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Der Balun
11.10.2010: ich habe mich entschlossen, auch das Symmetrieglied dem Begriff "Balun" zuzuordnen. Denn auch ein Symmetrieglied leistet in der Übergangsstelle symmetrisch zu unsymmetrisch Positives. Weiterhin habe ich mich dazu durchgerungen, die deutschen Begriffe Symmetrieglied (für englisch voltage balun) und Sperrglied (für englisch current balun) in den Vordergrund zu heben. Da der Begriff "Balun" sich international durchgesetzt hat, will ich ihn als Oberbegriff weiterhin benutzen für ein Bauteil, welches an der Übergangsstelle symmetrisch zu unsymmetrisch Positives leistet.

Ein Balun (balanced to unbalanced) ermöglicht den Übergang ohne schädliche Folgen

• einer unsymmetrischen Speisung (z.B. Koaxialkabel) auf eine symmetrische Last (z.B. Dipol-Antenne)
• oder einer symmetrischen Speisung (z.B. Gegentaktendstufe) auf eine unsymmetrische Last (z.B. Koaxialkabel).

Der Energietransport erfolgt zwischen Quelle und Last in der Leitung (transversale elektromagnetische Wellen, TEM-Wellen, Poynting-Vektor). In der Folge sind auf beiden Leitern der Leitung betragsgleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Ströme festzustellen. Das nennt man "Gegentaktstrom". Eine Abstrahlung der Energie aus der Leitung findet nicht statt, so wie eine Einstrahlung in die Leitung keinen Gegentaktstrom hervorruft.

Beim Übergang symmetrisch-unsymmetrisch kommt es zu ungewollten Ausgleichsströmen. Ebenso können Einstrahlungen zu Strömen führen, die ungewollt durch die Leitung zum Verbraucher gelangen. Genau dies soll ein Balun verhindern. Im unteren Bild wird gezeigt, wie ein Übergang zwischen einem Sender mit unsymmetrischen Ausgang (Koaxialbuchse) zu einer mit Hühnerleiter gespeisten symmetrischen Antenne zu einem Ausgleichstrom führt. Diesen nennt man Gleichtaktstrom. Der Gleichtaktstrom erregt Hühnerleiter und Dipol (beide wirken als T-Antenne) gegen Erde. Anders herum kann diese Anordnung empfangen und die aufgenommene Energie an den Verbraucher (RX) weiterleiten. Durch die Nähe dieser T-Antenne zu elektrischen Einrichtungen wird der Empfang massiv gestört. Beim Senden können elektrische Einrichtungen in der Funktion gestört werden (Steuerung der Nachttischlampe im Morsetakt). Oft wird das ganze häusliche Installationsnetz Teil der strahlenden bzw. empfangenen Antenne, wenn man auf einen Balun verzichtet.


Was muß der Balun leisten?

• Gegentaktströme durchlassen (alle Balunarten)
• Gleichtaktströme sperren (Sperrglied, current balun)
• Gleichtaktströme ableiten (Symmetrieglied, voltage balun)

Ein Bauteil, das den Namen "Balun" trägt, muss also den Gleichtaktströmen an den Kragen gehen. Nehmen wir das Sperrglied. Befindet sich zwischen Eingang und Ausgang ein Potentialunterschied, so verhindert das Sperrglied den Ausgleichstrom (Gleichtaktstrom). Das Signal (Gegentaktstrom) jedoch überwindet diese galvanische Trennung. Sperrglieder mit galvanischer Trennung sind z.B. Transformatoren oder gekoppelte Schwingkreise mit besonders geringer Streukapazität zwischen den Wickeln.

Auf Ferritkerne gewickelte Leitungen wirken ebenfalls als Sperrglieder. Während der Gegentaktstrom diese Sperrglieder ohne Widerstand überwindet, wird der Gleichtaktstrom durch die Induktivität des Wickels gebremst.

Beim Symmetrieglied sind die Verhältnisse komplizierter.
Man stelle sich einen Transformator mit drei gleichen Wicklungen vor. Sorgt man für einen Stromfluß nur in der Wicklung mit den Anschlüssen 1 und 2 so findet ein Energietransport zu der Wicklung mit den Anschlüssen 4 und 5 statt. Schickt man einen betragsgleichen Strom auch noch durch die Wicklung mit den Anschlüssen 2 und 3, so fließt im Anschluß 2 die Summe beider Ströme. Ein Energietransport zur Wicklung mit den Anschlüssen 4 und 5 findet aber nicht statt. Der Gleichtaktstrom "sieht" zwischen den Anschlüssen 1, 3 und dem Anschluß 2 einen Kurzschluß.Der Transformator balanciert die Ströme gegenüber der Wicklung mit den Anschlüssen 4 und 5 aus. Voraussetzung ist die Betragsgleichheit der Ströme, was mit sehr symmetrisch aufgebauten Antennen erreicht wird. An unsymmetrischen Antennen funktioniert das Symmetrieglied nicht. Ein Symmetrieglied symmetriert nicht, es verlangt Symmetrie.

Im Bild rechts habe ich die dritte Wicklung mit den anderen Wicklungen verbunden. So entsteht ein Symmetrieglied 1:1. Auch hier wird der betragsgleich in die Anschlüsse 1 und 3 eingespeiste Gleichtaktstrom vollständig gegen Masse abgeleitet. Durch den Wickelsinn sind die durch den Strom hervorgerufenen Magnetfelder im Kern entgegengesetzt, die Induktivität geht gegen Null, was einem HF-Kurzschluß entspricht. Im Wickel mit den Anschlüssen 4 und 5 wird keine Spannung induziert, es gibt auch in den anderen Wicklungen keine Spannungen. Der Gleichtaktstrom erreicht nicht die Last, er wird gegen Erde abgeleitet. Das funktioniert aber nur, wenn das Symmetrieglied richtig angeschlossen ist und der Gleichtaktstrom betragsgleich eingespeist wird. Im Bild gezeigt ist eine symmetrische Quelle, verbunden über ein Symmetrieglied mit einer unsymmetrischen Last. Quelle und Last können getauscht werden, wichtig ist, dass die Erde an den Mittelanschluß der symmetrischen Seite kommt!
Und so baut man ein Symmetrieglied 50 Ω zu 50 Ω.

Wirksamkeit eines Balun
Die einzig entscheidenden Fragen sind diese:

• wirkt der Balun für Gegentaktströme wie eine Verbindung zwischen Eingang und Ausgang? (lässt sie ungehindert fließen)
• wirkt der Balun (Sperrglied) für Gleichtaktströme wie eine Unterbrechung zwischen Eingang und Ausgang? (unterbricht sie)
• wirkt der Balun (Symmetrieglied) für betragsgleiche Gleichtaktströme an seinem Eingang wie eine Unterbrechung zum Ausgang? (balanciert sie aus, leitet sie gegen Masse ab)

Mit der Beantwortung dieser Fragen stellt man die Wirksamkeit des Balun fest.

• man speist den Balun mit dem Signal eines Meßsenders bei korrektem Abschluß am Balunausgang und mißt die Eingangsreflektion (Stehwelle).
• Man verbindet beim Sperrglied beide Anschlüsse des Eingangs und beide Anschlüsse des Ausgangs und mißt was an der Ausgangsseite noch ankommt.
• Man speist beim Symmetrieglied zwei betragsgleiche Ströme gegen Masse ein und mißt, was an der Ausgangsseite noch ankommt.