Baluny a ununy pro KV antény

Baluny a ununy jsou nepostradatelnými články antén. Jedná se o širokopásmové impedanční transformátorky, kterými přizpůsobujeme impedanci antény k impedanci výstupu PA, případně přizpůsobujeme symetricky napájenou anténu nesymetrickému výstupu PA. Od toho se odvíjí samostatný název transformátoru. Pro přizpůsobení symetrické antény nesymetrickému napájení používáme balun (BALanced-UNbalanced), pro přizpůsobení nesymetrických antén nesymetrickému napájení používáme unun (UNbalanced-UNbalanced).

Mnohdy můžeme slyšet od různých starých HAMů, že používat na dipol balun je nesmysl, že je to jen žrout výkonu, ale to rozhodně není pravda, zvláště při správné konstrukci. Pokud budeme například napájet půlvlnný dipol s napájením uprostřed bez balunu, tedy v místě, kde má anténa na svorkách 75 Ohmů, nebudou sice větší problémy s SWR, protože výpočtem zjistíme, že SWR bude cca 1.5, ale budou v každém případě problémy s TVI, protože dojde k vyzařování stínění koaxiálního napaječe antény. Už proto musíme použít balun s převodem 1:1. Jsou ale i jinak konstruované dipolové antény, které nemají z různých důvodů napájení uprostřed, ale jinde, v místě, kde je impedance jiná, jako například antény Windom, které se napájí v místě s impedancí 300 ohmů. Musíme ji tedy přizpůsobit balunem 6:1. Konečně konkrétním použitím balunů, či jiného přizpůsobení se budu zabývat u jednotlivých antén, takže prozatím se dáme do teorie a konstrukce balunů, což je předmětem tohoto článku.

Na internetu najdeme množství článků, jak zkonstruovat balun. Bohužel mnohé jsou dost zavádějící, a nevedou ke konstrukci kvalitního balunu. Často se doporučuje jako jádro použití toroidu buď "ze šuplíku", nebo například ze starých PC zdrojů. To je ovšem nesmysl, pramenící z neznalosti teorie použití těchto jader. V počítačových zdrojích se zpravidla používají čínská nekvalitní jádra lisovaná malým tlakem, a navíc ani u těchto, ani u šuplíkových zásob neznáme parametry těchto jader, ani zda jde o ferity, či železoprach, tudíž z nich ani není možno sestrojit transformátor s optimálními parametry, protože bez znalosti konkrétní hmoty nelze nic vypočítat. Navíc v PC zdroji težko narazíme na jádro, které bude mít vhodné vlastnosti pro provoz na 1,8-30 MHz. Často doporučované pokusničení sice vede k funkčním vzorkům, ale s mizernou účinností a nejistou životností. Ve výsledku se pak může stát, že se 100W PA docílíme nakonec výsledků jako při QRP, i když si chrochtáme nad ideálním SWR. Proč tomu tak je ?

Konstrukce balunů

Napěťové baluny, a ununy vineme nejčastěji na toroidní jádra, méně častěji a jen pro malé výkony na dvouotvorová jádra (kvůli nemožnosti použít silnější vodič). U jader se setkáme se dvěma použitými materiály, a to s feritovými a s železoprachovými jádry. Předem musím upozornit na to, že feritová jádra jsou naprosto NEVHODNÁ pro konstrukci balunu na velké výkony v řádu kW. Zásadne použijeme jádra železoprachová ! Proč?
Ferit je keramický materiál vysoké tvrdosti, a s vysokým měrným odporem. Jeho permeabilita je o 1-2 řády vyšší, než u železoprachových jader. U feritu dochází díky tomu k velmi vysokým ztrátám vířivými proudy, a následně silnému zahřívání, až k popraskání jádra. Při zahřátí jádra na určitou teplotu dochází k tomu, že původně feromagnetický materiál přejde do paramagnetického stavu (Curieho jev), při kterém jádro ztratí indukčnost a z balunu se stane silně nelineární obvod. Jde o takovou teplotu, kdy počáteční permeabilita jádra poklesne na polovinu. Proto budeme ke konstrukci balunů a ununů používat pro velké výkony ZÁSADNĚ ŽELEZOPRACHOVÁ JÁDRA. Jako optimální jádra, terá lze u nás bez problémů sehnat jsou jádra AMIDON (materiál 2), například T184-2, T200-2, T225-2 (červená+černá, 2-30MHz) a pod. (GES Elektronic) Vinutí na jádrech je vždy několik. Tato vinutí však VŽDY vineme naráz tolika dráty, kolik je vinutí, ne postupně po jednom, a na vinutí použijeme dráty o průměru 1.5-1.6mm. Někdy se však nevyhneme použití feritových materiálů, hlavně kvůli nutnosti dosáhnout určité minimální indukčnosti, která určuje nejnižší použitelný kmitočet balunu, a které bychom dosáhli jen velkým počtem závitů vinutí, které se však na jádro už nevejdou. Pak jsme nuceni sáhnout po feritu. Je ovšem nutné vybrat materiál s co nejnižší Al (udávaná indikčnost na počet závitů). Například feritový toroid FT240-61, který má jen 7x větší Al, než T184-2, což se dá ještě považovat za únosné. Rozhodně ale takový toroid nebude použitelný k výkonům v kW, ale asi do 200W, což většině amatérů postačí.

U proudových (tlumivkových) balunů je situace trošku jiná. Zde je cílem pokud možno maximálně potlačit rozdílné proudy ve vodičích od antény, které pak způsobují plášťové proudy v napaječi. To jak známo vede k TVI. Zde se budeme snažit na rozdíl od napěťových balunů o co největší útlum, a proto použijeme zpravidla jádra s velkou permeabilitou. Protože zde je jádro syceno jen rozdílem obou proudů, nehrozí ani při velkých výkonech přesycení, a následné vyhřátí a zničení jádra. Tyto tlumivky jsou vinuty tak, aby při stejných proudech v obou vodičích se jádro neuplatnilo (proudy v obou vodičích jsou v protifázi). Teprve v případě, že v jednom vodiči je proud vyšší, indukce jádra jej začne brzdit. Aby k tomu došlo, je třeba stejně jako u napěťových balunů počet závitů vypočítat podle Al a nejnižší provozní frekvence, a to podle stejných zásad, jako u napěťových balunů.

Jako oudové baluny (1:1) se používají i různá jiná "zařízení". Například koaxiální vodič protažený 50cm dlouhou novodurovou trubkou o prům. 5cm, vyplněnou jemnou železnou vatou. Takováto tlumivka je velmi účinná. Nebo nainstalování nacvakávacích feritů na přívodní koaxiální kabel. Na KV je ale potřeba celkem velké množství těchto feritů. Na 160m pásmo cca 20 kusů, na 80m cca 10 ks... Obě tyto tlumivky musí být nainstalovány pochopitelně co nejblíž ke svorkám antény.

Pro konstrukci konkrétního balunu nelze napsat zcela jednoznačný návod, který by fungoval hned napoprvé bez dalšího měření a laborování. Lze pouze popsat schema zapojení a principy vedoucí ke zprovoznění balunu. Jde o to, že konstruktér použije vodič, který sežene, a to jsou ty problémy, které vedou k odlišným výsledkům v konstrukcích. Vliv mají různé materiály izolace vodičů, různé tloušťky izolací atd.

V podstatě jde o to, pokud se rozhodneme začít konstruovat tyto širokopásmové transformátory (baluny, ununy, balbaly), nevyhneme se měření a počítání, dokud se nedopracujeme ke spolehlivým výsledkům s konkrétními konstrukčními materiály. Z toho důvodu berte i počty závitů uvedených v tabulce pod schematy podle použitých jader pouze za orientační. Konkrétní hodnoty si budete muset určit sami. Jak ale na to?

V konstrukci těchto širokopásmových VF transformátorů existuje jednoduchá poučka- tzv. "PRAVIDLO ČTYŘ", podle které i bez sáhodlouhých pokusů v terénu s připjeným TRX zjistíme, jakém rozsahu kmitočtů náš balun bude fungovat. Toto pravidlo nám říká, že :

1. Dolní mezní kmitočet je takový, při kterém je induktivní reaktance vinutí 4x vyšší, než připojená impedance. Pokud je tato induktance nižší, než čtyřnásobek impedance, bude pro daný kmitočet balun nepoužitelný.
2. Horní mezní kmitočet je takový, při kterém je kapacitní reaktance (parazitní kapacity vinutí) 4x větší, než připojená impedance. Pokud bude tato capacitance větší, než čtyřnásobek připojené impedance, bude balun pro daný kmitočet nepoužitelný.

Tyto dva požadavky jsou při praktické konstrukci tak trošku protichůdné, a způsobují nejvíce problémů. Požadavek na minimální indukci znamená buď větší počet závitů, což zase zvětšuje parazitní kapacitu mezi závinutími, nebo větší permeabilitu jádra (tedy místo železoprachového feritové), což sice zmenší počet závitů při dodržení minimální požadované indukčnosti, a zároveň díky tomu i menší parazitní kapacity, ale na druhé straně znemožní použít balun pro větší výkony (nebezpečí vyhřátí a popraskání jádra- viz obrázek dole).

Ideální je tedy pro určení správně navinutého balunu použít anténní analyzátor, kterým jednoduše tyto reaktance změřme a hned víme, na čem jsme. Druhou možností je změřit indukčnost a reaktanci vypočítat podle vzorce: (kapacitu mezi vinutími je nutné vždy změřit- závisí na stylu vinutí a síle izolace)

Jak jsme si již řekli, aby byl balun použitelný, musí na nejnižším uvažovaném kmitočtu být induktivní reaktance minimálně 4x větší, než připojená impedance. To znamená, že na primární straně, kam připojujeme TRX s výstupem 50Ω, musíme dosáhnout reaktance Xl 200Ω, což znamená indukci 18µH pro 1.8MHz, nebo 10µH pro 3.5MHz. Záleží však, na kolik vinutí se tato reaktance "rozloží". U některých balunů je to na jednom vinutí, a u některých na dvou. Podle toho pak přepočítáme závity na jedno vinutí. Jiné to bude u balunu 6:1, kde primár činí jen část jednoho vinutí, takže výpočtem zjistíme počet závitů na primár, a převodním poměrem závitů 1:2,4 (pro baluny 1:4 je převodní poměr závitů 1:2, pro baluny 1:9 je převodn í poměr tzávitů 1:3) si vypočteme celkový počet závitů a vydělíme dvěma. Výsledek činí počet závitů na jedno vinutí. Podle následujících vzorců lze vypočítat potřebné počty závitů n podle požadovalé indukčnosti L na základě udávané indukčnosti jádra na 100 závitů Al, nebo si spočítat indukčnost navinutého balunu podle počtu navinutých závitů.

Vinutí provedeme izolovaným drátem. Pro běžném výkony TRXů 100W bude stačit drát o průřezu 0.5mm² s PVC izolací. Pro velké výkony kolem kW bude nutné použít vodič 1.5mm² v teflonové izolaci (PVC či PE rády hoří). Vyhneme se zásadně vinutí závitů ve více vrstvách, aby nebyl příliš nízký horní mezní kmitočet (vysoká parazitní kapacita).

Balun 1:1- 1,8-30 MHz

Závity vineme trifilárně, tedy třemi vodiči současně. Tečky u vinutí určují orientaci vinutí. Nelze jednotlivá vinutí propojit opačně, ale jak je ve schematu- konec prvního se začátkem druhého, konec druhého se začátkem třetího.

Proudový balun 1:1- 1,8-30 MHz

Tento balun je od napěťových balunů odlišný, a na konstrukci výhodnější. Tebto balun netrasformuje impedance, ale blokuje případné lášťové proudy. Proto je pro tento balun výhodné toroidní jádro s velkou permeabilitou. V tomto jádru totiž dochází k sycení jen rozdílem proudů ve dvou vodičích, tedy nehrozí přesycení a vyhřátí jádra. Vineme dvě bifilární vinutí, a to tak, že jedno bifilární vinutí navineme na jednu polovinu jádra, a druhé bifilární vinutí na druhou polovinu jádra. Obě vinutí začínáme na stejné straně, a stejným směrem. Poté obě dvojvinutí na obou stranách paralelně spojíme. Díky tomu pokud se na jednom vodiči vyskytne větší proud, než na druhém, vyvolá v každé polovině jádra protichůdné magnetické pole, díky čemuž se tyto nestejné proudy dokonale vyruší. Proto musí obě dvojvinutí začínat na stejné straně a stejným směrem, aby v rámci kruhu šly proti sobě. Lze také využít cvakací ferity, a to tak, že obě poloviny slepíme do trubky, a dvě takovéto trubky k sobě. Na každou pak navineme dvojlinkou 3-4 závity. Na obou stranách pak spojíme paralelně. Vinutí opět začněme stejnou stranou a směrem.

Také můžeme tlumivku- proudový balun vytvořit tak, že do novodurové trubky dlouhé 50cm o průměru 50mm nainstalujeme nahoře dva závěsy pro zářiče, na spodní stranu PL konektor, a dle obrázku protáhneme kabel RG-213. Konce zalijeme lepidlem Epoxy 1200, nebo zaizolujeme silikonem, a celý vnitřek vyplníme železnou vatou, jak vyplývá z obrázku. Takto vytvořený proudový balun 1:1 funguje velmi spolehlivě. Železná vata je doporučena co nejjemnější.

Balun 4:1- 1,8-30 MHz

Závity vineme bifilárně, tedy dvěma vodiči současně. Tečky u vinutí určují orientaci vinutí. Nelze jednotlivá vinutí propojit opačně, ale jak je ve schematu- konec prvního se začátkem druhého.

Balun 6:1- 1,8-30 MHz

Závity vineme bifilárně, tedy dvěma vodiči současně. Odbočku spočítáme tak, že počet závitů jednoho celého vinutí vydělíme 1,2, a vyjde počet závitů na primár (zabírá ujen část vinutí). Tečky u vinutí určují orientaci vinutí. Nelze jednotlivá vinutí propojit opačně, ale jak je ve schematu- konec prvního se začátkem druhého.

Balun 9:1- 1,8-30 MHz

Závity vineme trifilárně, tedy třemi vodiči současně. Tečky u vinutí určují orientaci vinutí. Nelze jednotlivá vinutí propojit opačně, ale jak je ve schematu- konec prvního se začátkem druhého, konec druhého se začátkem třetího.

Velké výkony na feritu ?

Na obrázku můžete vidět, jak dopadají baluny navinuté na feritových materiálech při velkých výkonech, kdy dojde k vyhřátí díky vířivým proudům, způsobeným vysokou permeabilitou. Toroid na obrázku (Amidon FT240-61) takto dopadl po 30s trvalého vysílání výkonem 800W. Na běžné výkony koncových stupňů TRX (obvykle 100W) je tento toroid vyhovující.

---