Die wichtigsten Funktionen und Aufgaben eines Baluns in der Funktechnik

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Die wichtigsten Funktionen und Aufgaben eines Baluns in der Funktechnik

Unter Funktechnik versteht man die Methode, Signale in Form elektromagnetischer Radiowellen mithilfe von technischen Geräten drahtlos zu empfangen und zu senden. Durch Modulationen werden die Wellen, das sogenannte Trägersignal, in ihrer Frequenz und Amplitude verändert und von einer Sendeantenne ausgestrahlt. Anschließend werden diese mit „Informationen gefüllten" Wellen von der Empfängerantenne aufgenommen und mittels Empfänger demoduliert, das heißt in ihre ursprüngliche Form zurückgewandelt. Auf diese Weise ist es möglich, Sprache drahtlos über den ganzen Globus zu versenden und empfangen.

Als Pionier der Funkamateure gilt Guglielmo Marconi, dem 1896 eine erste Funkübertragung über eine Distanz von etwa fünf Kilometern gelang. Übertragen wurden jedoch sehr oberwellige Stromimpulse, die heute als unerwünschte Wellen eher ausgeblendet werden, da sie sehr störanfällig sind. Es handelte sich damals um einfachste Morsetechnik. Erst durch die Erfindung der Oszillatorschaltung konnten Radiowellen so moduliert werden, dass eine konstante und nicht anfällige Übertragung von Ton, später auch Bildern und Daten, möglich wurde.

Vorteile der Funktechnik gegenüber anderen Methoden der Datenübertragung sind die Vielzahl an Frequenzen, die störungsfreie Übertagungen erlauben. Auch die Tatsache, dass eben keine Kabel verlegt werden müssen, spricht für das Funken.

Wortherkunft und Grundlegendes - was ist eigentlich ein Balun?

Der Begriff Balun ist eine Abkürzung der aus dem Englischen stammenden Wörter balanced und unbalanced. Mithilfe dieser Komponente aus der Elektrotechnik ist es möglich, symmetrische (balanced) in asymmetrische (unbalanced) Signale umzuwandeln oder auch umgekehrt. Da ein Balun in beide Richtungen funktioniert, spricht man in der Funktechnik grundsätzlich nur von Symmetrierglied, ein Asymmetrieglied existiert nicht. Eingedeutscht kann man ein Balun zwei unterschiedlichen Funktionsbestimmungen zuordnen: einerseits das bereits erwähnte Symmetrierglied (auf Englisch voltage balun), und auf der anderen Seite das Sperrglied (current balun). Beide verhindern dann Schäden und deutliche Störungen an Leitungen und elektrischen Gerätschaften, wenn symmetrische und unsymmetrische Komponenten aufeinandertreffen.

Eine symmetrische Signalübertragung wird besonders über längere Distanzen angestrebt, um diese möglichst störungsfrei zu gestalten. Die Leitungs-, Last und Quellimpedanz sind bei symmetrischen Übertragungen gleich. Unter Impedanz, auch Wechselstromwiderstand genannt, versteht man das Verhältnis von elektrischer Spannung einer Leitung oder eines Bauelements und dem benötigten Strom. Dieser Terminus wird vor allem angewendet, sind Frequenzen im Spiel, zum Beispiel in der Hochfrequenztechnik.

Dipolare Antennen sind typische symmetrische Elemente einer elektrischen Funkübertragung. Asymmetrische Komponente könnte ein Koaxialkabel, das sind Kabel bestehend aus einem Innen- und Außenleiter (meist aus Kupfer) und einer darum befindlichen Isolierung, sein. Diese werden häufig als Antennenkabel eingesetzt.

Der Balun als Übergang für aufeinandertreffende Signale

Es fließt in asymmetrischen und symmetrischen Komponenten zwar Strom mit gleicher Leistung, dieser jedoch in gegensätzlicher Richtung. Diese Erscheinung nennt man im Fachjargon "Gegentaktstrom", der erwünschte Strom mit dem Trägersignal. Ein Balun vermag es, diese Differenz auszugleichen und sozusagen eine Weiche oder Schleuse für den Strom herzustellen. Im Fachterminus spricht man von einer Transformation der Impedanz. Mit anderen Worten: Der unterschiedliche Wechselstromwiderstand, der in einem Koaxialkabel und in einer Dipol-Antenne herrscht, wird durch ein Balun ausgeglichen.

Treffen die in unterschiedliche Richtungen fließenden Signale aufeinander, entstehen ungewollte Ausgleichsströme, auch Gleichtakttrom oder Mantelwellen genannt. Diese Ströme würden die Signalübertragung und sogar das gesamte häusliche Stromnetz massiv stören. Genau dies vermag ein Balun zu verhindern. Schalten Sie also kein Balun zwischen Antenne und Leitung, sind undeutliche Sprachwiedergabe und flackerndes Licht am Küchentisch schon vorprogrammiert.

Zwei Funktionsprinzipien von Balune: Spannungs- und Strombalun

Das zu übertragende und gewünschte Signal wird Gegenstromtakt genannt. Jede Balun-Art hat die Aufgabe, Gegentaktströme ungehindert durchzulassen. Egal um welches Balun es ich handelt, der Aufgabenbereich liegt in der Beeinflussung von Gleichtaktströmen, gleichzusetzen mit den beschriebenen Ausgleichsströmen, die in den meisten Fällen ungewollt entstehen.

Grundsätzlich lassen sich zwei unterschiedliche Funktionsprinzipien unterscheiden: Spannungsbalun und Strombalun. Spannungsbalune funktionieren ähnlich wie Transformatoren im Niederfrequenzbereich. Es wird über eine sogenannte Primärwicklung ein Magnetfeld erzeugt, das das Signal unterbricht. Aus der Ausgangswicklung entsteht dann wieder ein elektrisches Signal, diesmal nur mit einer anderen Spannung und einem anderen Widerstand. Die Spannung wird hier also transformiert und mit der Erdung abgeglichen, vergleichbar mit dem Wasserpegel in einer Schleuse. Auf diese Weise wird der störungsfreie Übergang von symmetrischen zu asymmetrischen Bauteilen gewährleistet. Der Magnetkreis muss hier die gesamte Leistung übertragen, viel Leistung geht jedoch dabei verloren. Auch kann ein Spannungsbalun von äußeren Einflüssen, wie anderen elektrischen Leitungen oder sogar Hecken und Bäumen in der Umgebung beeinflusst werden und störende Gleichtaktströme erzeugen.

In der Praxis ist daher ein Strombalun meist die bessere Wahl. Beim Strombalun wird das Prinzip der Mantelwellendrossel angewendet. Gleichtaktstrom (= Mantelwellen) wird am Fließen gehindert, während Gegentaktstrom ungehindert durchgelassen wird. Die Energie zwischen Empfänger und Antenne kann ungehindert fließen, ohne dabei störende Ausgleichsströme zu erzeugen. Liegt ein Spannungsunterschied vor, wird die überschüssige Spannung in die Erdung - oder auch Masse - abgeleitet und somit eine Stromsymmetrie hergestellt.

Ein genauerer Blick auf den häufig verwendeten Strombalun

Vereinfacht gesagt ist die Grundaufgabe des Strombaluns also, an seinen Ausgangsklemmen gleiche Ströme zu erzeugen. Die ausgehende Spannung kann irgendeinen Wert annehmen, der benötigt wird, um die Stromsymmetrie und somit den ungestörten Stromfluss herzustellen.

Wird ein Strombalun nun zwischen eine symmetrische Antenne und einem asymmetrischen Koaxialkabel geschaltet, so wird der Strom automatisch in Symmetrie gebracht. Nur die Differenzspannung zwischen Ein- und Ausgang des Baluns wird weitergegeben. Erfolgt die Anordnung in umgekehrter Reihenfolge, von Kabel zur Antenne, werden die störenden Mantelwellen, die im Koaxialkabel herrschen, durch einen sogenannten Sperrwiderstand abgeblockt. Daher werden gelegentlich Strombalune auch als "Mantelwellensperren" bezeichnet.

Mantelwellen können auch durch Einflüsse von außen, wie durch Bäume, Autos, Stromleitungen oder Zäune entstehen. Die symmetrische Antenne wird durch die umliegenden asymmetrischen Faktoren gestört. Liegt im Stromkreis derselbe Widerstand vor, können Sie ein Balun im Verhältnis 1:1 verbauen. Hier ist aufgrund dieser äußeren Störungen auf jeden Fall die Wahl eines Strombaluns anzuraten, da dieser automatisch die unsymmetrischen Belastungen ausgleicht und Mantelwellen abschirmt.

Liegen unterschiedliche Impendanzverhältnisse, wie die gängigen Verhältnisse 1:2, 1:4, 1:9 oder gar 1:12, vor, kommen Sie um ein Spannungsbalun nicht herum, da nur dieses vermag, eine Brücke zwischen den unterschiedlichen Widerständen und Spannungen zu schlagen. Störende Einflüsse werden hierbei jedoch nicht kompensiert.

Was ist der Unterschied zwischen einem Symmetrier- und einem Sperrglied?

Baluns gibt es in zwei Varianten: als Sperr- oder Symmetrierglieder. Wie der Name schon verrät, riegeln Sperrglieder den Fluss von Mantelwellen (Gleichtaktstrom) ab. Ein Sperrglied hat folglich eine Drossel- oder Sperrwirkung auf störende asymmetrische Einflüsse. Ähnlich funktionieren auch Symmetrieglieder, die die ungewünschten Gleichtaktströme nicht am Fließen hindern, sondern diese gegen eine Masse ableiten. Das funktioniert mittels einer aufgewickelten Leitung, der TEM-Welle. Lediglich der zur Signalübertragung gewollte Gegentaktstrom gelangt von der Antenne zum Empfänger oder vom Sender zur Antenne.

Beim Einbau eines Symmetrierglieds ist Einiges zu beachten, um einen störungsfreien Stromkreislauf zu garantieren. Die Drähte müssen die gleiche Wicklungszahl haben und um denselben Kern, beziehungsweise dieselben Kerne, geführt werden. Das Drahtende des einen muss mit dem Drahtanfang des anderen verbunden sein. Dieser Verbindungspunkt muss immer an die Masse der unsymmetrischen Seite führen. Gerade dieser Punkt wird in der Praxis häufig übersehen. Die beiden übrigen Enden der Wickelung gehen an die symmetrische Seite des Aufbaus. An eines dieser Drahtenden wird nun das Koaxialkabel der unsymmetrischen Seite angeschlossen. Sollte diese Anordnung der Antennenanlage nicht exakt ausgeführt sein, kann entweder der gewünschte Gegentaktstrom nicht ohne Störung zur Last gelangen oder Mantelwellen gelangen in den Stromkreis und werden nicht vollständig zur Masse abgeleitet. Das bedeutet auch unsymmetrischer Strom fließt in Richtung Last, was wiederum enorme Qualitätseinbußen der Signalübertragung bedeutet.

Einige gängige im Handel erhältliche Baluns und ihre Hersteller

Ein bekannter Hersteller für Baluns ist beispielsweise die Firma Fritzel. Aus diesem Haus stammt ein hochwertiges Balun mit nachgeschalteter Mantelwellensperre, die zusätzlich ungewünschten Gleichtaktstrom abschirmt. Ein besonderer Vorteil, müssen Sie auf ein Spannungsbalun zurückgreifen, das, wie beschrieben, unter Umständen empfindlich auf Störungen durch Mantelwellen reagiert. Das Spannungsbalun FR1020 ist geeignet für Antennen mit einem Widerstand zwischen 25 und 100 Ohm, vorausgesetzt es liegen keine störenden Mantelwellen erzeugenden Objekte im Nahfeld vor. Bei Funkamateuren ist eine solche Anordnung jedoch nur in seltenen Fällen anzutreffen.

Ein Balun der Firma Fritzel

Der Normalfall ist eher eine störungsbelastete Umgebung. Hier ist das Strombalun FR1015 AMAC 1:1 der Firma Fritzel nahezulegen. Dieses Balun passt sich den äußeren Einflüssen automatisch an und verhindert so ungewünschte Mantelwellen. Besonders im Kurzwellenbereich überzeugt dieses Balun mit seinen elektrischen Eigenschaften.

Ein Balun der Firma Amidon

Auch das Unternehmen Amidon ist bekannt für die Herstellung von Balunen, die speziell auf die unterschiedlichsten Ansprüche abgestimmt sind. So eignet sich das Nickel-Zink-Ferrit Balun Nr.43 besonders für Breitbandüberträger im Bereich von 1 bis 50 MHz. Für Kurzwellenantennen sind die Typen FT 140-43 und 240-43 besonders zu empfehlen. Magnetic-Balune, auch Ununs genannt, sind von Amidon in verschiedenen Spannungsverhältnissen erhältlich. Sie stellen die gängigste Art von Symmetriegliedern dar und können Mantelwellen über eine weite Bandbreite ableiten. Die Durchgangsverluste sind vernachlässigbar gering. Bastler mit dem nötigen Know-How vermögen es, die Wicklung zu so verändern, dass aus einem herkömmlichen Balun mit dem Verhältnis 1:4, eines mit anderem Spannungs- und Widerstandsverhältnis wird.

Sie sehen, alleine die Wahl des passenden Baluns ist eine kleine Wissenschaft für sich. Das Hobby des Amateurfunkens und die Optimierung der eigenen Anlage ist eine technische Herausforderung, die das Basteln und Tüfteln aber gerade darum so spannend und interessant gestaltet. Versuchen auch Sie mit dem geeigneten Balun Ihre Funkanlage zu verbessern und eine möglichst störungsfreie Übertragung zustande zu bringen.

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