Balun
| Del av en serie om |
| Antenner |
|---|
 |
En balun / ˈ b æ l ʌ n / (från "balanserad till obalanserad", ursprungligen, men nu daterad från " balanseringsenhet ") är en elektrisk anordning som gör att balanserade och obalanserade linjer kan gränssnittas utan att störa impedansarrangemanget för någon av ledningarna . En balun kan ta många former och kan inkludera enheter som också transformerar impedanser men som inte behöver göra det. Ibland, när det gäller transformatorbaluner, använder de magnetisk koppling men behöver inte göra det. Common-mode- chokes används också som baluns och fungerar genom att eliminera, snarare än att avvisa, common mode-signaler.
Typer av balun
Klassisk transformatortyp
I klassiska transformatorer finns det två elektriskt separata lindningar av trådspolar runt transformatorns kärna. Fördelen med transformator-typ jämfört med andra typer av balun är att de elektriskt separata lindningarna för ingång och utgång tillåter dessa baluner att ansluta kretsar vars markspänningar är föremål för jordslingor eller på annat sätt är elektriskt inkompatibla ; av den anledningen kallas de ofta för isoleringstransformatorer .
Denna typ kallas ibland en spänningsbalun . Primärlindningen tar emot insignalen och sekundärlindningen sänder ut den konverterade signalen . Kärnan som de lindas på kan antingen vara tom (luftkärna) eller, på motsvarande sätt, ett magnetiskt neutralt material som ett porslinsstöd, eller det kan vara ett material som är bra magnetiskt ledare som ferrit i moderna högfrekventa ( HF ) baluns , eller mjukt järn som i telegrafins tidiga dagar.
Den elektriska signalen i primärspolen omvandlas till ett magnetfält i transformatorns kärna. När den elektriska strömmen genom primären vänder, får det det etablerade magnetfältet att kollapsa. Det kollapsande magnetfältet inducerar sedan ett elektriskt fält i sekundärlindningen.
Förhållandet mellan slingor i varje lindning och effektiviteten hos spolarnas magnetiska koppling bestämmer förhållandet mellan elektrisk potential ( spänning ) och elektrisk ström och den totala effekten av utgången. För idealiserade transformatorer, även om förhållandet mellan spänning och ström kommer att ändras i exakt proportion till kvadraten på lindningsförhållandet, förblir effekten (mätt i watt ) identisk. I riktiga transformatorer går en del energi förlorad inuti till uppvärmning av transformatorns metalliska kärna och förloras utanför till den omgivande miljön på grund av ofullständig magnetisk koppling mellan de två spolarna.
Typ av autotransformator
En idealisk balun består av två ledningar (primär och sekundär) och en kärna: strömmen i primärtråden genererar ett magnetfält i kärnan, vilket i sin tur inducerar ett elektriskt fält i sekundärtråden. En autotransformatorbalun har bara en spole , eller är gjord av två eller flera spolar som har en elektrisk anslutning, lindade runt en kärna. Man kan också göra en autotransformator från en vanlig transformator genom att korskoppla primär- och sekundärlindningarna. Baluns gjorda med autotransformatorlindningar kallas också spänningsbaluns , eftersom de producerar balanserad utspänning, men inte nödvändigtvis balanserad ström.
I alla autotransformatorer måste den enskilda lindningen ha minst en extra elektrisk anslutning – en så kallad tapp eller tapppunkt – mellan lindningens två ändar. Strömmen som skickas in i balunen genom ett par anslutningar fungerar som om den vore en primärspole och magnetiserar hela kärnan. När den elektriska strömmen i spolens ingångssegment ändras, kollapsar det inducerade magnetfältet och kollapsen av magnetfältet i kärnan inducerar en elektrisk ström i hela spolen. Elektriska anslutningar till delar av spolen som skiljer sig från ingångsanslutningarna har högre eller lägre spänningar beroende på längden på spolen som utgången tappas från.
Till skillnad från baluner av transformatortyp ger en autotransformatorbalun en väg för likström till jord från varje terminal. Eftersom utomhusantenner är benägna att bygga upp statisk elektrisk laddning, kan vägen för statisk elektricitet att dränera till jord genom en autotransformatorbalun vara en klar fördel.
Transformatortyp för transmissionsledning
Transmissionsledning eller choke baluns kan betraktas som enkla former av transmissionsledningstransformatorer . Denna typ kallas ibland en strömbalun , eftersom den säkerställer lika ström på båda sidor av dess utgång, men inte nödvändigtvis lika spänning. Dessa kallas normalt ununs, eftersom de går från obalanserade till obalanserade eller un-un. Baluns är balanserade till obalanserade eller bal-un.
En mer subtil typ blir resultatet när transformatortypen (magnetisk koppling) kombineras med transmissionsledningstypen (elektromagnetisk koppling). Vanligtvis används samma typ av transmissionsledningar för lindningarna som bär signalen från radion till antennen, även om dessa baluns kan göras med vilken typ av tråd som helst. De resulterande enheterna har mycket bredbandsdrift. Transformatorer för överföringsledningar använder vanligtvis små ferritkärnor i ringformade ringar eller tvåhåls, kikare.
Guanella transmissionsledningstransformatorn ( Guanella 1944 ) kombineras ofta med en balun för att fungera som en impedansmatchande transformator. Om man lägger balanseringen åt sidan består en transformator av denna typ av en 75 Ω transmissionsledning som är uppdelad parallellt i två 150 Ω kablar, som sedan kombineras i serie för 300 Ω. Den är implementerad som en specifik ledning runt balunens ferritkärna.
Självresonans
Även om baluner är utformade som magnetiska enheter – varje lindning i en balun är en induktor – har alla transformatorer gjorda av riktiga material också en liten kapacitans mellan primär- och sekundärlindningarna, såväl som mellan individuella slingor i varje enskild lindning, vilket bildar oönskade själv- kapacitans .
Den elektriska kopplingen av kapacitans och induktans leder till en frekvens där den elektriska reaktansen av självinduktansen och självkapacitansen i balunen är lika stora men motsatta i tecken: det vill säga resonans . En balun av vilken design som helst fungerar dåligt vid eller över sin självresonansfrekvens, och några av designövervägandena för baluns är i syfte att göra resonansfrekvensen så långt över driftsfrekvensen som möjligt.
Balun alternativ
En RF-choke kan användas i stället för en balun. Om en spole tillverkas med koaxialkabel nära matningspunkten för en balanserad antenn, kan RF-strömmen som flyter på koaxialkabelns yttre yta dämpas. Ett sätt att göra detta skulle vara att föra kabeln genom en ferrittoroid. Slutresultatet är exakt detsamma som en 1:1 strömbalun (eller Guanella-typ balun). ( Straw 2005 , 25-26)
Ansökningar
En baluns funktion är i allmänhet att uppnå kompatibilitet mellan system, och finner som sådan omfattande tillämpning i modern kommunikation, särskilt för att realisera frekvensomvandlingsmixer för att göra mobiltelefoner och dataöverföringsnät möjliga. De används också för att skicka en E1- bärarsignal från koaxialkabel (BNC-kontakt, 1.0/2.3-kontakt, 1.6/5.6-kontakt, Typ 43-kontakter) till UTP CAT-5- kabel eller IDC-kontakt.
Radio och tv
I tv , amatörradio och andra antenninstallationer och anslutningar omvandlas baluns mellan impedanser och symmetri hos matningsledningar och antenner.
Till exempel omvandling av 300-Ω twin-lead eller 450-Ω steglinje (balanserad) till 75-Ω koaxialkabel (obalanserad), eller att direkt ansluta en balanserad antenn till obalanserad koaxialkabel. För att undvika matarledningsstrålning används baluner vanligtvis som en form av common mode-drossel som är fäst vid antennmatningspunkten för att förhindra att koaxialkabeln fungerar som en antenn och utstrålar kraft. Detta behövs vanligtvis när en balanserad antenn (till exempel en dipol ) matas med koaxial; utan en balun kan koaxialskärmens skärm kopplas ihop med ena sidan av dipolen, inducera common mode-ström och bli en del av antennen och oavsiktligt stråla ut.
Vid mätning av impedansen eller strålningsmönstret för en balanserad antenn med hjälp av en koaxialkabel är det viktigt att placera en balun mellan kabeln och antennmatningen. Obalanserade strömmar som annars kan flyta på kabeln kommer att göra den uppmätta antennimpedansen känslig för matningskabelns konfiguration, och strålningsmönstret för små antenner kan förvrängas av strålning från kabeln.
Baluner finns i radar , sändare, satelliter, i alla telefonnätverk och förmodligen i de flesta trådlösa nätverksmodem/routrar som används i hemmen. Den kan kombineras med transimpedansförstärkare för att komponera högspänningsförstärkare av lågspänningskomponenter.
Video
Basbandsvideo använder frekvenser upp till flera megahertz . En balun kan användas för att koppla videosignaler till partvinnade kablar istället för att använda koaxialkabel. Många säkerhetskameror har nu både en balanserad oskärmad twisted pair-utgång (UTP) och en obalanserad koaxial via en intern balun. En balun används också på videobandspelarens ände för att konvertera tillbaka från 100 Ω balanserat till 75 Ω obalanserat. En balun av denna typ har en BNC-kontakt med två skruvterminaler . VGA/DVI-baluns är baluns med elektroniska kretsar som används för att ansluta VGA/DVI-källor (bärbar dator, DVD, etc.) till VGA/DVI-skärmenheter över långa serier av CAT-5/CAT-6-kabel. Körningar över 130 m (400 fot) kan förlora kvalitet på grund av dämpning och variationer i ankomsttiden för varje signal. En skevningskontroll och speciell kabel med låg snedställning eller snedställning används för körningar över 130 m (400 fot). [ citat behövs ]
Audio
I ljudapplikationer tjänar baluns flera syften: de kan konvertera mellan obalanserade högimpedans och lågimpedansbalanserade linjer . En annan tillämpning är frånkoppling av enheter (undvika jordslingor).
En tredje tillämpning av baluns i ljudsystem är att tillhandahålla balanserad nätström till utrustningen. Common-mode-avvisningen av störningar som är karakteristiska för balanserad nätström eliminerar ett brett spektrum av ljud som kommer från väggkontakten, t.ex. nätburna störningar från luftkonditionerings-/ugns-/kylskåpsmotorer, omkopplingsljud som produceras av lysrörsbelysning och dimmerbrytare, digitala brus från persondatorer och radiofrekvenssignaler som fångas upp av kraftledningar/kablar som fungerar som antenner. Detta brus infiltrerar ljud/videosystemet genom strömförsörjningen och höjer brusgolvet i hela systemet.
Förutom anslutningarna är de tre enheterna på bilden elektriskt identiska, men endast de två längst till vänster kan användas som baluns. Enheten till vänster skulle normalt användas för att ansluta en högimpedanskälla, såsom en gitarr, till en balanserad mikrofoningång, som fungerar som en passiv DI-enhet . Den i mitten är för att ansluta en balanserad lågimpedanskälla, som en mikrofon , till en gitarrförstärkare . Den till höger är inte en balun, eftersom den endast ger impedansmatchning.
Andra applikationer
- I kraftledningskommunikation används baluns för att koppla signaler till en kraftledning.
- Inom elektronisk kommunikation omvandlar baluns Twinax -kablar till Cat 5- kablar och tillbaka.
Se även
- Antenntuner § balun
- Elektromagnetisk störning
- Ferritpärla
- Impedansmatchning
- Magnetisk kärna
- Toroidformade induktorer och transformatorer
- Oavsiktlig kylare
Citat
Allmänna referenser
- Guanella, G. "Ny metod för impedansmatchning i radiofrekvenskretsar". 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). Bygga och använda Baluns och Ununs: Praktiska mönster för experimentatorn . 1994.
- Radiokommunikationshandbok , 5:e uppl. ( Radio Society of Great Britain , 1976) 12.41, 13.5.
- Straw, R. Dean. ARRL antennbok . 20:e uppl. (Newington, CT: American Radio Relay League , 2005) ISBN 0-87259-904-3 .
