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So funktioniert ein Balun


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Vortrag zum Thema (November 2008)

Ein Balun gehört zur ganz selbstverständlichen Ausrüstung fast jeder Amateurfunkstation: Praktisch jedes Funkgerät hat einen unsymmetrischen (Koaxialkabel-) Antennenanschluss und viele Antennen, wie z.B. ein Dipol, sind symmetrisch. Da braucht man ein Anpassglied, das den unsymmetrischen Anschluss mit der symmetrischen Antenne verbindet, daher der Name "BALanced/UNbalanced", und bei der Gelegenheit vielleicht auch gleich die unterschiedlichen Impendanzen anpasst. Einschlägige Lösungen finden sich in Literatur und Internet reichlich – aber warum hat der Entwickler jeweils genau seine Lösung gewählt? Dieser Text ist die Zusammenfassung meiner Versuche und Misserfolge.

Transformator oder Mantelwellensperre?

Die zwei Baluntypen Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Methoden, einen Balun zu bauen; als Transformator oder als Mantenwellensperre. Grundsätzlich unterscheiden sich beide Varianten nur dadurch, wie die Wicklungen angeschlossen werden.

Auf den ersten Blick hat die Transformator-Version deutliche Vorteile: Man kann ein beliebiges Übersetzungsverhältnis einstellen und bekommt die galvanische Trennung gratis dazu. Im Vergleich dazu ist die Mantelwellendrossel langweilig: Die bifilare Wicklung unterdrückt unsymmetrische Ströme ("Mantelwellen"), sonst nichts. Diese Betrachtung hält aber dem Realitätstest nicht stand.

Die Haken und Ösen den Transformator-Baluns

Wie bei fast jedem Transformator wird hier die eingespeiste elektrische Energie erst mal an ein Magnetfeld weitergegeben, um dann wieder in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Anders ausgedrückt: Das Magnetfeld gehört voll zur Übertragungskette, der magnetische Kreis darf also nur geringe Verluste haben. Deshalb verwendet man hier Luftspulen oder Eisenpulver-Kerne – beides magnetische Leiter mit niedriger Permeabilität. Anders ausgedrückt: Wenn ein Kern existiert, dann kann er nur einen begrenzten Teil des Magnetfeldes einfangen und es entsteht ein großes Streufeld.

Das führte mir mein erster Prototyp vor Augen: Auf einen Ringkern vom Typ T157-2 wickelte ich eine Wicklung links und eine Wicklung rechts, um die Koppelkapazitäten möglichst gering zu machen. Der erste Empfangstest funktionierte zwar, d.h. die eingekoppelten Störungen waren praktisch weg. Aber: Die Signale waren auffällig schwach. Eine Messung am Netzwerkanalysator öffnete die Augen:

  • Abhängig von der Frequenz lag die Durchgangsdämpfung zwischen 10 und 40 dB.
  • Als ich den Ringkern bewegte, reagierte der Frequenzgang heftig auf die Umgebung – selbst mehrere Ringkern-Durchmesser vom Metallgehäuse des Netzwerkanalysators entfernt.

Dieser Effekt ist bekannt und führte schon zu Bandfiltern mit zwei getrennten Schwingkreisen auf einem Ringkern [1].

Mehrere Versuche mit anderen Wicklungsmethoden führten zur Erkenntnis: So ein Balun funktioniert nur dann, wenn man sämtliche Wicklungsdrähte erst verdrillt und dann gemeinsam um den Kern wickelt. Damit waren aber die Koppelkapazitäten so groß, dass ich mein Ziel nicht erreichen konnte, die Funkstörungen durch "Brummschleifen" zu unterdrücken.

Wenn man sich diesen Baluntyp genauer ansieht, entdeckt man noch weitere Probleme. So haben die Wicklungen keinen sinnvoll definierten Wellenwiderstand. Je breitbandiger die Anwendung sein soll, um so schwieriger wird das Kompensieren so eines Transformators. Im QRP- oder reinen Empfangsbetrieb mag das noch mit Amateurmitteln zu beherrschen sein. Aber bei üblichen Sendeleistungen wird's langsam kompliziert, hier mehr zu erreichen als eine mehr oder weniger selektive Antenne an die Ableitung anzupassen.

Der spröde Scharm der Mantelwellendrossel

Der übliche Aufbau einer Mantelwellendrossel ist ein Koaxkabel, das möglichst intensiven Kontakt mit möglichst viel Eisen bekommt. All die Klappferritte und Entstörringkerne gehören in diese Klasse. Für das Nutzsignal ist dieses Eisen wegen der bifilaren Wicklung nicht vorhanden: Dem Koaxkabel macht die Umgebung nichts aus und der Sender sieht vielleicht etwas mehr Kabeldämpfung – aber noch nicht mal Stoßstellen.

Den letzten Satz sollte man sich noch einmal gründlich auf der Zunge zergehen lassen. Die Aussage, dass das Nutzsignal von der Induktivität erst mal nichts merkt, beeinflusst die Wahl des magnetischen Material. Da der magnetische Kreis mit dem Nutzsignal nichts zu tun hat, kann man verlustreiche, hoch permeable Kernmaterialien benutzen. Die Verluste sind sogar erwünscht, weil sie irgendwelche Resonanzeffekte dämpfen. Die Impedanz der Mantelwellendrossel kann also viel höher werden, als das mit den Eisenpulverkernen für Transformator-Baluns möglich ist.

In Zahlen: Der oben erwähnte Eisenpulver-Ringkern T157-2 hat einen AL-Wert von 140 μH/100 Windungen. Ein Ferritring ähnlicher Größe kommt leicht auf 3000 μH/100 Windungen, erzeugt also rund die 20-fache Induktivität mit der gleichen Wicklung.

Machen wir mal eine Überschlagsrechung: Bei perfekter Leistungsanpassung liefert ein 50W-Sender 50 V und 1 A. Nehmen wir jetzt mal an, dass die Mantelwellendrossel 1 kΩ Impedanz hat, dann fließen durch sie maximal 50 mA. Bei 50 V bedeutet das 2,5 VA. Wenn die Drossel keine Verluste hat, kommen hinten aus der Mantelwellendrossel 50 W heraus. Wenn sie alle eingespeiste Magnetenergie verheizt, sind es immer noch 47,5 W. Wen juckt's?

Die Quintessenz: So lange man das Koaxkabel beim Wickeln der Drossel nicht zu sehr misshandelt, lässt sich die Anpassung für das Nutzsignal problemlos sicherstellen. Zwar sieht man nicht, ob die Sperrwirkung wirklich so gut ist wie erwünscht, aber ein wesentlich einfacheres Selbstbauprojekt ist kaum denkbar.

Impedanzwandlung mit der Mantelwellendrossel

Mantelwellendrossel als 1:4-Balun Wie soll man denn ein Stück Kabel mit Leistungsanpassung betreiben und damit transformieren? Das geht recht einfach, wenn man den Ausgang der Drossel als getrennte Spannungsquelle betrachtet. Sinn der Übung war ja gerade, das Basispotential der Ausgangsseite vom Potential der Eingangsseite zu trennen. Niemand hindert einen also daran, den Balun wie hier gezeigt zu verschalten. Dabei wird die Ausgangsspannung der Mantelwellendrossel auf die Eingangsspannung aufaddiert. Doppelte Spannung bei gleicher Leistung bedeutet halben Strom, also insgesamt die vierfache Impedanz.

Balun 12:50 Ohm

Eines wurde eben stillschweigend vorausgesetzt: Dass die Ausgangsspannung der Mantelwellendrossel in Phase ist mit der Eingangsspannung. Das ist genau betrachtet nicht der Fall, weil die Spannung natürlich eine gewisse Zeit braucht, um das Kabel zu durchlaufen. Das Kabel der Mantelwellendrossel sollte also nicht länger sein als vielleicht ein Zehntel der Wellenlänge – Verkürzungsfaktor einrechnen!

Eine weitere Frage stellt sich: Welchen Wellenwiderstand sollte das Kabel dieser Mantelwellendrossel haben? Rein theoretisch ist die Antwort einfach: Der halbe Strom fließt vom 50-Ω-Eingang über den Mantel nach Masse, nicht mehr über den Innenleiter. Gleiche Spannung, halber Strom – das bedeutet doppelten Wellenwiderstand. Mit verdrilltem Schaltdraht kommt man leicht in die Größenordnung von 100 Ω Wellenwiderstand.

Der Balun rechts soll den niedrigen Fußpunktwiderstand einer Kurzwellen-Mobilantenne auf 50 Ω bringen. 25-Ω-Kabel ist nicht handelsüblich. Deshalb sind hier zwei 50-Ω-Kabel parallel geschaltet. Das folgenden Bild zeigt den Frequenzgang über den gesamten Kurzwellenbereich, wenn man den niederohmigen Anschluss mit 12 Ω abschließt. (Zur Kompensation der Blindinduktivitäten liegt parallel zum hochohmigen Anschluss ein 12-pF-Kondensator.)

Frequenzgang des Baluns oben

Ein solcher Transformator ist sehr schön einfach zu bauen und hat auch ohne Abgleich einen sehr großen Frequenzbereich. In vielen Fällen, z.B. stark verkürzten Antennen, ist allerdings eine Voraussetzung für ihren Betrieb nicht erfüllt: Sie werden nicht mit den vorgesehenen Impedanzen betrieben. [3] zeigt, dass das Kabel der Mantelwellendrossel einen Wellenwiderstand haben sollte, der dem geometrischen Mittel der Impedanzen an den beiden Enden entsprechen sollte, also:

Zein * Zaus = ZKabel2

Deshalb sind im Bild oben zwei Stücke RG-174/U parallel geschaltet, um auf 25 Ω Wellenwiderstand zu kommen. Das gilt aber nur im Resonanzpunkt. Bei einem SWR von 2:1 ist der Betrag der Impedanz schon 100 Ω. Stimmt man z.B. eine 20m-Mobilantenne so ab, dass an der unteren Bandgrenze ein SWR von 2:1 entsteht und der Resonanzpunkt im CW-Bereich liegt, kann das SWR an der oberen Bandgrenze leicht bei 5:1 liegen. Der Betrag der Impedanz liegt also auf der 50-Ω-Seite bei 250 Ω. Ich schlage aber trotzdem vor, bei genau dieser Konstrktion zu bleiben: Dickeres Koaxialkabel kann man bei solch kleinen Ringkernen nicht verwenden. Im betrachteten Frequenzbereich ist die Belastungsgrenze von RG-174/U bei optimaler Anpassung gut 100 W, also liefern zwei parallele Kabel etwas Reserven. Wer will, kann natürlich auch teflon-isoliertes Kabel mit vergleichbaren mechanischen Abmessungen, z.B. RG 178 B/U, verwenden.

Einen Strombalun berechnen

Schema: Längsimpedanz Mantelwellendrossel

Das viel größere Problem ist aber die Längsimpedanz der Mantelwellendrossel, also die Entkopplung von Ein- und Ausgang: An der Mantelwellendrossel eines 12 Ω-zu-50 Ω-Baluns fällt die halbe Spannung der 50-Ω-Seite ab. Nehmen wir mal ein SWR von 1:1 und 50 W an 50 Ω Senderabschlusswiderstand an. Dann fallen über die Mantelwellendrossel 25 V ab. Nehmen wir als Längsimpedanz 500 Ω an, sind in der Mantelwellendrossel 1,25 W unterwegs. Die werden noch nicht mal vollständig verheizt, schließlich haben wir es hier mit einer komplexen Impedanz mit Blindleistung zu tun – also völlig unkritisch.

Screenshop Mini-Ringkernrechner von DL5SWB

Bei einem SWR von 5:1 liegen zwischen Ein- und Ausgang schnell mal 100 V und schon muss die Mantelwellendrosel mit 20 W fast die halbe Senderleistung aufnehmen; womöglich gerät sie gar in Sättigung und produziert massenweise Oberwellen. Die Güte der Drossel ist, bedingt durch den hoch permeablen Kern, relativ gering.

Die Lösung lässt sich über Kernmaterial und Kerngröße finden: Je höher der AL-Wert und je höher die Güte ist, um so geringer werden die Verluste. Eine einfache Möglichkeit, den richtigen Ringkern zu finden bietet der Mini-Ringkernrechner von DL5SWB.

Den Ringkern zum Screenshot rechts gibt es z.B. bei Reichelt für 2,50 EUR. 50 V Spannungsabfall verkraftet er gerade noch so, wie der Mini-Ringkernrechner rechts unten bei den Fluxwerten anzeigt. Im Zweifelsfall wählt man einen größeren Kern oder packt zwei Kerne aufeinander.


Weitere Themen, noch zu bearbeiten...

Anders als bei einer Zeitschrift kann ich meine Texte hier leben lassen. Deshalb sammle ich hier Themen, für die ich noch keinen kompletten Text formulieren kann. Vielleicht hat ja auch mal ein Leser Lust, hier mitzuhelfen...

  • Ferrite haben recht geringe Sättigungsfeldstärken. Für Leistungsübertrager wie am Anfang dieser Seite nutzt man nicht nur der Verluste wegen Eisenpulverkerne. Ein ganz entscheidender Grund ist, dass Ferrite bei einer recht geringen magnetischen Feldstärke ihre magnetischen Eigenschaften weitgehend verlieren: Je mehr Leistung man durchpumpen will, um so geringer wird die Induktivität der Spule, deren Kern aus Ferrit besteht. Wie oben gezeigt trägt nur ein kleiner Teil des Stroms durch die Mantelwellendrossel zum Magnetfeld bei. Das Problem ist also wohl eher, ob man das Koaxkabel oft genug durch den Ringkern bekommt.
  • Diese Sättigung kann auch auf ganz anderen Wegen erreicht werden. So ist bislang meine Antenne galvanisch vom Autoblech getrennt, weil ich mit einem Magnetfuß arbeite. Aber wenn ich erst mal ein Loch im heiligen Blechle habe, fließt ohne weitere Maßnahmen ein Teil des Versorgungsstroms durch das Antennenkabel. Und während auf der Antennenleitung 1-2 A Hochfrequenzstrom fließen, könnte es wesentlich mehr Gleichstrom werden – bis zu 22 A. Da werden also mal Trennkondensatoren her müssen. Deshalb auch der Hinweis auf die galvanische Trennung am Anfang dieser Seite. Mal sehen, wo ich Angaben über die zulässigen Ampere-Windungen her kriege...

Literatur:

[1] Wippermann, Wolfgang: Ein Pulvereisen-Ringkern genügt. Experimentelles Bandfilter
In: cq-DL 6/2004, S. 412ff
[2] Counselman, Chuck (W1HIS): Common-Mode Chokes
Neben einer umfangreichen Diskussion, warum man Mantelwellendrosseln braucht und welche Blindwiderstände die haben sollen, liefert dieser Beitrag zahlreiche Beispiele – mit viel Eisen drin...
[3] Sevick, Jerry (W2FMI): Transmission Line Transformers, ARRL, Second Edition, 1991 (ISBN 0-87259-296-0)
DK5VP lieh mir sein Exemplar mit der Bemerkung: Jerry hat im Lauf seiner Untersuchungen mehr Baluns untersucht als womöglich alle europäischen OMs zusammen. Nachteil des Werks: Ohne einen intensiveren Lehrgang in Ingenieurmathematik versteht man über weite Strecken nur Bahnhof. Mann, bin ich da eingerostet :-(
[4] DF9CY: Noise Reduction on 40m
Gleiches Problem, gleiche Lösung: Mantelwellendrosseln reduzieren den Störnebel im Empfänger
[5] DG0SA
Wolfgang, der Autor von [1], betreibt auch eine Website mit vielen einschlägigen Informationen. Er verkauft auch entsprechende Bauteile, ausgemessene Bauteilsätze und fertige Filter.
[7] DB8LN: Ferrit- und Eisenpulver-Kernmaterialen und ihre Einsatzfrequenzen (Site offline)
Diese Seite listet Eigenschaften von Ferritmaterialien auf. Dabei werden die Frequenzbereiche für drei Einsatzfälle unterschieden: Resonanzkreise, Breitbandübertrager und Drosseln. Wenig überraschend ist der Einsatzbereich für Drosseln am breitbandigsten.
[8] Roos, Andrew (ZS1AN): A Better Antenna-Tuner Balun
In: QEX Sep/Oct 2005, S. 29ff
Der Artikel diskutiert die Mantelwellensperre unter dem Gesichtspunkt, dass die Drosselinduktivität groß sein muss gegenüber der Impedanzen des Nutzsignals. Für hohe Ausgangsimpedanzen, wie sie hinter Anpassnetzwerken typisch sind, empfiehlt der Autor deshalb eine Kombination aus beiden Balunarten.
[9] Simple HF Baluns For 50/75 Ohm Coax
Ein paar Kochrezepte mit Messergebnissen aus Australien
[10] Corney, Andrew (ZL2BBJ): ZL6QH: Low-cost 600:50 Ohm Baluns Used at Quartz Hill
Bericht über Baluns, die in einer Konteststation eingesetzt werden. Die Antennen werden dort über 600-Ω-Hühnerleiter symmetrisch gespeist. Spezieller Aspekt: Die senderseitige Wicklung wird auf der niedrigsten Frequenz mit einem Serienkondensator auf Resonanz gebracht. Mit Diagrammen.
[11] Eppert, Karsten; Einem 1:1-Balun auf den Zahn gefühlt
In: cq-DL 2/09, S. 96ff
Karsten beschreibt schön, warum ich so pragmatisch die Baluns einfach ausprobiere: Das Messen ist recht aufwändig, schon weil die amateurmäßigen Messmittel schnell an ihre Grenzen stoßen. Dafür fehlt mir ganz einfach die Zeit.
[12] Brandt, Hans-Joachim, DJ1ZB: Spannungs- Strom- oder Hybridbalun? – Betrachtungen über Balune (1)
In: cq-DL 4/09, S. 253ff
So sehr ich im Allgemeinen Hajos Artikel schätze, hier hatte er keinen sehr guten Tag. Das ist eher ein langatmiger Essay als ein Artikel, dem man harte Fakten entnehmen könnte. Wenn er dann gar Jerry ([3]) vorwirft, er würde zu wenig auf die nötigen Induktivitäten von Strombaluns eingehen, dann ist das schrecklich daneben: Jerrys zentraler Punkt ist, dass Baluns dann breitbandig werden, wenn der Wellenwiderstand der Wicklungen zu den Abschlussimpedanzen passt, Hajo redet aber über Matchboxen für Hühnerleitern. Und wer Jerrys Buch einigermaßen versteht, der beherrscht auch die nötige Ingenieurmathematik für den Rest.
[13] Wippermann, Wolfgang: DG0SA: Warum funktionieren manche Baluns nicht so richtig? – verschiedene Bauformen
in: cq-DL 4/09, S. 260ff
Einfacher Tipp: Artikel vergessen und die Website des Autors [5] besuchen. Im Minimum fehlen hier ein paar Begriffsbestimmungen und schematische Darstellungen, um die ganze Bleiwüste verständlich zu machen.
[14] Schlotmann, Ludger, DF1BT: Mantelwellen – Entstehung und mögliche Wege, diese zu beseitigen
Eine praxisnahe Darstellung, bis hin zu Lieferantenangaben
[15] Trast, Cris, N7ZWY: A Tutorial on Transmission Line Transformers
Spezialität dieses Dokuments: Wie baue ich Baluns mit anderen Übersetzungsverhältnissen als 1:2?
[16] Mandel, G.F. (DL4ZAO): DL0WH Balun-Workshop
Eine sehr schöne Präsentation zum Thema Balun
TOP
Alexander von Obert * http://www.dl4no.de/thema/sofunkti.htm
Letzte Änderung: 01.12.13 (1 neuer Link)


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