Balun - Balun
| Del av en serie om |
| Antenner |
|---|
 |
En balun / b æ l ʌ n / (fra "balansert til ubalansert", som opprinnelig, men nå datert fra " balansere enheten ") er en elektrisk anordning som omformer mellom et balansert signal og et ubalansert signal . En balun kan ha mange former og kan inneholde enheter som også transformerer impedanser, men ikke trenger å gjøre det. Transformatorbaluner kan også brukes til å koble linjer med ulik impedans. Noen ganger, når det gjelder transformatorer, bruker de magnetisk kobling, men trenger ikke gjøre det. Common-mode chokes brukes også som baluns og fungerer ved å eliminere, i stedet for å ignorere, common mode-signaler.
Typer av balun
Klassisk transformator type
I klassiske transformatorer, er det to elektrisk adskilte viklinger av trådspoler rundt transformatorens kjerne. Fordelen med transformatortype fremfor andre typer balun er at de elektrisk separate viklingene for inngang og utgang tillater disse balunene å koble kretser hvis bakkenivåspenninger er underlagt jordsløyfer eller på annen måte er elektrisk inkompatible; av den grunn kalles de ofte isolasjonstransformatorer .
Denne typen kalles noen ganger en spenningsbalun . Den primære vikling mottar inngangssignalet, og det sekundære svingete legger ut det omformede signal. Kjernen de er viklet på kan enten være tom (luftkjerne) eller, tilsvarende, et magnetisk nøytralt materiale som en porselensstøtte, eller det kan være et materiale som er god magnetisk leder som ferrit i moderne høyfrekvente (HF) baluner , eller mykt jern som i de første dagene av telegrafi.
Det elektriske signalet i primærspolen omdannes til et magnetfelt i transformatorens kjerne. Når den elektriske strømmen gjennom primæren reverserer, får det etablerte magnetfeltet til å kollapse. Det kollapsende magnetfeltet induserer deretter et elektrisk felt i sekundærviklingen.
Forholdet mellom sløyfer i hver vikling og effektiviteten til spolenes magnetiske kobling bestemmer forholdet mellom elektrisk potensial ( spenning ) og elektrisk strøm og den totale effekten til utgangen. For idealiserte transformatorer, selv om forholdet mellom spenning og strøm vil endre seg nøyaktig i forhold til kvadratet i viklingsforholdet, forblir effekten (målt i watt ) identisk. I virkelige transformatorer går noe energi tapt inne til oppvarming av transformatorens metallkjerne, og går tapt utenfor til omgivelsene på grunn av ufullkommen magnetisk kobling mellom de to spolene.
Autotransformator type
Vanligvis består en balun av to ledninger (primær og sekundær) og en toroidkjerne : strømmen i primærledningen genererer et magnetfelt i kjernen, som igjen induserer et elektrisk felt i sekundærledningen. En autotransformator balun har bare en spole , eller er laget av to eller flere spoler som har en elektrisk tilkobling. Spolen er vanligvis viklet på en ferrittstang eller en doughnutformet toroid. Man kan også lage en autotransformator fra en vanlig transformator ved å krysskoble de primære og sekundære viklingene. Baluner laget med autotransformatorviklinger kalles også spenningsbaluner , siden de produserer balansert utgangsspenning, men ikke nødvendigvis balansert strøm.
I alle autotransformatorer må enkeltviklingen ha minst én ekstra elektrisk tilkobling - kalt en tapp eller tapp - mellom de to endene av viklingen. Strømmen som sendes inn i balun gjennom ett par tilkoblinger virker som om det var en primær spole, og magnetiserer hele kjernen. Når den elektriske strømmen i inngangssegmentet til spolen endres, kollapser det induserte magnetfeltet og kollapsen av magnetfeltet i kjernen induserer en elektrisk strøm i hele spolen. Elektriske tilkoblinger til deler av spolen som er forskjellige fra inngangstilkoblingene, har høyere eller lavere spenninger avhengig av lengden på spolen som utgangen tappes fra.
Som med en toviklet transformator balun, endres forholdet mellom spenning og strøm i forhold til kvadratet av antall viklinger mellom de to inngangstrådene dividert med antall viklinger mellom de to utgangstrådene.
I motsetning til baluner av transformator-typen, gir en autotransformator balun en bane for likestrøm til jord fra hver terminal. Siden utendørs antenner er utsatt for oppbygning av statisk elektrisk ladning, kan banen for statikken renne til bakken gjennom en autotransformator balun være en klar fordel.
Transmisjonslinjetransformator type
Overføringslinje eller choke baluns kan betraktes som enkle former for transmisjonslinjetransformatorer . Denne typen kalles noen ganger en nåværende balun , siden den sikrer lik strøm på begge sider av utgangen, men ikke nødvendigvis lik spenning. Disse kalles normalt ununer, fordi de går fra ubalansert til ubalansert eller un-un. Baluner er balansert til ubalansert eller bal-un.
En mer subtil type oppstår når transformatortypen (magnetisk kobling) kombineres med transmisjonslinjetypen (elektromagnetisk kobling). Vanligvis brukes den samme typen overføringslinjetråder for viklingene som sender signalet fra radioen til antennen, selv om disse balunene kan lages ved bruk av alle typer ledninger. De resulterende enhetene har svært bredbåndsoperasjon. Transmisjonslinjetransformatorer bruker vanligvis små ferritkjerner i toroidale ringer eller to-hulls, kikkertform. Noe så enkelt som 10 omdreininger med koaksialkabel som er viklet opp på en diameter på størrelse med en tallerken, gjør en effektiv choke balun for frekvenser fra omtrent 10 MHz til utover 30 MHz. Det magnetiske materialet kan være luft, men det er en transmisjonslinjetransformator.
Transformatoren til Guanella -overføringslinjen ( Guanella 1944 ) kombineres ofte med en balun for å fungere som en impedansmatchende transformator. Å sette balansen til side en 1: 4 transformator av denne typen består av en 75 Ω overføringslinje delt parallelt i to 150 Ω kabler, som deretter kombineres i serie for 300 Ω. Det er implementert som en spesifikk ledning rundt ferrittkjernen i balun.
Forsinkelseslinjetype
En stor klasse baluner bruker tilkoblede overføringslinjer med bestemte lengder, uten noen åpenbar "transformator" -del. Disse er vanligvis bygget for (smale) frekvensområder der de involverte lengdene er et multiplum av en kvart bølgelengde for den tiltenkte frekvensen i transmisjonslinjemediet. En vanlig applikasjon er å lage en koaksial tilkobling til en balansert antenne, og design inkluderer mange typer som involverer koaksialsløyfer og forskjellige tilkoblede "stubber".
En enkel måte å lage en balun på er en halv bølgelengde (λ/2) lengde på koaksialkabel . Den indre kjernen i kabelen er koblet i hver ende til en av de balanserte forbindelsene for en mater eller dipol. En av disse terminalene bør kobles til den indre kjernen i den koaksiale materen. Alle tre flettene skal være tilkoblet. Dette danner deretter en 4: 1 balun som fungerer med bare en frekvens.
En annen smalbåndsdesign er å bruke en λ/4 metallrørlengde. Koaksialkabelen er plassert inne i røret; i den ene enden er flettet koblet til røret mens den andre enden ikke er koblet til røret. Den balanserte enden av denne balun er i enden hvor det ikke er koblet til røret. Λ/4 -lederen fungerer som en transformator, og omdanner nullimpedansen i den korte til flettet til en uendelig impedans i den åpne enden. Denne uendelige impedansen i den åpne enden av røret forhindrer at strøm strømmer inn i det ytre koaksialet som dannes av utsiden av det indre koaksialskjermet og røret, og tvinger strømmen til å forbli i det indre koaksialet. Denne balun -designen er ikke bra for lave frekvenser på grunn av den lange rørlengden som vil være nødvendig. En enkel måte å lage en slik balun på er å male utsiden av koaksialen med ledende maling, for deretter å koble denne malingen til flettet gjennom et brudd i den ytre isolasjonen 1/4 bølge fra enden. For begge former (rør eller maling) er lengden avhengig av hastighetsfaktoren for den ytre overføringslinjen.
Selvresonans
Selv om baluner er designet som magnetiske enheter- hver vikling i en balun er en induktor- har alle transformatorer laget av ekte materialer også en liten kapasitans mellom de primære og sekundære viklingene, samt mellom individuelle sløyfer i en enkelt vikling, og danner uønsket selv- kapasitans .
Den elektriske forbindelsen mellom kapasitans og induktans fører til en frekvens der den elektriske reaktansen til selvinduktansen og selvkapasitansen i balun er like og motsatt: resonans . En balun av ethvert design fungerer dårlig ved frekvenser ved eller over resonansen, og noen av designhensynene for baluner er for å gjøre resonansfrekvensen så langt over driftsfrekvensen som mulig.
Balun -alternativer
En RF -drossel kan brukes i stedet for en balun. Hvis en spole lages ved hjelp av koaksialkabel nær matingspunktet til en balansert antenne, kan RF -strømmen som strømmer på den ytre overflaten av koaksialkabelen dempes. En måte å gjøre dette på er å føre kabelen gjennom en ferrit toroid. Sluttresultatet er nøyaktig det samme som en 1: 1 nåværende balun (eller balan av Guanella-type). ( Halm 2005 , 25-26)
applikasjoner
En baluns funksjon er generelt å oppnå kompatibilitet mellom systemer, og finner som sådan omfattende anvendelse i moderne kommunikasjon, spesielt i å realisere miksere av frekvensomformere for å gjøre mobiltelefon- og dataoverføringsnettverk mulig. De brukes også til å konvertere et E1- bærersignal fra koaksialkabel (BNC-kontakt, 1,0/2,3-kontakt, 1,6/5,6-kontakt, Type 43-kontakter) til UTP CAT-5- kabel eller IDC-kontakt.
Radio og fjernsyn
I fjernsyn , amatørradio og andre antenneinstallasjoner og -forbindelser konverterer baluner mellom impedanser og symmetri av matelinjer og antenner.
For eksempel, transformasjon av 300-Ω dobbelt-ledning eller 450-Ω stigelinje (balansert) til 75-Ω koaksialkabel (ubalansert), eller for å koble en balansert antenne direkte til ubalansert koaksialkabel. For å unngå stråling fra mateledninger, brukes baluner vanligvis som en form for vanlig modus choke festet på antennematingspunktet for å forhindre at koaksialkabelen fungerer som en antenne og utstråler kraft. Dette er vanligvis nødvendig når en balansert antenne (for eksempel en dipol ) mates med koaks; uten balun kan koaksialskjoldet kobles til den ene siden av dipolen, indusere vanlig modusstrøm og bli en del av antennen og utilsiktet utstråle.
Når det gjelder overføring av antenner, er valg av toroidkjerne avgjørende. En tommelfingerregel er: jo mer kraft jo større kjerne.
Når du måler impedansen eller strålingsmønsteret til en balansert antenne ved hjelp av en koaksialkabel, er det viktig å plassere en balun mellom kabelen og antennematingen. Ubalanserte strømmer som ellers kan strømme på kabelen vil gjøre den målte antenneimpedansen følsom for matekabelen, og strålingsmønsteret til små antenner kan bli forvrengt av stråling fra kabelen.
Baluns er til stede i radarer , sendere, satellitter, i alle telefonnettverk, og sannsynligvis i de fleste trådløse nettverksmodem/rutere som brukes i hjem. Den kan kombineres med transimpedansforsterkere for å komponere høyspentforsterkere ut av lavspenningskomponenter.
Video
Baseband -video bruker frekvenser på opptil flere megahertz . En balun kan brukes til å koble videosignaler til snoede kabler i stedet for å bruke koaksialkabel. Mange sikkerhetskameraer har nå både en balansert UTP -utgang (uskermet vridd par) og en ubalansert koaksial via en intern balun. En balun brukes også på videoopptakerenden for å konvertere tilbake fra 100 Ω balansert til 75 Ω ubalansert. En balun av denne typen har en BNC -kontakt med to skrueterminaler . VGA/DVI-baluner er baluner med elektroniske kretser som brukes til å koble VGA/DVI-kilder (bærbar PC, DVD, etc.) til VGA/DVI-displayenheter over lange serier med CAT-5/CAT-6-kabel. Løp over 130 m (400 fot) kan miste kvalitet på grunn av demping og variasjoner i ankomsttiden til hvert signal. En skjevkontroll og spesiell lav eller skjev ledning brukes for løp over 130 m (400 fot).
Lyd
I audio anvendelser, baluner konvertere mellom høy-impedans ubalansert og lav impedans balansert linje . En annen applikasjon er frakobling av enheter (unngå jordsløyfer).
En tredje anvendelse av balun i lydsystemer er levering av balansert strøm til utstyret. Vanlig avvisning av forstyrrelser som er karakteristisk for balansert strømforsyning, eliminerer et bredt spekter av støy fra veggpluggen, f.eks. Strømnettet interferens fra klimaanlegg/ovn/kjøleskapmotorer, koblingsstøy produsert av lysrør og dimmerbrytere, digital støy fra personlige datamaskiner og radiofrekvenssignaler hentet opp av kraftledningene/ledningene som fungerer som antenner. Denne støyen infiltrerer lyd-/videosystemet gjennom strømforsyningene og hever støygulvet i hele systemet.
Bortsett fra tilkoblingene er de tre enhetene i bildet elektrisk identiske, men bare de to til venstre kan brukes som balun. Enheten til venstre vil normalt bli brukt til å koble en høyimpedans -kilde, for eksempel en gitar, til en balansert mikrofoninngang, som fungerer som en passiv DI -enhet . Den i midten er for å koble en balansert kilde med lav impedans, for eksempel en mikrofon , til en gitarforsterker . Den til høyre er ikke en balun, da den bare gir impedansmatching.
Andre applikasjoner
- I kraftledningskommunikasjon brukes baluner for å koble signaler til en kraftledning.
- I elektronisk kommunikasjon konverterer baluns Twinax -kabler til Cat 5 -kabler og tilbake.
Se også
- Antennetuner § balun
- Elektromagnetisk interferens
- Ferritperle
- Impedansmatching
- Magnetisk kjerne
- Toroidale induktorer og transformatorer
- Utilsiktet radiator
Referanser
Sitater
Generelle referanser
- Guanella, G. "Ny metode for impedansmatching i radiofrekvente kretser". Brown Boveri Review , september 1944: 329–329.
- Sevick, Jerry (W2FMI). Transmission Line Transformer , The American Radio Relay League , 1990, ISBN 0-87259-296-0 .
- Sevick, Jerry (W2FMI). Bygg og bruk av Baluns og Ununs: Praktiske design for eksperimentatoren . 1994.
- Håndbok for radiokommunikasjon , 5. utg. ( Radio Society of Great Britain , 1976) 12.41, 13.5.
- Straw, R. Dean. ARRL Antennebok . 20. utg. (Newington, CT: American Radio Relay League , 2005) ISBN 0-87259-904-3 .