Un balun / ˈ b æ l ʌ n / (de "equilibrado a no equilibrado", originalmente, pero ahora derivado de " unidad de equilibrio ") [1] es un dispositivo eléctrico que permite que las líneas balanceadas y no balanceadas se interconecten sin alterar la disposición de impedancia de ninguna de las líneas. [2] Un balun puede tomar muchas formas y puede incluir dispositivos que también transforman impedancias pero no necesitan hacerlo. A veces, en el caso de los baluns de transformador, utilizan acoplamiento magnético pero no necesitan hacerlo. Los choques de modo común también se utilizan como baluns y funcionan eliminando, en lugar de rechazar, las señales de modo común.
En los transformadores clásicos, hay dos bobinas de alambre eléctricamente separadas alrededor del núcleo del transformador. La ventaja de los baluns de tipo transformador sobre otros tipos es que los bobinados eléctricamente separados para la entrada y la salida permiten que estos baluns conecten circuitos cuyos voltajes a nivel de tierra están sujetos a bucles de tierra o son eléctricamente incompatibles de otra manera; por esa razón, a menudo se los llama transformadores de aislamiento .
Este tipo se denomina a veces "balun de tensión". El devanado primario recibe la señal de entrada y el devanado secundario emite la señal convertida. El núcleo en el que están enrollados puede estar vacío (núcleo de aire) o, equivalentemente, un material magnéticamente neutro como un soporte de porcelana, o puede ser un material que sea un buen conductor magnético como la ferrita en los baluns de alta frecuencia (HF) modernos, o hierro dulce como en los primeros días de la telegrafía.
La señal eléctrica en la bobina primaria se convierte en un campo magnético en el núcleo del transformador. Cuando la corriente eléctrica a través de la bobina primaria se invierte, hace que el campo magnético establecido colapse. El campo magnético colapsado induce entonces un campo eléctrico en el devanado secundario.
La relación de espiras en cada devanado y la eficiencia del acoplamiento magnético de las bobinas determinan la relación entre el potencial eléctrico ( voltaje ) y la corriente eléctrica , y la potencia total de salida. En el caso de los transformadores idealizados, aunque la relación entre el voltaje y la corriente cambiará en proporción exacta al cuadrado de la relación de devanados, la potencia (medida en vatios ) permanece idéntica. En los transformadores reales, parte de la energía se pierde en el interior debido al calentamiento del núcleo metálico del transformador, a las resistencias de CA y CC de los conductores de los devanados, y se pierde en el exterior, al entorno circundante, debido al acoplamiento magnético imperfecto entre las dos bobinas.
Un balun ideal consta de dos cables (primario y secundario) y un núcleo: la corriente en el cable primario genera un campo magnético en el núcleo, que a su vez induce un campo eléctrico en el cable secundario. Un balun autotransformador tiene solo una bobina , o está hecho de dos o más bobinas que tienen una conexión eléctrica, enrolladas alrededor de un núcleo. También se puede hacer un autotransformador a partir de un transformador ordinario conectando de forma cruzada los devanados primario y secundario. Los baluns hechos con devanados de autotransformador también se denominan baluns de tensión , ya que producen una tensión de salida equilibrada, pero no necesariamente una corriente equilibrada.
En todos los autotransformadores, el devanado único debe tener al menos una conexión eléctrica adicional, llamada toma o punto de toma , entre los dos extremos del devanado. La corriente enviada al balun a través de un par de conexiones actúa como si fuera una bobina primaria y magnetiza todo el núcleo. Cuando la corriente eléctrica en el segmento de entrada de la bobina cambia, el campo magnético inducido colapsa y el colapso del campo magnético en el núcleo induce una corriente eléctrica en toda la bobina. Las conexiones eléctricas a partes de la bobina diferentes de las conexiones de entrada tienen voltajes más altos o más bajos según la longitud de la bobina de la que se toma la salida.
A diferencia de los baluns de tipo transformador, un balun con autotransformador proporciona una ruta para la corriente continua a tierra desde cada terminal. Dado que las antenas exteriores son propensas a acumular carga eléctrica estática, la ruta para que la estática se drene a tierra a través de un balun con autotransformador puede ser una clara ventaja.
Los baluns de línea de transmisión o de estrangulación pueden considerarse como formas simples de transformadores de línea de transmisión . Este tipo a veces se denomina balun de corriente , ya que garantiza la misma corriente en ambos lados de su salida, pero no necesariamente la misma tensión. Normalmente se los llama ununs, porque pasan de no balanceados a no balanceados o un-un. Los baluns pasan de balanceados a no balanceados o bal-un.
Un tipo más sutil resulta cuando el tipo de transformador (acoplamiento magnético) se combina con el tipo de línea de transmisión (acoplamiento electromagnético). Lo más común es que se utilice el mismo tipo de cables de línea de transmisión para los devanados que llevan la señal desde la radio hasta la antena, aunque estos baluns se pueden hacer utilizando cualquier tipo de cable. Los dispositivos resultantes tienen un funcionamiento de banda muy amplia. [3] Los transformadores de línea de transmisión suelen utilizar pequeños núcleos de ferrita en anillos toroidales o formas binoculares de dos agujeros.
El transformador de línea de transmisión Guanella (Guanella 1944) se suele combinar con un balun para actuar como transformador de adaptación de impedancia . Dejando a un lado el equilibrio, un transformador de este tipo consiste en una línea de transmisión de 75 Ω dividida en paralelo en dos cables de 150 Ω, que luego se combinan en serie para 300 Ω. Se implementa como un cableado específico alrededor del núcleo de ferrita del balun.
Los transformadores magnéticos clásicos tienen una frecuencia máxima limitada debido a la permeabilidad del material magnético, que disminuye rápidamente por encima de frecuencias de MHz. [4] Esto limita la frecuencia de operación a alrededor de 1 GHz. Los sistemas de microondas requieren baluns en el rango de 1 a 100 GHz para aplicaciones que incluyen mezcladores, amplificadores push-pull e interfaz para convertidores diferenciales analógicos a digitales y digitales a analógicos. [5]
Los baluns de transformadores de líneas de transmisión con una línea de transmisión de alta frecuencia, como un par bobinado, pueden operar a frecuencias significativamente más altas (hasta 8 GHz y más) al combinar el acoplamiento capacitivo con el acoplamiento magnético típico de los transformadores magnéticos clásicos.
Para operar a frecuencias aún más altas, la carga magnética se vuelve ineficaz. Nathan Marchand propuso un "transformador de conversión" que era capaz de operar en una relación de ancho de banda de 1:3 en 1944. [6] Este circuito básico ha sido ampliamente adaptado y modificado para su uso en estructuras planas (como MMIC y RFIC) a frecuencias de hasta al menos 100 GHz. [7]
Estos tipos de baluns planares funcionan excitando un modo en un plano de tierra o blindaje, que luego se "flota" alejándose de la tierra principal. Esto permite la extracción de la señal negativa además de la línea de transmisión principal, creando pares de señales positivas y negativas. Al conectar las rutas de señal positiva y negativa en varias configuraciones, se han propuesto y publicado docenas de configuraciones de baluns en la literatura electrónica.
Aunque los baluns están diseñados como dispositivos magnéticos (cada devanado de un balun es un inductor ), todos los transformadores hechos de materiales reales también tienen una pequeña capacitancia entre los devanados primario y secundario, así como entre los bucles individuales en cualquier devanado individual, lo que forma una autocapacitancia no deseada .
La conexión eléctrica de la capacitancia y la inductancia conduce a una frecuencia en la que la reactancia eléctrica de la autoinductancia y la autocapacitancia en el balun son iguales en magnitud pero opuestas en signo: es decir, a resonancia . Un balun de cualquier diseño funciona mal en su frecuencia de autorresonancia o por encima de ella, y algunas de las consideraciones de diseño para los baluns tienen como objetivo hacer que la frecuencia de resonancia sea lo más superior posible a la frecuencia de funcionamiento.
Se puede utilizar un estrangulador de RF en lugar de un balun. Si se fabrica una bobina utilizando un cable coaxial cerca del punto de alimentación de una antena balanceada, se puede atenuar la corriente de RF que fluye por la superficie exterior del cable coaxial. Una forma de hacerlo sería pasar el cable a través de un toroide de ferrita. El resultado final es exactamente el mismo que un balun de corriente 1:1 (o un balun tipo Guanella). (Straw 2005, 25-26)
La función de un balun es generalmente lograr compatibilidad entre sistemas y, como tal, encuentra una amplia aplicación en las comunicaciones modernas, particularmente en la realización de mezcladores de conversión de frecuencia para hacer posibles las redes de transmisión de datos y telefonía celular. También se utilizan para enviar una señal portadora E1 desde un cable coaxial ( conector BNC , conector 1.0/2.3, conector 1.6/5.6, conectores tipo 43) a un cable UTP CAT-5 o conector IDC.
En televisión , radioafición y otras instalaciones y conexiones de antenas , los baluns convierten entre impedancias y simetría de líneas de alimentación y antenas. [8]
Por ejemplo, la transformación de una línea de cable coaxial de 300 Ω de dos conductores o de 450 Ω en una línea de escalera (balanceada) de 75 Ω (no balanceada), o para conectar directamente una antena balanceada a un cable coaxial no balanceado. Para evitar la radiación de la línea de alimentación, los baluns se utilizan normalmente como una forma de estrangulamiento de modo común conectado al punto de alimentación de la antena para evitar que el cable coaxial actúe como una antena y emita potencia. Esto suele ser necesario cuando una antena balanceada (por ejemplo, un dipolo ) se alimenta con cable coaxial; sin un balun, el blindaje del cable coaxial podría acoplarse a un lado del dipolo, induciendo una corriente de modo común y convirtiéndose en parte de la antena y emitiendo radiación de forma involuntaria. [9]
Al medir la impedancia o el patrón de radiación de una antena balanceada utilizando un cable coaxial, es importante colocar un balun entre el cable y la alimentación de la antena. Las corrientes desequilibradas que podrían circular por el cable harán que la impedancia de la antena medida sea sensible a la configuración del cable de alimentación, y el patrón de radiación de las antenas pequeñas puede verse distorsionado por la radiación del cable.
Los baluns están presentes en radares , transmisores, satélites, en todas las redes telefónicas y probablemente en la mayoría de los módems/routers de redes inalámbricas que se utilizan en los hogares. Se pueden combinar con amplificadores de transimpedancia para formar amplificadores de alto voltaje a partir de componentes de bajo voltaje.
El vídeo de banda base utiliza frecuencias de hasta varios megahercios . Se puede utilizar un balun para acoplar señales de vídeo a cables de par trenzado en lugar de utilizar cable coaxial. Muchas cámaras de seguridad tienen ahora una salida de par trenzado sin blindaje (UTP) balanceada y una coaxial no balanceada a través de un balun interno. También se utiliza un balun en el extremo de la grabadora de vídeo para convertir de nuevo de 100 Ω balanceado a 75 Ω no balanceado. Un balun de este tipo tiene un conector BNC con dos terminales de tornillo . Los baluns VGA/DVI son baluns con circuitos electrónicos que se utilizan para conectar fuentes VGA/DVI (portátil, DVD, etc.) a dispositivos de visualización VGA/DVI a través de tramos largos de cable CAT-5/CAT-6. Los tramos de más de 130 m (400 pies) pueden perder calidad debido a la atenuación y las variaciones en el tiempo de llegada de cada señal. Se utiliza un control de sesgo y un cable especial de sesgo bajo o libre de sesgo para tramos de más de 130 m (400 pies). [ cita requerida ]
En aplicaciones de audio , los baluns cumplen múltiples funciones: pueden convertir entre líneas desequilibradas de alta impedancia y líneas equilibradas de baja impedancia . Otra aplicación es el desacoplamiento de dispositivos (evitando bucles de tierra).
Una tercera aplicación de los baluns en los sistemas de audio es la provisión de energía de red balanceada a los equipos. La característica de rechazo de interferencias en modo común de la energía de red balanceada elimina una amplia gama de ruidos provenientes del enchufe de pared, por ejemplo, interferencias transmitidas por la red eléctrica de los motores de los aires acondicionados, hornos y refrigeradores, ruido de conmutación producido por la iluminación fluorescente y los interruptores de regulación de la luz, ruido digital de las computadoras personales y señales de radiofrecuencia captadas por las líneas eléctricas que actúan como antenas. Este ruido se infiltra en el sistema de audio y video a través de las fuentes de alimentación y eleva el nivel de ruido de todo el sistema. [10]
A excepción de las conexiones, los tres dispositivos de la imagen son eléctricamente idénticos, pero solo los dos más a la izquierda se pueden usar como baluns. El dispositivo de la izquierda normalmente se usaría para conectar una fuente de alta impedancia, como una guitarra, a una entrada de micrófono balanceada, que sirve como una unidad DI pasiva . El del centro es para conectar una fuente balanceada de baja impedancia, como un micrófono , a un amplificador de guitarra . El de la derecha no es un balun, ya que solo proporciona adaptación de impedancia.
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