Balun Guanella 4:1
Doble Toroide
Introducción
Estoy haciendo una antena de cuadro, colocada verticalmente, con dos cañas de pescar de 10m de altura, separadas casi 5m.
Sale un rectángulo de unos 24m de perímetro.
Como quiero usarla en varias bandas, necesito un balun de banda ancha.
Para las antenas cúbicas, monobandas, suelo recomendar un balun resonante, hecho de cable coaxial.
Pero en este caso, al querer darle un uso multibanda, tiene que ser un balun de los bobinados con toroides,
que son los que ofrecen una respuesta ancha.
Este tipo de antena, resulta ideal para su uso en bandas medias de HF; 20m y 40m primordialmente.
También se puede usar en 10 y 15m sin problemas. En 80m irá ya algo justo y en 160m no espero que pueda usarse.
Por lo tanto, el plan sería el cuadro descrito, un balun que cubra toda HF para convertir las señales simétricas del cuadro en asimétricas,
así como transformar impedancias si es necesario (para ayudar al acoplador), un acoplador automático remoto.
La antena ya la tengo lista, ya que disponía de las cañas y el material necesario.
El acoplador también dispongo de uno, un MFJ-993BRT. Me faltaba el balun.
Pensé en comprar uno, pero como nunca había fabricado uno de ese tipo, y no parecía difícil de hacer,
pensé que si lo hacía yo mismo aprendería cosas nuevas. Como siempre suelo hacer.
Balun
El primer sitio para consultar es el libro “Transmission Lines Transformers”, de Jerry Sevick – W2FMI , que puede considerarse
"la biblia" de este tema, así como la versión Handbook del mismo libro y autor.
Además estuve leyendo unos cuántas páginas de gurús del tema (DJ0IP , G8JNJ , G3TXQ , W8JI , KP4MD , K9YC , N4SPP , etc.).
Tras leer todo lo anterior se llega a la conclusión que el balun Guanella es el que mejor hace ese trabajo en este caso, pero hay que señalar
que el tipo de balun a usar depende del tipo de antena. No todos los balun sirven para todas las antenas.
Los balun tipo Ruthroff dejan mucho que desear, además de otras limitaciones que los Guanella no tienen.
Los balun de corriente hacen otro tipo de trabajo, son choques, pero no equilibran nada. E
l balun Guanella, puede usarse con antenas mal equilibradas, incluso con antenas totalmente asimétricas ya que si uno se fija en el esquema,
el balun equilibrará las corrientes de ambos brazos, incluso aunque una de las entradas se ponga a tierra.
Un balun 4:1 tiene varias funciones primordiales:
- Transformar la impedancia en una relación 4:1
- Corregir (a la salida) posibles desequilibrios presentes a la entrada
- Reducir las corrientes en modo común
Además deben de hacerlo sobre el rango de frecuencias que se requiere y debe hacerlo con las mínimas pérdidas posibles.
Otro beneficio del balun Guanella es que es reversible, funciona tanto 4:1 como 1:1, incluso se puede poner un conmutador y cambiar a una u otra relación.
El balun 4:1 tipo Guanella cumple todos los requisitos anteriores, pero hay dos tipos, o formas de hacerlo; con uno o con dos toroides. Aunque muchos lo hacen con un solo toroide (supongo que por abaratar costes), lo ideal es con dos. Ojo, no me refiero a apilar toroides para soportar más potencia, si no, a usar dos toroides paralelos (o grupos de toroides), para que el funcionamiento sea el correcto.
Varios colegas (del grupo de los gurús) han probado ambos diseños, con uno y con dos toroides. Tras pruebas y cálculos todos llegan a la conclusión; con un solo toroide el balun no funciona. Lo adecuado son dos toroides paralelos.
Alguno como DJ0IP lo deja bien claro;
Most 4:1 Guanella baluns, as well as most of the instructions showing how to build a 4:1 Guanella balun use just one single toroid
as the core for winding the two transmission lines onto.
This concept will not work.
If you build it like this or buy one like this, you will not have a balun at all.
In order for a 4:1 Guanella balun to function properly, each of the two transmission lines MUST be wound on its own separate toroid core.
This mandates using two cores.
También lo dijo W8JI ;
The book Baluns and UnUn's proposes a transmission line balun like the balun above could be wound on a single core. That isn't true. A balun configured as shown to the left must be on two separate cores or it will not remain balanced.
En la práctica debería de tener un aspecto similar a la siguiente imagen;
Hay que fijarse, no en la colocación física de los toroides, si no en usar las entradas y salidas correctas. En el dibujo anterior he coloreado cada cable de un color diferente para distinguirlo mejor.
Toroides
Hay muchas clases, formas, colores, etc. Pero para este uso se suelen usar dos formas y dos tipos;
Forma
- Toroide
- Barra
Tipo
- Polvo de hierro
- Ferrita
Aún así lo habitual actualmente es usar casi siempre toroides. Dentro de los toroides hay algunos balun que usan polvo de hierro, pero son minoría. La gran mayoría son de ferrita.
Y ferrita hay varios materiales , cada material tiene una permeabilidad determinada;
| Material | Permeabilidad µ | Bandas |
|---|---|---|
| K | 250-290 | 160 |
| 52 | 250 | 160 |
| 61 | 125 | 80 |
| 67 | 40 | 10-40 |
Otros materiales como los 31, 43, 75, 77 tienen permeabilidades muy altas, por eso se usan en balun de corriente (choque), pero no sirven para balun como el Guanella.
En cada uno de ellos hay varias medidas (diámetros) que básicamente vienen dados según la potencia que se tenga pensado usar. Mayor diámetro = más potencia. Además, los grandes son más fáciles de bobinar a mano (diámetros en pulgadas);
| Diámetro | Potencia |
|---|---|
| 0.5" | QRP, Rx |
| 1.4" - 1.5" | Hasta 1Kw |
| 2.4" | Más de 1Kw |
Como quiero hacer el balun tipo Guanella, que soporte potencia, y cubra HF, necesito un toroide de ferrita (FT), de gran tamaño (2.4" = 240)
y material 61, que aunque es en 80M donde estaría centrado, en realidad cubre toda HF. Así que necesitaré dos toroides FT-240-61 colocados
en paralelo. Estos toroides se consiguen en EA , no hace falta ir al extranjero, como hace años.
Si fuera una tribanda de 10, 15 y 20M, sería un FT-240-67, ya que el material 67 trabaja mejor en la parte alta de HF.
Si fuera para una antena en la banda de 160M, pues usaríamos un FT-240-52 o un FT-240-K.
Si fuera para una potencia mayor de 1500W, se colocarían de dos en dos los toroides, cuatro en total, o incluso de tres en tres, total seis, pero siempre con el mismo esquema.
Cable
Usaremos cualquier cable de cobre barnizado, o con funda, preferiblemente de teflón. El diámetro depende de la potencia que debe soportar.
Para potencias de entre 100 y 600W se puede usar cable de 1mm hasta 1.2mm de diámetro.
Para potencias de 600W hasta 1500W debería ser cable de entre 1.3 y 2mm de diámetro.
Yo compré a buen precio en E-Bay unos metros de cable de 1.3mm (16AWG) de cobre trenzado plateado y con funda de teflón por algo más de €2 el metro. Los hay de otros diámetros y diferentes colores.
Construcción
Una vez que ya hemos decidido el diseño, potencia, toroide, cables, etc. Ya solo queda conseguir los materiales y ponerse manos a la obra.
La verdad, es que es un trabajo sencillo, fácil de hacer y que permite ciertas holguras.
Primero se suele recubrir los toroides con un poco de cinta de teflón. Yo usé de la de fontanería.
Se pueden coger dos trozos de cable y agruparlos con cinta cada poca distancia, como si fuera un cable de dos hilos paralelos.
Luego se empieza a bobinar. La primera vuelta se sujeta con una brida plástica, y luego se sigue bobinando hasta completar unas 10 vueltas, lo más pegadas al toroide que se pueda. He encontrado el mismo diseño con 8, 9, 10 y 11 vueltas, o más. Yo he tirado por el medio y lo he dejado en 10 vueltas, aproximadamente.
Una vez hemos bobinado los dos toroides, preparamos una caja donde los colocaremos. De las de electricidad de intemperie son perfectas. Mejor una caja alargada, donde los toroides estén separados. A la caja hay que colocarle una hembra PL y un par de tornillos o terminales. Yo he usado unos tornillos de latón ya que permite soldar directamente a ellos.
Ya solo queda colocar lo mejor posible los toroides en la caja, uno al lado del otro, (paralelos), de manera que los terminales sean lo más cortos posible al conector y los terminales. Los toroides se pueden sujetar con unas bridas, para que no se muevan, o hacerles una pequeña plataforma que encaje dentro de la caja.
Fijándose bien en el esquema y diagrama de arriba, se sueldan los cables a los terminales.
Prueba
Ya solo queda probarlo. Si todo ha salido bien, se puede colocar una resistencia de 200 OHm (o mejor 2 de 100 OHm en serie, o 4 de 50 OHm en serie) en la entrada, y medir ROE a la salida. Con un analizador de antenas, o VNA sería lo ideal (Imagen 5). Debería salir algo similar a la gráfica de la imagen 6. El balun del presente artículo presenta 1:1.1 desde 1.8 hasta 15 MHz, 1:1.2 en 21 MHz, y 1:1.3 hasta 30 MHz. También se puede probar la acción de equilibrio poniendo, en una de las entradas, una resistencia a masa. El balun seguirá funcionando y equilibrando las corrientes.
Resumen
El objetivo de este artículo ha sido mostrar cómo hacer un balun 4:1 Guanella, fácilmente convertible en 1:1, muy efectivo y fácil de hacer, al mismo tiempo he comentado algunas nociones básicas sobre los balun y toroides, aunque hay que añadir que los balun son un mundo aparte, con muchos detalles que a la mayoría se nos escapan .
Calculo que una vez que se dispone del material, en un par de horas se podría tener ambos toroides bobinados y listos, tan solo quedaría el trabajo de la caja, que podría ser un ahora más. Una tarde debería ser tiempo suficiente para tener el balun funcionando.
Espero sea de utilidad.