Trefwoorden

 

systeemeisen

spanningsbalun

stroombalun

voor / na tuner?

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.  

 

 

Enige systeem eisen

 

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.

 

 

Symmetrische spanningsbalun

 

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.

 

 

 

Figuur 1. Spanningsbalun voor een symmetrische tuner

 

 

 

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.

 

 

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: Fluxbalun van Remeeusk

 

Figuur 2: Spanningsbalun in de verhouding 1 : 1

 

 

 

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 36 mm. 4C65 kern. Dit aantal windingen is dan groot genoeg voor een optimale impedantie bij de laagste werkfrequentie en klein genoeg voor zo gering mogelijke parasitaire effecten (capaciteiten over en tussen de wikkelingen). De capaciteit tussen de wikkelingen werd gemeten bij 1 kHz. en blijkt uit te komen op 15 pF.

 

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.

 

 

Figuur 3: Overdrachtskarakteristiek van een 1 : 1 spanningstransformator

 

 

 

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.

 

 

Figuur 4: Reflectie meting aan een 1 : 1 spanningsbalun

 

 

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 36 mm. 4C65 ringkern, die we al tegen kwamen in het verhaal over de balun op een kern, zie figuur 5.

 

Beschrijving: Beschrijving: Beschrijving: balun coax klein

 

Figuur 5. De 1 : 1 stroombalun

 

 

De karakteristiek van deze component vinden we in figuur 6, nu uitgebreid met een grafiek voor de impedantie van de balun naar aarde.     

 

Figuur 6. Karakteristiek van een symmetrische stroombalun

 

 

 

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 36 mm. kernen van 4C65 ferriet materiaal. Daarmee gaat op elke frequentie de impedantie met dezelfde factor omhoog waarmee we gemakkelijk boven 1000 Ohm kunnen komen op 2 MHz.

 

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.

 

 

Voor of na de tuner?

 

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