Токовый балун 4:1 с улучшенными характеристиками на одном сердечнике

Понедельник , 8, Апрель 2019 Комментарии к записи Токовый балун 4:1 с улучшенными характеристиками на одном сердечнике отключены
Токовый балун 4:1 Гванеллы (Guanella) с плавающей нагрузкой

Среди тем, представляющих интерес для радиолюбителей, балуны занимают особое место, что обусловлено их широким применением в балансных усилителях и цепях согласования с антеннами, особенно с симметричными антеннами, такими как диполи. Балун (от англ. balun — balanced/unbalanced) — это общее название симметрирующих трансформаторов, преобразующих электрический сигнал из симметричного (balanced) в несимметричный (unbalanced) и наоборот.

     Введение

Балуны бывают, по существу работы, двух видов: трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Балун как симметрирующий трансформатор напряжения, в соответствии со своим названием, поддерживает постоянными и равными по амплитуде напряжения противофазных сигналов на двух клеммах своего симметричного выхода, независимо от нагрузки [2]. На таких же клеммах токового балуна, напротив, постоянной и равной по величине поддерживается амплитуда тока двух противофазных сигналов, независимо от потенциалов этих клемм относительно «земли» на несбалансированной стороне [2].

Третий тип балуна, известный как 180-градусный делитель мощности или гибридный соединитель, мало интересен радиолюбителям, в первую очередь из-за своей стоимости, но находит широкое применение в профессиональной аппаратуре.

     Заблуждения

Существует ряд заблуждений относительно конструкции и применения симметрирующих трансформаторов, среди которых следующее:

«…невозможно сконструировать токовый балун с соотношением импедансов на выходе и входе 4:1, используя два балуна 1:1 на одном сердечнике».

и т.п.

(Здесь и далее в статье в качестве характеристики симметрирующих трансформаторов/балунов приводится соотношение согласованных импедансов на выходе и входе, а не коэффициент трансформации  – прим. переводчика)

Во избежание этого и других подобных заблуждений, конструирование и применение токового балуна в настоящей статье разбирается более пристально, начиная с некоторых теоретических основ и разбора недостатков двух общеизвестных базовых конструкций (токовый балун 4:1 швейцарца Густава Гванеллы (Gustav Guanella) и симметрирующий трансформатор напряжения 4:1 американца Клайда Рутрофа (Clyde Ruthroff) ), затем рассмотрим токовый балун 4:1 с улучшенными характеристиками, в котором эти недостатки преодолены, в заключение приведены некоторые результаты тестирования образца, пригодного к применению в диапазонах HF, VHF и UHF.

     Токовый балун 4:1 Густава Гванеллы

Наиболее популярная, пожалуй, реализация токового балуна с соотношением импедансов на выходе и входе 4:1 была предложена в своё время швейцарцем Густавом Гванеллой [3]. На рис.1 показана схема включения такого балуна с «плавающей» нагрузкой на выходе. В базовой конфигурации токовый балун 4:1 Гванеллы состоит из пары трансформаторов 1:1, соединённых таким образом, чтобы индуцировать на клеммах 3 и 4 сбалансированного выхода с подключенной «плавающей» нагрузкой равные по величине и противоположные по направлению токи, собственно в соответствии с приведенным выше определением токового балуна[2].

Токовый балун 4:1 Гванеллы (Guanella) с плавающей нагрузкой

Рис.1. Токовый балун 4:1 Гванеллы (Guanella) с «плавающей» нагрузкой.

Выполненный на одном сердечнике (например, на ферритовом бинокуляре – прим. переводчика) токовый балун 4:1 Гванеллы работает с «плавающей» нагрузкой, как показано на рис.1, и поэтому хорошо подходит для использования во множестве устройств согласования с антеннами, особенно с диполями. Однако, при подключении симметричной нагрузки к токовому балуну 4:1 Гванеллы, как показано на рис.2, необходимо, чтобы оба трансформатора напряжения 1:1 были выполнены на отдельных сердечниках, поскольку эти два трансформатора работают уже при различных напряжениях сигнала на соответствующих обмотках. Кроме того, чтобы получить наибольшую ширину полосы рабочих частот, обмотки этих двух отдельных трансформаторов должны быть идентичны по вносимой задержке распространения сигнала, то есть иметь одинаковую электрическую длину. В противном случае нарастающий с ростом частоты сигнала фазовый дисбаланс ограничит ширину полосы рабочих частот такого симметрирующего устройства. В случае же, когда эти трансформаторы выполнены на ферритовых сердечниках, такое требование накладывает свои ограничения на выбор материала сердечника, поскольку параметры ферритов даже одной марки могут значительно различаться от партии к партии и подобрать пару сердечников, идентичных по своим характеристикам, очень сложно.

Токовый балун 4:1 Гванеллы (Guanella) с симметричной нагрузкой.

Рис.2. Токовый балун 4:1 Гванеллы (Guanella) с симметричной нагрузкой.

Независимо от того, как изготовлен токовый балун 4:1 Гванеллы, – на одном сердечнике или же на двух, – потери и паразитные явления, связанные с таким построением этих двух пар обмоток, приведут к несбалансированности выходных напряжений. Например, для балуна этого типа, выполненного для 50-омного ВЧ-тракта, разбаланс всего лишь на 0,1 Ом потерь в каждой обмотке создаст дисбаланс напряжений выходного сигнала 0,035 дБ. Паразитные реактивности, включая индуктивность рассеяния из-за наличия магнитного потока за пределами сердечника, дополнительно ограничивают качественные показатели.

     Симметрирующий трансформатор напряжения 4:1 Рутрофа

Симметрирующий трансформатор напряжения 4:1 Рутрофа (Ruthroff).

Рис.3. Симметрирующий трансформатор напряжения 4:1 Рутрофа (Ruthroff).

Показанный на рис.3 очень удобный симметрирующий трансформатор напряжения 4:1 Рутрофа [4], который может быть выполнен на одном сердечнике и который стал очень популярным благодаря усилиям Джери Севика (Jerry Sevick), W2FMI [5], может использоваться равно как с «плавающей», так и с симметричной нагрузкой без каких-либо изменений. Но у него есть ещё более серьёзные недостатки, чем упомянутые выше для токового балуна 4:1 Гванеллы. В частности, потери и задержки сигнала для двух его выходов далеко не идентичны, и поэтому завал его амплитудно-частотной характеристики на высоких частотах ещё круче, чем у токового балуна Гванеллы, выполненного на таком же сердечнике.

     Улучшенный токовый балун 4:1 на одном сердечнике

Разбор недостатков симметрирующих трансформаторов Гванеллы и Рутрофа породил предположение о возможности построения из размещенных на одном сердечнике двух токовых балунов 1:1 токового балуна 4:1, который может быть использован как с «плавающей», так и с симметричной, и даже асимметричной нагрузкой. Довольно быстро были выполнены разработка, моделирование, изготовление и тестирование токового балуна 4:1, схема которого приведена на рис.4. Как справедливо было отмечено Джефри Маклином (Jeffery S. McLean) в [2], такой токовый балун действительно можно построить на одном сердечнике и даже, при необходимости, без него.

Улучшенный токовый балун 4:1.

Рис.4. Улучшенный токовый балун 4:1.

Теория работы проста и понятна. Подаваемое на первичную обмотку трансформатора T1 напряжение сигнала U создаёт в ней ток I. Такой же ток I и такое же напряжение U индуцируются и во вторичной обмотке этого трансформатора (обратите внимание на изменение фазировки включения обмоток трансформатора T1). Точно так же подаваемое на первичную обмотку трансформатора T2 это же напряжение сигнала U создаёт в ней такой же ток I, и точно такой же ток I и такое же напряжение U создаются через потокосцепление обмоток и во вторичной обмотке трансформатора T2. Поскольку потенциалы выводов вторичных обмоток трансформаторов никак не привязаны к нулевому потенциалу «земли», каждый из трансформаторов представляет собой таким образом токовый балун 1:1.

Поскольку первичные обмотки трансформаторов T1 и T2 включены параллельно, а вторичные – последовательно, напряжение сигнала на выходе построенного таким образом симметрирующего устройства будет вдвое выше входного, а ток в цепи нагрузки и вторичных обмоток будет такой же, что и в каждой из первичных. Кроме того, при таком включении, когда выводы вторичных обмоток нигде не подключены к «земле», токи через каждую из клемм 3 и 4 будут равны по величине и противоположны по направлению, независимо от любого дисбаланса в импедансах плеч подключенной нагрузки, именно так, как указал в [2] Джефри Маклин. Подключение общей точки вторичных обмоток к «земле» превращает этот токовый балун 4:1 в симметрирующий трансформатор напряжения 4:1.

Моделирование в PSpice показало, что построенный из идеальных трансформаторов балун функционирует как и требовалось, и входной импеданс не изменяется, независимо от того, где подключить «землю» , — к одному из выходов или к средней точке симметричной нагрузки, — верный признак, что балун одинаково хорошо должен работать с нагрузкой любого типа: «плавающей», симметричной и асимметричной.

Добавление в схему небольших сопротивлений к обмоткам трансформаторов для имитации потерь или небольших индуктивностей для имитации индуктивности рассеяния никак не отразилось на сбалансированности токов и нечувствительности к способу подключения «земли» .

Затем между тремя точками, – между клеммами 3 и 4 и «землёй», – были добавлены три паразитных емкости, что на высоких частотах ожидаемо привело к некоторому дисбалансу выходного напряжения и чувствительности к подключению клеммы 4 к «земле», но это типично для симметрирующего трансформатора и любого другого трансформатора с одним входом и балансным выходом.

     Результаты экспериментов

Чтобы убедиться в правильности концепции, был изготовлен прототип с использованием ферритового бинокуляра Fair-Rite 2843010302 и двух отрезков коаксиального кабеля RG-316 длиной по 3 дюйма (для HF-диапазона маловато, но для тестирования достаточно), как в конструкциях трансформаторов для линий передачи диапазонов HF и VHF. Отрезки кабеля были продеты через отверстия сердечника в форме буквы «U», причем все концы отрезков выступали с одной стороны сердечника. Внешняя изолирующая оболочка была оставлена на отрезках кабеля для того, чтобы токи, проходящие через внешний экран, были независимыми. В качестве симметричной нагрузки использовалась пара безиндукционных резисторов 100 Ом ± 2% 0,5 Вт.

Зависимость уровня отраженного сигнала от частоты для улучшенного токового балуна 4:1.

Рис.5.Зависимость уровня отраженного сигнала от частоты для улучшенного токового балуна 4:1.

На рис.5 приведены результаты тестирования изготовленного таким образом прототипа улучшенного токового балуна 4:1. Измерение потерь на отражение показали, что уровень отраженного сигнала не превышал -15дБ в диапазоне от 5 МГц до 320 МГц, что очень хорошо для трансформатора таких малых размеров. Причем подключение к «земле» как средней точки эквивалента симметричной нагрузки из резисторов, так и клеммы 3 трансформатора, никак не отразилось на этой характеристике. Как и показало моделирование в PSpice, подсоединение к «земле» клеммы 4 действительно привело к некоторому незначительному росту отраженного сигнала, но только для частот выше 100 МГц, что превышает феррорезонансную частоту материала сердечника. Таким образом подтвердилось, что такой балун будет равно хорошо работать с «плавающей», симметричной и асимметричной нагрузкой.

     Заключительные замечания

Из пары выполненных на одном ферритовом сердечнике токовых трансформаторов 1:1 удалось создать улучшенный токовый балун 4:1, который преодолевает недостатки аналогичных симметрирующих трансформаторов Густава Гванеллы и Клайда Рутрофа. Моделирование, а затем тестирование изготовленного полностью работоспособного прототипа подтвердило правильность такой концепции построения симметрирующего трансформатора. Эта, возможно, новая топология построения симметрирующей конструкции 4: 1 позволяет преодолеть незначительные недостатки токового балуна 4: 1 Гванеллы, связанные с потерями в двух секциях трансформатора, в том числе связанными с различными магнитными свойства материалов двух требуемых сердечников.

©Christopher Trask, 2005.

Перевод ©Задорожный Сергей Михайлович, 2019г.

Литература:

  1. Chris Trask, «A Single-Core 4:1 Current Balun of Improved Performance» (оригинал статьи);
  2. McLean, J.S., “Balancing Networks for Symmetric Antennas: Part 1- Classification and Fundamental Operation”, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 44, No. 4, November 2002, pp. 503-514.;
  3. Guanella, G., “New Method of Impedance Matching in Radio Frequency Circuits”, Brown-Boveri Review, Vol. 31, September 1944, pp. 327-329.;
  4. Ruthroff. C.L., “Some Broad-Band Transformers”, Proceedings of the IRE, August 1959, pp. 1337-1342.;
  5. Sevick, J., «Transmission Line Transformers», 4th ed., Noble, 2001.