Medir un balun
CÓMO MEDIR UN BALUN (para no especialistas)
Sergio
CE2CG
La Serena, Chile, febrero 2011
En esta breve nota se ilustra como probar un balun, usando un analizador de antenas MFJ-259B.
La motivación central es que si queremos evitar que el cable coaxial irradie, no basta tener un balun en nuestro sistema de antenas. Además este balun debe trabajar bien. Si no, nuestro sistema de transmisión funcionaría mejor sin ese balun.
Existen dos importantes fuentes de información para medir balunes:
- Un muy buen artículo escrito por Manfred (XQ6FOD):
http://ludens.cl/Radiacti/topicos/balun/balun.htm
- El manual de los analizadores de antena MFJ explica muy brevemente como hacerlo.
En lo que sigue, me baso muy de cerca en el artículo de Manfred.
Lo primero a comentar es que si se trata de un balun para un dipolo, este balun deberá ser 1:1.
Además, destacar que aún un muy buen balun sólo va a trabajar bien para cierto rango de frecuencias, por lo tanto es necesario medir el balun para verificar que éste trabaje razonablemente bien en el rango que nos interesa.
Por último, señalar que los balunes admiten solo cierta potencia, la que es necesario conocer o estimar.
Paso 1: Los elementos necesarios
El MFJ-259 hace un muy buen trabajo para evaluar el desempeño de un balun.
Alternativamente también se pueden hacer las mediciones con un transmisor de radio, un medidor de ROE y una antena fantasma, pero es menos simple.
En cualquiera de los dos casos se requiere una carga fantasma, pero ésta puede ser de baja potencia. Para esto son suficientes dos resistencias de 100 Ω.
A la derecha se muestra la resistencia que he usado, de 100Ω.
Si se trata de un balun 1:1, la carga deberá ser de 50Ω. Conectamos las dos resistencias en paralelo. Resistencia total=1/(1/100+1/100)=50Ω
Si se trata de un balun 1:4, la carga deberá ser de 200Ω. Conectamos las dos resistencias en serie. Resistencia total=100+100=200Ω
Nótese en la foto de la derecha que una de estas resistencias presenta sólo 99 Ω, lo que está dentro de la tolerancia aceptable de 5%.
Hay que agregar que no solo las resistencias tienen una tolerancia, sino que también la tiene el multímetro.
Verificamos que las dos resistencias de 100Ω, en serie arrojan alrededor de 200Ω.
Verificamos que las dos resistencias de 100Ω, en paralelo arrojan alrededor de 50Ω.
En el MFJ, las dos resistencias en paralelo arrojan R=50Ω, una reactancia X=5Ω, y una ROE de 1:1,1
Paso 2: Conectando el Balun al MFJ-259B
Abajo se muestra el analizador MFJ, luego el balun, y finalmente la carga fantasma. Esta es la forma en que debe realizarse la conexión.
El diagrama del balun identifica cual es la parte balanceada (la que conecta los brazos de la antena), y la parte no balanceada (la salida al conector SO-239).
El lado desbalanceado del balun, va conectado al MFJ. El lado balanceado del balun va conectado a la carga fantasma.
La resistencia total de la carga debe ser igual a la impedancia del balun.
En el diagrama de abajo las resistencia están en serie para medir un balun 1:4.
En el diagrama de abajo las resistencia están en paralelo para medir un balun 1:1.
Paso 3: Realizar las mediciones
Ahora hacemos las medidas en tres pasos, tal como sugiere Manfred.
En mi caso estoy midiendo un balun de fábrica que estuvo algunos años a la intemperie.
1) Medir la ROE de acuerdo al paso 2 anterior. El ROE debe ser 1:1 para el balun ideal. Si la ROE es elevada por una resistencia mucho menor a 50 Ω, eso indica altas pérdidas en el balun.
En el caso del balun del ejemplo, el desempeño es bastante razonable en todo el rango de HF (entre 3Mhz y 30Mhz).
A la derecha se muestra el gráfico con la ROE que obtuve para varias frecuencias. Específicamente para las bandas de entre los 80 y los 10 metros, el ROE resultó ser menor que 1:2,0.
En específico, obtenemos una ROE de 1:1,5 en 7,1Mhz.
En el gráfico, lo mejor habría sido centrarse en el rango de frecuencias donde ROE es menor que 1:3, y se podría ver con más detalle el rango en que las frecuencias de interés.
Cuando se le mete potencia significativa a un balun, probablemente los resultados cambiarán un poco, apareciendo mayores no-linealidades. Esta sería la prueba final para el balun.
En el MFJ todo parece ir más o menos normal. Sin embargo, a pesar de su sencillez, el MFJ dice casi todo lo que hay que decir.
2) Una medición, que aparece en la página 24 del manual del MFJ, consiste en puentear con un chicote de alambre, la parte exterior del conector SO del MFJ, con los puntos A, B y C de las resistencias en la figura de arriba. El manual indica que se debe obtener una ROE bajo para el rango completo de trabajo del balun, poniendo el chicote en cualquiera de las 3 posiciones (A, B y C) para balunes de corriente. Nótese que en el caso de balunes 1:1 desaparece el punto B.
Los resultados de esta prueba no son exitosos para nuestro balun de prueba.
Lo anterior es solamente válido para balunes de corriente. Para balunes de tensión (voltaje), se debiera apreciar una igual ROE en los puntos A y C.
3) Medir la ROE con la salida del balun abierta, es decir sin las resistencias. El balun ideal debe presentar ROE infinita en todo el rango. Si en alguna frecuencia la ROE se reduce, eso indica pérdidas en el balun. En este caso, a menor ROE, mayores pérdidas del balun.
4) Medir la ROE con la salida del balun cortocircuitada, es decir poner un chicote de alambre que una ambos brazos balanceados del balun. Nuevamente la ROE debería ser infinita para un balun perfecto, y una ROE muy alta para uno que tenga bajas pérdidas.
En este caso los resultados no fueron muy buenos. Por ejemplo, en 7,1Mhz, solo con la carga de 50 Ω la ROE era de 1:1,4.
Cuando se puso el corte en el brazo izquierdo del balun la ROE subió a 1:4,4
Cuando se puso el corte en el brazo derecho del balun la ROE subió a 1:3,2.
Aquí obtuve una ROE disparado (como se esperaba) entre los 1.8 MHZ y los 23 MHZ.
A partir de los 23MHz hacia arriba, la ROE fue alta, pero menor de 1:20,0.
Generalmente la resistencia (R) tendía a ser baja (menor de 50 Ω), pero la reactancia (X) muy alta.
En este caso también obtuve lo que se esperaba, una ROE infinito generalmente.
Al igual que en el caso anterior, generalmente la resistencia (R) tendía a ser baja (menor de 50 Ω), pero la reactancia (X) muy alta.
COMENTARIOS FINALES
La recomendación final es que antes de comprar e instalar un balun, se verifique su desempeño, especialmente si es ‘hechizo’, o tiene varios años de trabajo a la intemperie.
Si las medidas no son satisfactorias, mejor desecharlo y pensar en otra alternativa, como lo es un choque de coaxial como el que se muestra abajo, o simplemente no usar balunes. En muchos casos el remedio (un mal balun) puede ser peor que la enfermedad (tener algo desbalanceada la corriente en el coaxial).
Para los que quieran conocer a Martin F. Jue (si es que no lo conocen), quien es el fundador del consorcio de empresas MFJ, por sus iniciales, aparece en el siguiente video justamente explicando cómo medir un balun. El balun que él usa tiene un switch para alternar entre 1:4 y 1:1:
http://www.youtube.com/watch?v=V4RSs6VGols (en inglés)
En el video, las resistencias que están en los contactos balanceados del balun casi no se ven. Están con una cinta de papel pegado con una escritura que indica su resistencia. Primero lo hace con 200 Ω, y después va a cambiar las resistencias por otras de 50 Ω.
Este breve artículo se ha enriquecido con las aclaratorias observaciones de Manfred (XQ6FOD).
Esto es todo, por ahora.
Los comentarios y sugerencias son siempre bien recibidos.
73’s y buenos contactos.
Comprobación del Balunes FUENTE: http://www.qsl.net/l/lu9dpd/Homebrew/Uso_de_Dummy_Loads/Uso_de_Dummy_Loads.htm
Una de las aplicaciones menos conocidas de las Dummy Loads es probar balunes. Recuerdo que esta nota se refiere a los posibles usos de las Dumy Loads, por ello que no pretendo analizar balunes en todas sus características, ya que para eso se necesita otro tipo de instrumental, pero sí es posible, considerándolos en su función de transformadores, determinar su relación de transformación eléctrica ( 1:1, 4:1, 9:1, etc) , su respuesta aproximada de acuerdo a las frecuencias utilizadas, y la transferencia de potencia de RF. Más allá de cumplir o nó en las espectativas del usuario o constructor, estas pruebas pueden delatar fallas de materiales, aislación u otros detalles que evitarán perder tiempo buscando fallos en otras partes del cuicuito, línea de transmisión o antena. Por poco que esto pudiera parecer, siempre es mejor que no hacer ninguna prueba y confiar a ciegas en un elemento de dudosas propiedades.
La forma de probar un balun (o transformador de banda ancha) para comprobar si cumple con la relación de transformación, es intercalarlo entre el roímetro y la carga fantasma, debiendo esta última adoptar el valor resistivo de acuerdo a la relación del balun.
Si el balun es de relación 1 : 1 , no debería cambiar la lectura del Instrumento si se coloca una carga resistiva de 50 Ω a la salida del transformador, ya que la misma impedancia es aplicada a la entrada del transformador.
Si en balun es de relación 1 : 4 , la carga resistiva deberá ser 4 veces la impedancia aplicada a su entrada, por lo tanto deberá usarse una carga de 200 Ω , para una salida de RF de 50 Ω , típica en los transceptores actuales.
Al aplicar RF, si el transformador responde satisfactoriamente, el roímetro deberá indicar una lectura muy cercana a 1:1 o bien poca RF reflejada . Esta lectura, variará de acuerdo a la frecuencia utilizada, siendo habitual que el transformador ofrezca mejor respuesta a determinadas frecuencias, ya que son varios los factores que influyen en esto: en especial el núcleo y sus propias características, la cantidad de espiras, dimesiones y forma del trasformador o balun.
Esquemas correspondientes a los conexionados para probar los balunes de relación 1:1 (izquierda), y de 4:1 (derecha)
Nótese que si se emplearan transceptores de impedancia de salida de RF = 75 Ω , habrá que emplear, además de roímetros y coaxiales de esa impedancia, cargas resistivas de 75 y 300 Ω, reemplando los típicos valores de 50 y 200 Ω .
Los transformadores o balunes, podrán emplearse indistintamente, al igual que los esquemas indicados.
Las pruebas indicadas pueden realizarse con los transformadores dentro o fuera de los encapsulados, pero si la construcción de propia, es aconsejable realizarlas en las dos oportunidades. Primero fuera, para evitar cerrar el mismo si el transformador ya muestra algún problema; y después de cerrar el encapsulado, para confirmar que no se ha cometido ningún error o falla al cerrarlo, soldar terminales, etc.
Las dummy loads, o cargas resistivas destinadas a este tipo de pruebas, por lo general no necesitan estar preparadas para disipar mucha potencia, ya que no es necesario emplearla para las comprobaciones de relación de transformación. En cambio, sí se deberá considerar la necesaria disipación, si se está comprobando, por ejemplo, si hay una transferencia eficaz de potencia de RF através del transformador, o si el núcleo se recalienta por efecto de dicha transferencia, cuando se emplean toroides o núcleos de ferrite.
A diferencia de las clásicas cargas fantasmas o dummy loads de 50 Ω, destinadas a operar directamente sobre la salida de RF de un tranceptor o el wattímetro, las que suelen tener un conector PL-259 o similar a su salida; a las cargas destinadas a probar tansformadores no es útil colocarle este tipo de conectores, ya que la forma en que deben ser conectadas a los transformadores, exije el uso de terminales y un par de cables cortos, provistos de ojales para conectar a los terminales de aquellos.
En las fotos que se muestran a continuación, se pueden ver dos cargas resistivas de 50 y 200 Ω respectivamente, provistas de terminales y la forma en que son conectados dos transformadores, antes de encerrarlos en los gabinetes o encapsulados definitivos. (en estos dos casos se conectan directamente a los terminales de los transformadores)
La disposición de terminales, diferente en los dos cargas mostradas, no afecta en la práctica, ya que como se puede observar, las Dummy Loads deben conectarse reemplazando a la antena, directamente a los terminales destinados a ella.
Una aplicación que suele necesitarse, es determinar la relación de un balún que encontramos en un cajón y no tiene indicada la misma en el encapsulado. Otras veces, también es mejor cerciorarse de lo que promete...
Para estos casos se necesitarán por lo menos dos dummy loads, una de 50 Ω y otra de 200 Ω. (Teniendo en cuenta que el 99% de los balunes comerciales son de relación 1:1 o 4:1). Realizando la prueba con una y otra dummy Load se obtendrá en el instrumento, una lectura de baja ROE para la carga correcta, en otras palabras : si la lectura de ROE es baja con la Dummy de 50 Ω, el balun es relación 1:1, si la lectura es baja con la dummy de 200 Ω, el balun es de relación 4:1. Si la lectura no se acerca al 1:1 con ninguna de las 2 cargas, y se dispone de otras cargas preparadas para testear balunes de relación 6:1, 9:1 u otras, se puede reiterar la prueba con ésas, pero lo más probable es que el balun sea de pésima calidad o esté dañado.