El balance
La palabra "balun"es una contracción de "BALanced to UNbalanced transformer", es decir, "transformador de balanceado a desbalanceado". Entonces lo mejor es partir por comprender a qué se refiere exactamente este concepto del balance.Pensemos en una antena dipolo extendida, resonante en la frecuencia deseada, y flotando libremente en el espacio infinito. Para alimentar esta antena, debemos conectar entre sus dos polos una fuente de radiofrecuencia (transmisor). Este aplica una tensión de radiofrecuencia entre los polos. Según la impedancia de la antena, en este caso unos 73 Ω, la antena toma una cierta corriente. Por ejemplo, si el transmisor le aplica 100 V, entonces la antena tomará unos 1.37 A, lo cual representa una potencia de 137 W.
Por supuesto ocurre lo mismo con cualquier otra antena simétrica, tal como un cuadro, un delta, una rómbica, el elemento excitado de una Yagi, etc.
Si ahora bajamos este sistema antena-transmisor a la tierra, y dejamos instalada nuestra antena a una altura normal, entonces ésta inevitablemente se va a acoplar a la tierra y a otros objetos cercanos. En ese caso ya podemos hablar de tensiones absolutas, aplicadas a cada uno de los polos de la antena, respecto a tierra. Si ambos lados de la antena están a la misma altura y a la misma distancia del suelo, entonces se van a acoplar a él en la misma medida. En ese caso, la antena está balanceada, lo que quiere decir que las tensiones en sus dos polos respecto a tierra deben ser iguales en magnitud pero de polaridad opuesta, y que las corrientes que circulan en los dos polos de la antena son iguales en magnitud y de polaridad opuesta. Esto es entonces lo que define un sistema balanceado: Tanto las tensiones de sus dos polos, como las corrientes que circulan, son de magnitud igual y polaridad opuesta, dentro del sistema de referencia (la tierra, en nuestro caso), de forma tal que la tensión sumada de los dos polos es cero respecto a tierra, y la corriente sumada también es cero.
Como contraparte a ésto, veamos el caso de un típico transceptor de radio actual. Este posee un conector coaxial en su salida, tiene gabinete metálico, y se usa normalmente con su gabinete conectado a tierra. El enchufe coaxial tiene su polo exterior al gabinete, y por lo tanto a tierra. Las corrientes de radiofrecuencia que circulan por los dos polos de este conector son de magnitud igual y polaridad opuesta, y por lo tanto balanceadas, igual que en la antena dipolo; en cambio las tensiones no lo son! Mientras el contacto interior del enchufe coaxial lleva tensión de radiofrecuencia respecto a tierra, el contacto exterior está unido a tierra, y por lo tanto no puede llevar tensión. Entonces estamos ante un sistema desbalanceado, ya que la tensión respecto a tierra aparece solamente en uno de los dos polos, y así la suma de las tensiones de los dos polos no es cero.
Resumiendo lo anterior, la corriente siempre debe ser de magnitud igual y polaridad opuesta en los dos conductores, sin importar que el sistema sea balanceado o no. Y la tensión aparece entre los dos polos, también sin importar que el sistema sea balanceado o no. La única diferencia es el potencial en que se encuentra la tierra con respecto a los polos: En el sistema desbalanceado, la tierra queda unida a uno de los polos, mientras que en el sistema balanceado el potencial de tierra queda en el punto intermedio entre los dos polos.
Cables
Para llevar energía de radiofrecuencia de un lugar a otro, existen cables para ambos sistemas. Para un sistema balanceado, se emplea cable paralelo, en que ambos conductores son iguales. Opcionalmente este cable puede tener un blindaje, que no lleva corriente pero va conectado al potencial de tierra, a menudo en uno solo de sus extremos. Pero esto no es muy usado en RF, debido a las pérdidas dieléctricas que introduce. En audio en cambio se usa mucho, por ejemplo en micrófonos de estudio.Para conducir energía en un sistema desbalanceado, se emplea cable coaxial. En éste los conductores son distintos, y uno de ellos rodea al otro, apantallándolo contra el mundo cruel. Mientras en un cable paralelo hay tensión y corriente en ambos conductores, en un cable coaxial debería haber tensión respecto a tierra sólo en el conductor interior, mientras que el exterior debería estar siempre al mismo potencial de la tierra.
Para conectar un transceptor con salida coaxial a una antena vertical de un cuarto de onda, que utiliza la tierra como plano reflector, la cosa es simple: Esa antena es desbalanceada, igual que el transceptor, y el cable coaxial se presta muy bien para unir los dos. Pero la pregunta que se hacen muchos es cuál cable usar para conectar un transceptor a una antena dipolo. El cable paralelo (balanceado) no sirve, ya que la salida del equipo es coaxial (desbalanceada), y el cable coaxial (desbalanceado) tampoco sirve, ya que la antena dipolo es balanceada. Que problema, ¿cierto?
Conexión directa
Muchos radioaficionados hacen vista gorda de este problema, usan cable coaxial y lo conectan directamente a la antena dipolo. Eso funciona, a pesar de que en principio es incorrecto, pero causa varios problemas. Lo que ocurre es que la antena trata de mantener una distribución balanceada de la tensión en sus polos, mientras que el transmisor, con uno de sus polos conectado a tierra, le hace la contra. Como resultado el conductor exterior del cable coaxial queda a potenciales distintos en sus dos extremos. Eso hace que fluya una corriente de RF adicional por el cable, que tiene la misma polaridad en los dos conductores del cable! A esta corriente se le llama "corriente de modo común", a diferencia de la corriente que tiene sentidos opuestos en cada conductor, la cual recibe el nombre de "corriente de modo diferencial". Alguna gente prefiere hablar de una corriente "por afuera de la malla", a diferencia de la corriente normal y correcta que en el cable coaxial sólo debe fluir "por adentro". Aunque técnicamente este concepto no es correcto, es un modelo muy fácil de imaginar.
En una línea de transmisión correctamente usada, sólo hay corriente de modo diferencial, lo que es sinónimo de decir que la corriente por sus dos conductores es de polaridad opuesta y de magnitud exactamente igual. Por ello los campos magnéticos generados por las dos corrientes se cancelan, y por lo tanto el cable no produce campos magnéticos externos. Esto vale igual para cables coaxiales que para los paralelos. Asimismo en un cable correctamente usado no aparecen campos eléctricos externos, ya que en el caso del cable paralelo las dos tensiones son iguales pero de polaridad opuesta, cancelándose sus campos externos, mientras que en el cable coaxial sólo se expone al resto del mundo el conductor exterior, que no lleva tensión respecto a tierra, y por lo tanto no puede crear campos eléctricos. Eso sí que dentro de un cable coaxial, y en las proximidades inmediatas de un cable paralelo, existen campos eléctricos y magnéticos fuertes, pero fuera del cable coaxial no hay campos, y a buena distancia del cable paralelo sólo hay campos residuales sin importancia práctica.
Pero si conectamos un cable coaxial directamente a la antena, entonces el conductor exterior del cable tendrá tensión respecto a tierra, especialmente en su parte más cercana a la antena. Por lo tanto producirá un campo eléctrico. En la jerga del ramo se habla de que el cable está "caliente". Y como también habrá una corriente de modo común, que es lo mismo que decir que las corrientes por sus dos conductores no son exactamente iguales y opuestas, habrá un campo magnético producido por el cable. En resúmen, el cable coaxial mal usado pasa a comportarse como antena, irradiando (y también recibiendo) señales.
Entonces si usamos una antena dipolo alimentada directamente con un cable coaxial, tendremos los siguientes efectos:
- No solamente la antena emite y recibe señales, sino también lo hará el cable, la conexión a tierra, la línea de 220V, y todo lo demás que esté conectado al equipo. Todo e l sistema estará "caliente".
- La antena quedará operando con menos tensión, y por lo tanto también menos corriente, en el lado que va conectado a la malla. Esto cambia sus características, afectando el diagrama direccional, la ganancia, la eficiencia, el ángulo de radiación, etc.
- La radiación del cable coaxial, línea a tierra, y todo lo demás, se combina con la de la antena, cambiando aún más sus características.
- Al emitir señales el cable coaxial, cable de tierra, etc, que estan cerca de nosotros en el shack, nos exponemos a un alto campo de RF, posiblemente perjudicial para la salud. En cambio si se emite toda la potencia desde la antena solamente, que está más lejos del shack, la situación es mucho más segura.
- Al emitir señales desde el cable, etc, tenemos muchísimo más riesgo de interferir nuestro computador, o el otro equipo de radio que está al lado, o la TV al otro lado de la pared, etc.
- Al captar señales el cable, etc, aumentamos drásticamente la cantidad de ruido recibido, que es generado por fuentes muy cercanas al cable pero más lejanas de la antena (computador, cargadores de celulares, luces fluorescentes, etc).
- Al interactuar el cable con la antena, veremos diferencias en la ROE cada vez que movamos el cable, agreguemos o quitemos algo en el shack, etc. Esta es la razón de por qué a veces el medidor de ROE marca bien, pero si lo sacamos de la línea, el medidor de ROE interno del equipo detecta que la ROE se disparó! La longitud del cable tiene fuerte efecto sobre la resonancia del sistema total, cuando el cable interviene en la radiación.
No es que no se pueda hacer radio en estas condiciones. Durante muchísimos años, mucha gente lo ha hecho, y lo siguen haciendo. Pero claramente no es lo ideal. Para evitar todos estos problemas, necesitamos un dispositivo que adapte el transceptor desbalanceado a la antena balanceada. Este dispositivo es el famoso balun.
Cómo funciona un balun
Un balun, para las bandas de HF, es típicamente un simple transformador, o más comúnmente un autotransformador, conectado de una forma que provee el punto medio que la antena dipolo no posee. Un balun simple es éste:
Queda claro a primera vista que con esta conexión la malla del cable coaxial queda efectivamente en el punto medio de la antena, que es un punto que no existía antes de poner el balun. Debido al buen grado de acoplamiento entre las bobinas del balun, cualquier tensión que aparezca en el vivo del coaxial, aparecerá con signo opuesto en el otro polo de la antena. La corriente que circula por el lado derecho de la antena pasa por la mitad derecha del balun y baja por la malla del coaxial, y es compensada por otra corriente igual que circula por la mitad izquierda del balun, proveniente del polo vivo del coaxial. Al mismo tiempo hay otra corriente igual que circula directamente desde el vivo del coaxial hacia el lado izquierdo de la antena.
Queda claro entonces que la tensión total aplicada a la antena es el doble de la tensión que viene en el cable coaxial, mientras la corriente que circula en la antena es de la mitad de la que circula en el cable coaxial. De esa forma, este balun no solamente está adaptando el cable desbalanceado a la antena balanceada, sino también está efectuando una transformación de impedancia, con una relacion de 1:4, ya que si con el doble de la tensión circula la mitad de la corriente, la impedancia tiene que haber aumentado en un factor 4.
En muchos casos esto es útil, por ejemplo para alimentar dipolos plegados, que tienen 300 Ohm, desde un cable coaxial de 75 Ohm. Pero si vamos a alimentar un dipolo sencillo con un cable coaxial, esto no sirve, ya que el dipolo sencillo tiene aproximadamente la misma impedancia que un cable coaxial. Entonces debemos usar un balun 1:1, es decir, un balun que no transforma la impedancia. Tal balun es este:
Quieren ponerle cifras reales al asunto? Eso suele facilitar la comprensión. Digamos que la antena la hemos puesto inteligentemente a tal altura que da una impedancia de 50 Ω, y que tenemos un transmisor de 100 W. Veamos que pasa en cierto instante, en que la tensión instantánea es justo la que corresponde a la medida RMS. Eligo ese instante para que la matemática salga bonita:
La malla del coaxial estará, por supuesto, a cero volt, igual que en todo momento, ya que el sistema está correctamente balanceado. En el vivo del coaxial tendremos 70.7 V, positivo respecto a tierra o a la malla. Eso significa que habrá 35.35 V sobre cada bobinado del balun, haciendo unos 106 V en total entre los extremos del balun. El polo izquierdo de la antena estará con +35.35 V respecto a tierra, y el lado derecho con -35.35 V. En total habrá 70.7 V entre los polos de la antena. Como ésta tiene 50 Ω, van a circular 1.41 A, equivalentes a 100 W.
Vamos a las corrientes: Por el vivo del coaxial vienen 1.41 A, que pasan por la bobina izquierda del balun y se van al polo izquierdo de la antena. Del lado derecho de la antena vienen 1.41 A, que pasan por la bobina derecha del balun y bajan por la malla del coaxial. Como las corrientes en las dos bobinas mencionadas son iguales, pero en sentidos contrarios, se compensan, y eso es lo que permite que fluyan! Si no estuvieran compensadas, el transformador no las dejaría pasar.
¿Y el bobinado central? ¡Bien, gracias! En este análisis simplista, no lleva corriente alguna, y por lo tanto está de adorno! En la realidad, por él circula una corriente pequeña, que también circula por el bobinado de la izquierda (adicionalmente a la grande que circula ahí). Esta se llama "corriente de magnetización", está 90 grados atrasada en fase respecto a la tensión, y es de menor magnitud mientras mejor sea el balun. Pero si llegara a aparecer algún factor que cause desbalance, por ejemplo que un lado de la antena se baje y quede más cerca del suelo, entonces comienza a circular una corriente fuerte por ahí también, tratando de forzar un buen balance. Esto puede ser bueno o malo, según el caso, y lo veremos un par de párrafos más abajo.
El pseudo-balun
Tomando la idea recién entregada, de que el bobinado central del balun 1:1 no lleva corriente significativa, es lógico pensar que podemos eliminarlo, y así hacer un balun 1:1 con solamente dos bobinados. ¡Y efectivamente se puede hacer eso! Sólo que el dispositivo resultante, en términos estrictos, ya no es un balun, pero en la mayorá de los casos puede cumplir la misma función, y a menudo con ventajas significativas.Aquí está el "pseudo-balun", también llamado "cuasi-balun", "balun de corriente", o "reactor de modo común":
Está clarísimo que en este circuito la corriente del vivo del coaxial tiene que ir al lado izquierdo de la antena, y la corriente que sale del lado derecho tiene que bajar por la malla del coaxial. No hay otro lugar donde puedan ir! Pero a pesar de ello, este circuito dista mucho de ser una conexión directa del cable a la antena. El efecto de este transformador, conectado de tal manera, es el siguiente:
- El acoplamiento entre las bobinas obliga a que las corrientes en los dos polos sean realmente iguales y opuestas. Es decir, impide que exista una corriente de modo común en el cable coaxial. De ahí nace el cuarto de sus nombres.
- Como los dos bobinados presentan una alta impedancia a cualquier corriente de RF que quiera circular para el mismo lado en ambos, sólo circula una corriente de modo común despreciable si por cualquier motivo aparece una tensión de RF entre el extremo superior y el inferior del balun.
Como resultado de lo anterior, la malla del cable coaxial va a quedar con el mismo potencial que se le dio en el shack, donde normalmente va a tierra, dado que la impedancia longitudinal que presenta el cable, y la conexión a tierra, es mucho menor que la impedancia de modo común del balun. Al mismo tiempo la antena queda en libertad de acción para establecer su propio balance de potencial con respecto a la tierra, sin tener ese lastre de la malla aterrizadal colgando. En consecuencia, si la antena está bien balanceada, se van a establecer las mismas tensiones y corrientes que en el caso del balun de tres bobinados, y ambos van a tener un comportamiento idéntico. La diferencia entre ambos se produce cuando la antena no está bien balanceada, por ejemplo cuando uno de sus lados queda a baja altura sobre un techo, y el otro lado está más alto y libre. En ese caso, el punto medio de la antena no va a estar exactamente a potencial cero, y un balún 1:1 de tres bobinas, que fuerza la malla del coaxial a tener el mismo potencial que el punto medio de la antena, va a forzar una corriente de modo común en el cable, y en algunos casos va a causar más problemas que los que arregla! En cambio el pseudo-balun funciona exactamente igual de bien con antenas balanceadas, desbalanceadas o parcialmente balanceadas, permitiendo siempre que la antena se acomode libremente a su potencial natural respecto a tierra, mientras que el cable coaxial quede siempre con su malla a potencial cero!
Dicho de otra forma, el balun de verdad adapta un sistema balanceado a uno desbalanceado, nada más. En cambio el pseudo-balun adapta cualquier cosa a cualquier otra cosa, en términos de balance. A cada lado puede haber un sistema balanceado, desbalanceado o parcialmente balanceado, y el pseudo-balun siempre va a cumplir con su tarea de evitar las corrientes de modo común y la consiguiente radiación desde el cable.
Por eso motivo la mayoría de los autores consideran que con antenas prácticas, que no siempre están perfectamente simétricas, el pseudo-balun es superior al balun verdadero.
Y hay otra ventaja más en el pseudo-balun. Si la inductancia es un poco escasa para la banda más baja en que se va a usar, entonces el pseudo-balun simplemente pierde eficacia como balun, hasta llegar al extremo de no tener efecto alguno. En cambio el balun de verdad, en la misma situación, toma una corriente de magnetización cada vez más alta, haciendo subir la ROE a las nubes, y en caso extremo actuando como cortocircuito.
Balunes prácticos
Se pueden construir balunes de varias maneras distintas. De partida, no todos los balunes son transformadores! Hay algunos otros tipos, que los veremos más abajo. Pero por ahora quedémonos con los vistos arriba. Para construir éstos, debemos diferenciarlos básicamente según el tipo de núcleo magnético empleado, y según el tipo de conductor.Es perfectamente posible hacer balunes al aire, es decir, sin núcleo magnético. Pero no dan mucho ancho de banda, y el rendimiento en cuanto a la supresión de corriente de modo común es mediocre. El problema es que un balún debe tener tanta inductancia en sus bobinados, que la reactancia inductiva en la frecuencia de trabajo sea muchísimo más alta que la impedancia del sistema. Cinco veces más es un mínimo dado por algunos autores, pero si uno quiere que el balun no cambie mucho la ROE, hay que pensar en 10 veces más como mínimo absoluto. Por otra parte, la capacidad parásita total equivalente entre las espiras debe ser tan baja, que su reactancia capacitiva sea muchísimo más alta que la impedancia del circuito. El balun de aire no se presta para combinar estas dos características. Si queremos lograr la suficiente inductancia sin usar un núcleo magnético, necesitamos muchas vueltas de alambre, muy juntas, con gran diámetro, y eso inevitablemente también genera una gran capacidad parásita. Entonces podemos hacer un balun al aire diseñado de tal forma que la capacidad parásita compense la inductancia, en la frecuencia de trabajo, pero eso obviamente resulta en un balun que trabaja correctamente dentro de una sola banda. Si vamos a frecuencias más bajas, le falta inductancia, y si vamos a frecuencias más altas, le sobra capacidad parásita!
Este problema se soluciona utilizando un núcleo magnético, casi siempre hecho de ferrita, que es un material magnético cerámico que no tiene conductividad eléctrica (o muy poca, según el tipo de ferrita). Su conductividad magnética en comparación con el aire (que se llama "permeabilidad relativa") varía muchísimo según el tipo exacto de ferrita, cubriendo un rango desde 20 hasta 10000, y más! Las ferritas buenas para ser usadas en balunes de HF típicamente van en un rango de permeabilidad de 100 a 1000, pero más comúnmente sólo de 100 a 400. El problema es que a medida que sube la permeabilidad, también suben las pérdidas: El material absorbe parte de la energía que pasa por el balun, calentándose, y causando diversos problemas. En general, los materiales de ferrita con permeabilidad bajo 200 tienen muy poca pérdida en HF, mientras que aquellos alrededor de permeabilidad 500 pueden ser aceptables todavía, y los de permeabilidad mayor a esa en realidad son buenos solamente de la banda de 40 metros hacia abajo. Esta especificidad con la frecuencia se produce porque todas las ferritas son buenos materiales magnéticos (bajas pérdidas) en frecuencias bajas, mediocres en frecuencias más altas, y simplemente dejan de ser magnéticas y pasan a ser solamente elementos resistivos, en frecuencias altas. A frecuencias más altas todavía, se hacen capacitivas. Y los límites de frecuencia entre estos rangos dependen de la permeabilidad del material. Por ejemplo el conocido y barato material tipo 43 (esos números son los empleados por Amidon, un conocido proveedor de ese material), que tiene permeabilidad 850, es bueno hasta como 10 MHz, resistivo de ahí hasta unos 100 MHz, y capacitivo a frecuencias más altas. En cambio el material 61, que tiene permeabilidad 125 solamente, es bueno hasta más allá de 30 MHz, y se pone resistivo recién bien dentro del rango de VHF. Por otra parte, las ferritas usadas en transformadores de fuentes conmutativas, flyback y yugos de TV, etc, tienen una permeabilidad cercana a 2000, y son buenas sólo en frecuencias de unos 500 kHz para abajo, es decir, no sirven para ninguna banda de aficionado. Entremedio están las ferritas que se usan como antena en radios de AM, y que alguna gente utiliza para hacer balunes. La mayoría de estas ferritas suelen ser buenas hasta 2 o 3 MHz, más o menos. Por lo tanto debiera considerarse solamente para 160 y 80 metros, a lo sumo. Pero a veces se encuentran unas de material 61 también, que andan bien en HF. El problema es identificarlas con seguridad.
En la foto tenemos varias formas en
que vienen estos
núcleos, y que se usan para hacer balunes. A la izquierda tenemos un
solenoide
de ferrita, conocido también como barra de ferrita, que está con 7
espiras e
alambre encima, sólo para ilustrar cómo se bobinan estos núcleos. La
bobina se
hace en la zona central del núcleo, dejando los extremos libres. Esta
forma de
núcleo es muy poco conveniente para hacer balunes, ya que sólo el campo
magnético que va por dentro del bobinado es conducido por la
ferrita, mientras
que el retorno de las líneas de flujo debe producirse por el aire.
Entonces una
bobina hecha sobre un núcleo solenoidal tiene sólo unas 2 o 3 veces la
inductancia que tendría si no hubiera núcleo. Por ese motivo un balun
hecho
sobre una ferrita así podría tener un comportamiento apenas un poquito
mejor que uno hecho con núcleo de aire.Al lado del solenoide tenemos un toroide de ferrita, con un bobinado de muestra de 5 espiras. Ese es un tipo de núcleo muchísimo más adecuado para un balun, ya que el flujo magnético puede ir completamente dentro de la ferrita. Por ello, una bobina hecha en este núcleo tiene muchísimas veces más inductancia que una al aire! Entonces un núcleo así permite obtener una gran inductancia con pocas vueltas de alambre, en un pequeño tamaño, y por lo tanto con muy poca capacidad parásita. Esto permite hacer balunes de excelente comportamiento y gran ancho de banda, permitiendo fácilmente cubrir de 160 a 10 metros con un solo balun.
Pero aún el toroide requiere una cantidad de alambre relativamente grande, ya que las espiras son largas, y lo que cuenta para producir inductancia es principalmente sólo la parte de cada espira que pasa por el hoyo del núcleo. Ahí vienen al rescate las ferritas de dos hoyos, de las cuales hay tres ejemplos en la foto: Una sin alambre, para ver los hoyos, otra igual con un bobinado de una vuelta, y otra más chica, aplanada, pero también con dos hoyos, y con un bobinado de dos vueltas. En estos núcleos una mayor proporción del alambre está rodeado de ferrita, y por lo tanto para obtener cierta inductancia se requiere menos alambre que en un toroide, reduciendo así la capacidad parásita. Balunes hechos sobre este tipo de núcleo pueden cubrir desde 160 metros hasta VHF, de una sola vez. Utilizando núcleos muy pequeños de este tipo se hacen balunes que cubren desde VHF hasta el rango de las microondas, pero éstos normalmente no se usan en antenas, sino dentro de algunos equipos. Son muy usuales en mezcladores balanceados.
Como ya había mencionado, otra diferencia entre balunes es el tipo de conductor empleado. Todos los balunes, al igual que cualquier transformador de radiofrecuencia, requieren un muy buen acoplamiento entre sus bobinados. Como los núcleos usados en RF no tienen permeabilidad tan alta como los que se usan en transformadores para baja frecuencia, el acoplamiento entre bobinados suele ser pobre si no se toman medidas especiales. Y en balunes con núcleo de aire, la situación es aún mucho más crítica. Lo que se hace para mejorar el acoplamiento es dejar los bobinados íntimamente juntos. Para hacer esto, hay tres técnicas: 1) Bobinar los dos o tres alambres al mismo tiempo, de manera que queden intercaladas y tocándose las espiras de ellos.
2) Retorcer los dos o tres alambres, formando un chorizo o trenza, y bobinar con eso.
3) Bobinar con cable coaxial, usando el conductor central como un bobinado, y la malla como el otro.
Sobre todo si la longitud total de los bobinados no es totalmente despreciable en comparación a la longitud de onda, es importante también que la impedancia que da la línea de transmisión creada al retorcer o juntar los alambres sea lo más cercana posible a la impedancia del sistema. Esto hace aconsejable la técnica de usar cable coaxial para bobinar, porque entonces tendremos automáticamente la impedancia correcta. Esto produce los mejores balunes, que tienen mínima influencia sobre la ROE de la antena, y óptimo efecto supresor de corrientes de modo común.
Ejemplos
Muchos radioaficionados hacen balunes como éste. Se trata de un balun 1:1 bobinado con tres alambres en paralelo sobre una barra de ferrita. Se usó alambre esmaltado grueso, con lo que se obtiene una impedancia más adecuada en la línea de transmisión formada por los alambres, que si se usara alambre más delgado con algún aislante más grueso.
Si este balun se hace sobre una barra de ferrita adecuada a la frecuencia de operación, y también con las medidas adecuadas, puede funcionar bastante bien en varias bandas contiguas, pero no de 160 a 10 metros. Amidon ofrece barras de ferrita de material 61 y de material 33 (permeabilidades de 125 y 800 respectivamente), en diámetros de hasta media pulgada, lo que traducido a unidades decentes serían casi 13 milimetros. Con una barra así, de material 61, se puede hacer un balun viable para las bandas de 20 a 10 metros, y que posiblemente todavía sirva en 40 metros, pero no más bajo. Con material 33 en cambio, las pérdidas impiden obtener buen rendimiento en las bandas más altas, y para obtener buen rendimiento en bandas bajas es necesario juntar dos o tres barras y bobinar sobre el conjunto. Eso es engorroso, y no muy bueno.
Lo que hace mucha gente es usar la barra de ferrita de la antena de una radio de AM vieja. Esa es muy mala táctica! Si bien esas ferritas tienen el mismo aspecto, su rendimiento es muy malo en las bandas de HF, sobre todo en las más antiguas, de los años 50 y 60.
Esta foto fue copiada del sitio web de TA7KA. Yo ya no tengo balunes de ese tipo. El último que tenía pasó a mejor vida cuando un día estuve operando en Packet Radio con 100 W en 20 metros, y debido a las pérdidas de la ferrita inadecuada (de radio de AM) hubo tal calentamiento en la zona central del núcleo, que éste explotó, regando toda el área con esquirlas de ferrita.
Nunca más...
Este balún usa dos núcleos de ferrita en forma de tubo, puestos lado a lado. El efecto de esto es el mismo que se obtiene con un núcleo de dos hoyos. El bobinado está hecho con dos cables retorcidos, con los dos bobinados conectados en serie, para formar un balun 1:4.
Si el tipo de ferrita es el adecuado, y las dimensiones y cantidad de vueltas también lo son, es posible cubrir 160 a 6 metros, y aún más, con un balun de este tipo.
Esta foto también la copié, esta vez del sitio web de EI9GQ.
Pero
aquí hay uno de los míos. Se trata de un pseudo-balun
bobinado con cable coaxial RG-58 sobre un núcleo toroidal
FT-240-61. Con las
siete espiras que tiene el de la foto, funciona bien desde 40 metros
hasta los
6 metros y más. Si se aumenta la cantidad de vueltas a 12, queda óptimo
para el
rango de 160 a 10 metros.Nótese como la última espira queda un poco separada de la primera, para reducir la capacidad parásita entre los extremos del balun, que es donde más importa.
Este tipo de balun es muy fácil de hacer, simplemente enrollando el último metro o metro y medio del mismo cable coaxial con que se alimenta la antena, sobre el núcleo indicado.
Eso sí que no es práctico este método constructivo si se desea usar cable coaxial grueso, ya que requeriría un núcleo demasiado grande. Por lo tanto este balun queda limitado a la potencia que puede soportar el cable delgado, en cada banda. El núcleo indicado puede operar perfectamente con la potencia máxima legal, pero no el cable RG-58! Quizás sea una alternativa atractiva para algunos colegas hacerlo con RG-8X.
Pero si hay que usar cable grueso, éste método funciona bien. Se trata de invertir el órden de las cosas: En vez de enrollar el cable sobre la ferrita, básicamente se enrolla la ferrita sobre el cable! Esto se hace deslizando una gran cantidad de toroides de ferrita sobre un cable coaxial. El problema es solamente la cantidad de núcleos que se requieren, que hace subir el costo. Esta gran cantidad se debe a lo siguiente: Si enrollamos varias vueltas en un mismo núcleo, la inductancia sube con el cuadrado de la cantidad de vueltas. En cambio si usamos más núcleos, con una sola vuelta en cada uno (ese es el caso de la foto, ya que pasar el cable por el hoyo del núcleo cuenta como una vuelta), entonces la inductancia sube sólo en proporción directa al número de núcleos. En otras palabras, si quisiera lograr con este balun la misma inductancia que con 12 vueltas de cable en un solo núcleo FT-240-61, entonces habría que deslizar 144 de esos núcleos sobre el cable!
Para reducir esa cantidad, se emplean núcleos de dimensiones óptimas, que son tales que el núcleo justo cabe encima del cable, para que el camino magnético sea el más corto posible. También muchos colegas emplean núcleos de permeabilidad 850, aún sabiendo que causan mayores pérdidas en las bandas más altas. Esto permite reducir la cantidad de núcleos a algún valor entre 30 y 60. Aún así, el costo es significativo. Lo mejor que se puede hacer con este tipo de balun es optimizarlo para un rango de bandas, y no pretender cubrir el espectro completo con uno solo. Entonces para las bandas de 160 y 80 metros se usarán núcleos de alta permeabilidad, aún tan alta como 2000 (material tipo 77), que permiten usar una cantidad menor. Y para una antena de 20 a 10 metros se usará un balun hecho con núcleos de material tipo 61, pero dadas las mucho menores exigencias de inductancia en esas bandas (8 veces menos que en 160 metros), también la cantidad de núcleos será razonable.
Este tipo de balun fue popularizado por W2DU, y la foto la saqué del sitio web de TA1DX.
Este es un pseudo-balun muy querido por los radioaficionados, porque se construye fácilmente, y sin requerir núcleos de ferrita. Se trata de enrollar un par de vueltas del cable coaxial, siendo el diámetro del rollo y la cantidad de vueltas dependientes de las bandas en que se desea usar. Como todo balun de aire, el ancho de banda obtenido no es suficiente para cubrir todo el rango de HF con uno solo, pero anda bien para antenas monobanda, y aún para rangos de varias bandas, por ejemplo de 20 a 10 metros.
Alguna gente prefiere hacer estos balunes enrollando el cable sobre un trozo de tubo plastico de gran diámetro, dejando las espiras lado a lado. Esto resulta en una inductancia levemente menor, pero también en una capacidad parásita mucho menor que el enrollado compacto de la foto, siendo entonces más adecuado para las bandas altas.
Sin embargo yo pongo en duda que tenga sentido hacer este tipo de balun, salvo en casos de emergencia. La gran razón es que estos balunes consumen mucho cable coaxial, que no es barato, y que tiene pérdidas considerables. Si en vez de este tipo de balun se hace uno con cable coaxial bobinado sobre ferrita, o uno de ferrita deslizada sobre el cable, entonces el ahorro en cable paga la ferrita. La pérdida en la ferrita es menor que la pérdida en los tantos metros de cable del balun al aire, y además se obtiene mejor ancho de banda y mejores prestaciones básicas como balun. Debido a ésto, yo tampoco uso balunes coaxiales al aire, y esta foto la tomé prestada del mismo sitio web recién mencionado...
Balunes que no son transformadores
En las bandas de UHF y microondas no es muy práctico emplear transformadores, sobre todo cuando hay que manejar potencias significativas, ya que una necesidad en un transformador es que la longitud total de los alambres sea sólo una fracción chica de la longitud de onda. Eso lleva a transformadores demasiado chicos para poder aislarlos adecuadamente, además de varios otros problemas. Entonces se hacen balunes de otros tipos, que por lo general son resonantes, y por ello sirven solamente en un rango de frecuencias angosto, por ejemplo una sola banda de radioaficionado. A veces también se emplean en VHF estos balunes resonantes.
Esta
foto muestra un balun 1:4 para UHF. El cable que
viene de abajo se une a otro trozo de cable, el cual tiene exactamente
media
onda de longitud, según el factor de velocidad del cable. Las mallas de
las
tres puntas de cable se unen, y no llevan otra conexión que esa unión.
La carga
balanceada (antena) se conecta entre los vivos del trozo de cable de
media
onda, y uno de esos puntos también recibe el vivo del cable
alimentador. Es muy
sencillo de hacer, pero hay que calcular, cortar y comprobar bien la
longitud
de ese pedacito de cable.Para entender como funciona este balun, hay que conocer algunas de las propiedades de las líneas de transmisión. Una de ellas es que una línea de media onda de longitud presenta en su entrada exactamente la misma impedancia que ve en su salida, independientemente de cual sea esa, y también independientemente de la impedancia propia de la línea. Y otra cosa que hay que tener presente es que la señal demora en recorrer la línea, y si ésta tiene media onda de largo, entonces la señal de salida va a estar exactamente en contrafase con la señal de entrada.
Imaginémonos que este balun está conectado a un elemento excitado plegado de una antena Yagi, que da unos 200 Ω de impedancia. Entonces cada lado de esa antena tiene 100 Ω respecto al punto medio imaginario. Los 100 Ω del lado izquierdo de la antena van a aparecer reflejados con los mismos 100 Ω en la entrada del pedacito de cable, al lado derecho, pero con fase contraria, es decir, con la misma fase que presenta la señal que viene del lado derecho de la antena! Como éste también presenta una impedancia de 100 Ω, esas dos fuentes en paralelo producen 50 Ω, adaptándose perfectamente al cable coaxial que baja.
Cabe repetir que este balun sirve solamente en un rango de frecuencias angosto, en que la longitud de ese pedazo de cable sea muy cercana a media onda.
En vez de usar una línea de transmisión coaxial, este tipo de balun también puede construirse con cualquier otro tipo de línea de transmisión. Esta foto muestra un balun de UHF hecho en un trocito de circuito impreso. El trazo largo que parte arriba , se va por la izquierda y da toda la vuelta a la zona grande de cobre, representa el vivo de la línea de transmisión de media onda de largo, mientras que la zona grande de cobre es la masa. La distancia entre ellos, así como el ancho del trazo, definen la impedancia de esa línea de transmisión. Pero como ya hemos visto, la impedancia ni siquiera es crítica en esta aplicación! Lo que sí es crítico es la longitud. Y en producción industrial es mucho más fácil reproducir un circuito impreso en forma precisa, que cortar cables con una precisión equivalente. Por ello este tipo de balun es muy común en sintonizadores de TV de UHF, sistemas WiFi, etc.
En los puntos soldados va un conector coaxial por el otro lado de la placa, que es la puerta desbalanceada de este balun. Las dos conexiones de cobre desnudo arriba forman la puerta balanceada.
Si necesitamos un balun 1:1 hecho con el cable coaxial, podemos construir uno del tipo llamado "bazooka", como lo muestra este esquema tomado del sitio web de G8OSN. Sencillamente se conecta el cable coaxial directamente a la antena, pero además se instala un tubo metálico sobre el cable, que por abajo (izquierda, en este dibujo) va conectado a la malla del cable, y arriba termina sin conexión. El tubo deberá montarse en posición tal que quede sólo la mínima cantidad posible de cable saliendo de él, y su longitud debe ser de un cuarto de onda en la frecuencia de operación. Hay un detalle un poco problemático con este cuarto de onda, ya que debe ser calculado según el factor de velocidad que reina en el espacio dentro del tubo, y por fuera del cable coaxial. Este factor de velocidad depende del material y del espesor del aislante exterior del cable coaxial, y de la relación de diámetros, puesto que mientras más aire exista entre el tubo y el cable, más alto será el factor de velocidad. Como esto es difícil de calcular en forma precisa, lo mejor es medirlo en la práctica, o bien sacarle el aislante exterior al cable coaxial, en la parte que va dentro del tubo. En ese caso quedamos con factor de velocidad unitario. Si se le saca el forro, obviamente hay que tomar las precauciones del caso para que la malla no se abra, y para que la malla no toque el tubo. Es un problema.
Las medidas indicadas en este dibujo son para la banda inglesa de 4 metros, que en Chile no está disponible para radioaficionados.
El funcionamiento de este balun se basa en que una línea de transmisión de un cuarto de onda se comporta como inversor de impedancia. Esto significa que un cortocircuito en un extremo aparece como circuito abierto en el otro, y viceversa, y que una reactancia capacitiva en un extremo se transforma en inductiva en el otro, una impedancia alta se transforma en baja, etc. En este balun el tubo forma el conductor exterior de un trozo de línea coaxial de un cuarto de onda, mientras que el cable coaxial completo (los dos conductores juntos) actúa como el conductor interior. Al estar cortocircuitado el tubo con la malla en el lado de abajo, este cortocircuito se refleja como circuito abierto en el extremo de arriba, donde va la antena. Es decir, el cable coaxial en su conjunto presenta en su final una alta impedancia, impidiendo que circule una corriente de modo común en el. Pero esto no afecta a las corrientes interiores del cable, que vienen del transmisor, y que son de modo diferencial. Estas pasan sin problemas, y se alimentan en la antena. De este modo, el balun tipo bazooka es en realidad un pseudo-balun, apto para conectarlo a cualquier antena, sin importar que sea balanceada, desbalanceada, o cualquier híbrido con balance parcial.
Cómo probar un balun
Nuestro mundo está inundado de diseños de balunes, y también balunes listos, que no cumplen lo que sus autores o fabricantes prometen. También hay muchísimos casos en que los autores o fabricantes dicen muy poco, por ejemplo, dicen que su producto sirve para cierto rango de frecuencias y cierta potencia, pero no dicen cuanta pérdida tiene, cuanto reactancia tiene, cuanto afecta a la ROE, etc. Entonces se hace necesario poder probar un balun, y medir sus características fundamentales. Una caracterización completa de un balun podría llenar varias páginas con gráficos y tablas, pero un radioaficionado normal puede hacer fácilmente algunas pruebas básicas, que pueden servir para determinar cual balun de los que tiene es más apropiado para cierta aplicación, si el balun que está construyendo va por buen camino, o para comprobar si las promesas hechas por un fabricante pueden ser ciertas o no.Para estas pruebas es muy práctico un analizador de impedancia, como el MFJ-259 o alguno parecido. Pero quien no tenga un instrumento así, puede hacer las pruebas más esenciales usando solamente un transmisor y un medidor de ROE. También se requiere en todo caso una antena fantasma, pero como podemos hacer las pruebas con baja potencia, ésta se puede suplir con dos resistencias de 100 ohm, pequeñas, conectadas en paralelo para probar balunes 1:1, y conectadas en serie para balunes 1:4.
La primera prueba es sólo para comprobar que el instrumental usado ande bien, y no estemos midiendo leseras. Se trata de conectar nuestra antena fantasma al medidor, y comprobar que marque algo muy cercano a ROE 1:1 en todo el rango de frecuencias en que nos interesa medir el balun. Cabe hacer notar que si se usan resistencias sueltas, se deben conectar con los terminales muy cortos y directos, para que den buena ROE hasta la banda de 10 ó 6 metros. Y para frecuencias más altas que esas, realmente hay que trabajar con antenas fantasma bien hechas, no resistencias sueltas, y conectarlas con los conectores adecuados para esas frecuencias.
Una vez que hemos comprobado que el medidor indica una ROE de 1:1 o muy cercana con la antena fantasma, en todo el rango de frecuencias, la desconectamos, y comprobamos que el medidor marque ROE infinita en todo el rango de frecuencias. Después de esto, cortocircuitamos la salida del medidor, y comprobamos que también marque ROE infinita en todo el rango. Si no lo hace, es malo o está malo, y no nos va a servir.
Ahora conectamos el balun con su puerta desbalanceada al medidor, y su puerta balanceada a la antena fantasma. Nuevamente insisto en usar conexiones muy cortas y directas. En caso que el balun sea 1:4, se ponen las dos resistencias en serie, en caso contrario en paralelo. Luego se mide la ROE en todas las frecuencias que interesan. Un balun de calidad decente va a presentar una ROE baja en la mayor parte de su rango, digamos no mayor que 1.1:1 o máximo 1.2:1. En un balun real, en los extremos de su rango de frecuencia la ROE va a aumentar, hasta llegar casi a infinito en frecuencias muy fuera de su rango. Cuanta ROE máxima es aceptable en los límites de su rango, depende simplemente de lo que el usuario está dispuesto a tolerar. Yo diría que 1.3:1 es un límite razonable.
Si un balun tiene una ROE alta en la parte central de su rango, a pesar de estar bien conectado con la carga correcta, significa que es malo. Puede tener altas pérdidas, o presentar una combinación de pérdidas altas en algunas frecuencias, con inductancia demasiado baja en las frecuencias bajas, y capacidad demasiado alta en las frecuencias altas. Si se está usando un analizador de impedancias para medir, entonces se puede ver si la ROE elevada se debe a una resistencia mucho menor a 50 Ohm (eso indica altas pérdidas en el balun), o si aparece una reactancia significativa (esa indica falta de inductancia o exceso de capacidad).
Un pseudo-balun normalmente no va a mostrar este aumento de ROE fuera de su rango. Sólo pierde eficacia como balun, pero no aumenta la ROE. Más abajo mediremos esto.
La segunda prueba consiste en medir la ROE con la salida del balun abierta. Un balun ideal debe presentar ROE infinita en todo el rango. Si en alguna frecuencia la ROE se reduce, eso indica pérdidas en el balun. Mientras más baja sea la ROE indicada, mayores son las pérdidas que el balun tiene en esa frecuencia.
La tercera prueba, lógicamente, es medir la ROE con la salida del balun cortocircuitada. Nuevamente la ROE debería ser infinita para un balun perfecto, y muy alta para uno real pero que tenga bajas pérdidas.
Con ésto terminamos las pruebas para un balun real. Cualquier problema que cause mala eficacia como balun también haría marcar una ROE distinta a los valores recomendados aquí. Pero un pseudo-balun requiere una prueba adicional para determinar su eficacia como balun, y sus pérdidas. Para esta prueba se debe conectarlo de una manera especial: Se conecta al medidor uno de los polos de entrada del balun (sugiero usar el conductor exterior del coaxial), y aquella de sus conexiones de salida que tenga continuidad galvánica con la conexión de entrada usada (probar con un ohmmetro). En otras palabras, conectamos una de las dos bobinas del pseudo-balun a nuestro medidor, dejando la otra abierta. Nuevamente medimos la ROE en todas las frecuencias de interés. Debe ser infinita, o muy cercana a eso. Con analizador de impedancia, deberíamos ver una reactancia de 250 Ω para arriba en todas las frecuencias de interés.
Para medir realmente las pérdidas que tiene un balun, necesitamos el analizador de impedancias, y un poco de matemática. Lo ilustraré con un ejemplo, porque es más claro que la teoría.
Primero conectamos el balun al analizador de impedancia. Un balun real lo conectamos directamente con su entrada coaxial, dejando la salida desconectada, mientras que un pseudo-balun lo conectamos tal como describí dos párrafos arriba. Luego medimos la impedancia. Podemos obtener sólo la reactancia y resistencia del medidor, y calcular el módulo de la impedancia, o bien obtener el módulo también del instrumento. Si tenemos que calcularlo, el módulo es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de reactancia y resistencia. Por ejemplo, si el medidor marca una reactancia de 472 Ω y una resistencia de 127 Ω, tenemos:
módulo = SQR (472^2 + 127^2) = 488.8
Ahora calculemos qué ocurre si le aplicamos 100 W al balun, suponiendo que está conectado a una antena con ROE 1:1. Los 100 W equivalen a 70.7 V sobre 50 Ω. En el balún circulará una corriente (que no llega hasta la antena) dada por la Ley de Ohm:
70.7 / 488.8 = 0.144
Es decir, circulan 144 mA por el balun, que es la combinación de la corriente de magnetización y la pérdida. Debemos calcular entonces cuánto es la pérdida.
Como sabemos de la medición que la resistencia serie en la impedancia del balun es de 127 Ω, podemos aplicar la conocida fórmula I^2 * R:
0.144^2 * 127 = 2.63
Por lo tanto, en esas condiciones (en la frecuencia que medimos, y con 100 W aplicados) este balun pierde 2.63 W, lo cual obviamente es 2.63% de pérdida.
Esto es cierto para el balun real, que lo conectamos con su entrada de 50 Ohm a nuestro medidor. Pero el pseudo-balun lo conectamos con uno solo de sus bobinados. Si ese pseudo-balun queda conectado en un sistema normal, a una carga balanceada, aparece sólo la mitad de la tensión sobre ese bobinado. Por ello, la corriente que circula si opera con 100 watt es la mitad de lo calculado, y como la corriente incide al cuadrado en la pérdida, ésta es sólo la cuarta parte del valor calculado. Por lo tanto, un pseudo-balun que arroje la medicion del ejemplo de arriba, sólo tiene 0.658% de pérdida.
Esta medición y cálculo se deben repetir en cada banda que nos interese.
Aún para alguien que se enrede con todo esto, puede ser bien instructivo jugar con dos o tres balunes distintos, comparar los comportamientos, y sacar sus conclusiones. No todo lo que brilla es oro. Pero a veces se descubre un balun muy humilde que funciona muy bien
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