domingo, 24 de febrero de 2013

La importancia de construir bien un balun


En el post anterior, nuestro compañero EB4HRA realizó una magnífica exposición sobre los principios teóricos que rigen el diseño de un balun. Pues bien, en este post vamos a analizar otro aspecto fundamental respecto a los balun: construirlos adecuadamente.

Efectivamente, construir un balun puede parecer una tarea trivial y aunque ciertamente creo que está al alcance de cualquiera, hay que tomar una serie de precauciones si no queremos que un buen diseño se convierta en dispositivo con mediocres resultados. A continuación vamos a desgranar los aspectos fundamentales:
  •   CUIDADOSA SELECCIÓN DE LOS MATERIALES
Material del núcleo: Hay que huir de materiales desconocidos y por supuesto también de núcleos de polvo de hierro, cuyo valor de permeabilidad magnética es muy bajo. En el blog de EB4HRA http://eb4hra-baluns.blogspot.com.es/ podéis encontrar una buena explicación al respecto, como referencia general, hemos contrastado en números experimentos que el toroide FT-140 con material 61 de Fair-Rite es ideal para construir baluns de propósito general en el rango de HF para potencias de hasta 100W.

Hilo de cobre: Se define en función de la impedancia que necesitemos crear para la línea de transmisión (apartado siguiente) y la potencia que tenga que soportar el balun. Para potencias de hasta 100 W el hilo de cobre esmaltado de 1mm de diámetro es ideal.

Resto de materiales: Caja, conectores, terminales, etc. no tendrán una influencia determinante en el funcionamiento del balun pero serán fundamentales para garantizar la estabilidad mecánica del mismo y la durabilidad en la intemperie. En general se recomienda utilizar conectores de buena calidad (especialmente para alta potencia), terminales de acero inoxidable y cajas con buena protección a la humedad y los rayos UV.
  •  UTILIZAR LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE LA IMPEDANCIA ADECUADA
En nuestro caso, al hablar de baluns generalmente nos estaremos refiriendo a baluns de corriente, ya que tal y como se explicó en el post anterior, los baluns de tensión tienen muchas desventajas respecto a éstos y por lo tanto no interesa utilizarlos salvo ciertas excepciones. En un balun de corriente (no así en uno de tensión) el bobinado de hilo de cobre no se comporta como un simple conductor eléctrico, sino que es una línea de transmisión. La impedancia característica que debe tener esta línea vendrá determinada por la relación de transformación y las impedancias terminales del balun. Por ejemplo, en el típico balun 4:1 con entrada 50 ohm y salida 200 ohm, la impedancia de línea debe ser Zlínea=Raíz_cuadrada(Zin*Zout), o sea 100 ohm.

Así pues, tenemos que construir una línea de transmisión paralela de 100 ohm, cualquier otro valor producirá resultados no óptimos. La impedancia de una línea paralela se define por la separación y diámetro de los hilos y por la constante dieléctrica (e) del medio que los separa (ver fórmula):
 
Para construir una línea de una impedancia determinada a partir de la fórmula, inevitablemente habrá que pasar por un proceso de prueba y error, ya que en la práctica hay factores incontrolables como la separación imperfecta, el efecto de la curvatura, el efecto dieléctrico del barniz del cobre, etc. Siguiendo los consejos de nuestro colega EB4HRA, para construir construir una perfecta línea paralela de 100 ohmios podemos utilizar la siguiente receta:

·        Hilo de cobre: unifilar barnizado de 1mm de diámetro, es adecuado para potencias de 100W y tiene un grado de rigidez bastante cómodo para realizar el bobinado.

·        Dieléctrico: forrar el hilo de 1mm con un tubito de teflón de 1,5 mm de diámetro y después sujetamos el par de hilos forrados con trocitos de cinta aislante para que se mantengan juntos al hacer el bobinado. De este modo tendremos una separación entre ejes de aproximadamente 1,5 mm con un dieléctrico de valor e=2,1.


Como veis, si queremos un balun con resultados óptimos no nos podemos conformar con utilizar cualquier tipo de cable que tengamos por ahí, ni con bobinar el hilo barnizado tal cual.

  • BOBINADO CORRECTO DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Por último, pero no menos importante, está el sentido de los bobinados y el conexionado correcto de los hilos (vamos a obviar en este artículo el tema del nº de vueltas al ser este un tema más de diseño y que depende del rango de frecuencias de servicio del balun).

En realidad, todos los balun de corriente están diseñados a partir de una unidad fundamental que es el balun 1:1, todo lo demás son combinaciones de baluns 1:1 en serie y/o paralelo. Para simplificar la construcción y siempre que trabajemos con potencias moderadas, lo que se hace a veces es bobinar varios de éstos baluns dentro de un mismo núcleo toroidal, pero no hay que perder la perspectiva.

Veamos el ejemplo de nuestro típico balun 4:1: se construye con dos baluns 1:1 que se unen en paralelo en el extremo de baja impedancia y en serie en el extremo de alta impedancia. Pues bien, si los bobinamos en un mismo toroide ambos bobinados tienen que tener el mismo sentido de giro, de lo contrario tendremos flujos magnéticos opuestos dentro del mismo toroide, cosa que no interesa.

 
  • EJEMPLOS PRÁCTICOS
Para ilustrar todo lo expuesto, vamos a comparar las medidas realizadas a tres baluns: uno con todos los fallos mencionados, otro con material adecuado pero mal realizado y otro bien realizado.

NOTA: todas las medidas realizadas con carga resistiva de 200 ohm a la salida utilizando el analizador de antenas SARK100.

Se muestra la curva de evolución de Rs y Xs, ya que la impedancia compleja es el valor que mejor idea nos puede dar del comportamiento del balun.

1. Balun con núcleo correcto (Mat 61) pero con la línea mal construida y mal bobinada:


La impedancia resistiva oscila entre 40 y 50 en todo el rango de HF, observándose una clara pendiente negativa a partir de 13 MHz. En cambio, la impedancia reactiva muestra valores excesivamente altos en el rango de 3 a 11 MHz, para luego desaparecer. En general este balun va a introducir una cierta desadaptación, excepto en un pequeño rango de 11 a 18 MHz.

Con el fin de mejorar la excursión de la impedancia reactiva, hemos insertando a la entrada un condensador en serie de 2,2 nF para compensar la inductancia:

Se observa que el condensador hace bien su trabajo con la parte reactiva y que también eleva algo los valores de impedancia resistiva debido a las propias pérdidas óhmicas que introduce el componente.

Este pequeño experimento demuestra que los componentes discretos también pueden ser útiles para adaptar circuitos, sin embargo veremos que utilizar el condensador en un balun generalmente no tiene sentido cuando puede hacerse un balun mejor sin condensador alguno. No hay que olvidar que para esta aplicación no vale cualquier condensador, tiene que ser un modelo de alta tensión, baja resistencia serie y muy estable respecto a la temperatura y la humedad (por ejemplo un condensador de mica).

2. Balun con núcleo desconocido (ferrita de supresión de EMI de un monitor) con la línea mal construida y mal bobinada:

Se observa que la resistencia comienza siendo muy baja, alcanzando los 50 ohm prácticamente a 15 MHz y manteniendo después cierta estabilidad hasta 30 MHz. Por su parte, la reactancia también presenta mucha variación y valores exagerados hasta casi los 23 MHz. Este dispositivo podría utilizarse decentemente únicamente en la banda de 10m.

3. Balun con todos los elementos correctos y bien construidos: 


La imagen no requiere muchas explicaciones, la impedancia resistiva tiene el valor exacto durante todo el rango de HF (y hasta 50MHz aunque no se vea en esta gráfica). La impedancia reactiva simplemente no existe.

La figura de abajo muestra esta misma medida representada en la carta de Smith. La carta de Smith es una forma de representación de impedancias muy útil pues permite analizar el comportamiento de la impedancia de un dispositivo de un solo vistazo. Se trata de una representación de la impedancia compleja de forma normalizada (en este caso a 50 ohm), el eje horizontal representa la resistencia, mientras que los círculos representan la reactancia. La curva roja representa las medidas en todo el rango de frecuencia pero como la medida es siempre la misma aparece como si fuese un punto. El círculo verde contiene todos los posibles valores de impedancia que producen una ROE<= 1,5.

 
La adaptación de impedancia es simplemente espectacular.


  • CONCLUSIONES
Queda pues demostrado que la construcción de baluns no es un hecho trivial, sin embargo también se demuestra al mismo tiempo que es perfectamente viable construir de forma casera baluns que superen a muchos de los comerciales y a un coste mucho menor.

Finalmente, decir que mucho ojo con la información sobre baluns que se encuentra en Internet, pues está plagada de errores, mitos y teorías sin contrastar (el que esté libre de pecado que tire la primera piedra...). Nuestra recomendación: estudiar, entender, experimentar y corroborar, esta es la única manera de aprender y nuestra manera de disfrutar la radio.

Mi agradecimiento especial a EB4HRA por haberme enseñado a fabricar correctamente los baluns.

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