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Balun Guanella, balun in corrente, bla bla bla tutti ne parlano.

Senza entrare troppo nel teorico cerchiamo di capirne di più per sfruttarlo al meglio e quando veramente è necessario impiegarlo. George Guanella nel 1944 teorizzò la realizzazione di trasformatori avvolti in linea di trasmissione, per ottenere anche l’effetto di “strozzare” (choke) le correnti di modo comune. Il tutto è stato ripreso ed ampliato in seguito da Jerry Sevick W2FMI (SK)

L’elemento di base da cui partire è il Trasformatore a Linea di Trasmissione (Transmission Line Transformer o TLT all’inglese) che Guanella definì “Bulding Block” con rapporto 1:1

Il TLT trasferisce l’energia tra il suo ingresso e l’uscita attraverso una linea di trasmissione e non tramite flusso magnetico come avviene nei trasformatori tradizionali. Per questo motivo il TLT ha una maggiore larghezza di banda ed una efficienza maggiore rispetto ad altre soluzioni. Utilizzando un nucleo di materiale adeguato e opportunamente dimensionato e con una impedenza di linea prossima ai 100 ohm, è possibile ottenere bande passanti di circa 100 Mhz ed alte efficienze di oltre il 90% per rapporti di trasformazione compresi tra 1:2 e 1:16. Inoltre, per le caratteristiche di efficace trasformatore di isolamento, è possibile convertire un balun in un-un con un riferimento a massa anzichè flottante.

E’ realizzato avvolgendo una linea bifilare (due conduttori affiancati isolati o smaltati) o coassiale su di un nucleo in ferrite (non in polveri di ferro). Questo tipo di costruzione permette di ottenere una banda passante molto estesa ma soltanto per un numero molto limitato e finiti di rapporti di trasformazione. L’elemento di base è da considerare a tutti gli effetti un trasformatore 1:1. Il trasformatore è bilanciato per costruzione e rimane tale se i due capi rimangono flottanti rispetto a massa

Tipicamente è possibile ottenere i valori di 1:1 , 1:4, 1:9, 1:16 e con qualche “trucco” 1:6 e 1:12. Il tipo di materiale utilizzato come supporto influisce sia sull’induttanza che sul fattore di merito (o “Q”). La  scelta del corretto mix nel toroide è fondamentale per ottimizzare la risposta nella banda di maggior interesse.

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Una linea bifilare realizzata con due conduttori isolati  paralleli ed affiancati, sullo stile della classica piattina bicolore rossa e nera con una sezione di circa 0.5mmq ha una impedenza di 100 ohm. L’elemento di base avvolto di cui si è parlato sopra ha quindi una impedenza tipica di base di 100 ohm. Utilizzando un cavo coassiale anzichè una linea bifilare, l’impedenza sarà quella tipica del conduttore ( 50 o 75 ohm). Variando la spaziatura tra i conduttori bifilari è possibile aumentare l’impedenza a 100 e 200 ohm. Oltre pur essendo possibile, diventa di difficile realizzazione meccanica. La soluzione più comune utilizzata per spaziare i conduttori è inserirli in un tubetto di silicone o teflon di diametro variabile, in quanto la distanza critica è quella tra il centro dei conduttori, non quella tra le guaine. La formula per calcolar ela separazione in funzione dell’impedenza è

dove D è la distanza tra i conduttori , d il diametro degli stessi,  Z è l’impedenza della linea, Z₀ è la costante dell’impedenza in aria (circa 377 Ω), ε_r è la costante dielettrica (tipica 1.00054).

In condizioni normali la separazione D è superiore al diametro del conduttore d quindi risulta più pratico utilizzare le seguente

infatti con una separazione di 3mm ed un diametro di 1 mm si ottiene una linea prossima ai 200 ohm desiderati

Normalmente la spaziatura si regola infilando i conduttori in tubetti di teflon o silicone di diametro esterno opportuno. Utilizzando filo di rame smaltato anziche isolato e mantenendo i conduttori accostati, si ottiene una linea di trasmissione di impedenza prossima ai 50 ohm. Quindi un choke 1:1 per linea a 50 ohm si può ottenere sia avvolgendo cavo coassiale su un toroide che utilizzando un bifilare in rame smaltato. In entrambi i casi nel caso di installazione al’aperto ricordarsi contenitore e connessioni stagne!

 

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Gli elementi di base sono quindi un trasformatore in linea di trasmissione (1:1 per semplicità) con un valore di impedenza noto (tipicamente da 100 a 200 ohm). Il trasformatore avvolto con cavo coassiale o filo nudo è il classico choke in corrente, di cui si è già discusso. Realizzato come sopra indicato, il trasformatore oltre ad annullare o ridurre le correnti di modo comune e avere una ampia banda passante, compatibilmente con il materiale utilizzato, non crea eccessive saturazioni nei nuclei magnetici, che in ogni caso devono comunque essere opportunamente dimensionati.

Un trasformatore in corrente realizzato con il metodo Guanella combina due o più “moduli” per ottenere il rapporto di trasformazione di impedenza desiderato.

Basiamo il ragionamento sul singolo elemento bifilare da 100 ohm avolto con cavo isolato

1. collegando due trasformatori con primario e secondario in parallelo (100 + 100 ohm ovvero 50 ohm) ottenendo quindi un classico 1:1
   

   Guanella 1:1

2. collegando due trasformatori con il primario in parallelo (100 + 100 ohm ovvero 50 ohm) e secondario in serie (100 + 100 ohm ovvero 200 ohm) si ottiene 50/200 quindi 1:4
   

   Guanella 1:4

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Con la linea a 100 ohm e ragionando su di una impedenza tipica di 50 ohm le combinazioni terminano, a meno di non dover lavorare su valori intermedi. Per rapporti di trasformazione superiori è necessario aumentare l’impedenza del trasformatore di base.

1. per realizzare un trasformatore 1:9 necessario ad adattare una linea da 450 ohm ad una da 50 ohm servono tre nuclei di impedenza 150 ohm cablati con primari in parallelo (50 ohm) e secondari in serie (450 ohm). Come detto sopra la linea a 150 ohm si ottiene spaziando i conduttori di circa 1.8 mm.
   

   guanella 1:9

Per valori ancora superiori l’impedenza va ulteriormente aumentata. Per un 1:16 servono 4 nuclei con impedenza di 200 ohm (circa 3mm di separazione) sempre connessi primario parallelo (50) secondario serie (800)

Come si vede le combinazioni non sono infinite e dipendono da scelte anche meccaniche e di progetto.

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Combinando i singoli elementi in modo particolare è possibile avere rapporti diversamente non ottenibili. Ad esempio combinando due trasformatori 1:4 collegati in modo incrociati si ottiene un trasformatore 1:6 (50->300)

Altra soluzione per valori particolari possono essere realizzati soltanto con trasformatori composti da un elemento in tensione oppure di tipo un-un ed un elemento guanella in corrente (1:1 o 1:4) oppure con particolari configurazioni

ad esempio :

il 1:6 può anche essere realizzato combinando  un 1:4 guanella con un-un 1.56:1

il 1:12 è un 1:9 guanella accoppiato con un un-un 1.33:1 settifilare (brutta definizione per un avvolgimento realizzato con sette conduttori paralleli)

altri valori possono essere ottenuti anche sfruttando prese intermedie sugli avvolgimenti oppure convertendo un balun in un-un (esempio un trifilare 1:2.25)

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I trasformatori di tipo guanella per definizione sono realizzati per un unico rapporto di trasformazione. L’unica combinazione che consente di ottenere un doppio valore è il caso dell’1:4 che con la trasformazione del secondario da serie a parallelo, si trasforma magicamente in 1:1. E’ una soluzione usata spesso per basse potenze per la cui realizzazione serve soltanto un commutatore doppio adeguato. In questa configurazione e per potenze sotto i 100w è possibile utilizzare nuclei di dimensione ridotta (misura 82 o 100) o meglio ancora binoculari.

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Nel caso di impiego in un balun, il secondario diventa sbilanciato e non più flottante. Nonostante la realizzazione in corrente, in casi particolari (windom ad esempio) potrebbero verificarsi dei disadattamenti per la formazioni di correnti di modo comune provocate dalla massa sul secondario. In queste situazioni si rende necessario combinare il balun primario con un secondo elemento sempre in corrente questa volta di tipo 1:1 e che per ragioni meccaniche potrebbe essere un W2DU oppure il classico coassiale avvolto su toroide.

Un balun Guanella 1:4  può essere realizzato sia su uno che su due toroidi. Si risparmia un elemento magnetico ma:

•  si creano di correnti di modo comune, riducendo la capacità di choking del balun stesso
• funziona correttamente solo se il carico è perfettamente flottante e totalmente isolato e indipendente da terra

Quindi scegliere sempre la soluzione a doppio nucleo, nonostante l’apparente complessità costruttiva, e contrariamente a quanto si vede sempre più spesso pubblicato online o sui siti di produttori. Le uniche configurazioni mono toroidi sono i choke 1:1 a 50 ohm!

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Il numero di spire dell’avvolgimento influenza l’induttanza totale, in funzione della miscela di materiali utilizzati nel nucleo. tipicamente si utilizzano da 8 a 12 spire.

La miscela di ferrite di tipo -61 è ottimizzata per le frequenze più alte e la -43 per quelle più basse. La -31 è da utilizzare solo per choke RF 1:1. una soluzione suggerita anche da Sevick è la -K, che è difficile da reperire. La dimensione del nucleo influenza  le caratteristiche magnetiche ma nell’uso pratico è da valutare in funzione della potenza di transito. La dimensione massima reperibile è la 240 (61mm di diametro), anche se per alcuni mix sono disponibili la 290 (74mm) e la 340 (86mm). Per sicurezza è possibile accoppiare più nuclei (normalmente due) da incollare con colla a caldo o resine. Si ha certamente una variazione delle caratteristiche magnetiche ma la tenuta in potenza aumenta in modo esponenziale così come la dissipazione del calore. Non vi sono particolari rischi di saturazione del nucleo nella configurazione Guanella.

ad esempio riporto la costruzione passo passo di un 1:9
http://www.qsl.net/kh6grt/page4/balun/balun.htm

 

c’è da divertirsi….

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biografia:

• George Guanella : ‘Novel Matching Systems for High Fequencies,’ Brown-Boveri Review, Vol 31, September 1944, Pag. 327-329
• Jerry Sevick : A Simplified Analysis of the Broadband Transmission Line Transformer , February 2004 High Frequency Electronics
• Transmission Line Transformers., Jerry Sevick, W2FMI,Fourth Edition,1996, 2001 (ISBN: 1-884932-18-5)
• sito di Rick DJ0IP http://www.dj0ip.de/balun-stuff/
• Wideband Balun Design with Ferrite Cores, Paul Biggins,CPSU 2014     http://digitalcommons.calpoly.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1282&context=eesp
• Materiale vario sul matching (non necessariamente sul Guanella)