BALUN
Por PY4ZBZ em 25-02-2007 rev. 29-09-2008
Definições:
O BALUN é
um dispositivo que permite interligar um circuito
BALANCEADO a um circuito
DESBALANCEADO ou vice-versa. Em
inglês: "BALANCED" e "UNBALANCED", donde o nome BALUN.
Circuito BALANCEADO:
Um circuito
elétrico é balanceado quando
os seus dois condutores
(ida e retorno) ou terminais, tem potencial (tensão) simétricos (Vb eVb' na
figura acima) em relação ao "terra", ou seja, cada terminal tem instantaneamente
o mesmo potencial
do outro, em relação ao "terra", e com sinal
trocado. Por exemplo, se num determinado instante um terminal tem +10
V em relação ao "terra", o outro terá -10
V. A tensão que interessa mesmo é a diferença entre Vb e Vb', chamada tensão
diferencial Vd. A média entre
Vb e Vb' deve ser zero e é chamada de tensão em modo
comum. O nome balanceado é por analogia a balança de pratos, onde um deles
está sempre em posição simétrica em relação ao outro, com referencia a
horizontal. E ainda, num circuito balanceado, os dois condutores ou componentes
do circuito são sempre idênticos,
apresentando as mesmas característica elétricas, como capacitâncias em relação
ao "terra", etc...Um exemplo de circuito balanceado é a antena dipolo de
meia onda com alimentação no centro. Num circuito balanceado, nenhum dos dois
terminais pode ser conectado ao "terra" (sem algum prejuízo ao seu correto
funcionamento), pois ambos tem tensão em relação ao "terra". Um secundário de
transformador com derivação central ligada ao "terra", é outro exemplo de
circuito balanceado: os dois extremos do enrolamento tem sempre tensões iguais e
com sinais opostos em relação ao "terra". Outro exemplo de circuito balanceado é
a linha bifilar de
transmissão, onde os dois condutores são idênticos e isolados da terra.
Circuito DESBALANCEADO:
O circuito
desbalanceado se
caracteriza por ter um dos terminais (ou condutores) ligado ao "terra", sendo
que apenas um dos condutores tem tensão (Vu na figura acima) em relação ao
"terra". Os dois condutores (ida e retorno) de um circuito elétrico
desbalanceado são diferentes,
sendo geralmente um deles (retorno) é a "massa", chassis, blindagem, ou plano
terra do circuito. Um exemplo de circuito desbalanceado é o cabo
coaxial, que é feito com dois condutores diferentes, o interno e a
blindagem. A blindagem, mesmo que não ligada à terra, serve de referencia de
potencial para o condutor interno. Somente o condutor interno tem potencial em
relação ao "terra", a blindagem não (em condições normais). A maioria dos
circuitos eletrônicos comuns, como amplificadores, osciladores, etc..., são
circuitos desbalanceados (embora possam ser realizados de forma balanceada, ao
custo de necessitarem o dobro de componentes).
Não vou explicar aqui as vantagens e desvantagens de
circuitos balanceados e desbalanceados, pois são muitas e
dependem da aplicação. Um exemplo típico de uso de balun é para ligar uma antena
dipolo de meia onda comum (que é um circuito balanceado) a um cabo coaxial (que
é um circuito desbalanceado). Quando se faz esta conexão sem uso de balun,
haverá uma circulação de corrente extra na blindagem do cabo, devido ao
potencial existente nos dois terminais do dipolo, o que causa uma serie de
efeitos (as vezes prejudiciais) como a irradiação pelo próprio cabo coaxial, o
que deforma o diagrama de radiação da antena, entre outros.
Na pratica, existem muitas de formas de fabricar um BALUN,
como por exemplo, o uso de transformadores banda larga com núcleo a ar ou de
ferrite, circuitos sintonizados acoplados e tocos de cabos coaxiais (e outros
ainda). Os dois últimos exemplos tem a desvantagem de funcionar em apenas uma
banda estreita de freqüências.
Exemplos de BALUN feitos com tocos de cabos
coaxiais.
Um BALUN muito usado é o 1
para 4 (ou 4/1). Esta relação de 1/4 ou 4/1 se refere ao fato de que, além
da função obvia de BALUN,
ainda funciona como transformador
de impedância, transformando a impedância do lado desbalanceado em outra 4
vezes maior do lado balanceado,
ou ainda, transforma a impedância do lado balanceado em outra 4
vezes menor do lado
desbalanceado. A figura seguinte mostra o circuito correspondente:
Se for feito com cabos com Zo (impedância
característica) de 50 ohms, apresentará 50 ohms do lado desbalanceado e 200
ohms do lado balanceado. Se for feito com cabos de 75 ohms, transformará 75 em
300 e vice-versa. Observe que do lado balanceado não tem conexão nenhuma com
terra ou as blindagens dos cabos. Veja uma foto desse tipo de balun aqui.
A figura seguinte mostra um circuito que é realmente apenas BALUN,
pois não causa nenhuma transformação de impedância, donde o apelido 1/1:
Novamente, se os cabos usados tiverem impedância
característica Zo de 50 ohms, o BALUN permitirá ligar um circuito balanceado de
50 ohms a um circuito desbalanceado de 50 ohms. Se forem de Zo = 75 ohms, os
circuitos também deverão ser de 75 ohms.
Como foi mencionado anteriormente, a desvantagem desse tipo
de realização pratica de balun, com tocos de cabo coaxial, é que funciona apenas
numa faixa estreita de freqüências,
da ordem de 5% da freqüência central de projeto, pois o comprimento dos tocos de
cabo depende da freqüência.
Veja aqui
um artigo sobre o funcionamento
dos baluns mencionados anteriormente.
Calculo dos comprimentos dos cabos.
Os BALUNs acima requerem cabos com 1/4
e 3/4 de onda de comprimento
elétrico para o BALUN 1/1 e de 1/2
onda de comprimento
elétrico para o BALUN 1/4.
Como transformar comprimento
elétrico de um cabo para comprimento
físico ?
É simples: É sabido que o comprimento de uma onda
eletromagnética no vácuo ou no ar é igual a velocidade da luz dividida pela
freqüência da onda. Com a freqüência F em megahertz
(MHz), teremos o comprimento da onda em metros usando
a formula seguinte:
comprimento de onda no ar (em
metros) = 300 / F (MHz)
Portanto:
3/4 de comprimento de onda no ar = 225 / F (pois
3/4 de 300 = 225)
1/2 comprimento de onda no ar = 150 / F (pois
1/2 de 300 = 150)
1/4 de comprimento de onda no ar = 75 / F (pois
1/4 de 300 = 75)
Repetindo: comprimento em metros e freqüência em MHz.
Como a velocidade
de propagação num cabo coaxial, com isolante diferente do ar, é menor que a
velocidade da luz, temos que multiplicar o comprimento no ar pelo fator de
velocidade do cabo para termos o comprimento
da onda no cabo. Por exemplo, o fator de velocidade do cabo RG58 é de 0,67,
ou ainda, é 67% da
velocidade da luz. Cabos com isolante do tipo "celular", que é uma mistura de
polietileno com ar, esse fator é de 0,81 ou 81% da velocidade da luz. O fator de
velocidade é fornecido pelo fabricante do cabo, e é devido UNICAMENTE ao
isolante existente entre condutor interno e a blindagem.
Então temos:
Comprimento físico do cabo =
comprimento elétrico x comprimento da onda no ar x fator
de velocidade do cabo.
Exemplos:
Vamos calcular o comprimento físico dos cabos usados nos
BALUNs acima, para a freqüência de 146
MHz e cabo RG58,
com fator de velocidade de 67%:
Cabo de 1/4 de onda: 0,67 x 75 / 146 = 0.344 m ou
34,4 cm
Cabo de 1/2 onda: 0,67 x 150 / 146 = 0,688 m ou 68,8
cm
Cabo de 3/4 de onda: 0,67 x 225 / 146 = 1,03 m ou 103
cm
A titulo de comparação: o comprimento
da onda de 146
MHz é de 300/146=2,05 metros
no ar.
BALUN tipo bazooka ou sleeve.
Este BALUN é mais pratico de ser construído para VHF e UHF,
Consiste em colocar o cabo coaxial, do lado do dipolo, dentro de um tubo de
metal, com 1/4 de comprimento de onda, cuja extremidade oposta ao dipolo é
ligada à blindagem do cabo coaxial, como mostra a figura seguinte:
Deve existir um espaço de ar entre o cabo e a parede interna
do tubo. O diâmetro interno do tubo deve ser pelo menos o dobro do diâmetro
externo do cabo coaxial. O tubo deverá ter 1/4 de comprimento de onda no ar. O
cabo deve ficar bem centrado dentro do tubo e sem nenhum contato elétrico com o
tubo, exceto do lado onde é ligado a blindagem do cabo. Obviamente, esse BALUN
também é de banda estreita e não causa transformação de impedância. O tubo
forma, junto com a blindagem do cabo coaxial, um cabo coaxial de 1/4 de onda.
Como um lado está em curto, o outro tem impedância infinita, bloqueando assim a corrente
de modo comum.
Exemplos de BALUN banda larga feitos com
transformadores.
A figura seguinte é um exemplo de BALUN 1/1 , banda
larga, com núcleo de ar, para ondas curtas. Os 3 enrolamentos devem ter o mesmo
numero de espiras, para que não haja transformação de impedancia:
Para as bandas de 20 até 10 metros, cada enrolamento tem 10
espiras, como mostrado na figura acima, com três cores diferentes, formando um
enrolamento trifilar. A forma da bobina é um tubo de PVC de 25 a 40 mm de
diâmetro. Para operar a partir de 80 metros, cada enrolamento terá 15 espiras. O
diâmetro do fio isolado não é crítico, desde que suporte a corrente
proporcionada pela potencia do sinal TX.
A figura seguinte é um exemplo de BALUN 4/1 , banda larga,
para ondas curtas, com núcleo toroidal de ferrite:
Esse balun pode ser montado também na forma trifilar para ser
1/1, usando o mesmo esquema do balun 1/1 anterior, mas com o numero de espiras
da tabela acima, para cada enrolamento, de acordo com a potencia máxima
suportada pelo núcleo.
BALUN banda larga tipo choque.
O BALUN seguinte é feito com o próprio cabo coaxial que
alimenta a antena, e deve estar situado próximo a antena. A indutância criada
pelo enrolamento feito com o cabo impede (ou reduz) a corrente
de modo comum que circularia na
blindagem do cabo na ausência do BALUN :
O BALUN é uma bobina feita com o próprio cabo, com diâmetro
da ordem de 10 cm para cabos finos com RG58 e da ordem de 15 cm para cabos
grossos com o RG213. Para operar de 3,5 a 30 MHz, bastam 10 espiras. Acima de 14
MHz, bastam 8 espiras. Pode ser usado também em VHF, fazendo uma bobina
helicoidal de 5 espiras sobre um cilindro isolante com o menor diâmetro possível
para não forçar muito o cabo.
O que é corrente de modo comum ?
Vamos analisar o caso especifico de um dipolo alimentado por
um cabo coaxial.
Num cabo coaxial corretamente terminado por uma carga
desbalanceada, a corrente do condutor interno (ida) é igual a
corrente na blindagem (retorno) mas com sentido (ou polaridade) trocado.
A soma algébrica destas duas correntes é zero. A média
destas duas correntes é chamada de corrente de modo comum, e num cabo coaxial
devidamente terminado, deve ser zero. Como as duas correntes são iguais e
opostas e concêntricas, o cabo não gera nenhum campo magnético na parte externa
à blindagem, portanto não irradia.
Mas quando o cabo coaxial é ligado a um dipolo. esta soma não
é mais zero, devido a uma corrente extra na blindagem do cabo. Como o dipolo é
um circuito balanceado e simétrico, ele tende a desenvolver tensões simétricas
em relação a terra no seus dois terminais, devido as capacitâncias dos dois
lados do dipolo em relação à terra (entre outros fatores) e que formam um
divisor capacitivo. Como o cabo coaxial está aterrado no lado inferior (lado do
transmissor), a tensão existente em relação à terra, na metade do dipolo ligada
à blindagem, fará circular uma corrente extra nesta blindagem (além da corrente
já existente). Esta nova corrente será limitada pela impedância apresentada pela
blindagem do cabo todo. Agora a média entre a corrente do condutor interno e a
corrente na blindagem não é mais zero, portanto temos uma corrente de modo
comum. E portanto o cabo gera campo magnético na parte externa a blindagem, ou
seja, passa a irradiar, o que não é desejável.
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