Construction de "Baluns"et "Ununs"

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http://f1frv.free.fr/main3c_Baluns.html

23/05/2009.  Nouvelle feuille de calculs.
     
02/2011 Mise à jour, et nouvelles feuilles de calculs français / anglais.
     
02/2011 Update, and new EXCEL sheets french / english.
     
If you dont read french, use your online favorite translator....
     
Préambule: Le but de cette page n'est pas d'ouvrir une polémique entre les "pro-balun" et les "anti-balun".
     
Ne me demandez pas si il faut en utiliser, ou ne
pas en utiliser, ou préférer une ligne de descente symétrique, c'est
VOTRE problème. Je n'engagerai pas non plus de discussions sémantiques
avec des "experts", pour savoir si ce sont des "vrais" baluns, ou plutôt
des transformateurs asym > sym, ou si ils fonctionnent en tension,
ou en courant ...
     
Le seul but de cette page est d'aider ceux qui
veulent en fabriquer, en leur évitant de faire des erreurs basiques de
conception. Je suis conscient que ces calculs basés sur la théorie, ne
sont pas très précis, car ils ne tiennent pas compte des réactances
présentes sur les bouts de fils attachés aux bornes des baluns
(antennes). Néanmoins, l'approche choisie ici permet de construire
quelque chose qui "tienne la route".
     
Deux technique différentes sont maintenant
présentées sur cette page: Le "binoculaire" et en fin de texte le
"conventionnel". Le "hybrid balun" ne fait qu'améliorer le
fonctionnement de l'un ou l'autre . La construction d'un "Balun" (prononcez baloune...) ou d'un "Unun" (prononcez ounoune...) est un travail relativement simple.
     

             Les baluns & ununs "binoculaires"
     
Le transformateur fait
appel à deux tubes ferrite, matériau "43", "77" ou "61", ou autre
matériau avec perméabilité (µI) comprise entre ~125 et ~2000. Le volume de  ferrite à utiliser va dépendre de la puissance à faire passer vers l'antenne, de la tension présente côté haute impédance, et aussi de ce qui sera disponible, ou facile à approvisionner .
     
Règle de base: Le rapport de transformation est égal au carré du rapport du Nb total
de spires côté haute impédance / Nb de spires côté 50 Ohms (ou basse
impédance). Pour du fonctionnement en très large bande, éviter les
rapports de transformation supérieurs à ~ 6/1.
     
Un point  important est que
l'inductance des bobinages  soit suffisante, pour que leurs impédances
aux fréquences  basses soient de l'ordre de environ 2.8 fois (ou plus)
l'impédance de l'antenne ou ligne symétrique d'un côté, ou de la ligne
asymétrique attachée à l'autre côté. Avec seulement de 1.5 à
moins de 2.8 fois, les performances  en large bande sont quelque peu
dégradées, mais cela  fonctionne quand même correctement.
     
Par exemple:
     
Pour un transformateur 1/6.25 de 50 à 312.5 Ohms, de 1.8 à 30 MHz, l'impédance côté antenne devra être d'environ 1000 Ohms à 1.8 MHz (~3 fois 312.5 Ohms).
      Choisir de préférence des
ferrites avec µI de 850 à 2000, en quantité suffisante, pour diminuer le
nb de spires, et de ce fait les capacités parasites préjudiciables à un
bon fonctionnement en bandes hautes.
     Une règle simple, et à  respecter,
est que la longueur de fil nécéssaire au bobinage le plus long ne doit
pas être supérieure à 5% de la longueur d'onde à la fréquence MAXIMALE
d'utilisation.
      Les matériaux "43" et "77"
fonctionnent encore très correctement à 50 MHz. Le materiau "61"
(équivalent au 4C65) va bien aussi , et peut, peut être même
fonctionner à 144 MHz. Mais, attention, pour les bandes décametriques,
il faut beaucoup trop de spires sur du "61", pour une inductance
identique à celle obtenue avec du "43" ou "77".
     Les tores en poudre de fer matériau rouge "2" ou jaune "6" perméabilité
(µI)  faible, nécéssitent beaucoup trop de spires pour éviter
saturation et échauffement. De plus, la largeur de bande REELLE utile
est plus faible que avec les ferrites, donc, à éviter (sauf si vous êtes
un F6 convaincu que les F1 n'y connaissent rien, et ne devraient pas
faire de décamètrique, ni de CW manuelle sur le déca ...). Pour info
voir mesures de "trucs large bande (HI...)" faits avec des tores rouges et jaunes.
     
Si l'on ne dispose pas de tubes ferrite,
(qui d'ailleurs, n'existent qu'en petites dimensions, juste adaptées à
des antennes de réception, ou d'émission en puissance QRP), il est
heureusement  possible d'empiler 2 séries de tores mis en parallèle pour
constituer les tubes.
     
Exemple N° 1:     2 rangées de 3 tores FT 140-43 (6 en tout), voir photos en bas de page.
     
Caractéristiques de chaque tore: diamètre extérieur 35.6, diamètre. intérieur 22.7, épaisseur 12,7 mm,  Al : ~885 nH/sp2 /- 20%. Avec 2 spires côté 50 Ohms, et 2 x 2.5 spires sur enroulement 312.5 Ohms, cela donne  une impédance de ~1500 Ohms @ 1.8 MHz.
     
Exemple N° 2:     2 rangées de 5 tores FT 114-43 ( 10 en tout).
     
Caractéristiques de chaque tore: diamètre extérieur 29, diamètre. intérieur 19, épaisseur 7.5 mm, Al : ~510 nH/sp2  /- 20%. Avec 2 spires côté 50 Ohms, et 2 x 2.5 spires sur enroulement 312.5 Ohms, cela donne une impédance de ~1450 Ohms @ 1.8 MHz.
     
Ces 2 transformateurs acceptent les puissances " Legal Limit    " americaines sans chauffer...
     
Si vous voulez utiliser de  très fortes
puissances à très basse fréquence (5 kW @ 500 kHz), un empilage de 2 x 5
tores FT240-43 peut être utilisé (75 $ les 10 pièces en 2011). Mais
ceci est la solution extrème (limite du ridicule) ....
     
Utilisez la feuille de calculs téléchargeable, pour vous faire une idée plus précise de ce qu'il vous faut ..
     

     
Un des fournisseur Americain de tores est AMIDON, qui vend directement aux radioamateurs à prix corrects (commande mini 50 $), voir aussi PartsAndKits,
avec de très bons prix. Il est aussi possible d'en acheter en Allemagne
(pas chez AMIDON.DE qui demandait encore, il y a peu, le paiement en
Deutschmarks, voire même Reichsmarks HI..., après envoi de fax par la
banque, reception de facture pro-forma par fax,  confirmation de
commande par fax,  confirmation des frais de port exhorbitants, et transfert bancaire...),
mais chez des revendeurs sérieux, qui, eux, ont entendu parler
d'internet, cartes de crédit, ou paypal. L'autre solution est  d'en
trouver lors des vrais salons radio amateur en Allemagne, en Belgique ou en Hollande ...
     
Les mesures d'inductance des bobinages, pour des tores aux caractéristiques inconnues, peuvent être réalisées avec le "LC Meter" proposé par DF1SR (ex DD0SB), ou tout autre appareil équivalent.
     
Les mesures globales des baluns terminés: T.O.S.
et bande passante,  peuvent être réalisées très facilement avec un
analyseur de réseau, en soudant provisoirement, au plus court, une
petite résistance ou un groupement de petites résistances (non
inductives ou très peu inductives) de valeur appropriée sur les fils de
la sortie symétrique. Les vieilles résistances en carbone aggloméré des
années 60 vont très bien.
     
Vous pouvez également controler le T.O.S. avec un TOSmètre, à petite  puissance (adaptée aux résistances utilisées) sur votre plage de fréquences à utiliser. Le TOS ne doit pas dépasser 1,5/1 en bouts de bande.
     
Il est parfois nécéssaire de placer un
condensateur céramique (~10 à ~47 pF, tension de service adaptée à la
tension présente), en parallèle avec le bobinage primaire, pour
améliorer le TOS dans la bande. Voir feuille de calculs  pour la tension
 de service de ce condensateur.
     

     
Quelques exemples de calcul:
     
Pour un balun avec 2.5 spires sur enroulement 50 ohms, et 2 x 2.5 spires sur l'aérien, le rapport est de 4/1 (50 > 200 Ohms)
     
Pour un balun avec 2.5 spires sur enroulement 50 ohms, et 2 x 3 spires sur l'aérien, le rapport est de 5.76/1 (50 > 288 Ohms)
     
Pour un balun avec 2.5 spires sur
enroulement 50 ohms, et 2 x 3.5 spires sur l'aérien, le rapport est de
7.84/1 (50 > 392 Ohms)
     
Pour un balun avec 2.5 spires sur
enroulement 50 ohms, et 2 x 4 spires sur l'aérien, le rapport est de
10.24/1 (50 > 512 Ohms)
     
     
Pour un balun avec 3 spires sur enroulement 50 ohms, et 2 x 1.5 spires sur l'aérien, le rapport est de 1/1 (50 > 50 Ohms)
     
Pour un balun avec 3 spires sur
enroulement 50 ohms, et 2 x 3.5 spires sur l'aérien, le rapport est de
5.44/1 (50 > 272 Ohms)
     
Pour un balun avec 3 spires sur enroulement 50 ohms, et 2 x 4 spires sur l'aérien, le rapport est de 7.11/1 (50 > 355 Ohms)
     
Pour un balun avec 3 spires sur enroulement 50 ohms, et 2 x 4.5 spires sur l'aérien, le rapport est de 9/1 (50 > 450 Ohms)
       
     

     
Vue sur un enroulement avec deux tubes ferrite justaposés
     
La réalisation d'un balun nécessite plusieur enroulements, 3 dans notre cas.
         Pour définir ce qu'est un enroulement, il est plus simple de l'illustrer par la photo çi-dessous.
     

     

     
On commence par faire 1,5
spires (bleu), en partant du coté symétrique. On raccorde l'autre
extrémité à la masse, au niveau de la prise d'entrée. Ce sera d'ailleurs
le point commun de masse. En partant de la masse, on rebobine à nouveau
1,5 spires de fil (vert) qui aboutira coté symétrique. Toujours à
partir du point de masse, on rebobine à nouveau 3 spires (rouge) qui
aboutiront à la prise d'entrée asymétrique.
     

     

     
On commence par faire 2,5
spires (bleu), en partant du coté 300 Ohms. On raccorde l'autre
extrémité à la masse, au niveau de la prise d'entrée. Ce sera d'ailleurs
le point commun de masse. En partant de la masse, on rebobine à nouveau
2,5 spires de fil (vert) qui aboutira coté 300 ohms. Toujours à partir
du point de masse, on rebobine à nouveau 2 spires (rouge) qui aboutiront
à la prise d'entrée 50 Ohms.
     
Le diamètre du fil sera le plus gros et le mieux isolé possible, pour diminuer les pertes,  l'échauffement et les flashs.
     
En gardant le même
principe, on peut réaliser différentes adaptations en respectant le
rapport des nombre de spires donné par le tableau suivant :
     

Adaptation (Ohms)	Nb de spires Bleu	Nb de spires Vert	Nb de spires Rouge
50 / 50	1	1	2
50 / 100 (112.5)	1,5	1,5	2
50 / 200	2	2	2
50 / 300 (312.5)	2,5	2,5	2
50 / 450	3	3	2
50 / 600 (612.5)	3,5	3,5	2
50 / 800	4	4	2

     
Le fil pourra être du fil de bobinage
émaillé, du fil rigide de cablage domestique, ou du fil souple de
cablage industriel   si nécéssaire gaine isolante aditionnelle. Plusieur
fils peuvent être torsadés en parallèle pour augmenter la section (voir
photo en bas de page). Pour la section des fils, basez vous sur ~ 3
Amperes par mm2. Du "tubing spaghetti" PTFE est souvent
nécéssaire pour assurer l'isolation entre fils, et entre fils et tore.
Enrubanner le tore avec du ruban isolant, avant bobinage, est une sage
précaution à forte puissance. N'oubliez pas que souvent la tension de
service des cables industriels tient compte de la vieille règle:
2xU 1000, ce qui veut dire qu'un cable donné pour 600 Volts résiste à
plus de 2200 Volts. Ne quand même pas trop "tirer sur la ficelle"...
     
Bien veiller à l'isolation globale et à la saturation des tores,
car des tensions importantes peuvent être présentes, même avec
seulement 100 Watts à haute impédance..... Pour information: avec
seulement 1 kW et un balun 12/1, la tension est d'environ 2000 V du côté
de l'antenne avec un TOS de 3/1, et ~ 3500 V avec un TOS de 10/1.
     
Un autre essai à effectuer, si vous utilisez de
TRES fortes puissances, est la vérification de l'échauffement de
l'ensemble. Réalisez un "UNUN": transformateur 1/1 asymetrique /
asymetrique suivant schema exemple ci-après, à connecter sur une charge
50 Ohms de puissance adaptée.
     

     
Le nombre de spires primaire et secondaire
doivent être identiques, et ceux définis pour la partie basse impédance
(50 Ohms) de votre futur balun. Vérifiez l'échauffement à la puissance maximale d'utilisation, et à la fréquence la plus basse de service.
Profitez en pour vérifier aussi le TOS sur l'ensemble des fréquences.
Il est parfois nécéssaire de placer un condensateur céramique (~10 à ~47
pF, tension de service adaptée à la tension présente), en parallèle
avec le bobinage primaire, pour améliorer le TOS dans la bande. Voir
feuille de calculs  pour la tension  de service de ce condensateur.
     
Pour  la mise en boitier "étanche aux
intempéries" , n'oubliez pas de prévoir une ventilation au point bas, 10
à 20 mm de diamètre (un trou de 3 mm ne fonctionne pas) avec grille
"anti insectes" pour éviter les corrosions dues à la condensation qui ne
manquerait pas de se former dans un boitier totalement fermé. Des
connecteurs "N" vont bien jusqu'à ~ 1.5 kW, au delà, utiliser des
connecteurs DIN 7x16.
     
Les baluns & ununs "conventionnels"
     

     
Pour finir, et pour parfaire la chose, il est souhaitable d'intercaler entre le balun et la ligne de transmission coaxiale, un filtre de gaine ("common mode choke" ou "choke balun"). Voir article où ceci est très bien décrit par W1HIS . L'ensemble performant maintenant constitué est parfois appelé "hybrid balun" (ZS1AN in QEX sept/oct 2005 pages 29-34).
     
QUELQUES PHOTOS
     
Cliquer sur les vignettes pour agrandir les images
     
BALUN 6.25/1 POUR DOUBLE FD4  3.5-30 MHz
     
         
           
           
           
         
     
     
ANTENNE DOUBLE FD4
     
         
           
           
         
     
     
BALUN 6.25/1 POUR DOUBLE FD4  1.8-30(50) MHz
     
         
           
           
           
         
     
     
Téléchargement des feuilles de calculs et de quelques docs: BALUNS.ZIP
     
[url=http://f1frv.free.fr/telechargement/A lire attentivement.pdf]A lire AVANT toute question par mail, si vous en avez ! [/url]
     
Pour du fil isolé TEFLON, voir le vide grenier..........
     
Nota: Les dessins couleur des baluns viennent de: http://f6gwo.fr/w3hh.htm[/td][/tr]

 
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