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

EJEMPLO DE MONTAJE DE UN BALUN

Como decíamos en el artículo anterior, una de las partes importantes a la hora de construir un balun es el montaje mecánico. Lógicamente, los requisitos del montaje también van a depender del uso que se pretenda dar al balun, no es lo mismo querer algo ligero para activaciones portables que querer un balun para instalarlo en una torre de antenas y no tener que tocarlo en muchos años. Vamos a centrarnos en los requisitos para un balun "permanente" ya que serán los más restrictivos, estos son:

1. Resistencia a la humedad
2. Resistencia a la corrosión
3. Resistencia a la radiación solar (rayos UV)
4. Dureza mecánica = resistencia a la tracción de los hilos y a la torsión del anclaje al mástil

Para cumplir con estos requisitos, tenemos a nuestro alcance los siguientes materiales:

• Piezas de PVC de presión, esto último es importante puesto que el PVC de presión es mucho más grueso (resistencia mecánica) y resiste mejor a los rayos UV.
• Cajas para conexiones eléctricas de intemperie, existe una gran variedad en el mercado, conviene buscar las que tengan un buen grosor en las paredes y un tamaño acorde a nuestros torides.
• Tornillería de acero inoxidable, esto es fundamental sobre todo para los terminales de conexión a los hilos radiantes. Hay que evitar a toda costa la corrosión en estos puntos para evitar futuros problemas de continuidad e intermodulación pasiva.
• Materiales de sellado: pegamentos, lacas, barnices, etc. para dar consistencia mecánica a las piezas y proteger las piezas metálicas que no sean inoxidables (cáncamos, tornillería auxiliar, etc.).

Con estos ingredientes podemos elaborar un gran número de "recetas" distintas, según el gusto del cocinero.

A continuación os presento un ejemplo de montaje de un balun 4a1 que pretende ser válido para instalación permanente en mástil. Insisto en que es un ejemplo, elaborado aprovechando los materiales que tenía por casa y de acuerdo al uso que quiero darle, estoy seguro de que existen otros ejemplos de montaje mejores o más adecuados para otras aplicaciones.

Es un montaje de tipo "cilíndrico" combinando un tapón de PVC de diámetro 50 mm con otro de diámetro 40 mm. Incluye dos cáncamos laterales para sujetar los hilos radiantes (hay que evitar que los hilos ejerzan tracción sobre las conexiones pues de lo contrario acabarían partiendo con el tiempo). También lleva un cáncamo superior para colgarlo eventualmente de una polea, si bien en mi caso planeo sujetarlo directamente a un mástil con una abrazadera metálica. Toda la tornillería, soldaduras, etc se ha sellado con "pegamento de pistola caliente", me gusta porque es cómodo de aplicar y endurece rápidamente.

Tapón superior con cáncamos

Tapón superior (interior)

Balun con soldaduras selladas

Balun en el interior del tapón

(se ha sellado toda la tornillería interior y se ha pegado el toroide al tapón para evitar vibraciones)

Conexión del puerto de entrada

(se ha utilizado un trozo de coaxial RG-174 -leer más abajo advertencias al respecto)

Sellado final

(fundamental para proteger soldaduras y evitar que los hilos del coaxial se partan con las vibraciones)

Montaje completo

En la vista inferior nos falta un detalle, que es proteger la tornillería del conector con algún barniz o laca.

OJO al detalle del agujero lateral, es para dar una vía de escape a la condensación que inevitablemente se va a producir en el interior.

ADVERTENCIA IMPORTANTE SOBRE EL USO DE COAXIALES

Este tipo de montaje resulta muy compacto, pero obliga a utilizar un trozo de cable coaxial para unir el conector con el balun, esto es así porque durante el montaje necesitamos un espacio abierto para poder meter el soldador. Como la tapa inferior es pequeña y queda muy poco espacio libre, no queda más remedio que utilizar un trozo de RG-174 que tiene un buen radio de curvatura máximo.

Ahora bien, el uso de este trozo de coaxial nos impone una limitación en cuanto a la potencia máxima del balun. Cualquier línea de transmisión tiene una tensión máxima definida fundamentalmente por el dieléctrico y una corriente máxima definida fundamentalmente por los conductores empleados. Además la potencia máxima también será función de la frecuencia. A mayor frecuencia menor potencia resistirá, debido al aumento de las pérdidas en la línea de transmisión (la potencia que se pierde se disipa en forma de calor en los materiales de la línea).

Supongamos que estamos transmitiendo una potencia máxima de 100W, entonces tendremos una tensión máxima en la línea de:

• O sea tendremos 70,71 V para un coaxial de impedancia característica 50 ohm y con SWR 1.0
• ¡OJO! porque al subir la SWR sube la tensión, para SWR=10 la tensión será 223,6 V !!

Según una tabla de referencia en el ARRL Antenna Handbook, el RG-174 tiene una tensión de ruptura de 1100 Vrms, así que por ese lado podemos estar tranquilos. En cuanto a la corriente máxima que soporta, eso es algo bastante complejo de calcular y no es un dato que proporcionen los fabricantes. Lo que sí nos dicen es la potencia máxima que aguanta el cable con cargas adaptadas, que para este tipo de cable es de 350W @10Mhz y de 200W @50MHz. Con estos datos y teniendo en cuenta que estamos utilizando un trocillo de 5 cm de cable (atenuación de 0,0029 dB) la cantidad de energía que tendría que disipar por desaptación sería muy pequeña.

Conclusión: podemos utilizar nuestro balun con RG-174 con seguridad total hasta 100 W y con valores de SWR moderados.

Esto es perfectamente admisible para el tipo de aplicación que yo le quiero dar, pero puede no ser válido para alguien que pretenda utilizar alta potencia sobre sistemas fuertemente desadaptados. En ese caso habría que utilizar otro cable coaxial o recurrir a otro tipo de montaje. Claro que otra cosa es si esas condiciones de trabajo tienen alguna lógica en sistemas de transmisión que pretendan ser efectivos y tener un buen rendimiento, pero eso ya lo dejamos para otro artículo...

73!

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.

73!

BALUNs y UNUNs ¿QUÉ SON?

Los balun (del inglés balanced/unbalanced) son dispositivos que sirven para adaptar líneas de transmisión no balanceadas a cargas balanceadas. Un caso típico es el de las antenas tipo dipolo alimentadas por un cable coaxial. Adicionalmente, los balun se pueden construir de manera que realicen una determinada transformación de impedancias entre su entrada y su salida. Por ejemplo, si nuestra línea de transmisión es un cable coaxial con 50 ohm de impedancia característica, un balun 4:1 nos servirá para realizar la adaptación con antenas que tengan una impedancia balanceada de aproximadamente 200 ohm.

Esta adaptación entre la línea no balanceada y la antena balanceada se hace necesaria por distintos motivos que, de no corregirlos, dan lugar a distorsiones en el diagrama de radiación, menor energía radiada por la antena, interferencias en otros equipos cercanos provocadas por radiación de la propia línea que alimenta la antena, retorno de radiofrecuencia hacia el equipo de transmisión, etc.

Los unun (del inglés unbalanced/unbalanced) son dispositivos que sirven para adaptar líneas de transmisión no balanceadas a cargas no balanceadas. Un caso típico es el de las antenas de hilo largo alimentadas por un cable coaxial. En este caso, al igual que para los balun, el dispositivo unun se puede construir de manera que realice una determinada transformación de impedancias entre su entrada y su salida. Por ejemplo, si nuestra línea de transmisión es un cable coaxial con 50 ohm de impedancia característica, un unun 9:1 nos servirá para realizar la adaptación con antenas de hilo largo con una impedancia de aproximadamente 450 ohm.

Respecto a los balun hay que destacar dos tipos: los de tensión y los de corriente. Con los balun de tensión se consigue equilibrar los dos voltajes en la carga balanceada, siendo iguales en magnitud y opuestos en fase. Esto ocurre con independencia del valor de la impedancia de carga. Con los balun de corriente lo que se consigue equilibrar son las corrientes en la carga balanceada, siendo iguales en magnitud y opuestas en fase, con independencia del valor de la impedancia de carga.

BALUN 6:1 DE CORRIENTE para 2 Kw PEP

Devanados con teflón

Por defecto, si una antena tipo dipolo se alimenta directamente sin la intermediación de un balun, siempre se generarán corrientes desequilibradas en las ramas, es decir, por la rama conectada al vivo del cable coaxial circulará una corriente i1 y por la rama conectada a la malla circulará una corriente i en sentido contrario (distinta a i1). ¿Por qué se produce este desequilibrio? Es debido a la circulación de una corriente i3 por la cara externa de la malla del coaxial, de manera que i = i2 + i3 (la corriente i2 es la que circula por la cara interna del coaxial y es opuesta a i1). Esa cara externa forma un circuito hasta tierra con una determinada impedancia y, en la medida en que esa impedancia sea mayor o menor, así lo será la corriente i3. Únicamente cuando i3=0 tendremos equilibrio de corrientes en las ramas del dipolo (i1=i=12). Esto se consigue mediante un balun de corriente.

En efecto, la instalación de un balun de tensión no resuelve los efectos indeseados relativos al desequilibrio de corrientes, salvo que la antena sea perfectamente balanceada, lo cual en la práctica no ocurrirá. En cambio, el balun de corriente forzará el equilibrio, de manera que i1 = i2 (siendo i3=0 por la alta reactancia de choque que presenta el balun a esa corriente de retorno por la cara externa de la malla del coaxial). Como el campo generado por la antena es proporcional a las corrientes de los elementos (y no a las tensiones), sólo en el caso de utilizar un balun de corriente dispondremos de un diagrama de radiación sin distorsiones.

Con la instalación de un balun de corriente obtendríamos los siguientes beneficios:

1. Equilibrio de corrientes en ambas ramas de la antena.

2. Diagrama de radiación sin distorsiones.

3. Adaptación de impedancias entre la antena y el cable coaxial para antenas monobanda. En el caso de las multibanda, si la impedancia de la antena se mantiene cercana a un determinado valor en todas las frecuencias de trabajo, obtendríamos una cuasi-adaptación. En otro caso podríamos tener una pequeña desadaptación en ciertas bandas, utilizables con facilidad mediante un acoplador.

4. Eliminación del retorno de radiofrecuencia por la línea de alimentación, así como la posibilidad de que ésta radie parte de la energía, evitándose la consiguiente pérdida de eficiencia y las posibles perturbaciones en otros sistemas eléctricos circundantes.

UNUN 9:1 para 2 Kw PEP

Devanados con teflón

Si quieres más información sobre baluns/ununs, visita: www.eb4hra-baluns.blogspot.com

Monitor de RF con un medidor de SWR Diamond SX-200

Os presento un par de modificaciones que le he hecho a un medidor de potencia y ROE. En este caso el equipo es un Diamond SX-200, pero estas ideas son aplicables a otros muchos modelos.

• MONITOR DE RF

Se trata de incluir una toma en el equipo que nos proporcione una muestra de la señal de RF que estamos transmitiendo. Esta toma se puede utilizar para analizar la señal con un osciloscopio, o también para alimentar un receptor y monitorizar nuestra modulación real.

Se puede construir un circuito específico para esto, pero para hacerlo más fácil también podemos aprovechar el medidor de ROE que casi todos tenemos en la estación y que ya incluye todos los componentes necesarios. Tan sólo tenemos que localizar un punto dónde se encuentre presente la muestra de señal de RF directa, que generalmente será el bobinado de un toroide.

Este es el SX-200 destripado:

 Y este es el módulo sensor en detalle (los torides atravesados por la línea de transmisión están dentro de la cajita metálica):

En este caso, el cable blanco conecta con la señal de RF directa después de pasar por un circuito rectificador (diodo+condensador) que produce un nivel de tensión contínua proporcional a la potencia de RF y es el que mueve la aguja del medidor. Para nuestro propósito tenemos que conectarnos antes del circuito rectificador, este es el resultado:

Y así queda el conector en el chasis:

NOTA IMPORTANTE: Para minimizar el efecto del cable en el circuito de medida, conviene utilizar coaxial de alta impedancia (recuperado de una vieja sonda de osciloscopio) y la mínima longitud posible. Con todo, cuando conectemos el osciloscopio u otro equipo exterior seguramente vamos a cargar el circuito de medida y por lo tanto la marcación de la aguja no será correcta.

Os pongo un ejemplo de las medidas que se pueden realizar:

Señal SSB:

 Transmitiendo mi indicativo

(está en 3,8 MHZ, no hacer caso del contador de frecuencia)

Señal AM:

 Modulando con tono de 1 KHz aprox

Señal FM:

 Sin modulación

Efectívamente, vemos que la realidad coincide con la teoría que aparece en los libros (para el que no se haya dado cuenta, la constatación de este principio es lo que mueve todos nuestros experimentos). Cuando la agenda me lo permita quiero preparar un artículo de sobre los métodos de modulación y el porqué se emplean unos o otros según la aplicación.

Con un osciloscopio un poco mejor y dos canales podríamos hacer muchas mediciones interesantes de nuestro transmisor: profundidad de modulación, distorsión, armónicos, etc. En fín, una toma bastante útil a un coste prácticamente nulo.

• ACTUALIZACIÓN DE LA ILUMINACION DEL MEDIDOR

Esta modificación la verdad es que es muy tonta y no tiene ningún misterio, pero la hice aprovechando que tenía el equipo "destripado". El display traía una bombillita de neón que daba una luz amarillenta y más bien escasa (ver foto).

Para mi gusto, esta iluminación está totalmente pasada de moda, así que he cambiado el neón por un LED azul ultrabrillante (10x1euro en ebay) con una resistencia de 1K para alimentarlo directamente a 13,8V y que brille bien.

Queda un poco como de "tunning" pero la verdad es que se ve muy bien:

Hasta la próxima. 73!

TRANSFORMADORES DE IMPEDANCIA UN-UN (Segunda parte)

Vamos a seguir profundizando en el tema de la caracterización de transformadores de impedancias tipo Un-Un (no balanceado a no balanceado). En esta ocasión he elegido un diseño de Jerry Sevick (W2FMI) con relación de transformación 2,25:1, el cual nos permite adaptar antenas con impedancia resistiva en torno a los 112 ohm frente a una línea de transmisión de 50 ohm.

El esquema del Un-Un es el que se representa en la siguiente figura:

Para la construcción del transformador he utilizado cable telefónico, desarrollando un devanado trifilar paralelo de 10 vueltas sobre el toroide de ferrita FT-140-61, de Amidon. Este montaje nos sirve perfectamente para trabajar con niveles continuos de potencia de unos 100 w (máx. 200 w de pico).

Así ha quedado el Un-Un montado dentro de una cajita circular de plástico:

Las características del toroide, que se pueden consultar en la página web de Amidon (www.amidoncorp.com), se resumen a continuación:

Material: #61 - ferrita

Diámetro externo: 3,56 cm

Diámetro interno: 2,29 cm

Altura: 1,27 cm

Permeabilidad inicial: 125

Permeabilidad máxima: 450

AL = 140 mh/1000 vueltas

Color: Gris

Para realizar las medidas que nos van a caracterizar el transformador, he escogido una carga resistiva de 109,3 ohm. Esta carga nos simulará la antena a la salida del Un-Un y a la entrada conectaremos el analizador MFJ-259B.

Vamos a realizar la caracterización del Un-Un mediante un enfoque distinto al utilizado en el artículo anterior -TRANSFORMADORES DE IMPEDANCIA UN-UN (PRIMERA PARTE)-. Puesto que en medidas previas que he realizado con este Un-Un he comprobado que introduce por sí mismo una determinada reactancia en casi todo el segmento entre 1 y 40 MHz, vamos a buscar como objetivo el margen de frecuencias en el cual la ROE a la entrada del transformador se mantiene por debajo de un cierto límite de tolerancia. Podemos determinar aquellas frecuencias en las que la ROE se mantiene por debajo de 1,5 y aquellas otras en las que medimos entre 1,5 y 2. Por encima de 2 descartaremos el Un-Un.

Recordemos que el objetivo marcado en el otro artículo era determinar el margen de frecuencias dentro del cual el Un-Un no introducía reactancia por sí mismo y, por tanto, se podía obtener una adaptación de impedancias prácticamente perfecta. En el caso que nos ocupa la adaptación nunca será perfecta, pues una impedancia con parte real e imaginaria a la entrada del Un-Un (R + jX ohm) nunca podrá adaptarse a la impedancia de nuestro cable coaxial (50 + j0 ohm).

En las siguientes gráficas se realiza una representación de los valores de resistencia (R2) y reactancia (|X2|) medidos a la entrada del Un-Un. También se representa la ROE:

Como puede observarse por los valores medidos de resistencia y reactancia, la relación de transformación no es uniforme en toda la banda de frecuencias de estudio. De hecho, una relación de transformación aproximada de 2,25:1 solamente se da para las bandas de 160m, 80m y 40m (para este cálculo la reactancia se puede despreciar, pues es baja). Cabe destacar el segmento entre 19,5 y 26,5 MHz, en el que la reactancia es nula, siendo la relación de transformación aproximada de 1,2:1. En el resto de frecuencias esta relación es muy dispar y también lo es la reactancia, que pasa de ser inductiva (pendientes positivas de la gráfica |X2|) a capacitiva (pendientes negativas de la gráfica |X2|) en distintas frecuencias del dibujo.

Respecto a la ROE, distinguimos tres tramos. Para frecuencias inferiores a 19,5 MHz tenemos un valor menor o igual a 1,5. Entre 19,5 y 31,5 MHz la ROE se encuentra entre 1,5 y 2,0. Finalmente, para frecuencias superiores a 31,5 MHz tenemos una ROE mayor que 2,0.

Como conclusión podemos decir que este Un-Un nos sirve para trabajar todas las bandas de radioaficionados en el segmento de HF, utilizando una antena con impedancia resistiva de unos 110 ohm, siempre teniendo en cuenta que la ROE va a ser inferior a 1,5 para las bandas de 160, 80, 40, 20 y 17m. Y para las bandas de 15, 12 y 10m tendríamos una ROE inferior a 2,0.

En el siguiente vídeo se explica en detalle el funcionamiento de este Un-Un, así como las medidas realizadas:

http://www.youtube.com/watch?v=meVrdmU3P5E&feature=plcp&context=C3e34cb1UDOEgsToPDskJ7bHxcFWOwypt0M5zcLFJb

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Alberto - EB4HRA

27-02-2012

TRANSFORMADORES DE IMPEDANCIA UN-UN (Primera parte)

En este estudio vamos a caracterizar dos transformadores de impedancia tipo Un-Un (no balanceado a no balanceado).

El primero de ellos está construido con el toroide T200-6, de polvo de hierro, con un devanado bifilar trenzado de 11 vueltas y relación de transformación 1:4.

El segundo está construido con el toroide FT-140-61, de ferrita, con un devanado quintufilar paralelo de 5 vueltas y relación de transformación 1:2.

¿Qué significa que vamos a caracterizar los Un-Un? Significa, por un lado, comprobar que la relación de transformación coincide con la del modelo o diseño teórico, y por otro medir en qué margen de frecuencias se respeta esa relación de transformación.

Esta caracterización es necesaria, pues debemos estar seguros de qué es lo que hace el Un-Un y en qué frecuencias, sobre todo cuando copiamos un determinado esquema o modelo y no lo reproducimos tal y como nos dice el autor, es decir, variamos la sección de cable del devanado, la separación entre espiras, usamos otro toroide distinto al indicado, etc. Hay que tener en cuenta que estos parámetros son críticos para el resultado final.

Lo ideal para realizar la adaptación de impedancias entre el cable coaxial y la antena utilizando un transformador tipo Un-Un es utilizar, para la banda de trabajo, una antena con impedancia resistiva pura, pues de esta manera se podrá realizar correctamente la adaptación, ya que el cable tiene una impedancia resistiva. En el caso de que nuestra antena tenga una impedancia compleja (R + jX), la adaptación con el coaxial no será posible, aunque si la reactancia es de una valor pequeño, la ROE con la que trabajaremos será admisible. En nuestro estudio utilizaremos una carga resistiva de 50 ohm para cargar los Un-Un (simulando la antena) y buscaremos el margen de frecuencias de funcionamiento para las que se realiza una transformación puramente resistiva. Fuera de este margen el comportamiento del Un-Un variará, e introducirá por sí mismo una determinada reactancia, de manera que no será posible una perfecta adaptación de impedancias.

El esquema de medida para ambos Un-Un es el siguiente:

La base de los dos Un-Un está extraída de sendos diseños de Jerry Sevick (W2FMI), contenidos en el “Transmission line transformers handbook”. Naturalmente indicaré las variantes introducidas.

PRIMER DISEÑO – UN-UN 1:4

Se trata de adaptar una impedancia resistiva en la antena de unos 12 ohm frente a los 50 ohm del coaxial. Jerry Sevick utiliza un devanado de 6 vueltas de cable coaxial de baja impedancia sobre un toroide FT-150-K. En mi caso, utilizo 11 vueltas de cable telefónico bifilar trenzado sobre el toroide T200-6.

En las siguientes gráficas se realiza una representación de los valores de resistencia (R2) y reactancia (X2) medidos a la entrada del Un-Un. También se representa la relación de transformación:

Como se puede observar, para las frecuencias más bajas (banda de 80m) se obtiene una resistencia en torno a los 150 ohm y la reactancia es nula, con lo cual la relación de transformación que obtenemos es de 1:3. Esto nos permite adaptar antenas con impedancia de unos 16 ohm.

Para el caso de las bandas de 40m y 20m la resistencia medida se encuentra en torno a los 200 ohm, siendo nula la reactancia. Tenemos, por tanto, una relación de transformación de 1:4. Esto nos permite adaptar antenas con impedancia de unos 12 ohm.

Fuera del margen de frecuencias que acabo de indicar, el propio Un-Un introduce reactancia, por lo que no hay adaptación de impedancias entre la antena y el cable coaxial. No obstante, en las proximidades de las frecuencias de corte inferior y superior el Un-Un se podría utilizar, con una ROE aceptable.

SEGUNDO DISEÑO – UN-UN 1:2

Se trata de adaptar una impedancia resistiva en la antena de unos 32 ohm frente a los 50 ohm del coaxial. Jerry Sevick utiliza un devanado quintufilar de 4 vueltas de cable Formvar SF sobre un toroide FT-125-K. En mi caso, utilizo 5 vueltas de cable telefónico quintufilar sobre el toroide FT-140-61. La relación de transformación indicada por Jerry Sevick es de 1:1,5, pero ya veremos posteriomente en las medidas la diferente relación obtenida.

En las siguientes gráficas se realiza una representación de los valores de resistencia (R2) y reactancia (X2) medidos a la entrada del Un-Un. También se representa la relación de transformación:

Como se puede observar, para las frecuencias más bajas (bandas de 160m y 80m) se obtiene una resistencia en torno a los 80 ohm y la reactancia es nula o casi nula, con lo cual la relación de transformación que obtenemos es de 1:1,5. Esto nos permite adaptar antenas con impedancia de unos 33 ohm.

Para el caso de las bandas de 40m, 20m y 17m la resistencia medida se encuentra en torno a los 100 ohm, siendo nula la reactancia. Tenemos, por tanto, una relación de transformación de 1:2. Esto nos permite adaptar antenas con impedancia de unos 25 ohm.

Para el caso de las bandas de 15m y 12m la resistencia medida también se encuentra en torno a los 100 ohm, siendo baja la reactancia. Tenemos, por tanto, una relación de transformación de 1:2, pudiendo adaptar antenas con impedancia de unos 25 ohm con una ROE aceptable.

Fuera del margen de frecuencias que acabo de indicar, el propio Un-Un introduce reactancia, por lo que no hay adaptación de impedancias entre la antena y el cable coaxial.




En el siguiente vídeo se explica en detalle el funcionamiento de los Un-Un, así como las medidas realizadas:


http://www.youtube.com/watch?v=70kjH6J5HrM&list=UUbB8OUqr8hZijBHR1ExuHZA&index=4&feature=plcp

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Alberto - EB4HRA


15-02-2012