Bolometr. Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej

66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA temperaturowy oporności i dużą temperatu- rę topnienia. Jak to zazwyczaj bywa, warunki te stoją w pewnej sprzeczności z dostępnością odpo- wiedniego materiału na drut i łatwością jego obróbki. Materiałem pozwalającym na osiągnięcie kompromisu pomiędzy opisanymi wyżej wła- snościami jest molibden (w  rozwiązaniach fabrycznych używana jest platyna i wolfram). Jego źródłem może być zwykła żarówka, ponieważ z  niego wykonane są wsporniki żarnika. Tradycyjnie stosowana w  naszych domach żarówka oświetleniowa ma wspor- Bolometr Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej Podczas uruchamiania generatorów mikrofalowych przydatne są mierniki mocy. Pozwalają one dobrać optymalne warunki pracy generatora. W  artykule opisano prosty układ z  głowicą bolometryczną z  termistorem, do orientacyjnych pomiarów mocy mikrofalowej w  paśmie X. Głowica przeznaczona jest do montażu w  falowodzie. Pomiaru małych mocy mikrofalowych, do około 1 mW najprościej można dokonać przy użyciu specjalnych mikrofalowych diod detekcyjnych. Ponieważ charaktery- styka diody w początkowym jej zakresie jest kwadratowa, wskazanie mikroamperomierza podłączonego jako obciążenie diody jest pro- porcjonalne do mocy. Ten sposób pomiaru był nieco szerzej omówiony w  EdW 2/2006. Przy pomiarach mocy do kilkudziesięciu mW można używać bolometrów. Są to swego rodzaju termistory, które pod wpływem mocy mikrofalowej na- grzewają się, co powoduje zmianę ich opor- ności. Termistory te mogą być termistorami półprzewodnikowymi albo metalowymi (z  drutem Wollastona). Widok fabrycznej, radzieckiej głowicy bolometrycznej z termi- storem, do montażu w falowodzie, przedsta- wiono na fot. 1. Wykonanie termistora Termistory półprzewodnikowe, nadają- ce się do zastosowania w głowicy są raczej trudne do nabycia, zaś termistory metalowe są praktycznie nieosiągalne. Okazuje się jed- nak, że można je wykonać we własnym za- kresie, choć wymaga to pewnego oprzyrzą- dowania i cierpliwości. Należy podkreślić, że własnoręcznie wy- konany bolometr nie spełnia wszystkich wa- runków stawianych bolometrom fabrycznym, wobec czego uzyskane wyniki są nieco gorsze. Warunkiem uzyskania dużej czułości głowicy jest zastosowanie do konstrukcji termistora jak najcieńszego drutu. Wówczas niewielka nawet moc będzie w stanie go wy- raźnie zagrzać, co przekłada się na zmianę oporności elektrycznej. Dodatkowo, taki drut mimo małej długości ma znaczną rezystan- cję. Już w  1801  r. Wollaston znalazł spo- sób, aby wykonać cienkie druty platynowe o średnicy 0,001 mm. Stąd właśnie pochodzi nazwa ?drut Wollastona?. Jak wiadomo, dla metali oporność rośnie wraz z temperaturą i zależy ona od rodzaju metalu. Ze względu na czułość i wytrzyma- łość na przeciążenia korzystne byłoby stoso- wanie drutu, który ma duży współczynnik 67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej niki o długości wystarczającej do wykonania czujnika. Potrzebne są odcinki o długości oko- ło 1,5 cm. Taki kawałek drutu należy wygiąć w ?U? i przygrzać do przepustów z drutu mie- dziopłaszczowego. Promień krzywizny gięcia powinien wynosić około 0,5 mm. Druty miedziopłaszczowe także można wypreparować z  żarówki, ponieważ wyko- nane są z niego przepusty próżnioszczelne. Druty na przepusty dobrze jest wcześniej ?złapać? kropelką szkła, zaś odcinki przy- szłego próżnioszczelnego łączenia oszklić. Następnie drut molibdenowy należy poddać trawieniu. Do trawienia dobrze na- daje się mieszanina kwasu azotowego i flu- orowodorowego (1:3). Mieszaninę należy rozcieńczyć nieco wodą, aby trawienie nie przebiegało zbyt szybko. Drut należy powoli zanurzać (poniżej miejsca zgrzewania) i wy- nurzać, bez wyjmowania końca. Dzięki temu koniec przebywa w  kwasie najdłużej i  jest najcieńszy. Co kilkanaście sekund należy drut wyciągać z kąpieli i dokonywać pomia- ru oporności. Przy trawieniu drutu o średni- cy 0,2 mm na długości około 4 mm udawa- ło mi się uzyskiwać oporność nawet 20  V, jednak taki drut był już bardzo nietrwały. Praktyka dowodzi, że lepiej poprzestać na drutach o oporności około 5...6 V, które są może nieco mniej czułe, ale też i  trwalsze mechanicznie. Średnicę uzyskanego drutu możemy w  przybliżeniu określić, jeśli oszacujemy długość drutu na najwęższym jego odcinku (dającym największy udział w oporności). Przykład. Termistor ma oporność R=5 V, zaś długość najwęższego odcinka wynosi l=4 mm. Oporność właściwa molibdenu wy- nosi około r=5,35?10-5  Vmm. Stąd średnica: Po trawieniu drut można poddać jesz- cze przez 2...3  s działaniu stężonego kwa- su siarkowego, co usuwa z  niego pozostałą warstwę tlenków po trawieniu, przepłukać wodą i czystym spirytusem (przez delikatne zanurzanie!). Kolejną czynnością jest zatopienie termi- stora w rurce szklanej. Dobrze nadają się rur- ki ze szkła sodowego o średnicy zewnętrznej około 5  mm. Próżnioszczelne miejsca na przepustach ze szkłem rurki zagrzewa się i  gdy szkło staje się miękkie należy je za- gnieść i starannie odprężyć w kopcącym pło- mieniu palnika. Ostatnią wreszcie czynnością jest od- pompowanie i odtopienie od pompy gotowe- go czujnika. Czy wytworzenie próżni w czujniku jest konieczne? W zasadzie tak. Dzięki obecności próżni nie ma strat cieplnych z drutu na kon- wekcję, co pozwala na kilkukrotne zwiększe- nie czułości. Wystarczająca jest w  zasadzie próżnia uzyskiwana z dobrej pompy obroto- wej (10-3  hPa), jednakże swoje czujniki pom- Fot. 1. Fabryczna głowica bolometryczna (z anteną tubową i mostkowym układem zasilającym) Rys. 2. Różnice pomiędzy bolometrem fabrycznym a tym wykonanym przez autora 68 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Rys. 3. Schemat włączenia głowicy bolometrycznej powałem staranniej (do około 10-5 hPa) przy użyciu pompy dyfuzyjnej. Podczas pompo- wania szkło rurki należy wygrzewać palni- kiem w celu pozbycia się zanieczyszczeń, mogących ?popsuć? próżnię. Tak wykonany czujnik posiada wadę, polegającą na tym, że jego wyprowadzenia znajdują się z jednej strony rurki szklanej, a nie po obu, jak to ma miejsce w rozwią- zaniach fabrycznych. Wykonanie czujnika o takiej konstrukcji byłoby jednak bardzo trudne. Wspomniana cecha spowoduje pew- ne trudności przy odsprzęganiu czujnika, o czym będzie później. Zdaję sobie oczywiście sprawę, że po- wyższy opis wykonania czujnika bolome- trycznego może być odstraszający: kwasy, druty, szkło i próżnia nie muszą być w zasię- gu ręki każdego. W przypadkach beznadziej- nych służę radą i...gotowym termistorem. Głowica bolometryczna Mając już wykonany czujnik można przy- stąpić do budowy głowicy. Najlepiej użyć w tym celu odcinka gotowego, fabrycznego fa- lowodu R100. Idealnie byłoby, gdyby falowód miał zamontowany tłoczek do przestrajania. Jeśli go brak, wówczas można albo zaślepić koniec falowodu i do przestrajania użyć kołka, albo tłoczek wykonać we własnym zakresie. Pierwsze rozwiązanie ma wadę, polegającą na tym, że zakres przestrajania jest wąski. Taka głowica będzie mogła pracować w wąskim zakresie częstotliwości. Będzie ją też trudno stroić. Drugie rozwiązanie może zaś sprawiać pewne trudności konstrukcyjne. Falowód należy przewiercić na wylot w odległości 21 mm od króćca mocującego (pośrodku szerszego boku falowodu). Dobrze to widać patrząc na zamocowanie czujnika na rys. 2 (z prawej strony). Następnie, rów- no z brzegami otworów, należy przylutować na zewnątrz rurki metalowe. Średnica otwo- rów i rurek powinna być nieco większa od średnicy czujnika. Termistor należy umieścić w falowodzie w ten sposób, aby drut Wollastona był zanu- rzony w falowodzie. Ponieważ konstrukcja czujnika jest inna niż czujników fabrycznych (w rozwiązaniach fabrycznych wyprowadze- nia czujnika znajdują się na przeciwległych końcach rurki szklanej) zachowuje się on jak sonda zanurzona w falowodzie. Powoduje to przenikanie mocy mikrofalowej przez wy- prowadzenia poza termistor, co może wpły- wać na wynik pomiarów. Aby tego uniknąć, należy termistor odsprzęgnąć dolutowując między obudowę falowodu (masę) i każde z wyprowadzeń termistora kondensator SMD o pojemności kilkunastu pF (kondensatory C na rys. 3), zaś szeregowo z wyprowadzenia- mi dławiki ferrytowe wielkiej częstotliwości. Masę można wykonać plecionką miedzianą, co umożliwi ruch termistora w trakcie stro- jenia głowicy. Takie odsprzęgnięcie może wydawać się nieco dziwaczne (a nawet gwałcące zasady mikrofalowego świata), ale okazało się skuteczne, pomimo zastosowania elementów o stałych skupionych. Literatura opisuje wiele sposobów włą- czenia bolometru. Znane są na przykład układy mostkowe, umożliwiające automa- tyczną kompensację temperatury otoczenia oraz dokonanie podstawienia (moc wydzie- loną przez mikrofale podstawia się przez znaną moc prądu stałego lub małej częstotli- wości, potrzebną do wywołania tego samego efektu cieplnego). Pomiary dokonane przy użyciu tego typu mostków zapewniają dobrą dokładność i bezwzględny pomiar mocy. Z uwagi jednak na ?ułomności? zastoso- wanego termistora stosowanie metody pod- stawienia byłoby obarczone dużym błędem. Dlatego też lepiej zadowolić się klasycznym mostkiem czterogałęźnym, w którym miarą mocy jest kąt odchylenia wskazówki. Jako źródło prądu może posłużyć jedna lub dwie baterie R20. W przypadku częstego dokonywania pomiarów baterię lepiej zastą- pić zasilaczem. Strojenie i regulacja głowicy Z uwagi na fakt, że czułość termistora jest większa, jeśli jest on wstępnie podżarzo- ny, to należy dobrać warunki jego pracy. Za duży prąd spoczynkowy zniszczy czujnik, jego obniżenie pozwala jednak rozszerzyć zakres przyrządu w kierunku większych mocy. Dlatego wskazane jest wykreślenie charakterystyki głowicy: czułość mostka jako funkcja prądu podgrzewającego. W tym celu można postąpić następująco: szeregowo z czujnikiem dołącza się miliamperomierz mA i dołącza opornik R1. Po włączeniu zasi- lania mostka należy go wyzerować, poprzez regulację potencjometrem P1. Następnie należy do głowicy dostarczyć moc mikro- falową. Można w tym celu wykorzystać ge- nerator na diodzie Gunna lub na klistronie. Strojąc tłoczkiem należy starać się uzyskać maksymalne wychylenie wskazówki mier- nika. Należy mieć na uwadze, że termistor, jak każdy przyrząd cieplny ma pewną bez- władność. Czas ustalania się wyniku może wynieść do 30 sekund. Notuje się wartość prądu podgrzewające- go i wskazanie miernika. Po ustaleniu odpowiedniej wartości opornika R1 stosowanie miliamperomierza jest zbędne. Kolejno zmieniając wartości opornika R1 uzyskujemy kolejne punkty wy- kresu. Nie należy przekraczać gęstości prądu powyżej 10 mA/0,001 mm jego średnicy. Wartość oporności R2 dobiera się tak, aby była zbliżonej wartości, co oporność ter- mistora. Podane na rys. 3. wartości są tylko orientacyjne. Jeśli moc źródła mikrofal jest znana, to można zgrubnie przyrząd wycechować w miliwatach, zakładając liniowość podział- ki. Należy podkreślić, że pomiar tak wy- skalowanym przyrządem będzie obarczony znacznym błędem. Czułość układu, w zależności od egzem- plarza jest z przedziału kilka...kilkanaście mikroamperów przy doprowadzonej mocy kilkunastu mW. Wymusza to konieczność stosowania czułego mikroamperomierza w mostku. Zamiast czułego mikroamperomierza magnetoelektrycznego, który trudno zdobyć, można oczywiście zastosować wzmacniacz, co pozwoli stosować mniej czuły miernik analogowy lub odczyt cyfrowy. Rozwiązania te są typowe dla różnych czujników, pracują- cych w układach mostkowych (np. detektory gazów, tensometry), wobec czego nie wyma- gają szerszego omówienia. Aleksander Zawada, EP aleksander.zawada@ep.com.pl R E K L A M A