Записки программиста

В самодельном антенном тюнере, о котором я не так давно рассказывал, отсутствует один компонент, который есть во многих тюнерах промышленного производства. Этот компонент — встроенный балун по току 1:4. Пришло время наконец-то сделать такой балун. Ну и, само собой разумеется, понять принцип его работы.

Теория

Примечание: Хотелось бы выразить благодарность Phil Frost, W8II за то, что он объяснил непонятные мне моменты в работе приведенной далее схемы.

Рассмотрим схему балуна (источник [PDF]):

T1 и T2 представляют собой трансформаторы 1:1 на ферритовых кольцах с бифилярной намоткой. То есть, намотка выполненна двумя параллельными проводами. По отдельности T1 и T2 представляют собой балуны 1:1 с тем же принципом действия, что и у балуна, выполненного намоткой коаксиальным кабелем на ферритовом кольце. Последний был подробно рассмотрен в статье Самодельный диполь: теория и практика.

Хорошо, значит есть два балуна. Теперь обратим внимание на источник переменного тока в левой части схемы. Источник имеет какое-то напряжение V и из него вытекает 2*I тока. Если проследить за стрелочками, обозначающими движение тока, нетрудно убедиться, что по нагрузке будет течь ток I, то есть, в два раза меньше исходного.

Теперь попробуем понять, какое напряжение будет на нагрузке. Обратим внимание на центральную часть схемы, где ток от источника протекает через T2, затем через T1 и возвращается на источник, так и не побывав на нагрузке. На T2 и T1 должно быть какое-то падение напряжения, чтобы напряжение от источника V пройдя через них в итоге упало до нуля. С точки зрения тока, T2 и T1 неотличимы, поэтому падение напряжения на них будет равным, V/2.

Зная это, определим напряжение на нагрузке. В нижней части схемы имеем точно такой же трансформатор T2, что и в предыдущем параграфе, поэтому падение напряжения также будет V/2. Исходное напряжение было 0 отнять V/2, получаем -V/2. В верхней части имеем T1, но полярность трансформатора на этот раз изменена. Поэтому напряжение не вычитается, а прибавляется. Исходное V прибавить V/2, в сумме имеем (3/2)*V. Каким же получилось напряжение на нагрузке? Оно равно (3/2)*V вычесть -V/2, то есть, 2*V.

Итак, на источнике имеем напряжение V и ток 2*I, а на нагрузке напряжение 2*V и ток I. Если исходный импеданс (вспоминаем закон Ома) был Z = V/(2*I), то на нагрузке имеем (2*V)/I, то есть, в четыре раза больше. Таким образом, свойство трансформатора 1:4 доказано.

Осталось понять, почему схема работает как балун, то есть, почему она предотвращает возникновение синфазного тока. Здесь все аналогично тому, как работает балун 1:1. В случае возникновения синфазного тока баланс в схеме нарушится. Магнитные поля, создаваемые токами в трансформаторах, не будут друг друга компенсировать. Вместо того, чтобы свободно пропускать через себя ток, трансформаторы превращаются в катушки индуктивности, препятствующие протеканию переменного тока.

Практика

Из подходящих ферритовых колец в запасах была найдена лишь пара FT114-43. Это достаточно небольшие кольца, и я не был уверен, выдержат ли они 100 Вт. Но поскольку других колец все равно не было, я решил попробовать и посмотреть, что будет.

Балун получился таким:

Кольца были закреплены при помощи нейлоновых стяжек на куске текстолита, с которого предварительно была вытравлена вся медь. Я использовал намотку имени W1JR, уже знакомую нам по балуну 1:1. Число витков — 12, как рекомендует Charlie, MØPZT. Для намотки был использован сдвоенный провод 22 AWG. Вскоре после того, как было сделано это фото, соединение с коаксиальным кабелем было залито эпоксидным клеем.

График КСВ на самодельном эквиваленте нагрузки 200 Ом:

Учитывая, что сам эквивалент нагрузки далеко не идеальный, считаю полученный результат неплохим.

На том же эквиваленте нагрузки балун был протестирован путем передачи FM-сигнала мощностью 100 Вт. Нигде ничего не перегревается и не искрит. Похоже, что на такой мощности балун можно использовать.

Дополнение: Позже я выяснил, что при длительной работе на общий вызов в телеграфе с мощностью 100 Вт балун заметно греется с реальной антенной. Если снизить мощность до 50 Вт, этого не происходит. Если вам нужен балун на 100 Вт, то следует использовать кольца потолще, как минимум FT140-43. Для работы в SSB и FT8 с пониженной мощностью вполне годятся и FT114-43.

Заключение

Вы можете помнить, что при настройке антенны «длинный провод» мой тюнер испытывал некоторые сложности в диапазонах 160, 30, 12 и 10 метров. С балуном он испытывает сложности только в диапазоне 10 мертов (КСВ 3, как и без балуна). Также с балуном мне удалось подобрать такое положение ручек у тюнера, при котором антенна работает одновременно в диапазонах 20 и 40 метров, без перестройки.

Таким образом, балун по току 1:4 оказался не самым бесполезным компонентом в антенном тюнере. Также я собираюсь применить его в кое-каких будущих проектах. Следите за обновлениями!

Дополнение: Примеры использования балуна 1:4 вы найдете в постах Согласование импеданса с помощью LC-схем и Антенна Windom на диапазоны 40, 20 и 10 метров. На УКВ вместо балуна 1:4 на ферритовых кольцах обычно применяют U-колено.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио.