jueves, 4 de abril de 2013

EL BALUN 4:1 DE CORRIENTE EN EL MUNDO REAL

Os presento el tercer artículo de esta miniserie dedicada al balun 4:1 de corriente, en el primer artículo vimos cómo construir correctamente el balun en el interior, en el segundo un ejemplo de montaje exterior y en este último vamos a ver cómo se comporta el balun cuando lo hacemos funcionar fuera de los parámetros originales de diseño, o sea "en el mundo real".


EL BALUN EN EL MUNDO IDEAL

A la hora de diseñar el balun hay que fijar las impedancias de entrada y salida que queremos utilizar. Esto es especialmente importante en los baluns de corriente, al estar constituidos por líneas de transmisión. Habitualmente la impedancia de entrada se fijará en 50 ohmios y la impedancia de salida será de 200 ohmios para un dispositivo con relación de transformación ideal de 4 a 1.

Por lo tanto, si nuestro balun está bien diseñado y construido, conseguiremos dicha transformación a lo largo de un buen rango de frecuencias. Como ejemplo, el balun con toroide FT140-61 y con líneas de transmisión de 100 ohmios utilizado para esta serie de artículos:
 


Observamos una impedancia resistiva constante de 50 ohm, por lo tanto el comportamiento del balun cargado con su impedancia teórica es muy similar al ideal.


EL BALUN EN EL MUNDO REAL

En el mundo real no vamos a conectar nuestro balun a una resistencia pura de 200 ohm sino que lo vamos a conectar a una antena, ya sea tipo dipolo, loop o similar. Dicha antena rara vez presentará la impedancia teórica que se lee en los libros o se puede calcular con un programa de simulación. La realidad es que la altura sobre el suelo, los objetos circundantes y las características del terreno tienen un gran efecto sobre la impedancia de la antena (y sobre el diagrama de radiación).

Así pues, se hace necesario evaluar el comportamiento de nuestro balun al menos en un determinado rango de impedancias bajo y sobre la impedancia de carga de diseño. Si tomamos nuestro balun y probamos con varias cargas resistivas, este es el resultado:



Vemos que existen tendencias de variación diferenciadas para las cargas inferiores y superiores al valor nominal, observando en cualquier caso mayor divergencia en las superiores. Por otro lado también vemos que aparece una componente reactiva, mayor cuanto mayor es la divergencia de la carga y claramente creciente con la frecuencia.

¿De dónde sale esa variación de la impedancia a la entrada? Muy sencillo: ya hemos dicho que nuestro balun está constituido por líneas de transmisión, por la teoría básica de líneas que transmisión sabemos que cuando se carga una línea con una impedancia distinta a su impedancia característica, dicha impedancia se transforma en un valor distinto en el extremo opuesto de la línea. Dicha transformación varía con la longitud eléctrica de línea y se repite cada media onda. 

Aunque nuestro balun es un caso especial porque realmente es una combinación de líneas, en esencia el efecto es el mismo, es decir, al cargarlo con una impedancia distinta a la de diseño, se produce una transformación en dicha impedancia y la transformación es mayor cuanto mayor es la frecuencia, porque a mayor frecuencia "más larga aparenta ser la línea". ¡ojo! porque esa transformación se combina con la que ya de por sí tiene que hacer el balun, lo que en la práctica suaviza la transformación por "desadaptación".

Variación de la ROE en el puerto de entrada: sabemos que cuando en una línea de transmisión existe desadaptación de impedancias parte de la energía inyectada en la línea es reflejada hacia el generador desde el extremo de la carga, produciendo a su paso una "onda estacionaria aparente" en los voltajes y corrientes. Una forma de medir esa desadaptación es mediante el valor de SWR o ROE. Pues bien, veamos los valores de ROE que aparecen a la entrada del balun producto de la variación en la impedancia de carga.


Resulta que los valores de ROE son bastante contenidos en todos los casos y en todo el rango 3-30 MHz, de dónde deducimos que nuestro balun 4:1 es bastante tolerante con la impedancia de carga.

Por otro lado, de nuestras pruebas también podemos hacer una observación curiosa, si nuestro balun 4:1 mantuviese esa relación de transformación inquebrantable con la impedancia de carga, resulta que los valores de ROE a la entrada para las cargas no ideales serían peores de lo que en realidad están apareciendo. La siguiente figura muestra un gráfico con la relación de transformación real en los diferentes casos, se ha calculado teniendo en cuenta el módulo del vector impedancia a la entrada y la salida, para que también se refleje el efecto de la componente reactiva.



Vemos pues, que la relación de transformación no es un parámetro intrínseco del balun, sino que es algo que únicamente es reflejo de la relación entre las impedancias de diseño. Afortunadamente, ya vemos que esto puede jugar en nuestro favor.


EFECTO DE LA CUASI-ADAPCIÓN

Llegados a este punto, cabe preguntarnos por las consecuencias prácticas que se derivan de utilizar nuestro balun con la variedad de impedancias de carga del mundo real. Nuestro balun tiene como objetivo (a parte de equilibrar corrientes y bloquear corrientes de retorno en modo común) adaptar una impedancia de 200 ohms a 50 ohms, pero resulta que vemos que también es capaz de adaptar impedancias de 100 a 300 ohms a valores más o menos cercanos a los 50 ohms, a esto me gusta llamarle "cuasi-adaptación" (conste que el término es invención de EB4HRA).

Lo llamamos cuasi-adaptación porque a efectos prácticos esa pequeña desadaptación balun-coaxial tendrá unos efectos insignificantes en la eficiencia de nuestro sistema radiante.Veamos un ejemplo:

Supongamos un dipolo asimétrico con una impedancia ideal de 300 ohms, alimentado por nuestro balun 4a1 y conectado al transmisor por una tirada de 25 metros de coaxial RG-213. Según nuestras medidas, la impedancia que verá el coaxial a la entrada del balun  a 28 MHz (caso peor) será de: 57+j24 ohm

Para calcular las pérdidas totales, vamos a utilizar la magnífica calculadora de líneas de transmisión de AC6LA disponible para descarga en:  http://ac6la.com/tldetails1.html
 


Resulta que las pérdidas adicionales en el coaxial debidas a nuestra "cuasi-adaptación" son de 0,067 dB a 28 MHz, únicamente el 8% de las pérdidas totales de la línea, ¡totalmente despreciable! 

¡OJO! porque las perdidas adicionales por desadaptación son proporcionales a los factores de pérdidas habituales del cable, o sea que si sustituimos el coaxial del ejemplo por un RG-58 las pérdidas por desaptación se duplican (aunque seguirían siendo despreciables).

Queda patente que salvo que utilicemos coaxiales largos con muchas pérdidas o elevadísimas potencias de transmisión (los voltajes máximos en una línea con ROE aumentan), no tenemos que preocuparnos en absoluto por nuestras "cuasi-adaptaciones", incluso hasta valores de ROE=3, siempre que nuestro transmisor sea capaz de entregar toda la potencia sobre una línea con esos valores de ROE o usemos acopladores de antena.

Esto es lo mismo que decir que nuestro balun 4:1 será útil con un gran número de antenas reales en sus entornos reales, sin tener que preocuparnos porque tengan una impedancia exacta de 200 ohms resistivos.


CONCLUSIONES

  • El balun 4:1 es tolerante variaciones moderadas en la impedancia de carga.
  • La relación de transformación sólo se cumple para las impedancias de diseño, no es un parámetro intrínseco del balun.
  • Valores de ROE inferiores a 3 en general tendrán efectos imperceptibles en la efectividad de nuestra transmisión.
  • El balun 4:1 de corriente es útil en un gran número de escenarios reales.

Espero sea de interés.

73! de EA4FFI