Trefwoorden |
Balun voor hogere impedanties (Eerder gepubliceerd in Electron #4, 2007) Inleiding Vele balun ontwerpen gaan uit van een lage systeem impedantie, zoals die b.v. optreedt bij in- en uitkoppeling van versterkertrappen en afgestemde dipool antennes. Bij dit soort toepassingen vinden we systeem impedanties tussen de 10 en 100 Ohm, zodat het niet erg moeilijk is om hiervoor baluns te ontwerpen waarvan de parasitaire eigenschappen te verwaarlozen zijn t.o.v. de gewenste. In het inleidende verhaal over de balun zagen we al dat voor een goede werking de eigen impedantie van deze component minimaal vier maal hoger moest zijn dan de systeem impedantie. Een impedantie van enkele honderden Ohms voor een zelfinductie is zonder al te veel moeite te realiseren op de HF-banden en bij zorgvuldige constructie hiervan is een ongewenste resonantie met de parasitaire capaciteit nog wel buiten dit gebied te houden. Zodra de systeem impedanties echter (sterk) boven de 100 Ohm gaan uitkomen wordt het een stuk moeilijker om deze vier maal hogere balun impedantie te realiseren. Helaas is zo'n hoge systeem impedantie geen uitzondering bij toepassingen met brede band antennes kijken of bij dipool antennes die buiten resonantie bedreven worden. Een nuttige analyse voor dit soort situaties vinden we in het verhaal van Kevin Schmidt, W9CF, zoals dat in het inleidende balun verhaal werd genoemd. Hieruit blijkt dat we voor dit soort situaties moeten streven naar component impedanties van boven de 1000 Ohm en liever nog hoger. Een balun aan de ingang van een symmetrische tuner is geen eenvoudige component. Van een
dergelijke balun wordt gevraagd: - Een perfecte
overgang van a-symmetrie naar symmetrie. Dit is bij
een fluxtrafo altijd moeilijk omdat het 'aard- punt' nooit precies tegenover het midden
van de secundaire winding zit, zie het verhaal over de baluns met kern. - Een hoog
rendement over een zo groot mogelijke bandbreedte. Een niet-optimaal transformator
rendement laat een deel van het over te dragen vermogen
hierin achter, hetgeen de component minder geschikt maakt voor grotere vermogens. - Een gelijke,
en zo hoog mogelijke impedantie naar aarde per tak. Een impedantie van 1500
Ohm of meer over de hele toepassingsbandbreedte is een minimale
eis. Vooral in deze laatste eis onderscheidt een balun voor een symmetrische tuner zich van een 'algemene' balun. Schema De laatste tijd duiken er weer ontwerpen op voor symmetrische tuners, waarbij de koppeling met de a-symmetrische 'buitenwereld' wordt gerealiseerd met een spanningsbalun. Een veel voorkomende uitvoering ziet er schematisch uit als in figuur 1.
In deze balun-transformator wordt het aantal primaire windingen doorgaans gelijk gemaakt aan het aantal secundaire windingen. De generatorspanning U zal dan ook verschijnen over de belastingsweerstand Rb. Omdat de primaire zijde geaard is en de secundaire zijde niet, zou dit type (spannings-)transformator geschikt kunnen zijn voor balun toepassingen mits de secundaire zijde symmetrisch rondom het aardpunt gelegd wordt, ter balancering van de parasitaire capaciteit. Uitvoering Een praktische oplossing voor dit probleem vinden we in figuur 2, waar de secundaire wikkeling tussen de primaire werd ingelegd en waar zowel het primaire voedingspunt als het aardpunt symmetrisch liggen t.o.v. de secundaire zijde. Er werd voor gezorgd dat de capaciteit tussen de wikkelingen zo klein mogelijk werd door de wikkelingen gelijkmatig over de omtrek te verdelen, zodat de afstand tussen de primaire en secundaire wikkeling maximaal werd.
De balun werd berekend voor een
50 Ohm systeem. Omdat de primaire zijde parallel aan de generator staat,
gelden weer dezelfde overwegingen als bij eerdere transformatoren. Bij een
laagste werkfrequentie van 2 MHz. vinden we ook hier weer 10 windingen voor
een Metingen Vervolgens werden de transmissie-eigenschappen van de transformator gemeten. Hierbij werd in aanmerking genomen dat de capaciteit tussen de wikkelingen misschien niet evenredig verdeeld zou kunnen zijn over de omtrek van de transformator. Om deze eventuele 'onbalans' te kunnen meten werden twee metingen uitgevoerd; één maal als transformator met de uitgang in-fase met de ingang, en één maal met de uitgang in tegen-fase. De balun wordt hierbij steeds afgesloten met 50 Ohm.
In figuur 3 is duidelijk dat er inderdaad een verschil is in overdracht indien deze 1 : 1 transformator wordt gemeten in-fase, of in tegen-fase. Bij b.v. 20 MHz. is het verschil in overdracht 0,3 dB; bij 30 MHz. is dit al opgelopen tot 0,8 dB. Waarschijnlijk door resonantie van de inter-winding capaciteit met de secundaire zelfinductie ontstaat bij hogere frequenties een sterke dip in de overdrachtskarakteristiek, die de component verder onbruikbaar maakt als transformator. Verder zorgt deze inter-winding capaciteit voor een verstorend effect omdat de capacitieve signaal- overdracht die hierdoor ontstaat een 'willekeurige' fase-relatie heeft t.o.v. de magnetische overdracht. Het resulterende signaal kan daarom een grillig patroon gaan vertonen aan de hoge frequentie zijde, hetgeen o.a. blijkt uit het 'hobbeltje' bij ca 50 MHz. Los van het verschillende gedrag van de beide configuraties, is uit figuur 2 tevens af te leiden dat de overdacht bij 30 MHz. al veel te wensen over laat; de demping is 1,7 resp. 2,5 dB. Dit laatste betekent dat al een duidelijk merkbaar deel van het over te dragen vermogen in de transformator achter blijft, hetgeen het gebruik van deze component bij hogere vermogens sterk zal beperken. Overigens is deze spanningstransformator uitvoering al aanzien beter dan de spanningsbalun die we in het verhaal over de baluns op kern tegenkwamen. Reflectie meting Om wat meer inzicht te krijgen in de achtergrond van bovenstaand transformator gedrag werd nog een reflectie meting uitgevoerd. Het resultaat van deze meting vinden we in figuur 4.
Uit deze grafiek kunnen we weer aan aantal belangrijke conclusies trekken: - SWR wordt nergens kleiner dan 1 : 1,5. - Vanaf ca 2 MHz en lager wordt SWR hoger t.g.v. te lage parallel inductie van de trafo. - Vanaf 10 MHz en hoger neemt de SWR sterk toe; boven 20 MHz is de trafo feitelijk niet meer bruikbaar omdat de SWR dan te groot wordt.
Over het hele meetgebied van de grafiek vinden we een impedantie (Xserie) met een positieve waarde in serie met de belastingsweerstand; een serie-zelfinductie. Dit betekent dat de transformator nergens een zuiver 'Ohmse' overdracht heeft; de fasehoek tussen stroom en spanning is nergens 0 graden. Deze serie-zelfinductie is bij 10 MHz. al bijna even groot als de belastingsweerstand, om daarna verder toe te nemen tot nog hogere waarden. Dit is het gevolg van de afnemende koppeling tussen de primaire en secundaire zijde van de transformator vanaf ca 10 MHz, hetgeen veroorzaakt wordt door de magnetische eigenschappen van het 4C65 ferriet materiaal. Hierbij nemen de materiaalverliezen sterk toe vanaf ca 10 MHz. om bij de ferrimagnetische resonantie frequentie (ca 45 MHz.) al even hoog te zijn als de (afgenomen) permeabiliteit: de materiaal-Q is hier gelijk aan 1. In de grafiek van de transformator eigenschappen vinden we dit terug vanaf 10 MHz.; enerzijds door een toename van Xserie, veroorzaakt door de toegenomen spreidings-zelfinductie en anderzijds door een toename van Rserie, een schijnbare toename van de belastingsweerstand (verminderde koppeling). Vanaf 60 tot 70 MHz buigt de toename van Xserie plotseling sterk af om snel naar nul te gaan (en daar doorheen). Dat betekent dat vanaf hier de parasitaire capaciteiten (Cinterwinding, Cparallel) de overhand krijgen en de verdere 'overdracht' van de transformator bepalen. We zouden kunnen overwegen om materiaal toe te passen met een hogere ferri-magnetische resonantie-frequentie, b.v. 4D2 type ferriet. De resonantie-frequentie ligt hierbij op een geriefelijke 150 MHz. afstand. Helaas is er een direct, en omgekeerd evenredig verband tussen de permeabiliteit (μ') van magnetisch materiaal en deze ferri-magnetische resonantie frequentie. Het 4D2 materiaal heeft daarom een initiële permeabiliteit van slechts 60, en dat betekent dat er √125/60 = 1,44 (1,5) x zoveel windingen op de kern zouden moeten voor een gelijk gedrag van de transformator bij een laagste toepassingsfrequentie van 2 MHz. Een transformator met meer windingen heeft echter ook grotere parasitaire capaciteiten (minimaal 1,5 x zo groot), waardoor opnieuw de hoogste overdrachtsfrequentie omlaag zal gaan. De conclusie moet daarom zijn, dat deze basis spanningsbalun, bestaande uit twee maal tien windingen, toch niet veel verbeterd zal kunnen worden. Voor een goede werking van een symmetrische tuner, dient de impedantie naar aarde van enige component in deze tuner groter te zijn dan 1500 Ohm. In figuur 3 is te zien, dat de impedantie van de interwinding capaciteit op 10 MHz. al ver beneden de waarde van 1500 Ohm is gedaald en bij 30 MHz. zelfs tot ca 350 Ohm. Het is daarom duidelijk dat deze impedantie vanaf ca 10 MHz en hoger al een merkbare invloed zal hebben op het gedrag van de tuner- / antenne-combinatie, zeker als deze impedantie niet gelijkmatig is verdeeld over de omtrek. Dit laatste wordt natuurlijk nog slechter indien de transformator 1,5 x zoveel windingen zou hebben; de berekende impedantiewaarden bij 10 en 30 MHz. worden dan minimaal gehalveerd. Stroom balun voor een symmetrische tuner Kijken we
opnieuw naar de eerder behandelde stroomtransformator, nu specifiek voor
toepassing in een symmetrische tuner. Alle eerder aangehaalde overwegingen
zijn weer van toepassing en daarmee de uitvoering van de tien windingen RG58
op een
De
karakteristiek van deze component vinden we in figuur 6, nu uitgebreid met
een grafiek voor de impedantie van de balun naar aarde.
In figuur 6 is
duidelijk af te lezen dat de doorgangsdemping bij 2 MHz. al beter is dan bij
de spannings-balun (0,2 dB versus 0,25 dB). In het
gebied tussen 2 en 15 MHz. is de doorgangsdemping van de stroombalun
gemiddeld 0,05 dB, en dat is aanzienlijk beter dan bij de spannings-balun
(gemiddeld 0,4 dB). Bij de
'grensfrequentie' (30 MHz.) is het verschil helemaal opvallend omdat de stroombalun hier maar een doorgangsdemping vertoont van
0,1 dB, terwijl de spanningsbalun al een demping van 1,7 dB resp. 2,5 dB laat
zien. Het is duidelijk dat de stroombalun daarmee
nog goed bruikbaar is tot veel hogere frequenties dan 30 MHz. Impedantie naar aarde Bij gebruik van
deze component in een symmetrische tuner is vooral een hoge impedantie naar
aarde belangrijk. Hoewel de permeabiliteit van het 4C65 materiaal afneemt bij
hogere frequenties, blijft de (vector) som van deze permeabiliteit en de
verliezen nog lang toenemen. Omdat we in dit geval te maken hebben met een
spoel (met toenemende verliesweerstand), loopt deze karakteristiek omgekeerd
t.o.v. de spanningsbalun omdat daar juist een
(parasitaire) capaciteit de impedantie naar aarde bepaalde. Vanaf ca 10 MHz. voldoet de stroomtransformator al vrijwel aan
het impedantie-criterium (Z > 1500
Ohm). Daar beneden wordt de impedantie echter te laag en dienen we
aanvullende maatregelen te nemen. Hogere impedantie De beste ingangsbalun voor een symmetrische tuner zal daarom
bestaan uit een aantal ringkernen op elkaar gestapeld, met daarom heen de
wikkelingen. Elke ringkern meer verhoogt de windingsfactor met dezelfde
waarde: dus 170 + 170 +170 nH = 510 nH /wdg2 voor drie De methode van
de gestapelde kernen voldoet beter dan een aantal van deze mantelspoelen in
serie, hoewel voor lage frequenties de impedanties van beide methoden gelijk
zullen zijn. Voor hogere frequenties vermijden we met de stapel methode de
onvermijdelijke serie-resonantie van de parallel capaciteit van de ene spoel
met de zelfinductie van de andere indien aparte spoelen zouden zijn
toegepast. Zo'n serie-resonantie veroorzaakt juist een lage impedantie en dat
willen we liever vermijden. Bij deze balun
uitvoering met gestapelde kernen zal de toch al goede
overdrachtskarakteristiek nog verder verbeteren, omdat de kleine demping van
de overdracht werd veroorzaakt doordat de mantelsmoorspoel parallel aan de
ingang kan verschijnen bij maximale onbalans van de antenne (zoals deze ook
in de grafiek werd gemeten). Met de hogere impedantie van meerdere,
gestapelde kernen zal de kleine demping nog verder zijn afgenomen. Een laatste,
maar niet onbelangrijk voordeel van de stroombalun
is verder, dat de parallel-tuner nu ook voor gelijkstroom 'hard' aan aarde is
gelegd. De eerdere spanningsbalun had geen enkele verbinding met aarde
waardoor statische ladingen uit de omgeving op het antenne systeem konden
opbouwen, waarmee de componenten van de tuner en de bedienaar in gevaar
konden komen. Een regelmatig terugkerende discussie betreft de vraag of een balun voor of na een symmetrische tuner geplaatst moet worden en dat de verschillen zijn tussen beide mogelijkheden. Hierop heeft Roy Lewallen een afdoend antwoord gegeven in het verhaal: 'The 1 : 1 current balun', waarin hij aantoont dat het voor de werking en specificatie van de balun niet uit maakt. In alle gevallen zal de balun aan de systeemeis moeten voldoen om een hoge impedantie te vertonen tussen de ingang en de uitgang van de component.
Bob J. van
Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|