Balunes
www.geocities.ws/danielperez www.qsl.net/lw1ecp Ing. Daniel P�rez LW1ECP
fb: Daniel Ricardo Perez Alonso contacto: danyperez1{arrroba}yahoo.com.ar
09/07/07: ampliación
Ya sabemos la definición de diccionario: BALanced to UNbalanced: un balún es
algo que convierte balanceado a desbalanceado y viceversa, aunque en la práctica
se le da ese nombre a otras configuraciones que no hacen exactamente ese
trabajo. En esta nota nos tomaremos esa licencia, aclarándolo cuando sea
necesario.
Vamos a encarar el tema haciendo un paralelo con una cuestión eléctrica de baja
frecuencia:
Un típico motor de alterna consta de bobinados arrollados
sobre un núcleo (estator) de chapas de hierro. |
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Entre Z2 y Z3 se forma un divisor de tensión que aplica parte
de la tensión del vivo a la carcasa, {balun02}. |
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Ahora supongamos que la corriente de fuga no sea para nada
despreciable. Esta corriente circula por la tierra y retorna al generador a
través de su conexión a tierra {balun03}. Pero si la impedancia de esta
conexión no es despreciable, el cable de neutro puede llegar a tener una
importante tensión respecto de tierra. |
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Una solución es hacer como los reparadores de TV, un
transformador "aislador" 220:220, {balun04} a la izquierda. Ahora
no es importante cuán buena sea la puesta a tierra del generador, ya que no
circula corriente por tierra. |
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Ahora apliquemos esto a los balunes de antena:
Así, {balun11} es como se estudia al dipolo en la teoría: infinitamente alejado de tierra y objetos, y el generador colocado justo en sus bornes. Si mide 1/2 de onda, tiene Z = 73,1 +j42,5ohm. Acortándolo un poco se logra aprox. 58ohm con reactancia cero (resonancia) (www.justnet.org/pdffiles/N20402.pdf) |
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En {balun12}, la existencia de la tierra hace que
aparezcan dos impedancias nuevas, con las consiguientes nuevas corrientes. |
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Nada cambia si el generador es flotante y se conecta con
una línea simétrica (que un conductor es físicamente igual al compañero)
{balun13}. |
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Entonces, si convertimos el generador en desbalanceado, poniendo
a tierra uno de sus terminales, como dijimos que tenía tensión, ahora
circulará corriente por esa conexión, {balun14}. |
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La solución nuevamente es el transformador aislador,
{balun15}. |
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A veces, por razones constructivas, el transformador balancea pero no aísla como veníamos viendo, {balun16}. Para que esto equivalga al caso anterior, es necesario que la antena sea simétrica (no es el caso de un dipolo inclinado o una Windom). |
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"Ok, con el balún, a la antena ya no le importa la forma de excitación o
la tierra. Pero a MÍ qué me importa eso?. Voy a llegar más lejos por poner un
balún, sí o no?".
No se trata solamente de llegar más lejos, veamos qué pasa si a un dipolo
balanceado se lo alimenta con coaxil así nomás:
- Si además no se tiene una buena tierra, toda la estación estará
"viva" para la RF.
Cuánto de viva no dependerá sólo de una buena jabalina en tierra húmeda, sino
de la inductancia de la conexión a tierra.
Esto puede ocasionar p. ej. que se acople RF rectificada al preamplificador
cuando se toca el micrófono. Dicen que en casos extremos uno hasta se puede
"quemar los labios".
En mi primerísima estación, usaba un téster como medidor de corriente de placa,
me resultaba imposible obtener un mínimo al ajustar el PI, inexplicablemente
obtenía un MÁXIMO (250mA para una 6BQ5???). Lo que ocurría era esto: con ajuste
óptimo, el cuarto se llenaba de tanta RF que se metía por los diodos del téster
(Central 500H), están para las escalas de tensión alterna, pero permanecen
conectados siempre.
Y los medidores de ROE dan lecturas erróneas si la línea está viva. Esto sí
puede impedir que uno sepa dónde está el punto del transmatch para sacarle el
jugo a la estación.
- La línea irradiará de por sí, por la diferencia entre la corriente del
conductor central y la malla. Esta radiación se suma y resta caprichosamente
según los ángulos a la radiación de la verdadera antena, deformando el diagrama
de radiación. Si Ud. busca contactar en cualquier dirección, no le importará.
Pero si tiene una direccional, o busca lograr un cierto ángulo de disparo hacia
la ionósfera, además de desperdiciar potencia de transmisión en direcciones no
deseadas, también las captará desde ellas: si pretende rotar la antena hasta
anular una estación no deseada, hallará que la línea sin balún le degradó la
relación frente - espalda.
- El equivalente de lo anterior, en recepción, es mayor susceptibilidad a
captar ruidos por parte de la línea. En el caso de LU6ETJ fue la razón más
importante para poner balún.
- Dicen que un balún es bueno para la EMI (interferencia electromagnética).
Esto es parcialmente cierto. Se refiere a que, si la línea irradia y pasa cerca
de televisores (u otros aparatos) o sus antenas o líneas, podría ser que éstos
reciban más señal de la línea que de una antena ubicada varios pisos más
arriba. Estamos hablando principalmente de sobrecarga por la fundamental,
porque si el tema son las armónicas más vale atacarlas con un pasabajos a la
salida del transmisor.
Bueno, y cómo se hace físicamente un balún?. El clásico transformador de
primario y secundario, descubierto por Faraday, tiene ciertos comportamientos
no deseados que hace que los diseñadores se dividan entre ésta y otras
implementaciones.
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{balun21} muestra un circuito equivalente aproximado de un
trafo 1:1. |
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Para aumentar Lm se aumenta la cantidad de espiras. Lamentablemente,
al mismo tiempo aumenta Ld. Esto se puede atacar: |
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En {balun24} presentamos el transformador Guanella, parece
el Faraday pero girando 90 grados el dibujo. Los puntos sobre los bobinados
indican sus fases. Aunque no parezca, demostraremos que cumple la misma
misión. |
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Formas prácticas de chokes de modo común se ven en
{balun25}. |
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Hasta ahora tratamos balunes 1:1. Para casos en que
tengamos p. ej. una línea de 50 y una antena cercana a 200ohm, usaremos un
balún que además transforme 4:1, {balun26}. |
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El Guanella 4:1 {balun27} era muy utilizado para adaptar
75 a 300 en los TV, y sigue usándose en las antenas de TV. Hizo tan popular
al núcleo "binocular" o "pig nose" que se lo conoce como
"núcleo balún". |
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Una simplificación del Guanella 4:1 es el transformador
Ruthroff 4:1 {balun28}. También conviene cuidar una determinada impedancia
característica. |
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Por último, probablemente el más popular de los 1:1, el
Ruthroff 1:1, conocido como "Balún de Tensión 1:1" {balun29} (A). |
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Los balunes hacen nuestra voluntad así en la tierra como en el cielo: no sólo
trabajan en los bornes de las antenas, veremos cómo las salidas a transistores
también los aprovechan.
Comenzamos por considerar el amplificador push-pull de {balun51}. Por simplicidad se omite la fuente. Un transformador Faraday presenta a los transistores la impedancia de carga que exige el diseño. Misma topología que una clásica salida de radio Spica con 2SB56. La pequeña inductancia en serie con el punto medio representa el efecto de acoplamiento imperfecto entre las mitades del primario. No es precisamente algo que le guste al diseñador. Por ahora no molesta porque, trabajando en clase A, por cada mA que sube un transistor en un momento dado, el otro bajará en misma cantidad, y como muestran las flechas, ambas corrientes se cancelan en el punto medio. |
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Como obviamente la mayoría de nosotros no tiene acciones de
la compañía de electricidad, es más probable que la salida sea clase B
{balun52}. Para una dada combinación de Vcc y Z de carga, teóricamente la
máxima potencia obtenible es la misma. |
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La solución está en {balun53}. Se agregó un "balún" de tensión, un autotransformador diseñado para máximo acoplamiento entre sus mitades. Bueno, en realidad no está trabajando como bal-un, la salida de los transistores ya es balanceada y la red de salida presenta una carga flotante. Pero este autotransformador tiene la importante función de convertir esa carga flotante en referida a masa para el transistor al que le toque conducir. |
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{balun54} nos muestra que esa carga de 12,5 ohm, flotante e indigerible para el transistor de turno, termina siendo vista por él como una de 3,125 ohm bien puesta a masa, a la que es fácil entregar la excursión de Vce aún en altas frecuencias. |
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En {balun55} (perdón por la perspectiva surrealista) volvemos un paso atrás. Usa un transformador Faraday en que la única espira del primario se implementa "forrando" con un tubo metálico el interior de los tubos de ferrite. Está la tentación de poner al punto (X) a alimentación (masa para la RF) y obviar el autotransformador. Esto se hace en la Motorola EB63 (amplificador 140Wpep), pero es un diseño súper simplificado que ni siquiera usa transistores caracterizados para SSB. De haberse empleado el autotransformador, probablemente habría sido un poco mejor en IM y potencia en el extremo superior de la banda de operación. |
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Un beneficio adicional del autotransformador es que mejora también el
funcionamiento en el extremo bajo. Su inductancia de magnetización, junto con
los capacitores de acoplamiento, compensa la del transformador de salida,
posibilitando que ésta tenga un valor menor (menos espiras) que sin el
autotransformador.
FAQ sobre balunes
Bueno, no es cierto que me hayan hecho todas estas preguntas... me
pareció una forma amena de seguir con el tema.
"Me dijeron que el de corriente no es un balún".
Para usar las palabras correctas, el Guanella no es un "BALanced to
UNbalanced", más bien es un "lo-que-haya a
lo-que-tenga-que-ser". Veamos estos casos:
- Entre coaxil y dipolo de media onda: lo que hace es lograr que la señal deje
de tener una referencia a tierra (la hace flotar, la aísla, la desacopla), y
después es la simetría del propio dipolo lo que hace que la tensión en sus
ramas termine siendo balanceada.
- Entre coaxil y dipolo asimétrico (una Windom, o un dipolo inclinado): acá la
antena no es balanceada para nada, no puede hablarse de un efecto balanceador,
pero no importa, simplemente cumple su efecto desacoplador para evitar la
corriente de modo común (desde luego, en la Windom también hace falta
transformar impedancia).
Para terminar de fijar el concepto: el Guanella ES un choke, de modo común. Y
de paso aclaremos que la palabra inglesa "choke" (no
"choque") significa "obstrucción", impedancia muy alta.
"Entonces por qué, en los 1:1, es más común el Ruthroff (el de 3
bobinados) que el Guanella (el de 2)?".
No lo sé!. El documento de Ruthroff (que trataba más cosas aparte de balunes)
es de 1959, y citaba al de Guanella de 1944, sin embargo últimamente se está
usando cada vez más el viejo. Es que se está tomando conciencia de que lo que
se necesita en general no es un balún sino un desacople: un verdadero balún
funciona bien (evita corriente de modo común) sólo si la carga es
verdaderamente balanceada.
Además es más complicado (un bobinado más), y tiene menos ancho de banda
relativo. En el Guanella, la f máxima en que desacopla eficazmente está
limitada por la capacitancia entrada-salida y la auto resonancia serie.
Nota: según el propio Ruthroff, el bobinado central "completa el camino
para la corriente de magnetización", y por el dibujo físico no parece ser
importante su acoplamiento a los otros dos. En una nota Philips de ~1978,
"Amplificadores Lineales de BLU Transistorizados", este bobinado
"da continuidad de CC entre los bobinados y mejora el equilibrio del
transformador".
"Hay antenas para las que se pide un balún 4:1 u otras relaciones que no
son 1:1. Para qué, si tengo transmatch?".
El transmatch, también llamado acoplador o sintonizador de antena (ATU), reduce
la ROE que ve el equipo pero no modifica la ROE en la línea (por eso se dice
que no es cierto que "sintonice la antena"). En cambio, un
transformador de impedancia en bornes de la antena, aunque su relación no se
pueda ajustar exactamente para cada frecuencia, reduce la ROE en la línea.
"Y si no me importa la pérdida adicional por ROE en la línea, porque ésta
es corta y de bajas pérdidas?".
Igual conviene el transformador en la antena, porque hay más posibilidades de
que la impedancia que vea el transmatch caiga dentro de su rango de ajuste. Ya
que estamos, recalquemos que un transformador de impedancia en la antena hace
sólo una adaptación gruesa, la fina la da el transmatch
"En una G5RV o tuttifrutti, entre la línea abierta y el coaxil hay que
poner un balún, y tiene que ser 4:1".
Un balún de corriente sí, pero 1:1, porque justamente el tramo de línea abierta
ya trabajó como adaptador de impedancia, no es lo mismo que p. ej. una antena
de 300 alimentada con línea de 300, ahí sí se tiene 300 en su extremo y
require un transformador si se quiere continuar con coaxil.
"Cómo puede irradiar un coaxil, si está blindado?"
Sí, blindado para los campos eléctricos, pero no para los magnéticos. Si la
corriente del conductor central no es igual y contraria a la del blindaje, se
irradia (o capta) la diferencia de corrientes.
"Entonces, qué ventajas tiene un coaxil, por qué se usa tanto?"
Por comodidad: se puede pasar por cualquier lado, atravesar paredes, adosarlo a
superficies metálicas sin preocuparse. Además es inmune a la intemperie
(siempre que no le entre agua por un agujerito): una línea paralela pierde menos pero sólo cuando
está seca (aunque si la separación entre conductores no es continua sino en
escalerita, la degradación es menor, hay menos aislante que se moje).
"Por efecto pelicular, la corriente de modo diferencial circula por el
interior del blindaje, y la de modo común por el exterior".
Ufff, no sé si es tan así, que no se "choquen" esas dos corrientes
porque van por carriles distintos, pero no mezclemos las cosas, el efecto
pelicular no tiene nada que ver con el tema del desbalance de corrientes.
Aunque el espesor del blindaje del coaxil fuese similar a la profundidad de
penetración, no se alteraría el análisis. Además, una línea paralela bien puede
usarse en forma desbalanceada, y ahí sí que es imposible aislar mentalmente la
corriente de modo común invocando el efecto pelicular.
"No se puede poner abajo el balún?".
Hay un detalle que se omitió hasta ahora. Se dijo que el balún (de tensión si
es una antena balanceada, o el de corriente en cualquier caso), al instalarlo
directo en bornes de antena, corta allí la corriente de modo común. Pero esto
NO garantiza que sea nula la corriente de modo común en la otra punta del
cable. Si éste no baja estrictamente a 90 grados con respecto al dipolo, por
más balún que haya arriba, el cable hará de antena receptora y habrá una
corriente en la conexión a tierra. Desde este punto de vista lo correcto sería
poner un balún de corriente cerca del equipo. Pero esto haría perder las otras
ventajas del balún directo en antena. Probablemente, si realmente hace falta un
balún de corriente abajo, lo correcto será agregarlo, en vez de correr hacia
abajo el de la antena.
"Bueno, basta, entonces qué tipo de balún pongo?".
(Aquí, poner redoble de tambores como después que dicen "And the winner
is..." en los Oscar).
Las siguientes respuestas no son basadas en mi (nula) experiencia, sino
deducidas de las fuentes consultadas.
- Si la antena es razonablemente balanceada, cualquiera. Si es de tensión
(Ruthroff): que posea reactancia varias veces superior a la Z de la antena
(ojo!, un balún apto para 50:50 puede quedarse corto para p. ej. 300:300). Si
es de corriente (Guanella): ni se entera de la Z entre ramas, simplemente
métale bastante ferrite para que sea de banda ancha y a otra cosa.
- Si es muy desbalanceada, el de tensión no sirve, tiene que ser un choke. El
de corriente debe tener una generosa impedancia chokeadora, pero es riesgoso
usar ferrite, puede haber una considerable energía aplicada al mismo con
peligro de que se coma buena parte de la misma, y uno jamás se enterará de ello
(con tal que la ROE en el Tx se pueda llevar a 1, creemos ser felices), a menos
que se esté usando tanta potencia que el balún se prenda fuego. También se
puede estar generando armónicas por saturación del núcleo. Ante la duda: balún
al aire con bastantes vueltas de coaxil, y aceptar que no cubrirá todas las
bandas de HF. O tal vez, usar carbonyl (polvo de hierro).
A todo lo anterior, agreguemos la posible necesidad de transformar Z, para que
la ROE en la línea sea razonable.
Mi agradecimiento a la muchachada de http://ar.groups.yahoo.com/group/hamtec/
por la riqueza de preguntas y respuestas sobre temas como éste, que me
impulsaron a escribir esta nota. P. ej. una respuesta de LU9DPD fue la patada
inicial para comparar los balunes de tensión y de corriente. LU6ETJ también
reconocerá su tinta en varias partes.
Bibliografía:
- www.bunkerofdoom.com/lit/bal_xmit/HFbaltransys.pdf
Recopilación muy completa
- Ing. Mata "Transformadores de Banda Ancha en RF", UTN F.R. Bahía
Blanca
- Leer: A Better Antenna Balun
www.arrl.org/qex/2005/qx9roos.pdf
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