Балун / б æ л ʌ н / (от «сбалансирован с несбалансированным») представляет собой электрическое устройство , которое преобразует в симметричный сигнал и несбалансированного сигнала . [1] Балун может иметь множество форм и может включать в себя устройства, которые также преобразуют импедансы, но в этом нет необходимости. Балуны трансформатора также могут использоваться для соединения линий с разным импедансом. Иногда, в случае трансформаторных балунов, они используют магнитную связь, но в этом нет необходимости. Синфазные дроссели также используются в качестве балуны и работы за счет устранения, а не игнорировать, сигналы общего режима.
Виды балунов
Классический тип трансформатора
В классических трансформаторах есть две электрически разделенные обмотки из проволочных катушек вокруг сердечника трансформатора. Преимущество трансформаторного типа перед другими типами балунов состоит в том, что электрически разделенные обмотки для входа и выхода позволяют этим балунам соединять цепи, напряжения на уровне земли которых подвержены контурам заземления или по другим причинам электрически несовместимы; по этой причине их часто называют изолирующими трансформаторами .
Этот тип иногда называют балуном напряжения . Первичная обмотка принимает входной сигнал, а вторичные обмотки тушат преобразованный сигнал. Сердечник, на который они намотаны, может быть либо пустым (воздушный сердечник), либо, что то же самое, из магнитно-нейтрального материала, такого как фарфоровая опора, или может быть материалом, который является хорошим магнитопроводом, например ферритом в современных высокочастотных (ВЧ) балунах. , или мягкое железо, как в первые дни телеграфии.
Электрический сигнал в первичной катушке преобразуется в магнитное поле в сердечнике трансформатора. Когда электрический ток через первичную обмотку меняет направление, это вызывает коллапс установленного магнитного поля. Затем коллапсирующее магнитное поле индуцирует электрическое поле во вторичной обмотке.
Соотношение витков в каждой обмотке и эффективность магнитной связи катушек определяют отношение электрического потенциала ( напряжения ) к электрическому току и общую мощность на выходе. Для идеализированных трансформаторов, хотя отношение напряжения к току будет изменяться точно пропорционально квадрату передаточного числа обмоток, мощность (измеряемая в ваттах ) остается неизменной. В реальных трансформаторах часть энергии теряется внутри на нагрев металлического сердечника трансформатора и теряется снаружи в окружающую среду из-за несовершенной магнитной связи между двумя катушками.
Тип автотрансформатора
Обычно балун состоит из двух проводов (первичного и вторичного) и тороидального сердечника: ток в первичном проводе создает магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле во вторичном проводе. Автотрансформатора балун имеет только одну катушку , или состоит из двух или более катушек , которые имеют электрическое соединение. Катушка обычно наматывается на ферритовый стержень или тороид в форме пончика. Автотрансформатор можно сделать и из обычного трансформатора, перекрестно соединив первичную и вторичную обмотки. Балуны с обмотками автотрансформатора также называются балунами напряжения , поскольку они производят сбалансированное выходное напряжение, но не обязательно сбалансированный ток.
Во всех автотрансформаторах одиночная обмотка должна иметь как минимум одно дополнительное электрическое соединение, называемое отводом или точкой отвода, между двумя концами обмотки. Ток, подаваемый в балун через одну пару соединений, действует, как если бы это была первичная катушка, и намагничивает весь сердечник. Когда электрический ток во входном сегменте катушки изменяется, индуцированное магнитное поле схлопывается, и коллапс магнитного поля в сердечнике индуцирует электрический ток во всей катушке. Электрические соединения с частями катушки, отличными от входных, имеют более высокое или более низкое напряжение в зависимости от длины катушки, от которой отводится выход.
Как и в случае двухобмоточного трансформаторного балуна, отношение напряжения к току изменяется пропорционально квадрату количества обмоток между двумя входными проводами, деленному на количество обмоток между двумя выходными проводами.
В отличие от балунов трансформаторного типа, балун автотрансформатора обеспечивает путь постоянного тока к земле от каждой клеммы. Поскольку наружные антенны склонны к накоплению статического электрического заряда, путь отвода статического электричества на землю через балун автотрансформатора может быть явным преимуществом.
Тип трансформатора ЛЭП
Линии передачи или дроссельные балуны можно рассматривать как простые формы трансформаторов линии передачи . Этот тип иногда называют токовым балуном , поскольку он обеспечивает равный ток на обеих сторонах своего выхода, но не обязательно равное напряжение. Их обычно называют несбалансированными, потому что они переходят от несбалансированного к несбалансированному или несбалансированному. Балуны могут быть сбалансированы до неуравновешенного или сбалансированного.
Более тонкий тип получается, когда тип трансформатора (магнитная муфта) сочетается с типом линии передачи (электромагнитная муфта). Чаще всего для обмоток используются провода линии передачи того же типа, которые передают сигнал от радиостанции к антенне, хотя эти балуны могут быть изготовлены с использованием любого типа провода. Полученные в результате устройства работают в очень широкополосном диапазоне. [2] Трансформаторы линии передачи обычно используют небольшие ферритовые сердечники в тороидальных кольцах или бинокулярных формах с двумя отверстиями. Что-то такое простое, как 10 витков коаксиального кабеля, намотанного на диаметр, равный размеру обеденной тарелки, создает эффективный дроссельный балун для частот от 10 МГц до более 30 МГц. Магнитный материал может быть воздухом, но это трансформатор линии передачи.
Трансформатор линии передачи Guanella ( Guanella 1944 ) часто комбинируется с симметрирующим устройством, чтобы действовать как трансформатор согласования импеданса . Не говоря уже о балансировке, трансформатор 1: 4 этого типа состоит из линии передачи 75 Ом, разделенной параллельно на два кабеля по 150 Ом, которые затем соединяются последовательно на 300 Ом. Он реализован в виде специальной разводки вокруг ферритового сердечника балуна.
Тип линии задержки
Большой класс балунов использует соединенные линии передачи определенной длины без явной «трансформаторной» части. Они обычно создаются для (узких) частотных диапазонов, длина которых кратна четверти длины волны предполагаемой частоты в среде линии передачи. Обычное применение - создание коаксиального соединения с симметричной антенной, и конструкции включают в себя множество типов, включающих коаксиальные петли и различные соединенные «шлейфы».
Один простой способ сделать балун - это использовать коаксиальный кабель с половиной длины волны (λ / 2) . Внутренняя жила кабеля соединена на каждом конце с одним из симметричных соединений для фидера или диполя. Один из этих выводов должен быть подключен к внутреннему сердечнику коаксиального фидера. Все три косы следует связать. Это затем формирует балун 4: 1, который работает только на одной частоте.
Другой вариант узкополосной конструкции - использовать металлическую трубу длиной λ / 4. Коаксиальный кабель размещен внутри трубы; на одном конце оплетка прикреплена к трубе, а на другом конце нет соединения с трубой. Сбалансированный конец этого балуна находится на том конце, где нет соединения с трубой. Провод λ / 4 действует как трансформатор, преобразуя нулевой импеданс на коротком замыкании на оплетку в бесконечный импеданс на открытом конце. Этот бесконечный импеданс на открытом конце трубы предотвращает протекание тока во внешний коаксиальный кабель, образованный внешней стороной внутреннего экрана коаксиального кабеля и трубы, заставляя ток оставаться во внутреннем коаксиальном кабеле. Эта конструкция балуна не подходит для низких частот из-за большой длины трубы, которая потребуется. Самый простой способ сделать такой балун - покрасить внешнюю часть коаксиального кабеля проводящей краской, а затем соединить эту краску с оплеткой через разрыв внешней изоляции на 1/4 волны от конца. Для обеих форм (трубы или краски) длина зависит от коэффициента скорости для внешней линии передачи.
Саморезонанс
Хотя балуны спроектированы как магнитные устройства (каждая обмотка балуна является индуктором), все трансформаторы, изготовленные из настоящих материалов, также имеют небольшую емкость между первичной и вторичной обмотками, а также между отдельными контурами в любой отдельной обмотке, что приводит к нежелательному самовосстановлению. емкость .
Электрическое соединение емкости и индуктивности приводит к частоте , на которой реактивное сопротивление в само- индуктивности и самостоятельной емкости в балун равны и противоположны: резонанс . Балун любой конструкции плохо работает на частотах, равных или превышающих его, и некоторые конструктивные особенности балунов имеют целью сделать резонансную частоту как можно выше рабочей частоты.
Альтернативы балуну
ВЧ дроссель может быть использован вместо балунов. Если катушка сделана с использованием коаксиального кабеля рядом с точкой питания симметричной антенны, то РЧ-ток, протекающий по внешней поверхности коаксиального кабеля, может быть ослаблен. Один из способов сделать это - пропустить кабель через ферритовый тороид. Конечный результат точно такой же, как у современного балуна 1: 1 (или балуна типа Гуанелла). ( Солома 2005 , 25-26)
Приложения
Функция балуна обычно заключается в достижении совместимости между системами и, как таковая, находит широкое применение в современной связи, особенно в реализации смесителей с преобразованием частоты, чтобы сделать возможным сотовый телефон и сети передачи данных. Они также используются для преобразования несущего сигнала E1 с коаксиального кабеля (разъем BNC, разъем 1.0 / 2.3, разъем 1.6 / 5.6, разъемы типа 43) в кабель UTP CAT-5 или разъем IDC.
Радио и телевидение
В телевидении , любительском радио и других антенных установках и соединениях симметрирующие устройства преобразуют импедансы и симметрию фидерных линий и антенн. [3]
Например, преобразование 300 Ом твин-свинец или 450 Ом лестничной линии (сбалансировано) до 75 Ом коаксиального кабеля (несимметричный), или для прямого подключения симметричной антенны с несбалансированным коаксиальным кабелем. Чтобы избежать излучения линии питания, симметрирующие устройства обычно используются как форма дросселя синфазного сигнала, прикрепленного к точке питания антенны, чтобы предотвратить действие коаксиального кабеля в качестве антенны и мощности излучения. Обычно это необходимо, когда на симметричную антенну (например, диполь ) подается коаксиальный кабель; без балуна экран коаксиального кабеля может соединяться с одной стороной диполя, индуцируя ток синфазного режима , становясь частью антенны и непреднамеренно излучая. [4]
Когда дело доходит до передающих антенн, решающее значение имеет выбор тороидального сердечника. Практическое правило: чем больше мощность, тем больше ядро. [5]
При измерении импеданса или диаграммы направленности симметричной антенны с помощью коаксиального кабеля важно установить симметрирующий трансформатор между кабелем и фидером антенны. Несбалансированные токи, которые в противном случае могут протекать по кабелю, сделают измеренный импеданс антенны чувствительным к конфигурации питающего кабеля, а диаграмма направленности малых антенн может быть искажена излучением кабеля.
Балуны присутствуют в радарах , передатчиках, спутниках, в каждой телефонной сети и, вероятно, в большинстве модемов / маршрутизаторов беспроводной сети, используемых в домах. Его можно комбинировать с трансимпедансными усилителями для составления высоковольтных усилителей из низковольтных компонентов.
видео
Видео в основной полосе частот использует частоты до нескольких мегагерц . Балун можно использовать для подключения видеосигналов к кабелям витой пары вместо использования коаксиального кабеля. Многие камеры видеонаблюдения теперь имеют как сбалансированный выход для неэкранированной витой пары (UTP), так и несбалансированный коаксиальный выход через внутренний балун. Балун также используется на стороне видеомагнитофона для обратного преобразования 100-омного симметричного сигнала в 75-омный несимметричный. Балун этого типа имеет разъем BNC с двумя винтовыми клеммами . Балуны VGA / DVI - это балуны с электронной схемой, используемые для подключения источников VGA / DVI (ноутбук, DVD и т. Д.) К устройствам отображения VGA / DVI с помощью длинных кабелей CAT-5 / CAT-6. При пробегах на расстояние более 130 м (400 футов) качество может ухудшиться из-за затухания и изменения времени прихода каждого сигнала. Контроль перекоса и специальный кабель с низким перекосом или без перекоса используются для трасс длиной более 130 м (400 футов). [ необходима цитата ]
Аудио
В звуковых приложениях симметрирующие устройства преобразуют несимметричные линии с высоким импедансом и симметричные линии с низким сопротивлением . Другое применение - развязка устройств (предотвращение контуров заземления).
Третье применение балунов в аудиосистемах - это обеспечение оборудования сбалансированным питанием от сети. Синфазное подавление помех, характерных для сбалансированной сети питания, устраняет широкий спектр шумов, исходящих от сетевой вилки, например, помехи от сети от двигателей кондиционеров / печей / холодильников, коммутационные шумы, создаваемые люминесцентным освещением и диммерными переключателями, цифровыми шум от персональных компьютеров и радиочастотные сигналы, улавливаемые линиями питания / шнурами, выступающими в качестве антенн. Этот шум проникает в аудио / видеосистему через источники питания и увеличивает минимальный уровень шума для всей системы. [6]
За исключением соединений, три устройства на изображении электрически идентичны, но только два крайних левых устройства можно использовать в качестве балунов. Устройство слева обычно используется для подключения источника с высоким сопротивлением, такого как гитара, к сбалансированному микрофонному входу, выступающему в качестве пассивного блока DI . Один в центре предназначен для подключения сбалансированного источника с низким сопротивлением, такого как микрофон , к гитарному усилителю . Тот, что справа, не является симметрирующим устройством, так как он обеспечивает только согласование импеданса.
Другие приложения
- В линиях электропередач балуны используются для передачи сигналов в линию электропередачи.
- В электронной связи балуны преобразуют твинаксиальные кабели в кабели категории 5 и обратно.
Смотрите также
- Антенный тюнер § балун
- Электромагнитная интерференция
- Ферритовый шарик
- Согласование импеданса
- Магнитный сердечник
- Тороидальные индукторы и трансформаторы
- Непреднамеренный радиатор
Рекомендации
- ^ "балун". Словарь Meriam-Webster.com . Проверено 1 января 2020 года.
- ^ Sevick 1990, стр. 1-1
- ^ Балуны: что они делают и как они это делают (W7EL) http://www.eznec.com/Amateur/Articles/Baluns.pdf
- ^ Питание дипольной антенны с помощью балуна
- ^ Toroid Cores for 1: 4 Baluns (DG3OBK) " Архивная копия" . Архивировано из оригинального 22 декабря 2011 года . Проверено 29 декабря 2012 года .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ Технологии сбалансированной мощности http://www.bpt.com/
- Гуанелла, Г. «Новый метод согласования импеданса в радиочастотных цепях». Браун Бовери Ревью, сентябрь 1944: 329–329.
- Севик, Джерри (W2FMI). Трансформатор линии передачи , Американская лига радиорелейной связи , 1990 г., ISBN 0-87259-296-0 .
- Севик, Джерри (W2FMI). Создание и использование балунов и балунов: практические конструкции для экспериментатора . 1994 г.
- Справочник по радиосвязи , 5-е изд. ( Радио Сообщество Великобритании , 1976) 12.41, 13.5.
- Стро, Р. Дин. ARRL Антенная книга . 20-е изд. (Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиорелейная лига , 2005) ISBN 0-87259-904-3 .