de hoge kant wordt de afval bepaald door de parallelcapaciteit van de spoel. Deze parallel capaciteit is een min of meer 'toevallige' waarde, die best wat groter of kleiner kan uitvallen, afhankelijk van de wijze waarop de windingen naast elkaar liggen. Dat de demping na de resonantie-'dip' nog even verbeterd is voor onze toepassing eigenlijk niet meer van belang.

 

Hoewel het frequentiegedrag van deze stroombalun helemaal niet zo slecht is, zouden we kunnen overwegen om het gedrag aan de lage frequentiezijde nog wat te verbeteren door meer windingen op de spoel te leggen. Hierdoor zal de parallel capaciteit echter ook gaan toenemen waardoor het gedrag van de 'resonantie dip' aan de hoge frequentie zijde omlaag gaat in frequentie. Hoewel we hier nog wat ruimte hebben voordat de effecten merkbaar gaan worden op de HF-banden tot 30 MHz., zouden we dat toch liever willen vermijden.

 

Reflectie

Kijken we ook nog naar het reflectie gedrag, d.w.z. naar de SWR aan de ingang van deze component onder de condities als hier boven. We vinden dan figuur 3.

 

 

 

                                   Figuur 3. Reflectie van een draad balun

 

 

 

In figuur 3 vinden we terug wat we meten aan de ingang van onze draad balun, als deze wordt afgesloten met een weerstand van 50 Ohm en een toestand van maximale onbalans moet voeden (middengeleider geaard aan secundaire zijde). Waar de verliezen gingen oplopen in de transmissie grafiek (< 2 MHz.) zien we hier de reflecties gaan toenemen (SWR wordt groter) en waar de parasitaire capaciteit merkbaar was (> 50 MHz.) merken we dit ook in de toename van de SWR. Ook hier zien we de SWR nog even 'terugkomen' op ca 150 MHz. maar dat is voor onze toepassing niet meer zo relevant en bovendien afhankelijk van 'toevallige' omstandigheden (spoelcapaciteit).

 

Vermogen

Alles bijeen is dit echter zeker geen slechte stroombalun en we zouden kunnen overwegen om deze voortaan ook maar op deze wijze toe te passen. Dit wordt zeker een overweging als we ons vervolgens realiseren dat de toegestane belasting op deze balun uitsluitend wordt bepaald door de eigenschappen van de toegepaste transmissielijn; bij gebruik van RG58:

Vmax = 1900 V. (600 bij de geschuimde binnenisolatie van RG 58 foam)

Imax ca 5 A.

Volgens het ARRL handboek kan RG58 materiaal veilig elk vermogen hanteren tot ruim boven de 1,5 kW (de officiële limiet in de VS).

 

 

Meer typen draad balun

 

Eind jaren '90 heeft Steve Steltzer, WF3T, een serie metingen gedaan aan diverse draad-balun typen met een geautomatiseerde meetopstelling met een HP vector voltmeter. Hij heeft hiervoor twee type 'hemelwater afvoerbuis' gebruikt, t.w. van 10,8 cm diameter (4 1/4 ") en 16,8 cm (6 5/8 "), met daarop verschillende aantallen windingen met RG58 coax. Telkens is een serie metingen gedaan van het totale impedantie-verloop tussen 1 en 35 MHz. De grafiek hiervan zien we in figuur 4.

 

 

Figuur 4. Draadbalun impedanties

 

 

In figuur 4 zien we de resultaten van de metingen. Alle spoelen zijn netjes, en aansluitend gewikkeld, behalve de balun gemerkt 'bosje'.

 

Zoals we al eerder zagen willen we voor een 50 Ohm systeem het liefst een balun met een eigen impedantie die minstens vier maal zo hoog ligt, dus minimaal 200 Ohm. Het is duidelijk dat de spoelen: '6 wdg 10,8 cm' en '4 wdg 16,8 cm' hier niet aan voldoen op de 80 m. band. We dienen tenminste 12 wdg op de kleinere diameter te leggen of 8 wdg op de grotere om aan dit criterium te voldoen. 

 

Verder zien we bij alle baluns een opvallende resonantie piek, waarbij de impedantie oploopt tot indrukwekkende waarden. Dit is het gevolg van een parallel-resonantie van de spoel met zijn parasitaire capaciteit. Bij meer windingen gaat de zelfinductie van de spoel omhoog en zal, bij gelijkblijvende capaciteit, de resonantiefrequentie omlaag gaan. Omdat meer windingen ook een toename van de capaciteit betekenen, werkt dit effect hier dubbel.

 

Na de resonantie-piek neemt de impedantie weer af, omdat nu de invloed van de parasitaire capaciteit de overhand krijgt. Zolang de totale impedantie maar hoog blijft is dit geen probleem, maar we zien dat bij b.v. de 10 meter band vrijwel alle spoelen een te lage impedantie overhouden om nog bruikbaar te zijn als balun.   

 

Bij de meting: '8wdg, 17 cm bosje', werd de spoelkoker uit de vorige meting (8 wdg, 17 cm) verwijderd en de spoel opgebonden tot een draadrol met een veel kleiner lengte, op de wijze waarop die vaak te zien is onder aan een antenne. Hier is duidelijk te zien dat de resonantie frequentie nog verder omlaag is geschoven t.g.v. de toename van de parasitaire capaciteit. Dat laatste komt voornamelijk omdat de windingen met het grootste potentiaal verschil (eerste en laatste winding) nu dichter bij elkaar liggen. Was de netjes gewikkelde spoel van 8 windingen nog bruikbaar tot ca 30 MHz, nu is diezelfde spoel als een bosje samengebonden al bij 15 MHz. beneden de maat. Steve meldt dat dit effect bij alle andere spoelen ook is waargenomen.

 

Een verder punt van aandacht bij deze draad baluns is nog dat de bovenstaande metingen alleen een richtlijn van de verwachte waardes geven en niet als absolute waarheid gelden. De waargenomen resonantie piek is een gevolg van de parasitaire capaciteit t.g.v. de toevallige wijze waarop het 'bosje' werd samengebonden. Als een bepaalde (hoge) waarde op een bepaalde frequentie bereikt moet worden, zal hiervoor een speciale balun moeten worden gemaakt en 'afgeregeld' door de wijze van samen binding te variëren totdat het gestelde doel is bereikt.

 

 

Conclusie

 

Uit deze serie metingen kunnen we de conclusie trekken dat een draadbalun bruikbaar kan zijn over een beperkt aantal amateur banden en bij zorgvuldige planning van de resonantiepiek, op een enkele band zelfs niet is te overtreffen.

Als richtlijn kan gelden dat een draadbalun, mits zorgvuldig samengesteld, goed kan werken over een frequentiegebied met een verhouding van ca 1 : 3, b.v. 3,6 t/m 10 MHz, 7 t/m 21 MHz, 10 t/m 30 MHz, maar niet over het gehele HF-gebied van 1,8 - 30 MHz. Voor grotere bereiken zijn andere oplossingen gevonden in de vorm van baluns-met-ferrietkern.

 

 

 

Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl