Anotações sobre a construção de baluns

Baluns e Ununs

Essas são algumas anotações que estou fazendo, conforme avanço nos estudos sobre a construção e testes de baluns e ununs.

ATENÇÃO: Este artigo está passando por revisões periódicas. Podem haver muitos erros e equívocos. Após a revisão final, esta nota será removida.

Sistemas balanceados e desbalanceados

Primeiramente, um sistema balanceado é um sistema de dois condutores onde as correntes e tensões presentes em um deles é espelhada no outro, mas com polaridades opostas quando medidos em relação à um ponto comum (GND). Os circuitos balanceados apresentam uma boa performance no cancelamento de ruídos e interferências, pois o ruído atinge os dois conectores ao mesmo tempo e, por conta dos sinais estarem com polaridades contrárias, ele é eliminado naturalmente.

Um bom exemplo de um sistema balanceado é nossa querida e versátil antena dipolo. Perceba como ambos os radiantes da antena possuem a mesma tensão V mas, a cada instante, a polaridade dessa tensão é invertida e oposta em relação ao outro radiante.

Campo elétrico (E) formando a onda estacionária de tensão (V) e gerando as correntes oscilatórias (setas pretas) em direção ao receptor (R) numa antena dipolo. Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna

Caso se meça a corrente em ambos os condutores de um sistema balanceado, ligado à uma carga aterrada, o que vemos é que a quantidade de corrente que flui de uma das linhas para o terra é igual à corrente que flui do terra para a outra linha.

Já um sistema desbalanceado também é composto por dois condutores mas, diferentemente de um sistema balanceado, um dos condutores está diretamente ligado ao terra. Nesse caso, os ruídos e interferências que atingem os condutores não são cancelados naturalmente, pois não há a presença de um sinal de polaridade oposta, com as mesmas características do ruído.

A diferença entre um balun e um unun é que o balun é construído para fazer o casamento de impedância entre uma linha balanceada e uma desbalanceada (BALanced to UNbalanced). Já  o unun faz o casamento de impedância entre duas linhas desbalanceadas (UNbalanced to UNbalanced).

Fonte: https://blog.minicircuits.com/demystifying-transformers-baluns-and-ununs/ 

Uma carga (load) pode ser nosso rádio ou uma antena em transmissão, por exemplo.

Sinais de modo comum ou diferenciais

Sinais de modo comum são aqueles que apresentam entre as duas linhas a mesma amplitude e fase. Já os sinais diferenciais apresentam entre as duas linhas sinais com a mesma amplitude mas com a fase invertida.

Pontos fundamentais

Um balun/unun deve:

• Atenuar a corrente de modo comum (as correntes que retornam pelo exterior do cabo coaxial - devido ao efeito skin em cabos de RF) em, pelo menos, 20dB;
• As tensões/correntes de cada terminal de saída devem ser o mais iguais possível e a fase, o mais próximo de uma defasagem de 180º;
• Ter a menor perda por inserção (insertion loss) possível;
  
• A SWR máxima medida deve ser de 1.5:1 na faixa de frequência de trabalho do balun;
• Existem dois tipos de baluns: baluns de tensão e baluns de corrente (as características de cada um serão explicadas mais adiante).
  

Ao se construir um balun, é importante saber:

• A permeabilidade do núcleo de ferrite do enrolamento é muito importante. Para baluns usados em RF, o melhor toróide de ferrite é o FT240-43, devido à sua abrangência de frequências de trabalho;
• Ferrites do tipo 43 ou 61 trabalham bem nas frequências de HF, permitindo que se construa baluns de banda larga.
  

Baluns são referenciados por seu tipo: 1:1, 4:1, 49:1 etc. Isso depende do uso que o balun terá. Um balun 4:1, por exemplo, faz o casamento de impedância de 4 para 1, ou seja, no caso de uma antena com 200 Ohm para a impedância do coaxial, que é de 50 Ohm (200 Ohm / 4 = 50 Ohm - ou - 4 x 50 Ohm = 200 Ohm). 

O cálculo de um balun para casamento de impedância é o seguinte:

Descobre-se, primeiramente, o coeficiente de relação entre as espiras dos enrolamentos primário e secundário. Essa razão é calculada através da razão de espiras entre os enrolamentos:

ou através de uma das seguintes relações entre tensões e correntes (coeficientes 1 dizem respeito ao primário e 2, ao secundário):

 

Com isso, temos que:

 

Então, tomando os valores mostrados no exemplo mais acima, se Z1 = 50 Ohm e a quantidade  de espiras do secundário for o dobro do primário (n = 2), obtemos:

Exemplos dos esquemas de ligação de baluns 4:1 e 1:1 podem ser vistos nas figuras a seguir (ambos enrolados no modo de autotransformador):

 

Balun de tensão e balun de corrente

Um balun é construído de maneira que a tensão ou a corrente em seus terminais de saída (secundário) estejam sempre balanceadas. Disso vem a diferenciação entre balun de tensão e balun de corrente.

O balun de tensão é muito usado para o casamento de impedância entre antena e linha de transmissão. Eles podem introduzir desvio de fase e têm uma banda passante bem estreita. Se a impedância em cada terminal de saída não forem exatamente as mesmas, as correntes na linha ou na antena não serão iguais (e com fases opostas) e haverá radiação de RF pela linha de transmissão. Os baluns de tensão funcionam melhor em antenas monobanda. Outra característica dos baluns de tensão é que eles sempre magnetizarão seu núcleo com uma relação direta à tensão de radiação na antena, o que deixa claro que a impedância da antena afeta diretamente a perda joule e a densidade de fluxo no núcleo.

Já o balun de corrente (também conhecido como chocke - discutiremos mais sobre esse tipo de balun adiante), é utilizado para suprimir a corrente de modo comum na linha de transmissão. Os baluns de corrente toleram variações de impedância na antena muito melhor que os baluns de tensão.Os baluns de corrente são, frequentemente, construídos com o próprio cabo coaxial enrolado, formando uma bobina, o mais próximo possível da antena.

Um balun nunca pode ser um bom balun de corrente e de tensão ao mesmo tempo. Por isso, a melhor maneira de lidar com as questões de casamento de impedância, baixa perda de retorno, supressão da corrente de modo comum e todos os outros problemas por nós conhecidos, é implementar um balun de corrente e outro de tensão em nossa linha. Mas, tudo depende da necessidade e, para isso, o conjunto de linha de transmissão e antena devem ser averiguados e seus parâmetros, estudados.

O melhor tipo de balun para casamento de impedância é o tipo balun de tensão. 

Baluns de tensão e corrente. Fonte: https://blog.minicircuits.com/demystifying-transformers-baluns-and-ununs/ 

Transformador X Autotransformador

A principal característica de um transformador é possuir um núcleo comum e ter dois ou mais enrolamentos. Já um autotransformador caracteriza-se por possuir um enrolamento único.

 

Balun autotransformador. Fonte: https://blog.minicircuits.com/demystifying-transformers-baluns-and-ununs/

Um dos maiores benefícios de um autotransformador, como o da figura acima, é que a entrada e a saída são eletricamente isoladas.

Os autotransformadores podem ser fabricados com um único enrolamento ou com enrolamentos cruzados, em torno de um núcleo. Tomadas podem ser feitas entre os finais dos dois enrolamentos, afim de se ter uma fração da tensão de entrada do autotransformador ou para ser usada como referência.

Baluns e ununs para linhas de transmissão

Baluns para linhas de transmissão são comumente construídos com cabo coaxial enrolado em torno de um núcleo de ferrite ou de ar. Esses baluns 1:1 recebem o nome de balun do tipo chocke. Eles criam um choque de reatância muito alto no condutor externo do coaxial, impedindo o retorno da corrente de modo comum, enquanto a corrente de sinal percorre livremente o condutor central do cabo.

Esses tipos de baluns são construídos como baluns de corrente. 

Adicionalmente, algumas configurações deste balun são construídas com um balun bifilar acoplado capacitivamente usando dois fios enrolados um em torno do outro e, também, linhas de transmissão acopladas capacitiva e magneticamente enroladas uma na outra e, então, enroladas em torno de um mesmo núcleo comum.

Os balun de banda larga também são construídos com várias transformações de impedância usando diversas linhas de transmissão em arranjos em série e paralelo. Neste caso, a transformação de impedância é 1:m^2, onde m é o número de linhas de transmissão série-paralelo. Baluns de linha de transmissão de quarto de onda e meia onda também são possíveis, embora esses tipos de baluns sejam mais adequados para aplicações com uma faixa de frequência bem estreita.

Última atualização: 28/12/2024 às 12h24.