Balun
Ein Balun (englisch balanced-unbalanced) ist in der Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik ein Bauteil zur Wandlung zwischen einem symmetrischen Leitungssystem und einem unsymmetrischen Leitungssystem. Vor allem in der Hochfrequenztechnik wird auch die Bezeichnung Symmetrierglied verwendet. Baluns arbeiten in beide Richtungen, daher gibt es den Begriff „Unsymmetrierglied“ nicht.
Symmetrisch bedeutet, dass zwei gegen Massepotential gleich große gegenphasige Wechselspannungen vorliegen, beispielsweise bei Bandleitungen und symmetrischen Antennen. Die unsymmetrische Signalübertragung erfolgt im Wesentlichen über Koaxialkabel oder Streifenleitungen.
Oft wirken Baluns auch als Impedanzwandler zur Leistungsanpassung; vor allem in der Audiotechnik dienen Baluns auch zur Potentialtrennung.
Aufbau
Balun mit Transformator
Bei Frequenzen bis zu einigen 100 MHz verwendet man meistens eine Anordnung aus einer Spule mit Mittelanzapfung, die auf Massepotential liegt. Diese Anordnung wirkt als Spartransformator. Aus den Gesetzmäßigkeiten eines Transformators folgt, dass an der symmetrischen Seite eine viermal so große Impedanz angeschlossen werden muss wie an der unsymmetrischen Seite. Durch getrennte Primär- und Sekundärwicklungen kann man außer Potentialtrennung auch andere Transformationsverhältnisse erzielen.
Balun mit stromkompensierter Drossel |
Balun mit Resonanztransformator
(λ/4 Topfkreis) |
Bei geringen Ansprüchen an die Qualität genügt es mitunter, Mantelwellen von Hochfrequenzsignalen durch einige Windungen des Koaxialkabels oder durch aufgeschobene Ferrit-Ringkerne zu verhindern (Mantelwellensperre). Dann wirken Innen- und Außenleiter des Kabels wie Wicklungen eines Transformators mit Übertragungsverhältnis 1:1 (stromkompensierte Drossel). In diesem Fall gibt es keine Impedanztransformation.
Balun-Schaltungen mit Verzögerungsleitungen
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Bei sehr hohen Frequenzen sind die Verluste von Verzögerungsleitungen geringer als die von Induktivitäten, deshalb verwendet man hier Schaltungen mit Verzögerungsleitung, die meistens als Koaxialkabel ausgeführt ist. Diese Schaltungen funktionieren jedoch nur in einem kleinen Frequenzbereich, weil die Länge der Leitung exakt ein bestimmtes Vielfaches der Wellenlänge λ betragen muss.
Im einfachsten Fall lässt sich eine Mantelwellensperre durch einen λ/4-Topfkreis erzielen. Ebenso wie bei der Schaltung mit stromkompensierter Drossel wird die Impedanz dadurch nicht verändert.
Ein Balun mit λ/2-Umwegleitung funktioniert so: Die Phasenlage einer Wechselspannung am Anschluss A (im Bild rechts oben) wird entlang der (kupferfarbenen) Leitung um 180° verschoben, die Beträge von Strom und Spannung ändern sich dadurch nicht. Die Spannung zwischen linkem Ende B und rechtem Ende A dieser Umwegleitung ist wegen der Gegenphasigkeit doppelt so hoch wie zwischen einem Ende und der Abschirmung.
Am linken Anschluss B des Baluns wird dieses phasengedrehte Signal mit der dortigen Wechselspannung parallel geschaltet. Deshalb addieren sich die Ströme der beiden Antennenhälften. Berechnet man den scheinbaren Widerstand zwischen A und B, so ergibt sich der vierfache Wert des Koax-Anschlusses.
Balun-Schaltungen mit elektronischen Bausteinen
Digitalsignale werden in Computern immer unsymmetrisch erzeugt bzw. verarbeitet. Die Übertragung der Signale zu anderen Computern erfolgt aber fast immer symmetrisch per Ethernet oder USB, weil so besonders geringe Störungen auftreten. Die erhebliche Bandbreite der Signale von Null bis zu einigen 100 MHz verbietet den Einsatz von Transformatoren, deshalb wird die Umwandlung durch schnelle elektronische Schaltungen vorgenommen, wie in nebenstehendem Bild gezeigt wird. Empfängerseitig ähnelt die Schaltung einem Differenzverstärker. Obwohl die Schaltungen wie Baluns wirken, werden sie üblicherweise nicht so bezeichnet.
Anwendungen
Hochfrequenztechnik
In der Hochfrequenztechnik setzt man zur Energieübertragung meistens unsymmetrische Koaxialkabel (Wellenimpedanz 50, 60 oder 75 Ω) ein, weil diese weder Energie abstrahlen noch aufnehmen und deshalb keine Störungen verursachen. Antennen sind jedoch oft symmetrische Dipole, deren Eigenschaften durch unsymmetrischen Anschluss verschlechtert werden (Fehlanpassung). Ein Balun ist daher oft Bestandteil von Antennenanlagen bei Kurzwelle, UKW und UHF. Bei offenen λ/2-Dipolantennen ist die Impedanz nahe 75 Ω; beim Anschluss an Koaxialkabel mit 75 Ω Wellenimpedanz ist keine Impedanztransformation nötig und es können Baluns verwendet werden, die nach dem Prinzip der Mantelwellensperre arbeiten. Hingegen ist bei Faltdipolen, wie sie beispielsweise in Yagi-Antennen verwendet werden, die Impedanz ca. 300 Ω; für koaxiale Antennenkabel mit 75 Ω Wellenimpedanz ist eine 4:1-Impedanztransformation notwendig (Balun mit Spartrafo oder λ/2-Umwegleitung).
Baluns werden auch zwischen den symmetrischen Bandleitungen und asymmetrischen Koaxialkabeln verwendet. Hier ist meist zusätzlich eine Impedanztransformation nötig. Die Wellenimpedanz der Bandleitung mit beispielsweise 240 Ω ist etwa das Vierfache der Wellenimpedanz typischer Koaxialkabel mit 50…75 Ω, daher können auch hier Balun-Schaltungen mit 4:1-Impedanztransformation eingesetzt werden.
Audiotechnik
In der Audiotechnik werden oft symmetrische Leitungsverbindungen (etwa zwischen Gitarre, Mikrofon und Mischpult oder Verstärker) genutzt, um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken. Im Mischpult oder Verstärker wird jedoch oft ein asymmetrisches Signal benötigt. Zur Wandlung kann ein als Transformator ausgeführtes Balun mit getrennten Primär- und Sekundärwicklungen eingesetzt werden. Dieser wird meist als Übertrager bezeichnet. Diese Schaltungen werden jedoch heute oft durch elektronische Differenzverstärker ersetzt, da diese weniger Verzerrungen haben. Übertrager verursachen hingegen weniger Rauschen.
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 02.09. 2023