Termiczny miernik mocy według SO3EP

 

 

Opisany układ powstał na podstawie opracowania Romana Wesołowskiego SO3EP (DJ6EP) i potwierdził wielokrotnie swoją przydatność w moim domowym „laboratorium”. Układ odtworzyłem dwukrotnie i zawsze działał bez najmniejszych problemów. Nie byłbym sobą gdybym w układzie nie wprowadził paru modyfikacja oto one:


  • w szereg z wyjściem wzmacniacza operacyjnego IC2 wprowadziłem rezystor stały 1k -przy ustawieniu na minimum rezystancji potencjometru, układ źle czasami pracował, wzmacniacze operacyjne często „nielubią” obciążenia pojemnościowego, dodatkowy rezystor szeregowy rozwiązuje ten problem,

  • zamiast potencjometrów montażowych zastosowałem dobrej klasy potencjometry wieloobrotowe do druku,

  • zastąpiłem miernik wychyłowy miliwoltomierzem panelowm kupionym w AVT o dużej wysokości cyfr (ponad 2 cm), zaletą jego jest możliwość przełączania miejsca punktu dziesiętnego i jednoznaczny odczyt mocy. W swoim rozwiązaniu wykorzystałem zakres 200mV, bocznikując miliwoltomierz rezystorem 360 om do masy. Wadą mego rozwiązania jest konieczność wytworzenia odrębnego napięcia zasilającego z separowaną masą (charakterystyczne dla wszystkich przetworników tego typu ICL7106), nie jest to jednak problemem przy wykorzystaniu transformatora z oddzielnymi uzwojeniami. W tym rozwiązaniu najlepiej sprawdza się odczyt cyfrowy gdyż pomiar jest wolny.


  • zasilacz umieściłem w obudowie typu wtyczka, by nie było żadnych źródeł ciepła w obudowie miernika


  • głowicę pomiarową wykonałem na dwóch połączonych równolegle rezystorach 100 om typu 0805, do jednego z nich przykleiłem termistor o wartości 47kom typu NTC w obudowie 0805 (takie miałem), nie należy stosować zbyt małej wartości rezystancji ze względu na nagrzewanie się termistorów przez płynący przez nie prąd,


  • najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie jako głowicy pomiarowej kawałka laminatu teflonowego z konwertera satelitarnego z 50 omową ścieżką i zakończenie jej rezystorem pomiarowym i wykorzystanie złącza SMA, od spodu najlepiej do niej przylutować kawałek blaszki miedzianej, poprawia to stabilność miernika, zwiększa jego obciążalność i szybkość reakcji, zmniejsza nieco czułość układu,

  • zastosowanie lepszych wzmacniaczy operacyjnych niż OP07 nie ma sensu, stosowane wzmacniacze o zerowym dryfcie ze stabilizacją przerywaczową nie poprawiły wcale stabilności miernika, decydujący wpływ na parametry miernika ma sposób wykonania głowicy pomiarowej,


  • układ pracuje poprawnie do 10GHz i posiada dwa zakresy 0,5W (ograniczone mocą strat zastosowanych rezystorów) i 20mW, większe moce można zmierzyć za pomocą tłumików i sprzęgaczy,


  • jedyna wada to konieczność zerowania za pomocą potencjometru wieloobrotowego.

Oryginalny artykuł Romka SO3EP


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 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 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. 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 gigaherców, 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 tłumikowych lub sprzęgaczy pomiarowych. 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 dokonanego miernika (pomiar SWR lub współczynnika S22) wskazują na zadowalające parametry do częstotliwości ok. 3 GHz. Granice te wyznaczają głównie straty wpłytce 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 IC2konieczne jest napięcie ujemne wytwarzane przez układ IC3. Napięcie zasilające mostek pomiarowy stabilizuje układ IC5 (78LO5). 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 diody 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 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)zapominać, że kabel koncentryczny (a zwłaszcza cienki, jaki stosuje się często przy pomiarach) wnosi pełne tłumienie. Fakt ten należy naturalnie uwzględnić przy wykonywaniu pomiarów. Dla przykładu metalowy 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.