Der BalUn und Impedanztransformator Worüber genau?
Was ist ein BalUn
Zunächst einmal gibt es immer eine Menge Verwirrung zwischen BalUn und dem Impedanzwandler.
BalUn steht für Balanced – Unbalanced.
Sie verwenden einen BalUn zum Beispiel, um ein unsymmetrisches Speisesystem (Koaxialkabel) an ein symmetrisches (symmetrisches) Antennensystem (z.B. eine Dipolantenne) anzupassen.
Hier findet keine Impedanzanpassung statt, da sowohl die Antenne als auch das Speisesystem etwa 50 Ohm betragen.
Hier geht es also eindeutig um die BalUn.
Sie lesen oft Artikel über eine 1:4-BalUn, zum Beispiel.
Das würde bedeuten, dass ein 1:4 BalUn zwei Funktionen übernimmt, nämlich die Impedanz um den Faktor 4 zu transformieren und den Übergang zwischen einem symmetrischen und einem unsymmetrischen System zu bilden.
In den meisten Fällen funktioniert ein solches kombiniertes System, das nur aus einem Ferritkern besteht, nicht besonders gut.
Die Impedanztransformation ist oft schön, aber die Funktion Balanced – Unbalanced lässt in vielen Fällen zu wünschen übrig.
Warum ein BalUn?
Der Hauptgrund für die Verwendung eines BalUn ist sicherzustellen, dass das Koaxialkabel nicht Teil des Antennensystems wird und daher mit ihm strahlt.
Das hat allerlei unangenehme Auswirkungen, denken Sie nur an: Interferenzprobleme, ein gestörtes Strahlungsmuster der Antenne und ein höherer Rauschpegel.
Der Grund für den letzten Punkt ist, dass die Abschirmung des Koaxialkabels nicht nur beim Senden strahlt, sondern auch als Empfangsantenne fungiert.
Grund genug, einen BalUn zu verwenden.
Die Bilder unten zeigen, dass ein Teil des Antennenstroms nicht das rechte Bein des Dipols, sondern die Außenseite des Koaxialkabels wählt.
Es muss darauf geachtet werden, dass der Strom in beiden Dipolhälften gleich ist und dass ein Pfad zur Erde durch die Ummantelung des Koaxialkabels blockiert wird.
Immer noch nicht überzeugt?
Werfen Sie einen Blick auf die schematischen Darstellungen einer Dipolantenne unten.
Links sehen wir eine schematische Darstellung, wie die ideale Antenne aussehen würde.
Eine Last von 50 Ohm, unabhängig von der Erde.
In der Realität gibt es tatsächlich eine Verbindung zur Erde.
Bedenken Sie, dass eine Dipolantenne, die tief über dem Boden hängt, eine niedrigere Impedanz hat als eine Dipolantenne, die hoch über dem Boden hängt.
Wenn Sie dieses Phänomen berücksichtigen, entspricht das mittlere Diagramm eher der Realität.
Wenn wir uns nun dieses mittlere Diagramm ansehen, stellen wir fest, dass der Widerstand auf der rechten Seite tatsächlich auf zwei Seiten mit der Erde verbunden ist!
Warum wählt der Strom dann trotzdem diesen Widerstand?
Das liegt daran, dass der Strom den Weg mit dem geringsten Widerstand wählt.
In der Praxis wird ein Teil des Stroms durch die rechte Dipolhälfte fließen und ein Teil über die Außenseite des Koaxialkabels zurück zur Erde.
Die Verteilung des Stroms hängt stark von der Länge des Koaxialkabels ab.
Bei einer Dipolantenne ist das Risiko eines Ungleichgewichts bei Koaxialkabeln mit halber Wellenlänge am größten.
Es kommt also zu einem Ungleichgewicht, das zu all dem oben genannten Elend führt.
Es muss eine Lösung gefunden werden, wie im Diagramm rechts zu sehen ist, und darauf werden wir noch näher eingehen.
Welche Anforderungen muss ein BalUn erfüllen?
Ein guter BalUn sollte sicherstellen, dass der Strom in beiden Antennenhälften gleich ist (symmetrisch) und dass kein Strom über die Außenseite des Koaxialkabels zur Erde abfließen kann.
Indem zwei Leiter parallel um einen Ringkern geführt werden, werden beide Ströme gezwungen, gleich zu sein.
Solange die ein- und ausgehenden Ströme der beiden Leiter gleich sind, verhält sich auch der magnetische Fluss im Kern entgegengesetzt und hebt sich gegenseitig auf.
Infolgedessen hat der BalUn keine Auswirkungen auf den Signalstrom.
Jeder Gleichtaktstrom fließt in die gleiche Richtung wie einer der beiden Leiter, so dass der Fluss im Kern ebenfalls die gleiche Richtung hat.
Dieser Fluss sammelt sich an und verursacht eine hohe Impedanz für den Gleichtaktstrom, so dass dieser nicht fließen kann.
Wicklungen aus zwei Leitern, die parallel zueinander verlaufen, werden auch als Bifilar-Wicklungen bezeichnet.
Es ist wichtig, dass die beiden Leiter eng nebeneinander verlegt werden, da der Wellenwiderstand dann etwa 50 Ohm beträgt.
Das funktioniert also nur mit Kupferlackdraht, der eng beieinander liegt.
Wenn Sie isolierten Draht verwenden, ist der Abstand etwas größer, so dass der Wellenwiderstand eher in Richtung 100 Ohm tendiert.
Es ist auch möglich, Koaxialkabel um einen Ringkern zu wickeln, dann bleibt die Impedanz natürlich nur 50 Ohm. Leider gibt es bei Kupferlackdraht in bifilaren Wicklungen einige Einschränkungen.
Die Isolierung ist minimal und kann daher leicht durchschlagen.
Wie können wir dieses Problem lösen?
Es ist besser, isolierten Draht zu verwenden.
HF Kits wählt PTFE-isolierten, versilberten Kupferdraht.
Dieser Wickeldraht hat einen geringen Widerstand, kann hohen Temperaturen standhalten und hat einen Isolationswert von 600 Volt.
Allerdings beträgt die Impedanz von zwei parallelen Drähten mit Isolierung etwa 100 Ohm.
Natürlich darf der BalUn die Impedanz der Antenne nicht beeinträchtigen.
Die BalUn muss also ebenfalls eine Impedanz von 50 Ohm aufweisen.
Die Abbildung unten zeigt, wie zwei Sätze bifilarer Wicklungen parallel um denselben Ringkern geschaltet sind.
Zweimal 100 Ohm parallel ergibt 50 Ohm.
Damit ist die Impedanz des BalUn wieder so, wie sie sein sollte. In der Praxis sieht das so aus wie in der Abbildung unten.
Welcher Ringkern
Für einen guten BalUn oder Impedanztransformator verwenden Sie am besten Ferrit.
Eisenpulver hat einen zu niedrigen AL-Wert, daher ist eine große Anzahl von Wicklungen erforderlich, um ein gutes Ergebnis zu erzielen (ich werde später darauf zurückkommen).
Eine große Anzahl von Wicklungen, insbesondere in einem Impedanztransformator, erzeugt eine große Kapazität zwischen den Wicklungen.
Dies beeinträchtigt die Impedanz vor allem bei höheren Frequenzen.
Daher muss ein Ferritmaterial verwendet werden, das eine ausreichende Selbstinduktion bei einer geringen Anzahl von Windungen aufweist.
Der Frequenzbereich, in dem ein Ferritkern gut funktioniert, hängt von dem gewählten Ferritmaterial ab; auch dies muss natürlich berücksichtigt werden.
Einige Beispiele für gutes Kernmaterial für Breitbandanwendungen: Amidon -43 (1 / 30 MHz) Amidon -61 (10 / 100 MHz) Ferroxcube 4C65 (2 / 30 MHz)
Warum ein Impedanztransformator?
So viel zum BalUn, aber wann kommt der Impedanztransformator ins Spiel?
Eine Impedanztransformation ist notwendig, wenn die Impedanz der Antenne nicht mit der Impedanz des Transceivers und der Speiseleitung übereinstimmt.
In vielen Fällen möchte man mit einem 50-Ohm-Transceiver und einem 50-Ohm-Koaxialkabel bis zur Antenne arbeiten, und wenn die Antenne ebenfalls 50 Ohm aufweist, reicht ein BalUn aus.
Angenommen, Sie arbeiten mit einer “Vollwellen-Quad-Antenne” oder einer “Vollwellen-Delta-Loop-Antenne”, dann beträgt die Antennenimpedanz etwa 100 Ohm.
In diesem Fall wird ein 1:2 Impedanzwandler benötigt, um 100 Ohm in 50 Ohm zu transformieren.
Wenn eine “Of Center Fed Antenna:” (Windom-Antenne) verwendet wird, liegt die Impedanz zwischen 200 und 300 Ohm.
Nun wird ein 1:4 oder 1:6 Impedanztransformator gewählt.
Das Wicklungsverhältnis des Anpassungsübertragers bestimmt die Impedanzanpassung.
Wenn ein Wicklungsverhältnis von 1:2 gewählt wird, wird die Spannung verdoppelt und damit der Strom halbiert.
Dies führt zu einer Impedanzanpassung von 1:4.
Beispiel: 1:2 Wicklungsverhältnis ergibt 1:4 Impedanzanpassung:
In der Praxis
Unten sehen Sie eine Abbildung eines symmetrischen 1:4-Impedanztransformators mit einem Wicklungsverhältnis von 1:2.
Hier werden 6 Primärwicklungen und 12 Sekundärwicklungen verwendet.
Natürlich kann auch eine andere Anzahl von Wicklungen gewählt werden, solange das Verhältnis korrekt bleibt.
Anzahl der Wicklungen
Das Wicklungsverhältnis kann die Impedanzanpassung bestimmen, aber es gibt unzählige Wicklungsmöglichkeiten mit diesem Verhältnis.
In unserem obigen Beispiel könnte man buchstäblich eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen wählen.
Dies ergibt schließlich ein Verhältnis von 1:2.
Eine andere Möglichkeit sind 10 Primärwicklungen und 20 Sekundärwicklungen.
Um die Anzahl der Wicklungen zu bestimmen, müssen wir ein wenig tiefer gehen.
Eine Faustregel, die Ihnen überall begegnet, lautet wie folgt: Die Reaktanz XL (Wechselstromwiderstand) des Transformators sollte mindestens 5 Mal größer sein als die anzupassende Impedanz.
Dies ist notwendig, um den Einfluss des Transformators zu minimieren, damit ein angemessener Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Reaktanz hängt vom Kernmaterial, der Anzahl der Wicklungen und der Betriebsfrequenz ab.
Die Anzahl der Wicklungen ist hier also sehr wichtig.
Ein 1:4-Anpassungstransformator muss auf der Sekundärseite für eine Last von 200 Ohm ausgelegt sein.
Nach der bereits erwähnten Faustregel sollte die Reaktanz (Wechselstromwiderstand) der Sekundärseite des Transformators mindestens (200 x 5) 1000 Ohm betragen.
Wie soll man das berechnen?
Jede Art von Kern hat einen entsprechenden AL-Wert.
Dieser Wert sagt etwas über die Beziehung zwischen der Anzahl der Wicklungen und der daraus resultierenden Selbstinduktivität des Transformators aus.
Der AL-Wert hängt nicht nur vom Kernmaterial ab, sondern auch von den Abmessungen des Kerns.
L(nH) = (N²) × AL
In der obigen Formel ist L die Selbstinduktivität in nH (Nano-Henry), N ist die Anzahl der Wicklungen und AL ist die relative Selbstinduktivität des Kerns.
Unten sehen Sie ein Beispiel für 8 Wicklungen um einen 140-43 Toroid mit einem AL-Wert von 885 nH/N²
L(nH) = (8²) × 885 = 56640 nH ==> 56,6 µH
Nachdem wir nun die Selbstinduktivität der Sekundärseite berechnet haben, kann die Reaktanz für eine bestimmte Frequenz bestimmt werden.
In der folgenden Berechnung gehe ich von dem 80-Meter-Band mit einer Frequenz von 3,6 MHz aus.
XL = L * 2 * π * f ==> XL = (56,6 * 10^-6) * 2 * π * 3.600.000 = 1280 Ohm
“Mini Ringkern Rechner” kann ebenfalls verwendet werden.
Dieses praktische Programm berechnet die oben genannten Berechnungen automatisch.
In diesem Programm wählen Sie einfach den Ringkern aus, woraufhin der AL-Wert sofort bekannt ist.
Wenn Sie einige zusätzliche Daten eingeben, wird auch der Blindwiderstand bei einer bestimmten Frequenz ermittelt.
Download-Link zu Mini Ringker Rechner: Klicken Sie hier!!!
Dann nur noch ein paar Windungen?
Die Anzahl von 8 Sekundärwicklungen wird im Falle des 80-Meter-Bandes ausreichen.
Immerhin liegen 1280 Ohm deutlich über 1000 Ohm.
Sollten wir diesen Transformator für das 160-Meter-Band verwenden wollen, würden wir in Schwierigkeiten geraten.
Die naheliegende Überlegung ist nun, so viele Wicklungen wie möglich zu verwenden, weil der Blindwiderstand dann immer ausreichend ist.
Unnötige Wicklungen bringen leider auch Nachteile mit sich.
Denn die Wicklungen verhalten sich auch im Verhältnis zueinander wie kleine Kondensatoren.
Mehr Wicklungen bedeuten mehr unbeabsichtigte Kapazität im Transformator.
Dies ist ein unerwünschter Effekt, der vor allem oberhalb von 15 MHz auftritt.
Das Ergebnis ist ein schlechtes SWR auf den hohen Bändern.
In diesem Punkt muss also ein Kompromiss gefunden werden.
Mehr Wicklungen bedeuten eine höhere Reaktanz bei den niedrigen Frequenzen, aber ein ungünstigeres SWR bei den hohen Frequenzen.
Wann verwende ich einen BalUn und wann einen Impedanztransformator?
Wenn Sie von einer unsymmetrischen Speiseleitung (Koax) zu einer symmetrischen Antenne (Dipol) wechseln, müssen Sie einen Balun verwenden.
Beide Systeme sind etwa 50 Ohm.
Daher ist keine Impedanztransformation erforderlich und es wird nur ein BalUn benötigt.
Wann ist ein BalUn allein nicht ausreichend?
In dem Fall, in dem eine unsymmetrische Speiseleitung (Koax) zur Speisung einer symmetrischen Antenne mit einer anderen Impedanz verwendet wird.
Es muss nämlich nicht nur ein Übergang von unsymmetrisch zu symmetrisch vorhanden sein, sondern auch die Impedanz muss angepasst werden.
Die beste Methode ist in diesem Fall, beides zu verwenden, also zuerst einen BalUn und dann einen symmetrischen Impedanztransformator.
Es werden also zwei Toroide verwendet.
Halten Sie den Abstand zwischen dem BalUn und dem Anpassungsübertrager so kurz wie möglich.
Wenn nur eine Impedanztransformation vorgenommen werden muss, aber beide Systeme unsymmetrisch sind, reicht ein Impedanztransformator aus.
Betrachten Sie eine Groundplane-Antenne, eine endgespeiste Antenne oder eine Langdrahtantenne mit 1:9 UnUn.
Ein Gleichtaktstromfilter (Drossel) weiter oben in der Speiseleitung ist dann empfehlenswert.