ทำความรู้จักกับ Guanella Balun กันหน่อย

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

Balun (บาลัน) เป็นอุปกรณ์ที่เราใช้ในการต่อเชื่อมระหว่างระบบแบบ Unbalanced เข้ากับระบบแบบ Balanced เช่น สายนำสัญญาณแบบ Coaxial ซึ่งเป็นแบบ Unbalanced เข้ากับสายอากาศแบบไดโพลที่เป็นแบบ Balanced เป็นต้น    บาลันมีหลายรูปแบบของวงจร และ Guanella ก็เป็นหนึ่งชนิดที่เราได้ยินชื่อกันบ่อย   ที่จริงแล้ว Guanella เป็นชื่อคนที่ออกแบบ Balun ชนิดนี้นั่นเอง และมีความน่าสนใจ เป็นพื้นฐานของTransmission Line Transformer ด้วยที่เราน่าจะศึกษากัน (ก่อนเอาไปใช้งานได้จริงๆ แหละ) โดยมีแบบสำคัญๆ สองอย่างคือ 1:1 และ 4:1 (ตัวเลขนี้ เป็นสัดส่วนการแปลงอิมพิแดนซ์ที่เกิดขึ้นไปพร้อมๆ กับการพยายามลดกระแส common mode ส่วนเกินจากการไม่สมดุลด้วย)

ภาพที่ 1 Guanella Balun แบบ 1:1
คือไม่มีการแปลงอิมพิแดนซ์เมื่อทำงาน
ต่อเชื่อมระบบ

ภาพที่ 2 Guanella Balun แบบ 4:1 
จะแปลงอิมพิแดนซ์ขึ้น/ลง 4 เท่าตัว
ไปพร้อมๆ กับการต่อเชื่อมระบบ

ถ้าเราดูเผินๆ แล้วก็จะเหมือนกับว่า Balun แบบนี้เป็นหม้อแปลงตัวหนึ่งที่พันลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์ แต่จริงๆ แล้วไม่ใช่เลย  โดยหลักการแล้วมันคือ Current Balun ทีรอาศัยแกนเฟอร์ไร้ท์ในบางกรณีเท่านั้น และ มันสามารถแปลงอิมพิแดนซ์ได้ (กรณีแบบ 4:1) โดยไม่ต้องอาศัยแกนเฟอร์ไร้ท์เลยด้วยซ้ำไป 

ในฐานะนักวิทยุสมัครเล่นที่ไม่ได้ "ทำตามแบบ" เพียงอย่างเดียวก็ต้องมาเรียนรู้กันหน่อยล่ะครับว่าสิ่งที่เห็นนั้นคืออะไร  และทำงานอย่างไร ด้วย 

คุณสมบัติของ Guanella Balun

1. Guanella Balun เป็น current balun (voltage balun ใดๆ ไม่จัดเป็น Guanella Balun)

2) Guanella Balun ไม่ได้ทำงานในโหมดฟลักซ์แม่เหล็ก  นั่นคือ ปกติแล้ว  ถ้าไม่มี common mode current แล้ว จะไม่มีฟลักซ์แม่เหล็กในแกน (ส่วนมากเป็นแกนเฟอร์ไร้ท์) เลย ( φ = 0 )   ดังนั้น มันจึงทนกำลังได้สูงมาก 

3) ลวดที่พันๆๆ บนแกนเฟอร์ไร้ท์  ของ Guanella Balun จริงๆ แล้วทำตัวป็น "สายนำสัญญาณ" (Transmission Line)  ไม่ใช่ขดลวด  ซึ่งจุดแหละที่นักวิทยุสมัครเล่นเข้าใจผิด นึกว่าเป็นขดลวด แบบที่เราพันหม้อแปลงทั่วๆ ไป

ภาพที่ 3. เส้นลวดที่พันบนแกนของ 1:1 Guanella Balun

นั้นที่จริงทำตัวเป็นสายนำสัญญาณ (มีความ
ต้านทานจำเพาะของมันเองด้วย)

4) ในเมื่อเส้นลวดอาบน้ำยาที่พันอยู่นั้น  เป็นสายนำสัญญาณ  จึงมีความต้านทานจำเพาะ (Z₀) ของมันด้วย  (ถ้าเราทำ Guanella Balun 1:1 ให้กับระบบ 50Ω   เราจะพยายามเลือกขนาดเส้นลวด และ space ระหว่างกัน ให้ได้ characteristic impedace เป็น 50Ω 

5) แต่ การพยายามเลือกขนาดลวด  และ พันให้ได้ความห่างกันของมันจนได้ความต้านทานจำเพาะ (Z₀)  เป็นที่ต้องการจริงๆ นั้น ไม่ง่าย  จึงออกมาไม่ตรงบ้าง   ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วความไม่ตรงกันนี้จะแปลงอิมพิแดนซ์ไปด้วย  และผลที่มากที่สุดที่เกิดขึ้นคือเมื่อความยาวของสายนำสัญญาณเป็น ¼λ

ดังนั้น เราจะพยายามใช้ความยาวของลวดที่พัน (ซึ่ง ประกอบร่างเป็นสายนำสัญญาณ) L

L  << ¼λ

คือให้สั้นๆ ไว้ อย่าไปพันเอ้อระเหยมากรอบตามใจเกินไป  แต่โชคดีที่ในความถี่ย่าน HF ไม่เป็นไรนัก  เพราะ λ มันยาว    ¼λ มันเลยยังยาวไม่น้อย   ยังไงซะลวดของเราคงไม่ยาวใกล้ ¼λ นัก 

แล้ว มันทำงานอย่างไร 

มาดูแบบ Guanella Balun 1:1 ก่อน 

ภาพที่ 4 พื้นฐานของ Guanella Balun แบบ 1:1
คือสายนำสัญญาณที่ขดเพื่อให้เกิด Inductance
สำหรับกระแส Common Mode

Guanella Balun 1:1 ก็คือ สายนำสัญญาณที่มีความต้านทานจำเพาะค่าหนึ่ง (เช่น 50 Ω) เอามาพันบนแกนเฟอร์ไร้ท์เท่านั้นเอง เจ๋งไหมล่ะ 

การทำงานของมันก็คือ กรณีที่ ไม่มีกระแส Common Mode คือ มีแต่กระแส Differential Mode   ซึ่งเกิดเมื่อขนาดกระแสที่แทนด้วยลูกศรสีชมพูกับม่วงเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกัน (ดูภาพที่ 5) ในเมื่อขนาดเท่ากันก็จะหักล้างกันหมดพอดี   ไม่เหลือ Common Mode Current ให้เป็นปัญหา

ภาพที่ 5 กรณีที่การสมดุลดีอยู่แล้ว จะไม่มี
กระแส common mode ทำให้ความเหนียวนำหรือ
Inductance เป็น 0 ไม่มีการลดทอนสัญญาณใดๆ

เมื่อไม่มีกระแส Common mode Inductance รวม (ของ common mode current) ที่เกิดขึ้นจะไม่มี คือเป็น 0    รีแอคแตนซ์ของ common mode current  ก็ไม่มี คือ เป็น 0  นั่นคือ บังเอิญว่าฟาก unbalance น่ะ กระแสมัน balance กันอยู่แล้ว 

คราวนี้ มาดู ตอนมีปัญหาบ้าง กรณีนี้ จะมีกระแส common mode  ลูกศรสีเทาเกิดขึ้นด้วย จากการ unbalance   ส่วนของกระแส common mode นี่เองที่ทำให้เกิด inductance (ของตัวมัน) ขึ้น    และ inductance นี้ทำให้เกิด reactance ต้านทานการไหลของกระแส common mode นั้น  (โดยไม่มีผลกับส่วนของ differential mode คือลูกศรสี ชมพู และ ม่วง) 

ภาพที่ 6 เมื่อเกิดการไม่สมดุล จะมีกระแส
common mode ความถี่ RF ไหลร่วมอยู่ด้วย
(กระแสส่วนลูกศรสีเทา) ทำให้เกิดความเหนียวนำ
ของส่วนของกระแสนั้น

เราอาจจะพูดว่า "Guanella Balun แบบ 1:1 เป็น Current Balun ที่คือ Common mode choke นั่นเอง"  ก็ได้ และเราเรียกว่ามันเป็น Current Balun เพราะ มันพยายามทำให้ กระแสบนตัวนำทั้งสอง (เส้นสีแดงและสีน้ำเงินในรูป) มีขนาดเท่ากัน  (โดยลด ส่วนของกระแส common mode ลูกศรสีเทา ลง) 

Guanella Balun 4:1 

คราวนี้มาดู 4:1 Guanella Balun กันบ้าง   ซึ่งต้องปูพื้นฐานกันก่อน   เรามาดูหม้อแปลงธรรมดาก่อน  (แต่อย่าลืมว่า Guanella Balun ไม่ใช่หม้อแปลงนะ) 

สมมติ เรามีหม้อแปลงตัวหนึ่ง อัตราการพันขดลวด 1:2  คือ โวลเตจเข้า/ออก ออก/เข้า (แล้วแต่เอาทางไหนเข้า ทางไหนออกแหละ) เป็นสองเท่าของกันและกัน  โดยหลักการ สงวนพลังงาน   กำลังที่เข้ากับออกต้องเท่ากัน   นั่นคือ ผลคูณของ (โวลเตจ x กระแส) ที่ขดเข้า ต้อง เท่ากับขดออก  สังเกตไหมครับ หม้อแปลงมันไม่ค่อยร้อนหรอก  แค่อุ่นๆ แสดงว่าพลังงานมันไม่ได้หายไปในตัวมันสักเท่าไหร่  (มีบ้างแหละแต่น้อย)  นั่นแปลว่ากำลังงานขาเข้ากับกำลังงานขาออกมันต้อง พอๆ กันไง   

ภาพที่ 7 การแปลงอิมพิแดนซ์ของหม้อแปลง

โดยหลักการสงวนพลังงานนี้ ผลสุดท้ายก็คือทำให้หม้อแปลงสามารถแปลง impedance ได้ด้วย  ในภาพที่ 7 จาก Z_x เหลือ Z_x/4   ถ้า อัตราส่วนรอบการพันขดลวดเป็น 1:8 มันก็จะลดอิมพิแดนซ์ลงมา 8² หรือ 64 เท่า นั่นเอง   แล้วทำไมต้องอธิบายเรื่องนี้  ก็เพราะมันคือรูปเดียวกันกับรูปที่ 8 ด้านล่างนี้ 

ภาพที่ 8 การแปลงอิมพิแดนซ์เกิดขึ้นเมื่อ
โวลเตจและกระแสที่ขาเข้า/ออกถูกจัด
ให้มีค่าตามที่เราต้องการ

เมื่อไรก็ตามที่ด้านขาออกเห็นโวลเตจเป็นสองเท่า แต่ กระแสเป็นครึ่งหนึ่งของขาเข้าแบบในภาพที่ 8   ด้านอินพุทจะเห็นอิมพิแดนซ์ลดลง 4 เท่า แบบในภาพที่ 7

คราวนี้ล่ะสนุก ถ้าเราเอาสายนำสัญญาณ สองเส้น มาต่อกันแบบในรูป 

ภาพที่ 9 เราป้อนโหลด Z ด้วยสายนำสัญญาณ
สองเส้น ด้านหนึ่งขนานกัน อีกด้านหนึ่งอนุกรมกัน
ทำให้ได้ลักษณะการจัดโวลเตจและกระแสเหมือน
ในภาพที่ 8 ด้วย

ด้านหนึ่งจับขนาน
อีกด้านจับอนุกรม
กระแสด้านขนาน (2i) จะเป็นสองเท่าของด้านอนุกรม (i)
โวลเตจด้านขนาน (v) จะเป็นครึ่งหนึ่งของด้านอนุกรม (2v)

มันก็จะแปลงอิมพิแดนซ์ 4 เท่า เหมือนกับกรณีหม้อแปลง    โดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงสักนิดเดียว (มีข้อแม้  คือ สายนำสัญญาณนั้นต้องสั้นมากๆ เมื่อเทียบกับ λ/4 นะ)  

แล้ว...   ถ้าเราไม่ ม้วน พัน ให้เกิด inductance effect จากส่วนของ common mode current ที่อาจจะเกิดขึ้นจากการไม่สมดุล มันก็จะลด Common mode current ลงไม่ได้ เราก็เลยจับมันพันลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์ ขดใคร ขดมัน เป็นรูปนี้

ภาพที่ 10 เรานำสายนำสัญญาณจำนวนสองเส้น
มาพันบนแกนเฟอร์ไร้ท์แยกกัน เส้นละขด

ภาพที่ 11 เมื่อเราพันสายนำสัญญาณตามภาพ
ที่ 10 จริงๆ ลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์ จะออกมาแบบนี้

จะเห็นว่าถ้าไม่มี common mode current แล้ว   แกนเฟอร์ไร้ท์ "ไม่"ได้ทำหน้าที่อะไรเลย   อยู่เฉยๆ หล่อๆ แบบนั้นแหละ  Guanella Balun จึง ไม่ได้อาศัย Transformer Effect ใดๆ นั่นเอง  

หมายเหตุ 

1) มีการพันขดลวดอีกแบบที่ไม่ใช่ Guanella Balun จริงๆ ตามภาพที่ 12  

ภาพที่ 12 การพันแบบนี้ดูคล้ายจะเป็น
Guanella Balun แต่ไม่ใช่

เพราะเป็นการพันขดลวดสองขด (สายนำสัญญาณ 2 เส้น/คู่) ลงบนแกนเดียวกัน ย่อมเกิด transformer effect ขึ้น แต่การแปลงอิมพิแดนซ์ของ Guanella Balun จริงๆ นั้นเป็น Transmission Line Effect ต่างหาก

2) บาลันหลายชนิดใช้การพันขดลวดทำหน้าที่เป็นหม้อแปลง เพื่อสร้างโวลเตจที่สมดุล (บาลานซ์ - Balanced)  บาลันเหล่านั้นเรียกว่า โวลเตจบาลันและไม่ใช่ Guanella Balun ดูภาพที่ 13

ภาพที่ 13 1:1 Ruthroff voltage balun อาศัยการ
ทำงานของฟลักซ์แม่เหล็กในแกนที่ขดลวดพันอยู่
เพื่อทำให้เกิดโวลเตจที่สมดุลด้าน Balanced ไม่ใช่
Guanella Balun

การเลือกแกนเฟอร์ไร้ท์ 

เมื่อเกิดความไม่สมดุลของระบบขึ้น และ Guanella Balun ต้องทำหน้าที่สร้าง Reactance สำหรับกระแส common mode ที่เกิดขึ้นลง โดยที่กระแส common mode เองก็เป็นความถี่สูง ดังนั้นแกนเฟอร์ไร้ท์จะต้องมีคุณสมบัติที่ดีที่ความถี่สูงนั้นด้วย คือ มีค่า permeability ( µ = µ' + jµ" ) ที่ดี คือมีส่วนจริง ( µ' ) สูงกว่าส่วนจินตภาพ ( µ" ) มากๆ  ไม่เช่นนั้นจะเกิดการสูญเสียพลังงานมาก (จาก µ" นั่นเอง) 

การต่อยอดไปใช้งาน

จะเห็นว่า Guanella Balun แบบ 4:1เป็นการสร้างขึ้นจากหลักการของ 1:1  ซึ่งจริงๆ แล้วเราสามารถนำหลักการแบบนี้ไปทำเป็นแบบ 9:1 หรืออื่นๆ คือ เอาสายนำสัญญาณมาขนานเพิ่ม อนุกรมเพิ่ม หรือผสมกันก็ยังได้ ก็จะได้สัดส่วนการแปลงอิมพแดนซ์ต่างๆ ออกมา แต่ไม่เป็นที่นิยมนัก

เป็นไงบ้างครับ หวังว่าบทความเรื่องนี้จะทำให้เพื่อนๆ ได้ความรู้เพิ่มขึ้น และเข้าใจการทำงานของ Balun แบบนี้ (Current Guanella Balun) ได้ดีขึ้นนะครับ แล้วพบกันใหม่ในเรื่องต่อๆ ไปนะครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)