Termiczny miernik mocy wg DJ6EP

oryginalny opis: Krótkofalowiec Polski nr 12(407)/1994 str. 16..19


Oryginalny artykuł Romka SO3EP/DJ6EP

Jednym z najtrudniejszych zagadnień w budowie amatorskich urządzeń nadawczych jest prawidłowy pomiar mocy. Pomiar w zakresie kilku miliwatów, zwłaszcza przy częstotliwościach powyżej 100 MHz (np. przy uruchamiania generatorów), może stanowić poważny problem. Najprostszym rozwiązaniem jest pomiar napięcia w.cz. na rezystorze pomiarowym o znanej impedancji równej impedancji linii przesyłowej i impedancji wyjścia źródła sygnału. Stosowane tutaj różne rodzaje detektorów diodowych mają jednak z reguły poważne wady. Dokładne pomiary małych napięć utrudnione są przez bardzo nieliniową charakterystykę diody w tym zakresie i nawet stosowanie szerokopasmowych wzmacniaczy nie pozwala zupełnie uniknąć tego efektu. Skalowanie miernika punkt za punktem i to dla każdego zakresu, staje się nieodzowne. Dużym problemem jest również kształt i czystość mierzonego sygnału. Miernik diodowy skalowany jest co prawda w wartościach skutecznych, w rzeczywistości jednak mierzone są napięcia szczytowe wraz z harmonicznymi i wszystkimi ewentualnymi produktami. Pomiar mocy wskazujący na nieomal 100% sprawność mierzonego stopnia jest często typowym zjawiskiem, HI. Pojemność wewnętrzna diody detektora w.cz. stanowi równolegle obciążenie rezystora pomiarowego. W zależności od typu zastosowanego półprzewodnika jego odporność pojemnościowa Xc już przy kilkuset megahercach ma wartość niższą od oporności rezystora obciążenia, wpływając na wynik pomiaru. Ponadto indukcyjności pasożytnicze tworzą z pojemnościami przypadkowe obwody rezonansowe, które skutecznie ograniczają górną częstotliwość pracy miernika.


Inną metodą pomiaru mocy jest pomiar cieplny.
Bardzo skomplikowane urządzenie tego typu znajdują się dzisiaj w standardowej ofercie prawie wszystkich producentów urządzeń pomiarowych. Odpowiednio skompensowane mierniki umożliwiają pomiar mocy rzędu nanowatów i to z dużą dokładnością. Jakości tej nie da się naturalnie osiągnąć w amatorskim wykonaniu, jednak niżej opisany miernik posiada zupełnie zadowalające parametry.


Metoda pomiaru
W obwód wysokiej częstotliwości jako obciążenie urządzenia włączony jest bezindukcyjny rezystor pomiarowy 50om. Przyrost temperatury rezystora spowodowany przez wydzieloną na nim moc, mierzy się mostkiem pomiarowym, z odpowiednimi termistorami. Pomiar przebiegów o dowolnym kształcie, nawet napięć nałożonych na siebie, jest zawsze wskazaniem wartości skutecznej. Zbyt wysokie wskazania miernika, możliwe w prostownikach diodowych, są już z zasady wykluczone. Zalety tak skonstruowanego miernika to duża dokładność pomiarów w zakresie od DC do kilku GHz, możliwość skalowania napięciem stałym, liniowość skali do górnej granicy mocy strat oraz zakres pomiarowy (pełne wychylenie wskazówki) 500 µW do 500 mW. Dalsze zwiększenie zakresu pomiarowego jest osiągane przez zastosowanie dodatkowych tłumików lub sprzęgaczy.

Oryginalna wersja tego miernika została kilkakrotnie opisana przez DJ4GC. Użyto w niej termistory KT11 i płytki z laminatu teflonowego. Ponieważ są to elementy trudno osiągalne, w mierniku zastosowano płytkę z laminatu szklano epoksydowego 1,5 mm i termistory SMD. Komercyjne pomiary tak wykonanego miernika (pomiar SWR lub współczynnika S22) wskazują na zadowalające parametry do częstotliwości ok. 3 GHz. Granice te wyznaczają głównie straty w płytce drukowanej oraz jakość użytego złącza (gniazdo BNC).

Kompletny miernik umieszczony jest na jednej płytce drukowanej z dwustronnego laminatu. Płytka zaprojektowana w taki sposób, że po jej przecięciu możemy oddzielnie zmontować głowicę pomiarową miernika i wzmacniacz. Jedynym obwodem w.cz. jest ścieżka o impedancji 50om, na której umieszczony jest rezystor obciążenia. Cała płytka wlutowana jest w obudowę z "białej" blachy o wysokości 30 mm. Na końcu ścieżki wejściowej umieszczony jest rezystor SMD R1, wlutowany warstwą oporową do góry. Tuż za rezystorem od strony masy połączono krótką zworą obie strony płytki. Przed osadzeniem termistora T1 należy do niego przylutować dwa cienkie druty o średnicy nie większej niż 0,3 mm. T1 przyklejony jest jak najmniejszą ilością kleju żywicowego bezpośrednio na rezystorze w sposób zapewniający maksymalną powierzchnię styku obu elementów (ma to decydujący wpływ na szybkość działania miernika). Po wlutowaniu termistora kompensacyjnego T2 łączymy tę część mostka z resztą układu za pomocą 3 łączówek z drutu i zalewamy opornik kompensacyjny większą ilością wymienionego kleju.

Cały układ zasilany jest z jednej baterii 9 V. Dla układów IC1 i IC2 konieczne jest napięcie ujemne wytwarzane przez układ IC3. Napięcie zasilające mostek pomiarowy stabilizuje układ IC5 (78L05). Miernik pracuje dobrze bez wpływu na dokładność pomiaru w zakresie napięć zasilających 7,5-12 V. Jedynym zadaniem obwodu IC4 jest kontrola napięcia baterii. Przy spadku zasilania poniżej wymienionej granicy gaśnie dioda LED1.

Rezystory R8...R18 umieszczone są bezpośrednio na zaciskach przełącznika zakresów, ich wartości określają zakres pomiarowy. Potencjometr P1 (regulacja zera) powinien być wieloobrotowy. Rezystory R6 i R7 muszą być dobrane do czułości zastosowanego miernika (napięcie wyjściowe obwodu IC1 wynosi przy pełnym wychyleniu wskazówki około 5,5 V). Kondensator C3 zapobiega niekontrolowanym ruchom wskazówki miernika podczas zmiany zakresu.

Uruchomienie układu ogranicza się do wstępnego ustawienia "0" potencjometrem montażowym R3 przy środkowym położeniu potencjometru P1 oraz do skalowania miernika prądem stałym. Podając na wejście układu napięcie stałe 2 V miernik powinien wskazywać 80 mW na zakresie 100 mW. Największą wadą zastosowanej metody pomiaru jest stosunkowo duża bezwładność całego pomiaru spowodowaną bezwładnością termiczną. Szczególnie w małych zakresach miernika (poniżej 3 mW) powstają niestabilności pomiaru w postaci braku powrotu wskazówki miernika do 0. Podobne efekty powstają również w wyniku szybkiego doprowadzenia pełnej ilości ciepła do całego układu. Na zakresie µW aby zaobserwować ten efekt wystarcza już moment wkręcenia kabla pomiarowego do gniazda wejściowego. Z tego powodu korzystnie jest podczas pomiarów kabel łączący miernik z badanym urządzeniem zostawić na stałe w gnieździe.

Mechaniczne połączenie blaszanej puszki układu z metalową obudową miernika poprawia stabilność układu. Przy pomiarach nie należy zapominać, że kabel koncentryczny (a zwłaszcza cienki, jaki stosuje się często przy pomiarach) wnosi pewne tłumienie. Fakt ten należy naturalnie uwzględnić przy wykonywaniu pomiarów. Dla przykładu metrowy odcinek kabla o średnicy 5 mm (np. RG58) przy częstotliwości 1300 MHz ma tłumienie ok. 0,7 dB.

Pomimo prostej konstrukcji miernika i pewnych wad metody pomiaru jest to jedna z najlepszych możliwości dokonania pomiarów mocy amatorsko wykonanym urządzeniem. Opisany miernik umożliwia wykonanie pomiaru z dokładnością lepszą niż 10% jeszcze w paśmie 13 cm ( 2320 MHz) i ułatwi na pewno uruchomienie niejednego amatorskiego urządzenia.”



Oryginalny schemat miernika

Modyfikacje SP8MCE

- urządzenie DJ6EP posiada w swej prostocie i powtarzalności podstawową zaletę: można je wykonać w warunkach domowych przy niewielkich kosztach, a uzyskane parametry są wystarczające do zastosowań amatorskich.
- następna zaleta to kalibracja prądem stałym 2V podane na wejście, to 80mW wskazywane na wskaźniku przy zakresie pomiarowym 100mW (tak kalibrujemy).
- wprowadzone zmiany dotyczą głowicy pomiarowej oraz minimalne zmiany w oryginalnym schemacie.
- Jako gniazdo zastosowałem dobrej jakości gniazdo SMA oraz laminat teflonowy z linią paskową 50om. Jednak jak się okazało bardzo istotnym elementem jest wykonanie dobrej izolacji termicznej głowicy. Miernik jest bardzo czuły na zmiany temperatury otoczenia, szczególnie na niskich zakresach mocy.
- elementy głowicy są typu SMD. Zastosowana wielkość 1206 lub 0805. Jako rezystor 50om zastosowano 2 rezystory 100om równolegle (na typową kanapkę).
Na nich przyklejony jest jeden z termistorów 100kom (mogą być inne wartości byle były o tych samych parametrach, jedyna uwaga dotyczy małych wartości termistorów, które mogą się nagrzewać pod wpływem przepływającego prądu). Drugi termistor przyklejony jest po drugiej stronie płytki i zalany klejem epoksydowym.
- dzięki wprowadzonym zmianom zwiększyła się znacznie częstotliwość graniczna. Uzyskana częstotliwość przekracza 10GHz (zależna jest ona od dokładności wykonania i jakości zastosowanych elementów).
- jak napisał Roman podstawową wadą większości takich głowic jest długi czas pomiaru, który ogranicza zastosowanie takiej głowicy w zasadzie jedynie do pomiaru mocy, co jest jej bezsprzeczną zaletą.


Obliczone napięcia należy podać na wejście sondy termicznej w celu kalibracji:
1. Moc 100mW - napięcie podane 2,236V
2. Moc 80mW - napięcie podane 2,000V to jest nasze napięcie wzorcowe
3. Moc 50mW - napięcie podane 1,581V
4. Moc 10mW - napięcie podane 0,707V
5. Moc 8mW - napięcie podane 0,632V
6. Moc 5mW - napięcie podane 0,500V
7. Moc 1mW - napięcie podane 0,223V
8. Moc 0,8mW - napięcie podane 0,200V






Wyjaśnienie doboru rezystorów od R1 do R5 – ta część układu LM258 została wykorzystana jako komparator napięcia w układzie nieodwracającym.

Wzmocnienie takiego układu obliczamy ze wzoru:
W =Wzmocnienie
W1 = (R3+R5):R3 = (1k+1k):1k = 2
W2 = (R3+R6):R3 = (1k+9,1k):1k = 10.1 (wzmocnienie powinno być 10, aby uzyskać taką wielkość, R6 powinien mieć wartość 9k)
W3 = (R3+R7):R3 = (1k+18k): 1k = 19 (wzmocnienie powinno być 20, aby uzyskać taką wielkość, R7 powinien mieć wartość 19k)
Podobnie w pozostałych pozycjach przełącznika.



Budowa sondy

































Obudowa sondy - Kształtka aluminiowa 20mm x 20mm z wklejonymi tulejkami, przez które przechodzą śrubki mocujące dekle z gniazdem wejściowy z jednej strony i gniazdem wyjściowym z drugiej strony. Na zewnątrz otulina termiczna

Do projektu dostępny jest plik z widokiem płytki do przygotowania metodą żelazkową: Pliki->Projekty->Warsztat

Materiał przygotował Janusz SP8MCE

Prawa autorskie © SP-QRP Wszystkie prawa zastrzeżone.

Opublikowane: 2019-09-27 (7865 odsłon)