아마추어무선을 하다 보면 이해하기 쉬운 것도 있고 이해하기 어려운 것도 있다.
이해하기 어렵기 때문에 잘못 알려진 것들이 꽤 많은데,
그 중 하나는 "바룬의 작동" 이다.
여기서는 1:1 전류 바룬의 작동을 시뮬레이션과 함께 설명한다.
일반적인 바룬의 측정 방법에 대해서는 아래 글을 참고한다.
https://ds1orj.tistory.com/170
바룬의 성능 측정 방법, 발룬, Balun, 밸런
국내에서 바룬의 성능 측정은 대부분 SWR 에 의존하고 있는 듯하다. 이 방법은 안테나측에 더미로드(1:1 의 경우 50옴, 1:4 의 경우 200옴 저항 등)를 배치하고 입력에 아나라이저를 물려서 측정한
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※ 또한 전류 발룬은 TLT 로 작동하므로 TLT 에 대한 개념은 아래를 참고한다.
https://ds1orj.tistory.com/217
발룬과 TLT (Transmission Line Transformer, 전송선 변압기)
이 글에서는 아마추어 무선 관점에서 TLT(전송선 변압기) 에 대해 알아본다. 우리가 발룬(Balun)을 만들 때 아무 전선이나 막 감아도 잘 작동하는 것 같지만 실제로는 그렇지 못하다. 낮은 주파수
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시뮬레이션 조건은 계산 편의성을 위해 10MHz 10V 100mA 를 가정한다.(0.5W 출력)
코일의 저항(손실)은 0.01옴, 결합계수는 1.0 으로 이상적인 바룬을 가정한다.
먼저 밸런스 부하에서 바룬의 소산 전력이다.
L1(녹색), L2(청색) 각각의 코일에서 저항 손실로 인해 100uW (0.0001W), 총 0.0002W 소산한다.
밸런스가 잡힌 안테나 설치 환경에서 전류 바룬의 손실은 거의 없다.
즉, 아무 일도 하지 않는다. (전류 바룬의 특징)
전압 바룬은 안테나 전력이 항상 코어를 통과하므로 안테나의 밸런스 여부에 상관없이 코어의 손실이 누적 될 수 있다.
전압 바룬의 작동이 궁금하다면 아래 글을 읽는다.
https://ds1orj.tistory.com/174
1:1 전압 바룬의 작동 이해, 전압 발룬, Balun
이 글에서는 국내에서 많이 사용하는 1:1 전압바룬의 작동을 시뮬레이션 해본다. 이 바룬의 와인딩은 가장 많이 사용하는 형식으로 선정했다.시뮬레이션 조건은 이전 전류 바룬과 동일하게
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그렇다면 밸런스가 틀어지는 상황은 어떨까?
아래 보이는 것은 최악의 언밸런스 상황이다. (HOT-동축 심선- 이 그라운드 된 경우)
아마도 "전기 혹은 전자"에 약간의 지식이 있는 사람은 아래와 같은 전류 경로가 생성된다고 믿을 것이다.
그러나, 실제로는 R4 로의 전류는 거의 흐르지 않으며 아래와 같이 흐른다.
이것이 전류바룬의 훌륭한 특징이다.
믿기 어렵겠지만, L1 의 전류와 R4 의 전류를 측정해보면 아래와 같다.
상기 회로에서 L1(청색) 의 전류 100mA, R4(녹색) 의 전류 약 3mA 이다. (거의 안 흐른다)
다소 이해하기 어려운 작동일 수도 있는데, 밸런스가 틀어지면 L1 과 L2 가 서로에 대해 역상으로 작동하면서 상쇄한다. 여기서 포인트는, 이 작동으로 인해 R4가 연결된 지점이 거의 0V 가 된다는 것이다.
R4 가 그라운드 되어 0V 가 되는 것이 아니고, L1 과 L2 의 전압이 이 지점에 역상으로 공급되어 0V 가 된다.
따라서, 해당 지점이 이미 0V 이므로 R4 를 통해 그라운드로 전류가 흐르지도 않는다.
(정확히 말해서 Neutral 로 된다. 시뮬레이션에서는 R4 가 연결된 지점 전압은 약 3mV 이다. )
또한, 아래와 같이 L1 과 L2 의 소모전력을 보면 반대인데, 이는 L1 에서 L2 로 전력이 전달되었음을 의미한다. (L2 소모전력이 음수(마이너스)가 됐다는 것은 전력이 생성됐음을 의미.)
따라서 전류 바룬의 올바른 작동을 위해서는 코어(및 권선수 포함)의 선정이 중요하다는 것을 알 수 있다.
제대로 만들어진 코어는 전달 효율 99% 에 도달하므로(아미돈에서 발간한 Transmission Line Transformers Handbook. Jerry Sevick(W2FMI) 내용을 참고한다.) 원래 손실이 있다, 안좋다 등은 낭설이다.
개인적 의견으로, 상기 시뮬레이션 결과를 볼 때 아래처럼 아무 데나 감으면 성능은 좋지 않을 것이다. (전류 바룬 특성상 아래와 같은 형식도 단순 50옴 부하의 SWR 을 측정하면 정상으로 나온다. 성능 평가는 바룬의 측정에 대해 올린 이전 글을 참고한다.)
상기 방식을 제시하는 사이트 (아래 참고)
http://vk5ajl.com/projects/baluns.php#current
VK5AJL - Why buy baluns - make your own.
Here are three interpretations of a 1:1 voltage balun. A 1:1 balun transformer can be made by simply winding the same number of turns on each side of a transformer and connecting as shown or, as in the third example, making the impedances of the input and
vk5ajl.com
아래는 또 다른 최악의 경우로써 COLD (동축 외피) 측이 접지된 상황을 가정한다.
역시 모든 전류가 L1(적색) 에서 L2(녹색)을 향해 흐르고 R4(청색) 로는 거의 흐르지 않는 것을 알 수 있다.
한 가지 재밌는 것은 상기 상황에서는 HOT 측이 그라운드 된 것과는 다르게 코어가 거의 일을 하지 않는다는 점이다. (L2 에서 L1 으로 전력을 거의 전달 안 함)
여기까지 정리..
1. 양호한 설치 조건의 안테나에서 1:1 전류 바룬은 아무 일도 하지 않는다. (손실은 사실상 최소이다.)
2. 코어 재질 및 권선수(인덕턴스)는 요구되는 주파수 범위에서의 바룬 성능을 좌우할 것이다.
(특히 코어 부하가 가중되는 HOT 측의 언밸런스 상황)
3. 전류 바룬의 작동은 생각처럼 단순하지 않다.
※ 실제 환경에서 다이폴 등의 안테나에 극단적인 그라운드(0옴에 가까운 접지)가 발생하지는 않을 것이므로 일반적인 전류 바룬이라면 실사용에 큰 문제는 없을 것이다.
※ 대부분의 초크 바룬은 전류바룬과 거의 같은 원리로 작동한다.