presenta:
Tutto sul bal-un e un-un...o quasi
a cura di IZ1TQI Aldo
Perchè si usa frapporre tra l'antenna irradiante (ad esempio un dipolo) e la linea di alimentazione, qualora sia sbilanciata (cavo coassiale), un sistema di bilanciamento che simmetrizzi rispetto al potenziale di terra le tensioni e le correnti che fluiscono nei due semidipoli costituenti l'antenna stessa?
In ricezione, in effetti, non servirebbe, ma in trasmissione, nel caso di un minimo di disadattamento di impedenza fra apparato, linea ed antenna, si crea un ritorno di corrente, sulla parte esterna della calza, per cui la discesa stessa diviene, a sua volta, elemento irradiante (vedi figura 1a)
In ricezione, in effetti, non servirebbe, ma in trasmissione, nel caso di un minimo di disadattamento di impedenza fra apparato, linea ed antenna, si crea un ritorno di corrente, sulla parte esterna della calza, per cui la discesa stessa diviene, a sua volta, elemento irradiante (vedi figura 1a)
Al contrario, se tutto è a posto, in un cavo coassiale che trasmette un segnale sbilanciato, la corrente dovrebbe fluire nella parte interna della calza e lungo il medesimo dovremmo avere ogni punto allo stesso potenziale.
Invece nel primo caso, se misurassimo l'entità di questa corrente di ritorno, troveremmo che ad ogni mezza lunghezza d'onda i relativi valori sarebbero gli stessi, pertanto lungo la linea troveremmo un'onda stazionaria con massimi di corrente al centro e nodi agli estremi, appunto, di ogni mezza lunghezza d'onda (vedi figura 1a).
Questa situazione, interagendo in parallelo con l'impedenza di uscita dell'apparato, crea naturalmente dei problemi, anche seri, sui lobi di radiazione e sull'emissione complessiva, che non viene totalmente risolta neanche qualora si adotti un accordatore (remoto) da palo, la cui funzione è di minimizzare la lunghezza di cavo irradiante; per ovviare totalmente sarebbe necessario che questo fosse applicato direttamente al dipolo.
Invece nel primo caso, se misurassimo l'entità di questa corrente di ritorno, troveremmo che ad ogni mezza lunghezza d'onda i relativi valori sarebbero gli stessi, pertanto lungo la linea troveremmo un'onda stazionaria con massimi di corrente al centro e nodi agli estremi, appunto, di ogni mezza lunghezza d'onda (vedi figura 1a).
Questa situazione, interagendo in parallelo con l'impedenza di uscita dell'apparato, crea naturalmente dei problemi, anche seri, sui lobi di radiazione e sull'emissione complessiva, che non viene totalmente risolta neanche qualora si adotti un accordatore (remoto) da palo, la cui funzione è di minimizzare la lunghezza di cavo irradiante; per ovviare totalmente sarebbe necessario che questo fosse applicato direttamente al dipolo.
Uno dei sistemi rapidi ed economici per minimizzare tale effetto è quello di fare in modo che la lunghezza totale del cavo coassiale di alimentazione sia esattamente mezza lunghezza d'onda (moltiplicata per il fattore di propagazione) o multipli interi , poichè ai suoi estremi troviamo un'impedenza di valore assai alto, che posta in parallelo a quella d'uscita non ne modifica sensibilmnte il valore.
Altro sistema è quello delle "chokes" sulla parte terminale del cavo coassiale (rapporto di trasformazione 1:1), consistenti in un certo numero di spire, di ampio diametro.
Infine, in maniera drastica, ma fattiva, perchè contribuisce, oltretutto, al cortocircuito dell'antenna rispetto ai campi elettrostatici, si ricorre al sistema a bal-un (bilanciato-sbilanciato) oppure un-un (sbilanciato-sbilanciato), che facilita l'adattamento d'impedenza, poichè esso può essere realizzato secondo vari rapporti di trasformazione e quindi d'impedenza.
Naturalmente si tratta di un trasformatore ( o autotrasformatore) che, come tutti (anche quelli di bassa frequenza), impone un primario ed un secondario: il primario è quello sul quale avviene l'alimentazione, il secondario è quello sul quale si preleva; nel caso di autotrasformatore primario e secondario sono in contatto elettrico.
Il rapporto di trasformazione "Nt" è sempre uguale al rapporto tra le spire dei due avvolgimenti elevato al quadrato:
Nt = (N1 : N2)² al numerarore si pone sempre la grandezza maggiore in valore assoluto;
per cui se N1 = 5 e N2 = 10; Nt = ( N1 : N2)² = (10 : 5)² = 4
Quindi il rapporto di trasformazione "Nt" è di 1:4 (leggasi 1 a 4).
E' chiaro che, in un bal-un oppure un-un, ai capi di un avvolgimento sarà collegata l'antenna, ai capi dell'altro sarà collegata la fonte di alimentazione (vedi figura 1 b,c,d,e).
Altro sistema è quello delle "chokes" sulla parte terminale del cavo coassiale (rapporto di trasformazione 1:1), consistenti in un certo numero di spire, di ampio diametro.
Infine, in maniera drastica, ma fattiva, perchè contribuisce, oltretutto, al cortocircuito dell'antenna rispetto ai campi elettrostatici, si ricorre al sistema a bal-un (bilanciato-sbilanciato) oppure un-un (sbilanciato-sbilanciato), che facilita l'adattamento d'impedenza, poichè esso può essere realizzato secondo vari rapporti di trasformazione e quindi d'impedenza.
Naturalmente si tratta di un trasformatore ( o autotrasformatore) che, come tutti (anche quelli di bassa frequenza), impone un primario ed un secondario: il primario è quello sul quale avviene l'alimentazione, il secondario è quello sul quale si preleva; nel caso di autotrasformatore primario e secondario sono in contatto elettrico.
Il rapporto di trasformazione "Nt" è sempre uguale al rapporto tra le spire dei due avvolgimenti elevato al quadrato:
Nt = (N1 : N2)² al numerarore si pone sempre la grandezza maggiore in valore assoluto;
per cui se N1 = 5 e N2 = 10; Nt = ( N1 : N2)² = (10 : 5)² = 4
Quindi il rapporto di trasformazione "Nt" è di 1:4 (leggasi 1 a 4).
E' chiaro che, in un bal-un oppure un-un, ai capi di un avvolgimento sarà collegata l'antenna, ai capi dell'altro sarà collegata la fonte di alimentazione (vedi figura 1 b,c,d,e).
Tra i tanti rapporti di trasformazione esiste anche il rapporto di 1 : 1 (1 a 1), quando N1 = N2, e da questo cominceremo.
Per inciso, il bal-un oppure un-un ad autotrasformatore impone, per la simmetrizzazione, avvolgimenti bifilari con lo stesso numero di spire, e con lo stesso senzo di rotazione (in fase), cosa che non è richiesto dal trasformatore, nel caso di antenne simmetriche come il dipolo a bracci uguali.
Per maggiore chiarezza vediamo gli avvolgimenti, in un primo momento come se fossero consecutivi, cosi, poi, capiremo meglio la disposizione ed i collegamenti bifilari appaiati come vengono praticamente avvolti (vedi figura 1 c,d,e).
Per inciso, il bal-un oppure un-un ad autotrasformatore impone, per la simmetrizzazione, avvolgimenti bifilari con lo stesso numero di spire, e con lo stesso senzo di rotazione (in fase), cosa che non è richiesto dal trasformatore, nel caso di antenne simmetriche come il dipolo a bracci uguali.
Per maggiore chiarezza vediamo gli avvolgimenti, in un primo momento come se fossero consecutivi, cosi, poi, capiremo meglio la disposizione ed i collegamenti bifilari appaiati come vengono praticamente avvolti (vedi figura 1 c,d,e).
Questo tipo di trasformazione è impiegata nel caso che discesa ed antenna abbiano la stessa impedenza.
La configurazione è quella di figura 2a,b,c,d. Si può osservare come siano necessari tre avvolgimenti esattamente uguali e come il rapporto di trasformazione è dato da:
N1 + N2 per la discesa e N2 + N3 per l'antenna, ma se N1 = N2 = N3, allora [(N1 + N2) : (N2 + N3)]² = 1
Perchè gli avvolgimenti risultino esattamente uguali devono essere realizzati con tre fili appaiati possibilmente di colore diverso, per riconoscerli facilmente.
La configurazione è quella di figura 2a,b,c,d. Si può osservare come siano necessari tre avvolgimenti esattamente uguali e come il rapporto di trasformazione è dato da:
N1 + N2 per la discesa e N2 + N3 per l'antenna, ma se N1 = N2 = N3, allora [(N1 + N2) : (N2 + N3)]² = 1
Perchè gli avvolgimenti risultino esattamente uguali devono essere realizzati con tre fili appaiati possibilmente di colore diverso, per riconoscerli facilmente.
Se avvolgeremo su toroide, faremo occupare all'avvolgimento tutta la circonferenza, pertanto ci ritroveremo con i capi iniziali e finali affrontati e allora collegheremo:
capo 1 rosso al polo caldo del cavo di discesa;
capo 2 rosso con capo 3 nero ad uno qualsiasi del due bracci dell'antenna;
capo 4 nero con capo 5 giallo al polo freddo (calza) del cavo di discesa;
capo 6 giallo all'altro braccio dell'antenna.
E' possibile e talvolta preferibile realizzare gli avvolgimenti in aria, su supporto cilindrico isolante, senza che la configurazione cambi.
Per trasformare un bal-un in un-un è sufficiente scambiare tra di loro la calza con filo interno del cavo coassiale, come mostrato nelle figure 1 e 2.
Con lo stesso principio realizzeremo qualsiasi altra trasformazione d'impedenza.
Ora vediamo il rapporto 2:1 e 3:1. Se la trasformazione è di Nt = 2:1, il rapporto tra le spire dev'essere:
√Nt (radice quadrata di Nt) ossia √2 = 1,4142 ed un avvolgimento dev'essere appunto √2 volte maggiore dell'altro;
se invece è di Nt = 3:1 avremo un rapporto tra le spire di √3, ossia 1,7:1
Allora (a solo titolo di esempio) se intendiamo servirci di 10 spire di primario (50 ohm) e l'antenna presenza 100 ohm d'impedenza, dobbiamo moltiplicare queste dieci spire per √(100 : 50) = 1,4142, quindi: 10 x 1,4142 = 14,7, arrotondiamo a 14 spire.
Avvolgiamo 7 spire bifilari, ricaviamo una presa alla seconda, a partire dell'alto del primo avvolgimento ed una alla seconda, a partire dal basso del secondo, uniamo tra loro il capo finale di un avvolgimento ed il capo iniziale dell'altro (vedi figura 4).
Normalmente in HF si usano tra le 6 e 8 (anche 10) spire di primario, avvalendosi del numero più adatto ad avere due avvolgimenti bifilari uguali, con numero intero di spire; in realtà andrebbero calcolate sia se avvolte su supporto isolante, sia a seconda del valore di AL del toroide.
Tuttavia la cosa funziona più o meno forzatamente e forzosamente se è correttamente rispettato il rapporto di trasformazione "Nt".
capo 1 rosso al polo caldo del cavo di discesa;
capo 2 rosso con capo 3 nero ad uno qualsiasi del due bracci dell'antenna;
capo 4 nero con capo 5 giallo al polo freddo (calza) del cavo di discesa;
capo 6 giallo all'altro braccio dell'antenna.
E' possibile e talvolta preferibile realizzare gli avvolgimenti in aria, su supporto cilindrico isolante, senza che la configurazione cambi.
Per trasformare un bal-un in un-un è sufficiente scambiare tra di loro la calza con filo interno del cavo coassiale, come mostrato nelle figure 1 e 2.
Con lo stesso principio realizzeremo qualsiasi altra trasformazione d'impedenza.
Ora vediamo il rapporto 2:1 e 3:1. Se la trasformazione è di Nt = 2:1, il rapporto tra le spire dev'essere:
√Nt (radice quadrata di Nt) ossia √2 = 1,4142 ed un avvolgimento dev'essere appunto √2 volte maggiore dell'altro;
se invece è di Nt = 3:1 avremo un rapporto tra le spire di √3, ossia 1,7:1
Allora (a solo titolo di esempio) se intendiamo servirci di 10 spire di primario (50 ohm) e l'antenna presenza 100 ohm d'impedenza, dobbiamo moltiplicare queste dieci spire per √(100 : 50) = 1,4142, quindi: 10 x 1,4142 = 14,7, arrotondiamo a 14 spire.
Avvolgiamo 7 spire bifilari, ricaviamo una presa alla seconda, a partire dell'alto del primo avvolgimento ed una alla seconda, a partire dal basso del secondo, uniamo tra loro il capo finale di un avvolgimento ed il capo iniziale dell'altro (vedi figura 4).
Normalmente in HF si usano tra le 6 e 8 (anche 10) spire di primario, avvalendosi del numero più adatto ad avere due avvolgimenti bifilari uguali, con numero intero di spire; in realtà andrebbero calcolate sia se avvolte su supporto isolante, sia a seconda del valore di AL del toroide.
Tuttavia la cosa funziona più o meno forzatamente e forzosamente se è correttamente rispettato il rapporto di trasformazione "Nt".
Il rapporto 4:1 è stato già illustrato in figura 1, il rapporto 5:1,7:1, 8:1 sono praticati con lo stesso principio, la figura 5 illustra i rapporti più tipici, cioè 6:1 e 9:1, supposte otto la spire del primario
Nel caso 6:1, le spire de secondario saranno 20, mentre nel caso del 9:1 saranno 24.
Per praticità, cercheremo, possibilmente, di fare in modo che gli avvolgimenti siano simmetrici e bifilari, cioè con il medesimo numero di spire
Il valore dell'induttanza del primario (50 ohm) si può calcolare con la seguente formula:
XL = 2 π * f * L, in cui XL è la reattanza in ohm (50 ohm), f la frequenza d'esercizio in Mhz, L è l'induttanza dell'avvolgimento i microhenry; ricavando L:
L = XL
2π f
Normalmente L viene moltiplicato per un numero fisso 5, onde aumentare la larghezza di banda, poi, naturalmente, il secondario andrà calcolato in base alla trasformazione desiderata.
Qualora ci si serva del toroide potremo calcolare il numero delle spire con la seguente formula, suggerita dalla ditta costruttrice:
N spire = √ (5 * microHenry * AL) * 100
AL è un parametro che fornisce la casa costruttrice.
Per il calcolo del numero di spire in aria e del diametro del supporto vedere, sul vecchio sito di www.radioclubtigullio.it (realizzazioni old site), gli articoli sulle antenne con trappole.
Non dimentichiamo infine che si può commutare un'alimentazione sbilanciata in bilanciata (antenna e discesa della stessa impedenza, es. 50 ohm, rapporto di trasformazione 1:1 ), semplicemente collegando ai due bracci dell'antenna uno spezzone di cavo coassiale da 50 ohm, lungo 1/4 onda ridotta del coefficiente di propagazione, collegando la sua calza al braccio caldo e il filo centrale a quello freddo, la parte finale dello spezzone andrà cortocircuitata (vedi articolo del 2011 "Bilanciamo la boomerang").
Chiaramente questo è agevole a farsi per lunghezze d'onda, diciamo fino ai venti metri.
Per le altre trasformazioni con spezzoni di cavo coassiale da quarto d'onda, mezza onda e tre quarti d'onda, vi rimando all'elaborato di quest'anno "adattatori d'impedenza tra apparato ed antenna".
Quale altro vantaggio presenta il bilanciamento? Per esempio il vantaggio c'è nei dipoli ripiegati delle antenne direttive il cui centro del braccio intero può essere collegato al boma e quindi al palo di sostegno connesso a terra; questo per evitare che il semidipolo collegato alla calza della discesa assuma lo stesso potenziale di terra e quindi rimanga come cortocircuitato a terra, provocando il funzionamento di una sola metà del dipolo ripiegato.
Qui finisce la mia sapienza, ma è lo stesso con o senza...
Per praticità, cercheremo, possibilmente, di fare in modo che gli avvolgimenti siano simmetrici e bifilari, cioè con il medesimo numero di spire
Il valore dell'induttanza del primario (50 ohm) si può calcolare con la seguente formula:
XL = 2 π * f * L, in cui XL è la reattanza in ohm (50 ohm), f la frequenza d'esercizio in Mhz, L è l'induttanza dell'avvolgimento i microhenry; ricavando L:
L = XL
2π f
Normalmente L viene moltiplicato per un numero fisso 5, onde aumentare la larghezza di banda, poi, naturalmente, il secondario andrà calcolato in base alla trasformazione desiderata.
Qualora ci si serva del toroide potremo calcolare il numero delle spire con la seguente formula, suggerita dalla ditta costruttrice:
N spire = √ (5 * microHenry * AL) * 100
AL è un parametro che fornisce la casa costruttrice.
Per il calcolo del numero di spire in aria e del diametro del supporto vedere, sul vecchio sito di www.radioclubtigullio.it (realizzazioni old site), gli articoli sulle antenne con trappole.
Non dimentichiamo infine che si può commutare un'alimentazione sbilanciata in bilanciata (antenna e discesa della stessa impedenza, es. 50 ohm, rapporto di trasformazione 1:1 ), semplicemente collegando ai due bracci dell'antenna uno spezzone di cavo coassiale da 50 ohm, lungo 1/4 onda ridotta del coefficiente di propagazione, collegando la sua calza al braccio caldo e il filo centrale a quello freddo, la parte finale dello spezzone andrà cortocircuitata (vedi articolo del 2011 "Bilanciamo la boomerang").
Chiaramente questo è agevole a farsi per lunghezze d'onda, diciamo fino ai venti metri.
Per le altre trasformazioni con spezzoni di cavo coassiale da quarto d'onda, mezza onda e tre quarti d'onda, vi rimando all'elaborato di quest'anno "adattatori d'impedenza tra apparato ed antenna".
Quale altro vantaggio presenta il bilanciamento? Per esempio il vantaggio c'è nei dipoli ripiegati delle antenne direttive il cui centro del braccio intero può essere collegato al boma e quindi al palo di sostegno connesso a terra; questo per evitare che il semidipolo collegato alla calza della discesa assuma lo stesso potenziale di terra e quindi rimanga come cortocircuitato a terra, provocando il funzionamento di una sola metà del dipolo ripiegato.
Qui finisce la mia sapienza, ma è lo stesso con o senza...