balun con stub a quarto d'onda di Mario I3HEV

[it9aet]

Salve a tutti,
sono Giuseppe IT9AET, appena iscritto alla news grazie al prezioso
suggerimento di Mario I3HEV, e vorrei chiarire alcuni aspetti del balun
costruito con uno spezzone di cavo coassiale, riferendomi espressamente
all'articolo di Mario I3HEV che saluto cordialmente.
Caro Mario, desidererei capire, se possibile, perchè tale balun interposto
tra la calza del cavo coax di alimentazione di un dipolo lambda/2 ed un
semidipolo, fa si che in modulo, la corrente diventi uguale a quella
dell'altro semidipolo, così come hai scritto tu. Per la fase, ovviamente, lo
stub lambda/2 inserito, sfasando di pi-greco/2 la corrente sul semidipolo,
riporta in controfase la stessa rispetto alla corrente sul cavo della linea
di alimentazione collegato al semidipolo in questione e, quindi, se ho
capito bene, elimina i problemi di diverso accoppiamento tra le correnti che
scorrono sulla linea di alimentazione e i semi dipoli. Giusto? Ma, mi
chiedo, in un coax, la corrente che sta uscendo dalla calza per andare sul
semi dipolo a cui è essa è collegata, non trova ugualmente la via della
parte più esterna della calza per ritornare ( e quindi reirradiare) verso
massa, causando una variazione in modulo sulla corrente che arriva sul
semidipolo in esame? Ho una certa confusione che spero mi vorrai chiarire.

In attesa di un gradito chiarimento in merito, anche utilizzando riferimenti
matematici che possano confortare le spiegazioni qualitative, vi saluto e
rimango in "fervente ascolto".
Grazie.

Giuseppe IT9AET

[i3hev, mario]

Post by it9aet
Salve a tutti,

Ciao Giuseppe, ciao a tutti!

Prima di tutto, una doverosa precisazione: non si tratta di uno stub a
quarto d'onda, ma di un trasformatore a mezz'onda! Anche se le due cose
sembrano assomigliarsi, in realtà esiste una profonda differenza nel
comportamento elettrico: mentre uno stub a lambda quarti, chiuso in
cortocircuito, presenta all'ingresso un'impedenza virtualmente infinita
(e praticamente comunque molto alta), per cui inserito in quel modo non
farebbe altro che isolare un ramo del dipolo, un trasformatore a lambda
mezzi non fa altro che riproporre all'uscita la stessa impedenza che
vede al proprio ingresso, sfasando l'onda (corrente e tensione) di un
mezzo periodo.

Post by it9aet
...desidererei capire... perchè... la corrente diventi uguale a quella
dell'altro semidipolo...

be', le correnti nei due rami sono uguali perché, anche dopo lo
sfasamento, le impedenze dei due rami restano sempre identiche e, dato
che i due rami sono in parallelo, non c'è motivo perché siano diverse.

Post by it9aet
Ma... la corrente che sta uscendo dalla calza per andare sul
semi dipolo a cui è essa è collegata, non trova ugualmente la via della
parte più esterna della calza per ritornare...?...

questo potrebbe succedere, se ci fosse ancora uno sbilanciamento: la
corrente esterna di calza nasce sempre dalla necessità fisica di
compensare uno sbilanciamento tra le correnti nei due rami del carico;
in questo caso, però, lo sbilanciamento non c'è, e la corrente di calza
non ha motivo di nascere.

Ciao!

[it9aet]

Ciao Mario,
grazie per aver risposto anche al mio quesito.

Chiedo venia per essermi espresso in modo del tutto improprio. Condivido
perfettamente la distinzione tra stub lambda/4 e trasformatore a mezz'onda.
Il fatto è che in testa ho un altra discussione proprio su di uno stub a
lambda/4 che funziona da balun che, successivamente, vorrei porre alla tua e
all'attenzione di tutti e, quindi...mi è scappata la mano....

Ma veniamo a noi.
Il fatto che tu non abbia risposto al resto della mia e-mail lo lo
interpreto poisitivamente, nel senso che le risposte che mi sono dato e che
sono nell'email risultano esatte. In caso contrario, per favore, dimmelo.

<<...be', le correnti nei due rami sono uguali perché, anche dopo lo
sfasamento, le impedenze dei due rami restano sempre identiche e, dato
che i due rami sono in parallelo, non c'è motivo perché siano diverse.>>

Quanto tu affermi sopra risulta vero (forse) grazie all'inversione della
corrente nel semidipolo in questione che rende simmetrici ai fini degli
effetti induttivi con la calza del coax i due semi dipoli. In questo modo
nasce una simmetria del campo magnetico nei confronti della calza e, grazie
all'inversione anche della tensione rispetto a massa, le impedenze dei due
dipoli risultano uguali in modulo e fase. Giusto? Ma le impedenze dei due
semidipoli....risultano tra loro in parallelo...? Questo non mi è chiaro...

<<...la corrente esterna di calza nasce sempre dalla necessità fisica di
compensare uno sbilanciamento tra le correnti nei due rami del carico;
in questo caso, però, lo sbilanciamento non c'è, e la corrente di calza
non ha motivo di nascere.>>

Vedi quanto da me detto sopra...


Come vedi, vorrei capire bene il concetto ed è per questo che tengo ad
essere pignolo nelle spiegazioni.

In attesa di una risposta ti ringrazioe ti saluto insieme a tutti i colleghi
lettori.

Giuseppe IT9AET

"Il Radioamatore non è uno che ascolta la radio...e neanche uno che gli
basti che funzioni..."

[i3hev, mario]

Post by it9aet
Ciao Mario,

Ciao Giuseppe,

Post by it9aet
grazie per aver risposto...

piacere mio :)

Post by it9aet
Chiedo venia per essermi espresso...

ma figurati! :)
La svista era evidente, mi sono permesso di puntualizzare solo per
evitare la possibilità di confusione per qualcuno che magari non avesse
presente di cose si stesse parlando :)

Post by it9aet
Il fatto che tu non abbia risposto al resto della mia e-mail lo lo
interpreto poisitivamente...

esatto: chi tace acconsente! :)

Post by it9aet
<<...be', le correnti nei due rami sono uguali perché, anche dopo lo
sfasamento, le impedenze dei due rami restano sempre identiche e, dato
che i due rami sono in parallelo, non c'è motivo perché siano diverse.>>
Quanto tu affermi sopra risulta vero (forse) grazie all'inversione della
corrente nel semidipolo in questione che rende simmetrici ai fini degli
effetti induttivi con la calza del coax i due semi dipoli.

esatto.

Post by it9aet
In questo modo
nasce una simmetria del campo magnetico nei confronti della calza e, grazie
all'inversione anche della tensione rispetto a massa, le impedenze dei due
dipoli risultano uguali in modulo e fase. Giusto?

giusto!

Post by it9aet
Quanto tu affermi sopra risulta vero (forse) grazie all'inversione
della corrente nel semidipolo in questione che rende simmetrici ai
fini degli effetti induttivi con la calza del coax i due semi dipoli.
In questo modo nasce una simmetria del campo magnetico nei confronti
della calza...

confesso che non ho capito tanto bene cosa intendi dire... :-o

Post by it9aet
Ma le impedenze dei due
semidipoli....risultano tra loro in parallelo...? ..........

dipende da come esattamente effettui la connessione nel circuito, e ci
sono vari modi possibili; ad esempio, se fai in questo modo le impedenze
dei due semidipoli sono effettivamente in parallelo tra loro:

[FIDOCAD]
LI 125 15 125 40
LI 125 40 120 40
LI 120 50 125 50
LI 125 50 125 75
SA 120 40
SA 120 50
LI 120 50 115 50
LI 120 40 115 40
LI 115 40 115 35
LI 115 35 75 35
MC 35 35 0 0 480
MC 55 45 0 0 040
MC 35 55 0 0 040
SA 75 35
SA 55 40
LI 55 40 55 45
LI 75 35 40 35
EV 70 30 62 40
LI 66 40 45 40
LI 66 30 50 30
SA 55 40
LI 55 40 55 45
LI 35 35 70 35
EV 40 30 48 40
LI 44 40 65 40
LI 44 30 60 30
TY 45 25 5 3 0 0 0 * linea
LI 115 50 115 55
LI 75 55 75 35
MC 95 65 0 0 040
SA 95 60
LI 95 60 95 65
LI 84 60 105 60
LI 84 50 100 50
SA 95 60
LI 95 60 95 65
LI 115 55 80 55
EV 110 50 102 60
LI 106 60 85 60
LI 106 50 90 50
TY 83 45 5 3 0 0 2 * lambda/2
EV 80 50 88 60
LI 75 55 110 55

Ma quando pensi al problema del bilanciamento, conviene lasciare
temporaneamente da parte le impedenze e concentrarsi invece sul verso
delle correnti (o, se preferisci, dei campi elettrico e magnetico, ma
ragionare in termini di campi è sempre un po' più difficile).

Riassumiamo un po' la faccenda partendo da un discorso di base: pensa ad
un dipolo chiuso al centro, quindi non interrotto per collegare
l'alimentazione; se guardi al centro del dipolo, la corrente che trovi è
sostanzialmente identica a quella che c'è un pelino più a destra ed un
pelino più a sinistra; e, per continuità, è logico che sia così.

Ora, se tagliamo il dipolo e lo richiudiamo attraverso il generatore,
che impone la sua forza elettromotrice, la corrente deve restare la
stessa. Ora però non guardiamo più il filo, ma i reofori che abbiamo
ottenuto con il taglio, e da questi vediamo che al corrente da una parte
esce e dall'altra rientra - ovviamente uguale!

Da questa considerazione basilare discende il bilanciamento del dipolo,
che si comporta come tale solo sele correnti nei suoi due rami sono
uguali. E del resto, le correnti difficilmente potrebbero essere
diverse, perché i due rami interagiscono pesantemente tra di loro,
essendo immersi l'uno nel campo elettromagnetico dell'altro.

Questo significa che, se anche ci fosse una differente alimentazione, i
due rami si indurrebbero reciprocamente tensioni e correnti tali da
tendere verso il bilanciamento.

Ora, poniamo attenzione alla linea coassiale, che per definizione è
sbilanciata, perché il suo conduttore esterno, quello che fa da schermo,
è posto elettricamente a terra (o, quanto meno, dovrebbe esserlo!). Nel
momento in cui colleghiamo il coassiale al dipolo, uno dei due rami è
collegato a terra, e di conseguenza è alimentato da una tensione nulla.

D'altra parte, le correnti nel coassiale sono uguali e contrarie, come
in qualsiasi linea che si rispetti, per cui i conti non possono tornare:
ci troviamo con un ramo del dipolo che, alimentato a tensione nulla,
deve far scorrere una corrente uguale a quella dell'altro ramo, che
invece è alimentato per benino! E' chiaro che questo non è possibile...

Nel ramo a terra, una certa corrente scorre, non c'è dubbio, dato che vi
è indotta dal campo magnetico generato dal ramo alimentato (in pratica,
è come se ci fosse un generatore * dentro * al ramo), ma questa corrente
di certo non sarà uguale a quella che scorre nel ramo alimentato, perché
l'induzione non può essere completa (parte del campo prodotto se ne va
per i fatti suoi....).

E la differenza, allora, come si aggiusta? Escludendo le fatine, che
sono in vacanza :), l'unica che ci può mettere una pezza è la terra: una
certa quantità di carica si sposta tra la terra, che fa da serbatoio, ed
il ramo non alimentato, formando una corrente di intensità esattamente
pari alla differenza tra la corrente di alimentazione del dipolo (quella
che esce dalla linea) e la corrente effettivamente presente nel ramo
messo a terra.

E dove può passare questa corrente? Nell'interno del coassiale no di
certo, perché la corrente nel centrale e nella calza deve essere
identica, non si scappa; d'altra parte, visto che altri conduttori non
ce ne sono, si deve arrangiare come può! E quindi passa nella superficie
esterna della calza, che è, dal punto di vista elettromagnetico, del
tutto separata dalla parte interna a causa dell'effetto di schermatura
che è proprio del coassiale.

Per evitare di avere questa corrente, si possono usare dei trucchi,
quali quello di avvolgere il cavo in spire, oppure di infilarci sopra
dei toroidi ad alta permeabilità magnetica: in questo modo, si instaura
un'induttanza che fa da "blocco" per questa corrente, ottenendo, almeno
all'apparenza, l'effetto desiderato. In realtà è un sistema del cavolo,
perché è vero che le correnti di calza sono soppresse, ma in cambio
dobbiamo tollerare una cospicua distorsione dei lobi del dipolo, con
tutte le relative conseguenze.

Il metodo migliore, invece, è quello di trasformare l'uscita sbilanciata
in una bilanciata, e quindi con tensioni e correnti ai reofori
esattamente uguali e contrarie, garantendo così non solo il corretto
comportamento della linea, ma anche quello dell'antenna ;)

Ed eccoci finalmente al punto: il problema può essere risolto da un
qualsiasi artificio che produca due tensioni, e quindi anche due
correnti, uguali e contrarie, per poter alimentare i due rami.

Ok? Come va così? :)

Post by it9aet
Come vedi, vorrei capire bene il concetto...

e fai bene :)

Post by it9aet
"Il Radioamatore non è uno che ascolta la radio...e neanche uno che gli
basti che funzioni..."

rotfl! Eh già, hai decisamente ragione :)

Ciao!

[it9aet]

Ciao Mario, grazie per la gentile risposta ai miei quesiti.
Ho riflettuto su quanto da te scritto e sono arrivato a delle conclusioni
che, spero, vorrai commentare.
Vorrei ricapitolare, però, un pò il fattaccio.....

Dato un dipolo alimentato al centro tramite un coax. Abbiamo un semidipolo
alimentato dal centrale e l'altro alimentato dalla calza, quest'ultima,
connessa a massa dalla parte del generatore. Il semidipolo connesso al
centrale è sede di una corrente, chiamiamola I1, che, induttivamente, si
accoppia debolmente con l'altro semidip.dando luogo ad una corente,
chiamiamola I2, che, sull'amtenna, ha lo stesso verso della I1. Infatti, la
distribuzione della corrente risulta sul dipolo una sorta di semi sinusoide
(un pò sbilenca...), con il max al cenetro e zero agli estremi.
La corrente I che percorre il coax, nel centrale scende (supponiamo) e nella
calza (nella parte interna di essa per effetto pelle) sale. Arrivando sul
reoforo del semidipolo indotto (chiamiamolo coosì) avremo una situazione
simile a quella che si avrebbe in un nodo con tre rami: c'è questa corrente
I che arriva dalla calza, la corrente I2 indotta sul semi dipolo da I1 e,
una terza, necessariamente, che scorre nella parte esterna della calza
(sempre per effetto pelle) pari alla differenza I - I2 = I3 che si
richiude verso massa.
Ora, la situazione dei potenziali sugli estremi della calza doverebbe essere
la seguente: lato generatore nulla, sul reoforo poco maggiore e comunque
diversa da zero (se fosse anch'essa nulla non ci potrebbe essere corrente
sulla parte esterna della calza) a causa della caduta sulla resistenza di
radiazione. Conclusione: esiste una d.d.p. agli estremi della calza con il
pot. maggiore proprio sul reoforo che permette alla I3 di scendere verso
massa.

Abbiamo, così, descritto la situazione elettrica del dipolo sbilanciato.

Come si elimina questa I3 facendo in modo che I = I2 = I1 e I3 = 0?

E qui che nasce la confusione.

<<... Il metodo migliore, invece, è quello di trasformare l'uscita
sbilanciata in una bilanciata, e quindi con tensioni e correnti ai reofori
esattamente uguali e contrarie, garantendo così non solo il corretto
comportamento della linea, ma anche quello dell'antenna...Ed eccoci
finalmente al punto: il problema può essere risolto da un qualsiasi
artificio che produca due tensioni, e quindi anche due correnti, uguali e
contrarie, per poter alimentare i due rami.>>

Questo è quello che ci si auspiga e che vorremmo...ma non capisco il perchè
questo relamente avvenga. Per quale motivo comprovato due tensioni e,
quindi, due correnti uguali e contrarie (uguali e contrarie dove...?)
dovrebbero rendere il dipolo simmetrico, cioè con I1 = I2? A volte mi si
chiude la mente, abbi pazienza...tanto si fa per discutere sul nostro hobby
preferito, dandoci una mano l'un l'altro...
La spiegazione che mi sono data io è la seguente.

La corrente I2 indotta sul demidipolo connesso alla calza dalla corrente I1
che scorre sul semidipolo connesso al centrale è la causa dello
sbilanciamento e causa della terza corrente I3 verso massa. Se, tramite un
trasformatore (cavo coassiale per non irradiare e lungo lambda/2) sfasiamo
questa corrente I2 di pi-greco/2 si invertirà la sua direzione insieme alla
tensione che ora diventa positiva. Questa I2 invertita creerà a sua volta
una induzione (praticamente una mutua induzione uguale e contraria, o
quasi...) sul primo semidipolo che annullerà l'effetto induttivo che ha
causato la stessa I2. Quindi, I2 praticamente si annullerà o quasi dando,
così, spazio finalmente alla I che proviene dalla calza senza costringerla a
richiudersi sottoforma di I3 verso massa.
In questo modo avremo, finalmente I1 = I2, I3 = 0, il dipolo diventa
bilanciato e tutti...vivremo.felici e contenti.

Sono stato troppo fantasioso? Mi sono fatto tornare le cose? Probabile,
molto probabile...è per questo che scrivo su questo interessantissimo
forum....
Tu che ne dici?

In attesa di graditi commenti porgo cordiali '73 a te e a tutti i pazienti e
coraggiosi lettori.

Ciao!!

P.S. la connessione vista con "fidocad" mette si in parallelo i due bracci
del diplo (e di questa configurazione ne riparleremo presto) ma, nella
soluzione da te fornita con il trasf. di impedenza a coax messo in serie ad
un braccio, così non mi pare che sia. O no?

"Il Radioamatore non è uno che ascolta la radio...e neanche uno che gli
basti che funzioni..."

[i3hev, mario]

Ciao Giuseppe,

...è sede di una corrente... che... si accoppia debolmente ...

e chi lo dice, che sia accoppiato "debolmente"? :)

In effetti, si tratta di un accoppiamento piuttosto forte. Inoltre, non
pensare che l'accoppiamento sia induttivo: in effetti, non è così, si
tratta di un accoppiamento elettromagnetico, nel quale sono coinvolti
sia il campo elettrico che quello campo magnetico, perciò, se proprio
vogliamo parlare in termini di costanti concentrate (che è comunque poco
corretto, trattandosi di un sistema che per definizione è a costanti
distribuite!) dovremmo parlare di accoppiamento induttivo-capacitivo. In
altre parole, devi pensare che vengono sì indotte correnti, ma anche
tensioni!

... la distribuzione della corrente risulta sul dipolo una sorta
di semi sinusoide...

suppergiù... in realtà, somiglia un po' ad una sinusoide, ma non lo è.

...e, una terza... che scorre nella parte esterna della calza...
pari alla differenza...

esatto.

Ora, la situazione dei potenziali sugli estremi della calza doverebbe
essere la seguente: lato generatore nulla, sul reoforo poco maggiore e
comunque diversa da zero (se fosse anch'essa nulla non ci potrebbe
essere corrente sulla parte esterna della calza...

... ma se la calza fosse fatta di un conduttore ideale, avresti tensione
nulla e la corrente I3 ci sarebbe ugualmente...

Come si elimina questa I3 facendo in modo che I = I2 = I1 e I3 = 0?

è sufficiente che sia I1 = I2! Se queste due sono uguali, la I3, che ne
è la differenza, è nulla per forza.

...ma non capisco il perchè questo relamente avvenga. Per quale motivo
comprovato due tensioni e, quindi, due correnti uguali e contrarie
(uguali e contrarie dove...?) dovrebbero rendere il dipolo simmetrico,
cioè con I1 = I2? ...

prima di tutto: il dipolo non lo rendiamo simmetrico noi, o le correnti,
lo è comunque di suo, a causa della simmetria fisica con la quale è
costruito! Detto questo, la simmetria che ci interessa non è quella del
dipolo, ma quella dei campi elettromagnetici; e se nei due rami del
dipolo ci sono tensioni uguali e correnti uguali, vuol dire che i campi
elettromagnetici (che sono la realtà fisica nascosta dietro alla
"finzione" che sono le tensioni e le correnti) sono identici. Perciò,
nel momento in cui riusciamo a forzare tensioni e correnti identiche nei
due rami, possiamo essere certi che anche i campi sono e ***devono***
essere identici!

La corrente I2 indotta sul demidipolo connesso alla calza dalla
corrente I1 che scorre sul semidipolo connesso al centrale è la causa
dello sbilanciamento e causa della terza corrente I3 verso massa...

no, sei fuori strada: la reciproca induzione elettrica e magnetica tra i
due rami fa parte del funzionamento normale del dipolo, e non è affatto
la causa dello sbilanciamento. La causa dello sbilanciamento è il fatto
che abbiamo messo a terra uno dei due radiali, rendendo asimmetrici quei
campi che invece dovrebbero essere perfettamente simmetrici!

P.S. la connessione vista con "fidocad" mette si in parallelo i due
nella soluzione da te fornita con il trasf. di impedenza a coax messo
in serie ad un braccio, così non mi pare che sia. O no?

qualunque sia la soluzione di cui stai parlando (a cosa ti riferisci,
esattamente?), a meno di un mio errore, quello di certo *** non è *** un
trasformatore d'impedenza, è un inversore di fase e serve a cambiare
segno alla tensione... ripensa il circuito in questi termini e
probabilmente ti sarà più chiaro - poi se serve se ne riparla :)

Ciao!