เชื่อว่ามีนักวิทยุสมัครเล่นจำนวนมากที่เคยได้ยินคำว่า บาลัน (balun) มามาก แต่อาจจะมีไม่มากคนนักที่เข้าใจจริงๆ ว่ามันคืออะไร ทำไมต้องใช้ และมันทำงานอย่างไร ในบทความนี้เราจึงจะคุยถึงเรื่องนี้กัน เผื่อว่าพวกเราจะได้เข้าใจได้ดีขึ้นครับการไหลของกระแสในสายนำสัญญาณ
สายนำสัญญาณที่เราใช้กันในวงการวิทยุสมัครเล่นสมัยนี้ มีอยู่สองประเภทหลัก อย่างแรกคือสายนำสัญญาณแบบสายคู่ (twin lead) สายนำสัญญาณแบบนี้จะมีกระแส (ที่เกิดจากการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสายนำสัญญาณ) ไหลที่แต่ละจุดของภาคตัดขวางเป็นจำนวนเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้ามกัน (มีเฟสต่างกัน 180ᴼ) เสมอ หรือพูดง่ายๆ ว่าเป็นไปไม่ได้ที่กระแสทั้งสองด้านนี้จะมีขนาดไม่เท่ากัน และ/หรือ มีเฟสไม่ตรงกันข้ามกัน 180ᴼ นั่นเอง
คราวนี้ มาดูโครงสร้างของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable) หรือที่เราเรียกว่าสายโคแอกซ์กันบ้าง จะเห็นว่าเราจะต้อง "มอง" สายนำสัญญาณแบบนี้ว่ามันมีตัวนำ 3 ตัว คือ (1) แกนกลาง (2) ผิวด้านในของส่วนชีลด์ (3) ผิวด้านนอกของส่วนชีลด์ โดยเหตุผลที่เราต้องมองแบบนี้เพราะว่าในความถี่สูงนั้นมีสิ่งที่เราเรียกว่า skin effect คือกระแสที่เกิดขึ้นจะเดินทางที่ "ผิว" ของตัวนำเท่านั้น ดังนั้นผิวด้านนอก กับผิวด้านใน ของส่วนเปลือกนั้นจึงกลายเป็นคนละตัวนำกันไปได้นั่นเอง
คราวนี้ ในสภาพแวดล้อมของการต่อสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมเข้ากับสายอากาศบางแบบ จะทำให้เกิดการไหลของกระแสเป็นตามภาพที่ 1 นั่นคือมีกระแสแปลกปลอม I3 (เรียกว่า common mode current) ไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม กระแส I3 นี้เองที่จะแพร่กระจายคลืนแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาได้ เรียกง่ายๆ ว่า ผิวด้านนอกส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมทำตัวเป็นสายอากาศ เพิ่มเติมเข้าไปจากสายอากาศที่เราต่ออยู่กับสายนำสัญญาณนั้น ซึ่งเป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ
ภาพที่ 1 การไหลของกระแสบนสายนำสัญญาณที่มี I3 เกิดขึ้น
Balun คืออะไร
ในภาพรวม Balun เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ต่อเชื่อมระบบแบบ Balanced เข้ากับระบบแบบ Unbalanced เช่น ต่อสายอากาศไดโพลเข้ากับสายนำสัญญาณแบ Coaxial บางครั้งบาลันมีวัตถุประสงค์หลักในการสร้างโวลเตจที่มีศักย์ตรงกันข้ามกันเพื่อป้อนเข้าสายอากาศแบบ Balanced (คือพวก voltage balun) และบางแบบก็ต้องการลดกระแส I3 หรือที่เราเรียกว่า common mode current (พวก current balun)
Balun มีกี่แบบ
นอกจาก balun จะทำหน้าที่ป้องกันหรือกำจัดกระแสส่วนเกินที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลแล้ว มันยังสามารถถูกออกแบบให้ทำหน้าที่แปลงอิมพิแดนซ์ได้อีก และถ้าจะว่ากันจริงๆ แล้ว เราคงสามารถออกแบบอุปกรณ์ที่เรียกว่า balun นี้ได้อย่างไม่จำกัดรูปแบบ แต่ก็ขอยกตัวอย่างเท่าที่เราใช้กันบ่อยๆ มาให้ดูเป็นตัวอย่างดังนี้
ภาพที่ 2 Current Balun 1:1
1:1 current balun ในภาพที่ 2
เป็นบาลันแบบกระแส (current balun) ที่ง่ายที่สุด สร้างโดยการใช้ลวดอาบน้ำยาสองเส้นพันคู่กันบนแกนแบบวงแหวน (toroid) ตามภาพ คอล์ยอาจจะเป็นแกนอากาศหรือแกนเฟอไร้ท์ก็ได้ บางครั้งเราอาจจะใช้สายโคแอกเชียลพันแทนลวดคู่ในภาพก็ได้ บาลันแบบนี้จะไม่เปลี่ยนอิมพิแดนซ์ของโหลด อิมพิแดนซ์แบบรีแอคทีฟของขดลวดจะทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้มีกระแสโหมดร่วม (common mode current) ไหลได้ ทำให้กระแสขาออกมีความสมดุล (balanced) กัน อิมพิแดนซ์แบบรีแอคทีฟของขดลวดควรมีค่าเป็น 10 เท่า (หรือมากกว่า) ของอิมพิแดนซ์ของโหลดที่ความถี่ต่ำสุดที่ใช้งาน
ภาพที่ 3 Voltage balun 1:1
1:1 voltage balun ในภาพที่ 3
เหมือนกับแบบ 4:1 แต่ใช้ขดลวด 3 ขดต่อกันแบบอนุกรม ขดลวดอาจจะเป็นแกนอากาศหรือเฟอไร้ท์ก็ได้ กระแสที่ไหลในขดลวดด้านล่างจะทำให้เกิดศักดา (voltage) ที่มีค่าเท่ากันแต่ขั้วตรงกันข้ามที่ขดลวดด้านบน วงจรปฐมภูมิจะมีขดลวด N รอบ และวงจรทุติยภูมิก็มีขดลวด N รอบ ดังนั้นอิมพิแดนซ์ขาเข้าจะเท่ากับอิมพิแดนซ์ของโหลด
ภาพที่ 4 current balun 4:1
4:1 current balun ตามภาพที่ 4
แบบนี้ต้องใช้การพันขดลวดจำนวน 6 ขดบนแกนจำนวน 3 แกน แกนละสองขด ถ้ามองให้ดีมันคือบาลันแบบ 1:1 ตามด้วยหม้อแปลงกระแสอัตราส่วน 4:1 แบบ balanced-balanced ขดลวดบนบาลัน 1:1 ควรมีอิมพิแดนซ์แบบรีแอคทีฟอย่างน้อย 10 เท่าของอิมพิแดนซ์ขาเข้า และขดลวดของหม้อแปลงกระแสแบบ 4:1 ควรมี อิมพิแดนซ์แบบรีแอคทีฟสูงกว่าอิมพิแดนซ์ขาออกอย่างน้อย 10 เท่า (40 เท่าของ Zin)
ภาพที่ 5 voltage balun 4:1
4:1 voltage balun ตามภาพที่ 5
เป็น voltage balun แบบที่ง่ายที่สุด ประกอบไปด้วยขดลวดจำนวน 2 ขดและต่อกันตามภาพ ขดลวดอาจจะเป็นแกนอากาศหรือพันบนเฟอไร้ท์ก็ได้ กระแสที่ไหนผ่านขดลวดด้านล่างจะทำให้เกิดศักดาเท่ากันแต่มีขั้วตรงกันข้ามกับศักดาบนขดลวดด้านบน จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิน้อยกว่าทุติยภูมิอยู่สองเท่า ทำให้มีอัตราส่วนการแปลงอิมพิแดนซ์ 4 เท่า
ภาพที่ 6 current balun 4:1 อีกแบบหนึ่ง
สรุปเรื่อง Balun อีกที
บาลันมีทั้งแบบ voltage และ current ที่มีคุณสมบัติไม่เหมือนกัน นอกจากนั้นบาลันเองอาจจะมีความสามารถในการแปลงอิมพิแดนซ์ด้วย ซึ่งการเลือกนั้นไม่ยากก็ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการเน้นที่การป้อนโวลเตจกลับขั้วกันเป็นหลัก (เลือกใช้ voltage balun) หรือให้กำจัด common mode current เป็นหลัก (เลือก current balun) และต้องเลือกอีกว่าจะให้มันแปลงอิมพิแดนซ์ด้วยหรือไม่ (เช่น ถ้าเราต้องการต่อสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่มีอิมพิแดนซ์ 300 โอห์มเข้ากับระบบ 75 หรือ 50 โอห์ม เราก็จะเลือกใช้แบบ 4:1 แต่ถ้าเราต่อสายอากาศแบบ ไดโพล เข้ากับระบบ 75 หรือ 50 โอห์ม เราก็จะเลือกใช้แบบ 1:1) และต่อไปนี้คือสรุปการทำงานของบาลันและวิธีการเลือกแบบของมัน
- Balun มีสองประเภทใหญ่ๆ คือ Voltage กับ Current Type
- ทั้งสองแบบ มีวัตถุประสงค์ต่างกันคือเพื่อสร้างโวลเตจกลับขั้วกัน หรือลด common mode current
- หลักการทำงานก็ต่างกัน
- Voltage Balun พยายามทำให้กระแสที่ไหลในตัวนำของสายนำสัญญาณ (และปีกของสายอากาศแบบ balance) เท่ากันด้วยการทำให้โวลเตจที่ขั้วทั้งสองของสายอากาศเท่ากัน (แต่กลับขั้วกัน)
- Current Balun พยายามกำจัดกระแส common mode ด้วยการ choke มัน (เช่น ให้กระแส common mode มองเห็น reactive inductance ขนาดสูงๆ โดยการพันลวดผ่านแกนเฟอร์ไร้ท์)
- Voltage Balun จะทำงานได้ดีเมื่อ ทั้งสองซีกของสายอากาศ (นึกถึงสายอากาศ แบบ ไดโพลนะ มีสองซีก) มี impedance เท่ากัน พอ impedance เท่ากัน แล้วเราทำให้ voltage ที่จุดป้อนเท่ากัน (แต่กลับขั้ว) ก็ทำให้กระแสเท่ากันได้
- ทีนี้ ถ้าเกิด ทั้งสองซีกของสายอากาศมี impedance ไม่เท่ากัน แม้ว่าเราป้อนโวลเตจเท่ากันให้มัน กระแสก็ไม่เท่ากัน คือ ไม่ balance และยังมี common mode current ที่ผิวด้านนอกของสาย shield ได้ ทีนี้แหละจะต้องใช้ current balun แทน
- Current Balun หน้าที่ของมันคือ จะทำให้กระแสในสายนำสัญญาณ ที่เปลือกในเปลือกนอก เท่ากัน ไม่สนใจว่า voltage ที่จุดป้อนของสายอากาศทั้งสองซีกจะเป็นเท่าไร
- แน่นอนว่า อัตราส่วนการแปลงอิมพิแดนซ์ของบาลันไม่ได้มีเพียง 1:1 และ 1:4 เท่านั้น เราสามารถออกแบบให้เป็นเท่าไรก็ได้ เพียงแต่ที่นิยมใช้และเห็นกันบ่อยๆ ก็จะเป็น 1:1 , 1:4 , 9:1, 64:1 เป็นต้น
ถึงตรงนี้ เพื่อนๆ น่าจะได้ความรู้พอควรนะครับ วันนี้เขียนไปหมดแรงพอดี ไว้พบกันใหม่ในเรื่องต่อไปนะครับ
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
