Balun

   Para transformatorów balunowych typu skrętka AC&E 120 Ω (Krone IDC ) na kabel koncentryczny 75 Ω . Rzeczywista długość to około 3 cm.

Balun / ˈ b æ l ʌ n / (od „zbalansowanego do niezbalansowanego”, pierwotnie, ale obecnie datowanego na „ jednostkę równoważącą ) to urządzenie elektryczne, które umożliwia połączenie linii zrównoważonych i niezbalansowanych bez zakłócania układu impedancji którejkolwiek z linii . Balun może przybierać różne formy i może zawierać urządzenia, które również przekształcają impedancje , ale nie muszą tego robić. Czasami, w przypadku balunów transformatorowych, używają sprzężenia magnetycznego , ale nie muszą tego robić. Dławiki w trybie wspólnym są również używane jako baluny i działają poprzez eliminację, a nie odrzucanie sygnałów w trybie wspólnym.

Rodzaje balunów

Klasyczny typ transformatora

Transformator izolacyjny

wokół rdzenia transformatora znajdują się dwa oddzielne elektrycznie uzwojenia cewek drutowych. Zaletą baluna typu transformatorowego w porównaniu z innymi typami balunów jest to, że elektrycznie oddzielne uzwojenia wejściowe i wyjściowe umożliwiają tym balunom łączenie obwodów, których napięcia na poziomie ziemi podlegają pętlom uziemienia lub są w inny sposób niekompatybilne elektrycznie; z tego powodu są one często nazywane transformatorami separacyjnymi .

Ten typ jest czasami nazywany balunem napięciowym . Uzwojenie pierwotne odbiera sygnał wejściowy, a uzwojenie wtórne wysyła przetworzony sygnał. Rdzeń, na którym są nawinięte, może być pusty (rdzeń powietrzny) lub równoważnie z materiału neutralnego magnetycznie, takiego jak podstawka porcelanowa, lub może to być materiał, który jest dobrym przewodnikiem magnetycznym, jak ferryt w nowoczesnych balunach wysokiej częstotliwości ( HF ) lub miękkie żelazo, jak w początkach telegrafii.

Sygnał elektryczny w uzwojeniu pierwotnym jest przetwarzany na pole magnetyczne w rdzeniu transformatora. Kiedy prąd elektryczny przepływający przez uzwojenie pierwotne odwraca się, powoduje to załamanie ustalonego pola magnetycznego. Zapadające się pole magnetyczne indukuje następnie pole elektryczne w uzwojeniu wtórnym.

Stosunek pętli w każdym uzwojeniu oraz sprawność sprzężenia magnetycznego cewek określa stosunek potencjału elektrycznego ( napięcia ) do prądu elektrycznego i całkowitą moc wyjściową. W przypadku wyidealizowanych transformatorów, chociaż stosunek napięcia do prądu zmieni się dokładnie proporcjonalnie do kwadratu przekładni uzwojenia, moc (mierzona w watach ) pozostaje taka sama. W prawdziwych transformatorach część energii jest tracona wewnątrz w wyniku ogrzewania metalowego rdzenia transformatora i tracona na zewnątrz do otaczającego środowiska z powodu niedoskonałego sprzężenia magnetycznego między dwiema cewkami.

Typ autotransformatora

Schemat obwodu baluna autotransformatora wykorzystującego trzy zaczepy na jednym uzwojeniu na pręcie ferrytowym.

Idealny balun składa się z dwóch przewodów (pierwotnego i wtórnego) oraz rdzenia: prąd w przewodzie pierwotnym wytwarza pole magnetyczne w rdzeniu, które z kolei indukuje pole elektryczne w przewodzie wtórnym. Balun autotransformatora ma tylko jedną cewkę lub składa się z dwóch lub więcej cewek , które mają połączenie elektryczne, nawinięte wokół rdzenia. Można również wykonać autotransformator ze zwykłego transformatora, krzyżując uzwojenia pierwotne i wtórne. Baluny wykonane z uzwojeń autotransformatora są również nazywane balunami napięciowymi , ponieważ wytwarzają zrównoważone napięcie wyjściowe, ale niekoniecznie zrównoważony prąd.

Wyobraź sobie balun o tej samej konstrukcji, nawinięty na toroid ferrytowy . Zwróć uwagę, że czarne i czerwone przewody uzwojenia są połączone na gwintowanym złączu.

We wszystkich autotransformatorach pojedyncze uzwojenie musi mieć co najmniej jedno dodatkowe połączenie elektryczne – zwane zaczepem lub punktem zaczepienia – między dwoma końcami uzwojenia. Prąd przesyłany do baluna przez jedną parę połączeń działa jak cewka pierwotna i magnetyzuje cały rdzeń. Kiedy zmienia się prąd elektryczny w segmencie wejściowym cewki, indukowane pole magnetyczne zanika, a załamanie pola magnetycznego w rdzeniu indukuje prąd elektryczny w całej cewce. Połączenia elektryczne z częściami cewki innymi niż połączenia wejściowe mają wyższe lub niższe napięcia w zależności od długości cewki, z której pobierane jest wyjście.

W przeciwieństwie do balunów transformatorowych, balun autotransformatorowy zapewnia ścieżkę dla prądu stałego do uziemienia z każdego terminala. Ponieważ anteny zewnętrzne są podatne na gromadzenie się ładunków elektrostatycznych, ścieżka odprowadzania ładunków statycznych do ziemi przez balun autotransformatora może być wyraźną zaletą.

Typ transformatora linii transmisyjnej

Linie transmisyjne lub baluny dławikowe można uznać za proste formy transformatorów linii transmisyjnych . Ten typ jest czasami nazywany balunem prądowym , ponieważ zapewnia równy prąd po obu stronach jego wyjścia, ale niekoniecznie równe napięcie. Są one zwykle nazywane ununami, ponieważ przechodzą od niezrównoważenia do niezrównoważenia lub niezrównoważenia. Baluny są zbalansowane na niezbalansowane lub bal-un.

Domowy balun 1:1 z rdzeniem toroidalnym i kablem koncentrycznym. Ten prosty dławik RF działa jak balun, zapobiegając przechodzeniu sygnałów na zewnątrz plecionki. Takie urządzenie może być używane do usuwania zakłóceń telewizyjnych , działając jako łamacz warkoczy .

Bardziej subtelny typ powstaje, gdy typ transformatora (sprzężenie magnetyczne) jest połączony z typem linii transmisyjnej (sprzężenie elektromagnetyczne). Najczęściej do uzwojeń stosuje się ten sam rodzaj przewodów linii transmisyjnej, które przenoszą sygnał z radia do anteny, chociaż te baluny można wykonać przy użyciu dowolnego rodzaju drutu. Powstałe urządzenia mają bardzo szerokopasmowe działanie. Transformatory linii transmisyjnych zwykle wykorzystują małe rdzenie ferrytowe w pierścieniach toroidalnych lub dwuotworowych, lornetkowych kształtach.

Transformator linii transmisyjnej Guanella ( Guanella 1944 ) jest często łączony z balunem, aby działał jako transformator dopasowujący impedancję . Pomijając balansowanie, transformator tego typu składa się z linii transmisyjnej 75 Ω podzielonej równolegle na dwa kable 150 Ω, które następnie łączy się szeregowo dla 300 Ω. Jest on realizowany jako specyficzne okablowanie wokół rdzenia ferrytowego baluna.

Rezonans własny

Chociaż baluny są zaprojektowane jako urządzenia magnetyczne – każde uzwojenie w balunie jest cewką indukcyjną – wszystkie transformatory wykonane z rzeczywistych materiałów mają również niewielką pojemność między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, a także między poszczególnymi pętlami w dowolnym pojedynczym uzwojeniu, tworząc niepożądane pojemność .

Elektryczne połączenie pojemności i indukcyjności prowadzi do częstotliwości, w której reaktancja elektryczna indukcyjności własnej i pojemności własnej w balunie są równe co do wielkości, ale przeciwne co do znaku: to znaczy do rezonansu . Balun dowolnej konstrukcji działa słabo przy lub powyżej swojej częstotliwości rezonansowej, a niektóre rozważania projektowe dotyczące balunów mają na celu uczynienie częstotliwości rezonansowej jak najdalej powyżej częstotliwości roboczej.

Balun alternatywy

Zamiast baluna można zastosować dławik RF . Jeśli cewka jest wykonana za pomocą kabla koncentrycznego w pobliżu punktu zasilania zbalansowanej anteny, wówczas prąd RF płynący po zewnętrznej powierzchni kabla koncentrycznego może zostać stłumiony. Jednym ze sposobów na to byłoby przepuszczenie kabla przez toroid ferrytowy. Efekt końcowy jest dokładnie taki sam, jak w przypadku baluna prądowego 1:1 (lub baluna typu Guanella). ( Słoma 2005 , 25-26)

Aplikacje

Funkcją baluna jest ogólnie osiągnięcie kompatybilności między systemami i jako taki znajduje szerokie zastosowanie w nowoczesnej komunikacji, szczególnie w realizacji mikserów konwersji częstotliwości, aby umożliwić telefonię komórkową i sieci transmisji danych. Służą również do przesyłania E1 z kabla koncentrycznego (złącze BNC, złącze 1.0/2.3, złącze 1.6/5.6, złącza typu 43) na kabel UTP CAT-5 lub złącze IDC.

Radia i telewizji

od 75 do 300 Ω wbudowany we wtyczkę anteny.

W telewizji , radiu amatorskim i innych instalacjach i połączeniach antenowych baluny przekształcają impedancje i symetrię linii zasilających i anten.

przewodu dwuprzewodowego 300 Ω lub linii drabinkowej 450 Ω (symetrycznej) na kabel koncentryczny 75 Ω (niesymetryczny) lub bezpośrednie podłączenie symetrycznej anteny do niesymetrycznego kabla koncentrycznego. Aby uniknąć promieniowania linii zasilającej, baluny są zwykle używane jako forma dławika trybu wspólnego przymocowanego w punkcie zasilania anteny, aby zapobiec działaniu kabla koncentrycznego jako anteny i mocy promieniującej. Jest to zwykle potrzebne, gdy antena zbalansowana (na przykład dipol ) jest zasilana kablem koncentrycznym; bez baluna ekran kabla koncentrycznego mógłby łączyć się z jedną stroną dipola, indukując prąd w trybie wspólnym i stając się częścią anteny i niezamierzenie promieniując.

Podczas pomiaru impedancji lub charakterystyki promieniowania zrównoważonej anteny za pomocą kabla koncentrycznego ważne jest umieszczenie baluna między kablem a zasilaniem anteny. Niesymetryczne prądy, które w przeciwnym razie mogą płynąć w kablu, spowodują, że mierzona impedancja anteny będzie czuła na konfigurację kabla zasilającego, a charakterystyka promieniowania małych anten może zostać zniekształcona przez promieniowanie z kabla.

Baluny są obecne w radarach , nadajnikach, satelitach, w każdej sieci telefonicznej i prawdopodobnie w większości modemów/routerów sieci bezprzewodowych używanych w domach. Można go łączyć ze wzmacniaczami transimpedancyjnymi , aby komponować wzmacniacze wysokonapięciowe z komponentów niskonapięciowych.

Wideo

Wideo w paśmie podstawowym wykorzystuje częstotliwości do kilku megaherców . Balun może służyć do łączenia sygnałów wideo z typu skrętka zamiast kabla koncentrycznego. Wiele kamer bezpieczeństwa ma teraz zarówno zbalansowane nieekranowane wyjście skrętki (UTP), jak i niezbalansowane wyjście koncentryczne za pośrednictwem wewnętrznego baluna. Balun jest również używany po magnetowidu do konwersji z powrotem ze zbalansowanego 100 Ω na niezbalansowany 75 Ω. Balun tego typu posiada złącze BNC z dwoma zaciskami śrubowymi . Baluny VGA/DVI to baluny z obwodami elektronicznymi używane do łączenia źródeł VGA/DVI (laptop, DVD itp.) z urządzeniami wyświetlającymi VGA/DVI za pomocą długich kabli CAT-5/CAT-6. Przebiegi powyżej 130 m (400 stóp) mogą stracić jakość z powodu tłumienia i różnic w czasie nadejścia każdego sygnału. Kontrola skosu i specjalny kabel o niskim skosie lub bez skosu jest używany do przebiegów powyżej 130 m (400 stóp). [ potrzebne źródło ]

Audio

transformatory audio ; dwóch z nich to baluny.

W aplikacjach audio baluny służą wielu celom: mogą konwertować między niezbalansowanymi liniami o wysokiej impedancji i zbalansowanymi liniami o niskiej impedancji . Innym zastosowaniem jest odsprzęganie urządzeń (unikanie pętli uziemienia).

Trzecim zastosowaniem balunów w systemach audio jest zapewnienie zbalansowanego zasilania sieciowego sprzętu. Odrzucanie zakłóceń w trybie wspólnym, charakterystyczne dla symetrycznego zasilania sieciowego, eliminuje szeroki zakres szumów pochodzących z wtyczki ściennej, np. hałas z komputerów osobistych i sygnały o częstotliwości radiowej odbierane przez linie/przewody energetyczne działające jak anteny. Szum ten przenika do systemu audio/wideo przez zasilacze i podnosi poziom szumów całego systemu.

Z wyjątkiem połączeń, trzy urządzenia na obrazku są elektrycznie identyczne, ale tylko dwa skrajne lewe mogą być używane jako baluny. Urządzenie po lewej stronie byłoby zwykle używane do podłączenia źródła o wysokiej impedancji, takiego jak gitara, do zbalansowanego wejścia mikrofonowego, służąc jako pasywna jednostka DI . Ten w środku służy do podłączenia zbalansowanego źródła o niskiej impedancji, takiego jak mikrofon , do wzmacniacza gitarowego . Ten po prawej nie jest balunem, gdyż zapewnia jedynie dopasowanie impedancji.

Inne aplikacje

Zobacz też

Cytaty

Ogólne odniesienia

  • Guanella, G. „Nowa metoda dopasowywania impedancji w obwodach o częstotliwości radiowej”. Brown Boveri Review , wrzesień 1944: 329–329.
  •   Sevick, Jerry (W2FMI). Transformator linii transmisyjnej , The American Radio Relay League , 1990, ISBN 0-87259-296-0 .
  • Sevick, Jerry (W2FMI). Budowanie i używanie balunów i ununów: praktyczne projekty dla eksperymentatora . 1994.
  • Podręcznik łączności radiowej , wyd. ( Towarzystwo Radiowe Wielkiej Brytanii , 1976) 12.41, 13.5.
  •   Słoma, R. Dean. Książka anten ARRL . wyd. 20. (Newington, CT: American Radio Relay League , 2005) ISBN 0-87259-904-3 .