Введение
Электрическое устройство
Балун (/b//æ//l//ʌ//n/ – от "balanced to unbalanced", то есть "сбалансированный в небалансированный", изначально, но теперь происходит от "balancing unit" – "балансирующий блок") – это электрическое устройство, позволяющее соединять сбалансированные и небалансированные линии, не нарушая согласование импедансов ни одной из них. Балун может иметь различные конструкции и включать в себя устройства, которые также преобразуют импедансы, но это не обязательно. В некоторых случаях, особенно в трансформаторных балунах, используется магнитная связь, но она не является обязательной. Устройства подавления синфазных помех также используются в качестве балунов и работают путем устранения, а не отсечения, синфазных сигналов.
Классический тип трансформатора
В классических трансформаторах вокруг сердечника трансформатора имеются две электрически изолированные обмотки из проволочных катушек. Преимущество трансформаторного типа перед другими типами балансировщиков заключается в том, что электрически изолированные обмотки для входа и выхода позволяют этим балансировщикам соединять цепи, уровни земли которых подвержены контурам заземления или иным образом электрически несовместимы; по этой причине их часто называют разделительными трансформаторами. Этот тип иногда называют волновым балансировщиком напряжения. Первичная обмотка принимает входной сигнал, а вторичная обмотка выдает преобразованный сигнал. Сердечник, на который намотаны обмотки, может быть пустым (с воздушным сердечником) или, эквивалентно, изготовлен из магнитно нейтрального материала, например фарфоровой опоры, либо из материала, являющегося хорошим проводником магнитного потока, такого как феррит в современных высокочастотных (HF) балансировщиках, или мягкое железо, как это было в первые дни телеграфии. Электрический сигнал в первичной катушке преобразуется в магнитное поле в сердечнике трансформатора. Когда электрический ток в первичной обмотке меняет направление, это приводит к схлопыванию установленного магнитного поля. Схлопывающееся магнитное поле затем индуцирует электрическое поле во вторичной обмотке. Отношение числа витков в каждой обмотке и эффективность магнитной связи между катушками определяет соотношение электрического потенциала (напряжения) к электрическому току и общую выходную мощность. Для идеализированных трансформаторов, хотя отношение напряжения к току будет изменяться пропорционально квадрату коэффициента трансформации, мощность (измеряемая в ваттах) остается неизменной. В реальных трансформаторах часть энергии теряется внутри из-за нагрева металлического сердечника трансформатора, сопротивления переменному и постоянному току проводников обмоток, а также теряется во внешнюю среду из-за неидеальной магнитной связи между двумя катушками.
Тип автотрансформатора
Идеальный балун состоит из двух проводов (первичного и вторичного) и сердечника: ток в первичном проводе генерирует магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле во вторичном проводе. Автотрансформаторный балун имеет только одну обмотку или состоит из двух и более обмоток, имеющих электрическое соединение, намотанных на сердечник. Также можно изготовить автотрансформатор из обычного трансформатора, перекрестно соединив первичную и вторичную обмотки. Балуны, изготовленные с использованием обмоток автотрансформатора, также называют балунами напряжения, поскольку они обеспечивают сбалансированное выходное напряжение, но не обязательно сбалансированный ток. Во всех автотрансформаторах одна обмотка должна иметь как минимум одно дополнительное электрическое соединение – называемое отводом или точкой отвода – между двумя ее концами. Ток, подаваемый в балун через одну пару соединений, действует как первичная обмотка и намагничивает весь сердечник. При изменении электрического тока во входном сегменте обмотки индуцированное магнитное поле схлопывается, а схлопывание магнитного поля в сердечнике индуцирует электрический ток во всей обмотке. Электрические соединения к частям обмотки, отличным от входных, имеют более высокое или более низкое напряжение в зависимости от длины обмотки, от которой снимается выход. В отличие от балунов трансформаторного типа, автотрансформаторный балун обеспечивает путь для постоянного тока к земле от каждого вывода. Поскольку наружные антенны подвержены накоплению статического электрического заряда, возможность отвода статического электричества через автотрансформатор может быть существенным преимуществом.
Тип трансформатора линии передачи
Линии передачи или дроссельные балансирующие устройства можно рассматривать как простые формы трансформаторов линий передачи. Этот тип иногда называют балансирующим током, поскольку он обеспечивает равный ток с обеих сторон своего выхода, но не обязательно равное напряжение. Обычно они называются ununs, так как осуществляют преобразование от несбалансированного к несбалансированному или un-un. Балансирующие устройства преобразуют от сбалансированного к несбалансированному или bal-un. Более сложный тип получается при комбинировании трансформаторного типа (магнитная связь) с типом линии передачи (электромагнитная связь). Как правило, для обмоток используются те же провода линии передачи, по которым сигнал передается от радиостанции к антенне, хотя эти балансирующие устройства могут быть изготовлены из любого типа провода. Полученные устройства обладают очень широкой полосой пропускания. Трансформаторы линий передачи обычно используют небольшие ферритовые сердечники в форме тороидальных колец или двух отверстий, бинокулярной формы. Трансформатор линии передачи Гуанеллы (Guanella 1944) часто комбинируют с балансирующим устройством для использования в качестве трансформатора, согласующего импеданс. Отбросив функцию балансировки, трансформатор этого типа состоит из линии передачи сопротивлением 75 Ом, разделенной параллельно на два кабеля сопротивлением 150 Ом, которые затем соединяются последовательно для получения 300 Ом. Он реализуется в виде специальной схемы проводки вокруг ферритового сердечника балансирующего устройства.
Резонанс
Хотя балуны разрабатываются как магнитные устройства – каждая обмотка в балуне является индуктором – все трансформаторы, изготовленные из реальных материалов, также имеют небольшую ёмкость между первичной и вторичной обмотками, а также между отдельными витками в любой отдельной обмотке, формируя нежелательную собственную ёмкость. Электрическое сочетание ёмкости и индуктивности приводит к частоте, на которой электрическое реактивное сопротивление собственной индуктивности и собственной ёмкости в балуне равны по величине, но противоположны по знаку: то есть, к резонансу. Балун любой конструкции работает неэффективно на частоте саморезонанса или выше, и некоторые конструктивные решения при разработке балунов направлены на то, чтобы сделать частоту резонанса максимально высокой по отношению к рабочей частоте.
Альтернативы Балуна
Вместо балуна можно использовать радиочастотный дроссель. Если катушка изготовлена из коаксиального кабеля вблизи точки подключения сбалансированной антенны, то радиочастотный ток, протекающий по внешней поверхности коаксиального кабеля, может быть ослаблен. Один из способов этого добиться – пропустить кабель через ферритовый тороид. Конечный результат эквивалентен 1:1 токовому балуну (или балуну типа Guanella). (Straw 2005, 2526)
Приложения
Функция балуна, как правило, заключается в обеспечении совместимости между системами, и поэтому он находит широкое применение в современных системах связи, особенно при реализации частотных смесителей, необходимых для работы сетей сотовой связи и передачи данных. Они также используются для передачи сигнала E1 по коаксиальному кабелю (разъемы BNC, 1.0/2.3, 1.6/5.6, разъемы типа 43) на кабель UTP CAT 5 или IDC-разъем.
Радио и телевидение
В телевизионных, любительских радио и других антенных установках и соединениях, балуны преобразуют импедансы и обеспечивают симметрию между линиями передачи и антеннами. Например, преобразование симметричной витой пары 300 Ом или лестничной линии 450 Ом в несимметричный коаксиальный кабель 75 Ом, или прямое подключение симметричной антенны к несимметричному коаксиальному кабелю. Для предотвращения излучения линии передачи, балуны обычно используются в качестве подавителя синфазных помех, подключаемого к точке подключения антенны, чтобы предотвратить превращение коаксиального кабеля в излучающую антенну. Это особенно необходимо при питании симметричной антенны (например, диполя) коаксиальным кабелем; без балуна экран коаксиала может соединяться с одной из сторон диполя, вызывая синфазный ток и превращаясь в часть антенны, что приводит к нежелательному излучению. При измерении импеданса или диаграммы направленности симметричной антенны с помощью коаксиального кабеля важно установить балун между кабелем и подключением антенны. Несимметричные токи, которые могут протекать по кабелю, сделают измеренный импеданс антенны зависимым от конфигурации питающего кабеля, а излучение от кабеля может исказить диаграмму направленности небольших антенн. Балуны используются в радарах, передатчиках, спутниках, в каждой телефонной сети и, вероятно, в большинстве беспроводных модемов/маршрутизаторов, используемых дома. Их можно комбинировать с трансимпедансными усилителями для создания усилителей высокого напряжения из компонентов с низким напряжением.
Видео
Основное видео использует частоты до нескольких мегагерц. Балун может использоваться для подключения видеосигналов к кабелям скрученной пары вместо коаксиального кабеля. Многие камеры безопасности теперь имеют как сбалансированный неэкранированный выход для скрученной пары (UTP), так и несбалансированный коаксиальный выход через встроенный балун. Балун также используется на стороне видеорегистратора для преобразования обратно из сбалансированного 100 Ом в несбалансированный 75 Ом. Балун этого типа имеет BNC-разъем с двумя винтовыми клеммами. VGA/DVI-балуны – это балуны с электронной схемой, используемые для подключения источников VGA/DVI (ноутбуков, DVD-проигрывателей и т.д.) к устройствам отображения VGA/DVI на больших расстояниях с использованием кабелей CAT 5/CAT 6. При прокладке кабеля длиной более 130 м (400 футов) возможно ухудшение качества из-за затухания и разницы во времени прихода сигнала. Для прокладки кабеля длиной более 130 м (400 футов) используется регулировка разности фаз и специальный кабель с низкой или нулевой разностью фаз.
Аудио
В аудиоприложениях балуны выполняют несколько функций: они могут осуществлять преобразование между несимметричными линиями с высоким импедансом и симметричными линиями с низким импедансом. Другая функция – развязка устройств (предотвращение контуров заземления). Третье применение балунов в аудиосистемах – обеспечение оборудования сбалансированным питанием. Характерное для сбалансированного питания подавление синфазных помех устраняет широкий спектр шумов, поступающих от розетки, например, сетевые помехи от двигателей кондиционеров, печей и холодильников, шум переключения, создаваемый люминесцентным освещением и диммерами, цифровой шум от персональных компьютеров и радиочастотные сигналы, улавливаемые линиями электропередач/шнурами, работающими как антенны. Этот шум проникает в аудио/видеосистему через блоки питания и повышает уровень собственных шумов всей системы. За исключением соединений, три устройства на изображении электрически идентичны, но только два левых могут использоваться в качестве балунов. Устройство слева обычно используется для подключения источника с высоким импедансом, такого как гитара, к симметричному микрофонному входу, выполняя функцию пассивного DI-бокса. Устройство в центре предназначено для подключения источника с низким импедансом, такого как микрофон, к гитарному усилителю. Устройство справа не является балуном, поскольку обеспечивает только согласование импеданса.
Другие применения
В системах передачи данных по линиям электропередач балансные преобразователи (балуны) используются для подключения сигналов к линии электропередач. В электронных коммуникациях балуны преобразуют кабели Twinax в кабели Cat 5 и обратно.
Общие ссылки
Гуанелла, Г. "Новый метод согласования импедансов в радиочастотных схемах". Brown Boveri Review, сентябрь 1944: 329–329. Севик, Джерри (W2FMI). Трансформатор на линии передачи, Американская радиорелейная лига, 1990. Севик, Джерри (W2FMI). Создание и применение балансных и небалансных преобразователей: практические конструкции для экспериментов. 1994. Справочник по радиосвязи, 5-е изд. (Радиообщество Великобритании, 1976) 12.41, 13.5. Стро, Р. Дин. Книга антенн ARRL. 20-е изд. (Ньюингтон, КТ: Американская радиорелейная лига, 2005).