Sztuczne obciążenie w.cz. o impedancji 50 Ohm (1)

Sztuczne obciążenie w.cz. o impedancji 50 Ohm (1)
Pobierz PDF Download icon

W artykule opisano projekt sztucznego obciążenia zmiennoprądowego w.cz. o dopuszczalnej mocy strat rzędu 5...10 W (QRP), przeznaczonego do pracy w pasmie KF. Jest to pierwsza część podwójnego projektu sztucznych obciążeń zmiennoprądowych małej mocy i zarazem miękkie wprowadzenie do świata projektów urządzeń nadawczo-odbiorczych. Takim bowiem konstrukcjom autor tego podwójnego projektu zamierza poświęcić więcej uwagi.

Podstawowe parametry:

  • przeznaczone do pracy z częstotliwościami od 100 kHz do 30 MHz,
  • impedancja równa dokładnie 50 V w całym pasmie,
  • dopuszczalna ciągła moc strat 5 W (przez krótki czas do 10 W),
  • wyposażony w prosty detektor szczytowy.

Opisany w tym artykule przyrząd to tzw. sztuczne obciążenie (dummy load) zmiennoprądowe, przeznaczone przede wszystkim do pracy z wysokimi częstotliwościami radiowymi (w.cz.) z przedziału co najmniej od 100 kHz do 30 MHz. Jest to urządzenie absolutnie niezbędne w warsztacie każdego radioamatora – konstruktora. Jego główne przeznaczenie to pełnienie funkcji wzorcowego obciążenia wyjścia wzmacniacza mocy w.cz. o dopasowanej rezystancji Rload=50 Ω.

Takie obciążenie jest niezwykle przydatne w trakcie wszelkich prób technicznych oraz napraw, regulacji, a także strojenia wzmacniaczy, bowiem rzeczywiste obciążenie antenowe może nie być akurat dostępne lub – co jeszcze bardziej prawdopodobne – nie mieć odpowiednio stabilnych i neutralnych parametrów (jak np. stała i rzeczywista, dopasowana impedancja, równa dokładnie 50 Ω) w całym wymaganym pasmie oddziaływania testowanego źródła energii w.cz.

Zasada działania i właściwości urządzenia

Rysunek 1 pokazuje schemat tego niezwykle prostego, ale przydatnego przyrządu. Sygnał mocy w.cz. jest podawany na wejście P1, zrealizowane w postaci koncentrycznego gniazda (męskiego) typu BNC. Zasadniczo w urządzeniach radiokomunikacyjnych do przenoszenia znacznych mocy w.cz. stosuje się złącza typu UC-1, jednak w zakresie mocy do 20 W włącznie akceptowalne jest stosowanie połączeń typu BNC.

Rysunek 1. Schemat elektryczny urządzenia

Wejściowy sygnał mocy jest wprowadzany na zestaw 20 sztuk połączonych równolegle rezystorów R1...R20 o opornościach równych 1 kΩ, tolerancji 1% i nominalnych mocach strat termicznych równych 0,25 W. Zastosowanie popularnych rezystorów o tolerancji 5% mogłoby pogorszyć nieco własności impedancyjne (a więc i dopasowanie do źródła energii przyrządu), bowiem rozrzuty wartości elementów, pochodzących z tej samej serii produkcyjnej, mogłyby okazać się podobne i – w rezultacie – nie skompensować się w ramach oczekiwanej wypadkowej impedancji 50 Ω.

Opisywana konstrukcja jest w stanie bezproblemowo odprowadzać 20×0,25 W=5 W mocy ciągłej. Jakkolwiek eksperymenty praktyczne (pokazane także na fotografii tytułowej) wykazały, że przy odpowiednio starannej konstrukcji przyrząd bez problemu wytrzymuje obciążenie mocą nawet do 10 W przez kilka minut – bez nagrzewania się do temperatur, które mogłyby go uszkodzić. Oczywiście, zastosowanie oporników o mocy zwiększonej z 0,25 W do 0,5 W zapewne podwoiłoby tę moc, jednak mogłoby nieco pogorszyć właściwości impedancyjne przyrządu.

Należy podkreślić, że konstrukcja oparta na zestawie połączonych równolegle niewielkich rezystorów o małej dopuszczalnej mocy strat, w miejsce użycia mniejszej liczby rezystorów (lub nawet pojedynczego opornika) większej mocy, nie jest błędem konstruktorskim i ma dwa główne cele. Pierwszym jest zmniejszenie wypadkowej pasożytniczej indukcyjności szeregowej Ls obciążenia, która w przypadku połączenia równoległego oporników ulega redukcji w stopniu równym ich ilości. Drugi cel, to poprawa warunków oddawania ciepła (poprzez zastosowanie zestawu rozproszonych, oddalonych od siebie rezystorów), która obniża efektywną temperaturę pracy aktywnych elementów (oporników). To z kolei zjawisko znacznie ogranicza termiczne zmiany wartości ich rezystancji a – w konsekwencji – stabilizuje dopasowaną wartość rzeczywistej impedancji, równej 50 Ω, w szerokim zakresie częstotliwości radiowych.

Równolegle do zestawu oporników dołączony jest prosty detektor szczytowy, oparty na topologii jednopołówkowego prostownika szeregowego z diodą D1 (1N4148). W tym układzie kondensator C1 (10 nF) pełni funkcję filtru wygładzającego szczyty wyprostowanych połówek mierzonego sygnału sinusoidalnego.

Natomiast rezystancja R21 (1 MΩ) ma za zadanie rozładowywać pojemność C1 w sytuacji, gdy spadnie poziom mierzonego napięcia wejściowego Uin(P1) lub zaniknie ono całkowicie. Stała czasowa rozładowania tego równoległego dwójnika RC (w przypadku nieobciążonego wyjścia pomiarowego) wynosi 10 ms i pozwala prawidłowo pracować z częstotliwościami mierzonych sygnałów nawet znacznie poniżej 100 kHz. Zmierzone stałe (lub wolnozmienne) napięcie jest podawane na port wyjściowy P2, zrealizowany tutaj także w formie gniazda BNC. Takie rozwiązanie nie ma na celu zapewnienia stałego dopasowania do impedancji 50 Ω w całym torze wyjściowym, ale jedynie umożliwienie wyprowadzenia sygnału mierzonego z zastosowaniem koncentrycznego kabla ekranowanego, chroniącego skutecznie małe napięcia mierzone przed zewnętrznymi silnymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, które mogą pochodzić m.in. z badanych wzmacniaczy mocy w.cz.

Montaż przyrządu

Na rysunku 2 pokazano layout płytki drukowanej sztucznego obciążenia wraz z rozmieszczeniem na niej elementów. Pokrycie strefą masy występuje po obu stronach PCB, co ma na celu przede wszystkim poprawę emisji wytwarzanego w układzie ciepła. Montaż przyrządu należy rozpocząć od przygotowania rezystorów R1...R20 poprzez zagięcie ich wyprowadzeń w kształcie litery „U”, odpowiednie do rozstawu otworów montażowych na PCB. Następnie należy starannie przygotować płytkę drukowaną do montażu tych elementów. Fotografie 3, 4 i 5 przybliżają kolejność oraz szczegóły prawidłowego montażu przyrządu.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB wraz z rozmieszczeniem elementów

Widać na nich, w jaki sposób zastosowano dwustronną taśmę samoprzylepną do mocowania dwóch tymczasowych elementów podpierających, wykonanych z opasek samozaciskowych z tworzywa sztucznego o odpowiedniej szerokości.

Fotografia 3. Montaż rezystorów – przygotowanie taśmy dwustronnej

 

Fotografia 4. Montaż rezystorów – przygotowanie dystansów

 

Fotografia 5. Zamontowane rezystory

Po solidnym zalutowaniu rezystorów R1...R20 (najlepiej po obu stronach PCB) opaski samozaciskowe należy delikatnie odkleić od PCB i wysunąć spod rezystorów, a następnie usunąć odcinki taśmy samoprzylepnej dwustronnej oraz zmyć (np. denaturatem) resztki pozostałego po niej kleju.

Montaż pozostałych elementów nie wymaga szczególnego komentarza. Układ nie wymaga żadnego uruchomienia, natomiast warto jest zastosować obudowę metalową, która zapewni funkcje: dobrego ekranowania oraz odprowadzania ciepła z przyrządu. Taka metalowa obudowa powinna być starannie i wielopunktowo połączona galwanicznie z masą PCB przyrządu, a jej zewnętrzna powierzchnia dla bezpieczeństwa eksploatacji powinna zostać pokryta lakierem o dobrych własnościach izolacyjnych.

Fotografia tytułowa pokazuje przykładową realizację przyrządu z obudową wykonaną z kawałków laminatu, dwustronnie pokrytego miedzią i metalizowanego stopem niskotemperaturowym o wysokiej przewodności.

Eksploatacja przyrządu

Prawidłowa i bezpieczna eksploatacja przyrządu sprowadza się do podłączenia do wejścia P1 (gniazda BNC) źródła energii w.cz. o impedancji wyjściowej jak najbardziej zbliżonej do 50 Ω (niedopasowanie może wywołać niebezpieczne przepięcia, wynikające z powstawania fali stojącej w torze przesyłu mocy w.cz.) i mocy dysponowanej nieprzekraczającej 5...10 W.

W egzemplarzu modelowym sprawdzono bezpieczne rozpraszanie mocy o wartości 10 W nawet przez kilka minut, jednak może to zależeć od sposobu oraz staranności wykonania obudowy przyrządu i zasadniczo obciążanie przyrządu mocami znacznie przekraczającymi 5 W przez dłuższy okres nie jest zalecane. Wartość mocy oddawanej do obciążenia możemy odczytać z tabeli 1 lub z wykresu na rysunku 6, które odwzorowują zależność na wartość szczytową Up [V] napięcia sinusoidalnego przy mocy chwilowej Pin [W], podanej na port P1 obciążenia Rload=50 Ω, pomniejszoną o uśredniony spadek napięcia na diodzie detekcyjnej D1, obciążonej rezystorem R21 i pojemnością C1:

Up(P2)=sqrt[2·Rload·Pin(P1)]–0,42 [V]

 

Rysunek 6. Wykres wartości szczytowej napięcia w funkcji mocy oddawanej do obciążenia

Spadek napięcia na diodzie detekcyjnej D1 został wyznaczony obliczeniowo za pomocą modelu symulatora SPICE, podanego przez jednego z producentów diody 1N4148 jako właściwy dla typowego jej egzemplarza, oraz z użyciem podstawowych wzorów, obowiązujących dla tego przyrządu półprzewodnikowego. Dotyczy on obciążenia mocą Pin(P1)=5 W, natomiast dokładne wartości dla zakresu mocy Pin(P1)=0,1...10 W mieściły się pomiędzy 0,32 V a 0,44 V. Jakkolwiek w typowych przypadkach wartości te są nieporównywalnie mniejsze od mierzonego napięcia wyjściowego i dlatego przyjęte uśrednienie można uznać za bardzo mało znaczące dla dokładności prowadzonego pomiaru.

Podsumowanie projektu

W artykule opisano projekt tzw. sztucznego obciążenia, przeznaczonego do pracy z częstotliwościami radiowymi (w.cz.) z przedziału od 100 kHz do 30 MHz z dopasowaną rezystancją Rload=50 Ω co najmniej w całym podanym zakresie częstotliwości. Jest to urządzenie bardzo przydatne do napraw, regulacji i strojenia wzmacniaczy w.cz., ponieważ pełni funkcję rzeczywistego obciążenia antenowego z gwarantowanymi parametrami. To urządzenie, przy odpowiednio starannym wykonaniu, jest w stanie skutecznie konkurować zarówno cenowo, jak i jakościowo z gotowymi urządzeniami, dostępnymi ze sklepowej półki.

Więcej informacji o dalszych jego losach można będzie znaleźć na stronie www autora pod adresem: http://sq5rwq.pl/?p=1869. W trakcie przygotowania jest także wersja przyrządu o dwukrotnie większej mocy rozpraszanej oraz z wbudowanym wielostopniowym wskaźnikiem poziomów mocy, opartym na diodach LED i rozwiązania układowe, odporne na występujące w układzie pomiarowym zakłócenia impulsowe.

Adam Sobczyk SQ5RWQ
sq5rwq@gmail.com
http://sq5rwq.pl

Wykaz elementów:
Rezystory:
R1...R20: 1 kΩ/0,25 W/1%
R21: 1 MΩ/5%
Kondensatory:
C1: 10 nF/63 V
Półprzewodniki:
D1: 1N4148/DO-35
Inne:
P1, P2: gniazda BNC 50 Ω (kątowe, lutowane do druku)
Obudowa: wg opisu w tekście
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik październik 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje październik 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna październik 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów