Балун / ˈ b æ l ʌ n / (от «balanced to unbalanced», изначально, но теперь происходит от « balancer unit ») [1] — это электрическое устройство, которое позволяет соединять сбалансированные и несбалансированные линии, не нарушая импедансное расположение любой из линий. [2] Балун может иметь множество форм и может включать в себя устройства, которые также преобразуют импедансы , но не обязаны этого делать. Иногда, в случае трансформаторных балунов, они используют магнитную связь , но не обязаны этого делать. Синфазные дроссели также используются в качестве симметрирующих устройств и работают, устраняя, а не отклоняя синфазные сигналы.
В классических трансформаторах есть две электрически раздельные обмотки проволочных катушек вокруг сердечника трансформатора. Преимущество трансформаторного типа перед другими типами симметрирующих трансформаторов заключается в том, что электрически раздельные обмотки для входа и выхода позволяют этим симметрирующим трансформаторам соединять цепи, напряжения на уровне земли которых подвержены заземляющим контурам или иным образом электрически несовместимы; по этой причине их часто называют изолирующими трансформаторами .
Этот тип иногда называют «балуном напряжения». Первичная обмотка получает входной сигнал, а вторичная обмотка выдает преобразованный сигнал. Сердечник, на который они намотаны, может быть либо пустым (воздушный сердечник), либо, что эквивалентно, магнитно-нейтральным материалом, например, фарфоровой опорой, или это может быть материал, который является хорошим магнитным проводником , например, феррит в современных высокочастотных (ВЧ) балунах, или мягкое железо , как в ранние дни телеграфии.
Электрический сигнал в первичной катушке преобразуется в магнитное поле в сердечнике трансформатора. Когда электрический ток через первичную обмотку меняет полярность, это приводит к разрушению установленного магнитного поля. Затем разрушающееся магнитное поле индуцирует электрическое поле во вторичной обмотке.
Соотношение витков в каждой обмотке и эффективность магнитной связи катушек определяют отношение электрического потенциала ( напряжения ) к электрическому току и общую выходную мощность. Для идеализированных трансформаторов, хотя отношение напряжения к току будет изменяться в точной пропорции к квадрату отношения обмоток, мощность (измеряемая в ваттах ) остается одинаковой. В реальных трансформаторах часть энергии теряется внутри на нагрев металлического сердечника трансформатора, на сопротивления переменного и постоянного тока проводников обмотки и теряется снаружи в окружающую среду из-за несовершенной магнитной связи между двумя катушками.
Идеальный симметрирующий трансформатор состоит из двух проводов (первичного и вторичного) и сердечника: ток в первичном проводе создает магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле во вторичном проводе. Автотрансформаторный симметрирующий трансформатор имеет только одну катушку или состоит из двух или более катушек, имеющих электрическое соединение, намотанных вокруг сердечника. Автотрансформатор также можно сделать из обычного трансформатора, соединив перекрестно первичную и вторичную обмотки. Симметрирующие трансформаторы, изготовленные с обмотками автотрансформатора, также называются симметрирующими трансформаторами напряжения , поскольку они вырабатывают сбалансированное выходное напряжение, но не обязательно сбалансированный ток.
Во всех автотрансформаторах одна обмотка должна иметь по крайней мере одно дополнительное электрическое соединение — называемое ответвлением или точкой ответвления — между двумя концами обмотки. Ток, посылаемый в симметрирующий трансформатор через одну пару соединений, действует так, как если бы это была первичная катушка, и намагничивает весь сердечник. Когда электрический ток во входном сегменте катушки изменяется, индуцированное магнитное поле разрушается, а разрушение магнитного поля в сердечнике индуцирует электрический ток во всей катушке. Электрические соединения с частями катушки, отличными от входных соединений, имеют более высокое или более низкое напряжение в зависимости от длины катушки, с которой снимается выход.
В отличие от трансформаторных балунов, автотрансформаторный балун обеспечивает путь для постоянного тока к земле от каждого терминала. Поскольку наружные антенны склонны к накоплению статического электрического заряда, путь для стока статического электричества к земле через автотрансформаторный балун может быть явным преимуществом.
Линейные или дроссельные симметрирующие трансформаторы можно рассматривать как простые формы трансформаторов линии передачи . Этот тип иногда называют токовым симметрирующим трансформатором , поскольку он обеспечивает одинаковый ток на обеих сторонах своего выхода, но не обязательно одинаковое напряжение. Обычно их называют ununs, поскольку они переходят от неуравновешенного к неуравновешенному или un-un. Балуны бывают сбалансированными и несбалансированными или bal-un.
Более тонкий тип получается, когда трансформаторный тип (магнитная связь) сочетается с типом линии передачи (электромагнитная связь). Чаще всего для обмоток используются те же провода линии передачи, которые передают сигнал от радио к антенне, хотя эти симметрирующие трансформаторы могут быть изготовлены с использованием любого типа провода. Получающиеся устройства имеют очень широкополосную работу. [3] Трансформаторы линии передачи обычно используют небольшие ферритовые сердечники в тороидальных кольцах или двухотверстийных, бинокулярных, формах.
Трансформатор линии передачи Guanella (Guanella 1944) часто комбинируется с балуном для работы в качестве трансформатора согласования импеданса . Оставив в стороне балансировку, трансформатор этого типа состоит из линии передачи 75 Ом, разделенной параллельно на два кабеля по 150 Ом, которые затем объединяются последовательно для 300 Ом. Он реализован в виде специальной проводки вокруг ферритового сердечника балуна.
Классические магнитные трансформаторы ограничены максимальной частотой из-за проницаемости магнитного материала, которая быстро падает выше частот МГц. [4] Это ограничивает рабочую частоту примерно до 1 ГГц. Микроволновые системы требуют симметрирующих трансформаторов в диапазоне 1-100 ГГц для таких приложений, как смесители, двухтактные усилители и интерфейс для дифференциальных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. [5]
Симметрирующие трансформаторы линии передачи с высокочастотной линией передачи, такой как проволочная пара, способны работать на значительно более высоких частотах (до 8 ГГц и выше) за счет сочетания емкостной связи с магнитной связью, типичной для классических магнитных трансформаторов.
Для работы на еще более высоких частотах магнитная нагрузка становится неэффективной. В 1944 году Натан Маршанд предложил «преобразовательный трансформатор», способный работать в полосе пропускания с соотношением 1:3. [6] Эта базовая схема была широко адаптирована и модифицирована для использования в планарных структурах (таких как MMIC и RFIC) на частотах до 100 ГГц и более. [7]
Эти типы планарных симметрирующих трансформаторов работают, возбуждая моду в заземляющей плоскости или экране, которая затем «отводится» от основного заземления. Это позволяет извлекать отрицательный сигнал в дополнение к основной линии передачи, создавая пары положительных и отрицательных сигналов. Соединяя положительные и отрицательные пути сигнала в различных конфигурациях, были предложены и опубликованы в литературе по электронике десятки конфигураций симметрирующих трансформаторов.
Хотя симметрирующие трансформаторы сконструированы как магнитные устройства (каждая обмотка в симметрирующем трансформаторе является индуктором ) , все трансформаторы, изготовленные из реальных материалов, также имеют небольшую емкость между первичной и вторичной обмотками, а также между отдельными витками в любой отдельной обмотке, что приводит к возникновению нежелательной собственной емкости .
Электрическое соединение емкости и индуктивности приводит к частоте, на которой электрическое реактивное сопротивление самоиндукции и собственной емкости в симметрирующем трансформаторе равны по величине, но противоположны по знаку: то есть к резонансу . Симметрирующий трансформатор любой конструкции плохо работает на собственной резонансной частоте или выше нее, и некоторые из конструктивных соображений для симметрирующих трансформаторов направлены на то, чтобы сделать резонансную частоту как можно выше рабочей частоты.
Вместо балуна можно использовать дроссель RF . Если катушка сделана с использованием коаксиального кабеля вблизи точки питания сбалансированной антенны, то ток RF, который течет по внешней поверхности коаксиального кабеля, может быть ослаблен. Одним из способов сделать это было бы пропустить кабель через ферритовый тороид. Конечный результат точно такой же, как у токового балуна 1:1 (или балуна типа Guanella). (Straw 2005, 25-26)
Функция балуна, как правило, заключается в достижении совместимости между системами, и как таковой, находит широкое применение в современных коммуникациях, в частности, в реализации преобразователей частоты для обеспечения возможности сотовой связи и сетей передачи данных. Они также используются для отправки несущего сигнала E1 с коаксиального кабеля ( разъем BNC , разъем 1.0/2.3, разъем 1.6/5.6, разъемы типа 43) на кабель UTP CAT-5 или разъем IDC.
В телевизионных , любительских радиостанциях и других антенных установках и соединениях симметрирующие трансформаторы преобразуют импедансы и симметрию фидерных линий и антенн. [8]
Например, преобразование двухпроводной линии 300 Ом или лестничной линии 450 Ом (сбалансированной) в коаксиальный кабель 75 Ом (несбалансированный) или прямое подключение сбалансированной антенны к несбалансированному коаксиальному кабелю. Чтобы избежать излучения линии питания, симметрирующие трансформаторы обычно используются как форма синфазного дросселя, прикрепленного к точке питания антенны, чтобы предотвратить работу коаксиального кабеля в качестве антенны и излучение мощности. Обычно это необходимо, когда сбалансированная антенна (например, диполь ) питается от коаксиала; без симметрирующего трансформатора экран коаксиала может соединиться с одной стороной диполя, индуцируя синфазный ток и становясь частью антенны и непреднамеренно излучая. [9]
При измерении импеданса или диаграммы направленности сбалансированной антенны с использованием коаксиального кабеля важно разместить балун между кабелем и фидером антенны. Несбалансированные токи, которые в противном случае могут протекать по кабелю, сделают измеренный импеданс антенны чувствительным к конфигурации фидерного кабеля, а диаграмма направленности небольших антенн может быть искажена излучением от кабеля.
Балуны присутствуют в радарах , передатчиках, спутниках, в каждой телефонной сети и, вероятно, в большинстве беспроводных сетевых модемов/маршрутизаторов, используемых в домах. Его можно комбинировать с трансимпедансными усилителями для составления высоковольтных усилителей из низковольтных компонентов.
Видеосигнал в базовой полосе использует частоты до нескольких мегагерц . Балун можно использовать для соединения видеосигналов с кабелями витой пары вместо использования коаксиального кабеля. Многие камеры безопасности теперь имеют как сбалансированный выход неэкранированной витой пары (UTP), так и несбалансированный коаксиальный выход через внутренний балун. Балун также используется на стороне видеорегистратора для обратного преобразования из сбалансированного 100 Ом в несбалансированный 75 Ом. Балун этого типа имеет разъем BNC с двумя винтовыми клеммами . Балуны VGA/DVI — это балуны с электронной схемой, используемые для подключения источников VGA/DVI (ноутбук, DVD и т. д.) к устройствам отображения VGA/DVI по длинным кабелям CAT-5/CAT-6. Проходы более 130 м (400 футов) могут привести к потере качества из-за затухания и изменений во времени прибытия каждого сигнала. Для трасс протяженностью более 130 м (400 футов) используется контроль перекоса и специальный кабель с малым перекосом или без перекоса. [ необходима ссылка ]
В аудиоприложениях симметрирующие трансформаторы выполняют несколько функций: они могут преобразовывать высокоомные несимметричные линии в низкоомные симметричные линии . Другое применение — развязка устройств (предотвращение контуров заземления).
Третье применение симметрирующих трансформаторов в аудиосистемах заключается в обеспечении сбалансированного сетевого питания для оборудования. Синфазное подавление помех, характерное для сбалансированного сетевого питания, устраняет широкий спектр шума, исходящего от настенной розетки, например, помехи от сети от двигателей кондиционера/печи/холодильника, коммутационный шум, создаваемый люминесцентным освещением и диммерами, цифровой шум от персональных компьютеров и радиочастотные сигналы, принимаемые линиями/шнурами питания, действующими как антенны. Этот шум проникает в аудио/видеосистему через блоки питания и повышает уровень шума всей системы. [10]
За исключением соединений, три устройства на изображении электрически идентичны, но только два крайних левых устройства могут использоваться в качестве симметрирующих трансформаторов. Устройство слева обычно используется для подключения источника с высоким импедансом, например гитары, к сбалансированному микрофонному входу, выступая в качестве пассивного DI-блока . Устройство в центре предназначено для подключения сбалансированного источника с низким импедансом, например микрофона , к гитарному усилителю . Устройство справа не является симметрирующим трансформатором, поскольку обеспечивает только согласование импеданса.