Balun และการเลือกใช้



เชื่อว่ามีนักวิทยุสมัครเล่นจำนวนมากที่เคยได้ยินคำว่า บาลัน (balun) มามาก แต่อาจจะมีไม่มากคนนักที่เข้าใจจริงๆ ว่ามันคืออะไร ทำไมต้องใช้ และมันทำงานอย่างไร ในบทความนี้เราจึงจะคุยถึงเรื่องนี้กัน เผื่อว่าพวกเราจะได้เข้าใจได้ดีขึ้นครับ

การไหลของกระแสในสายนำสัญญาณ

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

ในเมื่อกระแส I3 หรือที่เราเรียกว่า common mode current มักเกิดจากการต่อโหลดแบบ balance หรือสมดุล (เช่น สายอากาศแบบไดโพล, โฟลเด็ดไดโพล, สายนำสัญญาณแบบ twin-lead เป็นต้น) เข้ากับสายนำสัญญาณหรือระบบที่เป็นแบบไม่สมดุล (unbalanced) เช่น สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม เป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ เราจึงพยายามกำจัดมันออกไปโดยใช้อุปกรณ์หนึ่งที่เรียกว่า Balun ซึ่งมีวงจรหลากหลายรูปแบบมาก และด้วยความที่วงจรดังกล่าวนี้มักถูกนำมาต่อคั่นระหว่างระบบแบบสมดุล (balanced) และไม่สมดุล (unbalanced) เราก็เลยเรียกอุปกรณ์นี้ว่า Balun เสียเลยซึ่ง มีหน้าที่ในการกำจัด/ป้องกันกระแสที่ไม่สมดุลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม นั่นเอง

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

แน่นอนว่า นอกจากคุณสมบัติในการกำจัด common mode current แล้ว บาลันเองยังมีความสามารถในการแปลงอิมพิแดนซ์อีกด้วย ซึ่งการเลือกนั้นไม่ยากก็ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการให้มันแปลงอิมพิแดนซ์ด้วยหรือไม่ (เช่น ถ้าเราต้องการต่อสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่มีอิมพิแดนซ์ 300 โอห์มเข้ากับระบบ 75 หรือ 50 โอห์ม เราก็จะเลือกใช้แบบ 4:1 แต่ถ้าเราต่อสายอากาศแบบ ไดโพล เข้ากับระบบ 75 หรือ 50 โอห์ม เราก็จะเลือกใช้แบบ 1:1) แต่นอกจากนั้นแล้วยังมีแบบ voltage หรือ current อีก ซึ่งตรงนี้เองที่เราอาจจะสับสนในการใช้งานได้ (ถ้าเราเลือกผิด ไม่ได้หมายความว่ามันใช้งานไม่ได้ แต่เพียงไม่ดีเท่าที่ควรเมื่อเทียบกับเมื่อเราเลือกได้ถูกต้อง)  และต่อไปนี้คือสรุปการทำงานของบาลันและวิธีการเลือกแบบของมัน

1. Balun มีสองประเภทใหญ่ๆ คือ Voltage กับ Current Type
2. ทั้งสองแบบ มีวัตถุประสงค์ในการพยายามทำให้กระแสที่ไหลในตัวนำของ สายนำสัญญาณ เท่ากัน คือไม่มี common mode current
3. แต่หลักการทำงานนั้นต่างกัน
1. Voltage Balun พยายามทำให้กระแสที่ไหนในตัวนำของ สายนำสัญญาณ เท่ากัน ด้วยการทำให้โวลเตจที่ขั้วทั้งสองของสายอากาศเท่ากัน
2. Current Balun พยายามทำให้กระแสที่ไหนในตัวนำของ สายนำสัญญาณ เท่ากัน ด้วยการทำให้กระแสที่ไหลเข้าออกขั้วทั้งสองของสายอากาศเท่ากัน
4. Voltage Balun จะทำงานได้ดีเมื่อ ทั้งสองซีกของสายอากาศ (นึกถึงสายอากาศ แบบ ไดโพลนะ มีสองซีก) มี impedance เท่ากัน พอ impedance เท่ากัน แล้วเราทำให้ voltage ที่จุดป้อนเท่ากัน ก็ทำให้กระแสเท่ากันได้ จริงป่ะ
5. ทีนี้ ถ้าเกิด ทั้งสองซีกของสายอากาศ ดันมี impedance ไม่เท่ากัน แม้ว่าเราป้อนโวลเตจเท่ากันให้มัน กระแสก็ไม่เท่ากัน คือ ไม่ balance ทีนี้แหละ ที่จะต้องใช้ current balun แทน
6. Current Balun หน้าที่ของมันคือ จะทำให้กระแสในสายนำสัญญาณ ที่เปลือกในเปลือกนอก เท่ากัน ไม่สนใจว่า voltage ที่จุดป้อนของสายอากาศทั้งสองซีกจะเป็นเท่าไร
7. แน่นอนว่า อัตราส่วนการแปลงอิมพิแดนซ์ของบาลันไม่ได้มีเพียง 1:1 และ 1:4 เท่านั้น เราสามารถออกแบบให้เป็นเท่าไรก็ได้ เพียงแต่ที่นิยมใช้และเห็นกันบ่อยๆ ก็จะเป็น 1:1 , 1:4 , 9:1, 64:1 เป็นต้น

หลักการเลือก ว่าจะใช้ Voltage หรือ Current Balun

สำหรับอัตราส่วน 4:1 - ใช้ Current Balun สำหรับกำลังส่งสูง (เกิน 1000W) หรือใช้ Voltage Balun สำหรับกำลังส่งต่ำกว่านั้น.
สำหรับอัตราส่วน 1:1 - ถ้า VSWR ไม่พยศมาก ให้ใช้ Current Balun กับทั้ง low และ high power จะได้ผลดี

และ ถ้า เราออกแบบสายอากาศมาใช้ย่านเดียว (สมมติ) เช่น อาจจะมีสายอกาศ 4 อัน สำหรับ 4 ย่านความถี่ โดยแต่ละอันใช้ย่านเดียว เรียกว่าไม่ต้องมี tuner กันเลยก็แล้วกัน  ถ้าเป็นแบบนั้น VSWR ของแต่ละสายอากาศก็จะต่ำอยู่แล้ว  ถ้าเราใช้สายอากาศเหล่านั้นได้โดยไม่สร้างปัญหาอะไร ก็ "ไม่จำเป็น" ต้องมี Balun ก็ได้นะครับ

ถึงตรงนี้ ต้องบอกว่าหมดแรงแล้วล่ะครับ
ไว้พบกันใหม่ในเรื่องต่อไปนะครับ
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)