Cyfrowy miernik mocy w.cz. z obciążeniem do 100W

Do uruchomienia toru nadawczego mojego TRX potrzebnym okazał się miernik mocy w.cz. Nie miałem do tej pory żadnego takiego miernika (oprócz pożyczonego), dlatego postanowiłem sam zbudować taki miernik.
Prezentowany tu miernik jest moją wersją miernika wg projektu OZ2CPU. Budując to urządzenie bazowałem również na wersji opisanej w Świecie Radio Nr 1/2007 wykonanej przez SP2MBE.
Sam ze swojej strony postanowiłem dołożyć wbudowane proste obciążenie rezystorowe do 100W czyniąc urządzenie zwartym kompletnym przyrządem z zastosowaniem do uruchamiania czy testowania nadajników KF małej mocy (do 100W). Ze względu na prostotę takiego rozwiązania obciążenie to powinno spełnić oczekiwania w zakresie częstotliwości KF. W praktyce się okaże.

Plan budowy urządzenia

Na wstępie zaplanowałem rozmieszczenie elementów miernika. W skład miernika wchodzić miały: płytka kontrolera z wyświetlaczem LCD, płytka przetwornika, zasilacz sieciowy z transformatorem, tłumik wejściowy oraz obciążenie 100W. Całość umieszczona miała być w obudowie metalowej dostępnej w sklepach elektronicznych. Po zgromadzeniu podstawowych elementów konstrukcji rozmieściłem je wstępnie w obudowie planując „mniej więcej” w którym miejscu każdy z nich powinien się znajdować. Dokładna zasada działania takiego miernika oraz schemat zamieszczone są na stronach internetowych OZ2CPU.
Moja wersja miernika ma działać tak, że sygnał z nadajnika podawany jest na sztuczne obciążenie. Pomiędzy to obciążenie i nadajnik włączony jest tłumik symetryczny z wyjściem na miernik mocy. Jako tłumik postanowiłem zastosować rozwiązanie z płytką laminatu umieszczoną w kształtowniku aluminiowym (radiator). Samo obciążenie 100W w moim zamyśle miało być wykonane w formie rezystorów umieszczonych w takim samym kształtowniku co tłumik. Mając zaplanowane wstępnie rozmieszczeniu elementów oraz rodzaj użytych elementów przed montażem elektroniki postanowiłem wykonać prace mechaniczne. Na wstępie wykonałem jednak płytki drukowane miernika, aby móc dokładniej je zwymiarować. Same płytki wykonałem metodą „żelazkową” podobnie jak np. płytki syntezy DDS opisane na mojej stronie.


Obudowa

Jak wspomniałem wcześniej jako obudowę wykorzystałem kupioną obudowę metalową. Wyjąłem z niej przeszkadzające poziome gniazdo bezpiecznika. Po dopasowaniu elementów odkręciłem najpierw tylną część obudowy i zwymiarowałem w niej otwór na gniazdo antenowe oraz wyłącznik sieciowy.
Następnie odkręciłem przednią część obudowy. Dopasowałem płytkę wyświetlacza, przyciski oraz drugie gniazdo sygnałowe. Ponieważ płytka przetwornika miała być przylutowana bezpośrednio do przedniego gniazda sygnałowego, należało ją odpowiednio przypasować tak, aby jej umiejscowienie nie kolidowało z płytką wyświetlacza. Zamiast impulsatora postanowiłem użyć 2 przycisków UP i DOWN. Jeszcze na tym etapie nie wiedziałem gdzie je umieścić, ale w późniejszym montażu najlepszym miejscem okazała się lewa strona płyty czołowej. Po zwymiarowaniu przedniej ścianki przystąpiłem do wycinania otworów.
Po wycięciu otworów w płytach przedniej i tylnej przykręciłem wstępnie wyświetlacz i przyciski sterujące miernika.

Tłumik wejściowy

Wykonanie tłumika rozpocząłem od wycięcia na wymiar kawałka jednostronnie miedziowanej płytki laminatu. Pilnikiem wyryłem gorącą żyłę zachowując odległość od niej do krawędzi miedzi ok. 2,7mm. Następnie przykręciłem do obudowy kształtownik śrubami M3. Na wystające śruby nakręciłem nakrętki stanowiące postawę dla płytki laminatu tłumika. Po dopasowaniu wymiarów płytki nadziałem ją na śruby ustalając mniej więcej wysokość ułożenia w połowie wysokości kształtownika. Tak przygotowany szkielet tłumika zostawiłem do wykończenia na potem. Ułożenie tłumika dopasowałem tak, aby wejście tłumika było blisko gniazda antenowego. Wyjście z tłumika przewidziane miało być z kolei z lewej strony w bliskim sąsiedztwie sztucznego obciążenia.

Sztuczne obciążenie

Jako sztuczne obciążenie postanowiłem zastosować 44 rezystory metalizowane 2k2 /2W każdy połączone równolegle. Co prawda sumaryczna moc takiego obciążenia normalnie wynosi ok. 88W, ale jak późniejsze doświadczenia wykazały, obciążenie wytrzymuje z powodzeniem większe moce powyżej 100W. Jako że jest to ilość 44 sztuk równolegle połączonych rezystorów, wartość indukcyjności nie powinna być duża, ponieważ przy połączeniu równoległym indukcyjność maleje. Wartość pojemności takiego rozwiązania na szczęście nie ma aż takiego wpływu na obciążenie co indukcyjność. Aby zminimalizować oba zjawiska zastosowałem rezystory metalizowane. Można zastosować rezystory bezindukcyjne, ale przypuszczalnie koszt takiego rozwiązania wzrośnie. W przypadku mojego rozwiązania koszt obciążenia nie przekroczył 40PLN.


Wykonanie obciążenia rozpocząłem od wycięcia 2 kawałków dwustronnie miedziowanego laminatu w kształcie prostokątów. Jeden kawałek przeznaczony jako masa wyciąłem na wymiar odpowiadający mniej więcej powierzchni ścianki pionowej kształtownika. Drugi podobnie, ale o mniejszej szerokości, aby docelowo zawieszony na rezystorach nie dotykał krawędziami kształtownika, który naturalnie połączony jest z masą urządzenia. Następnie na kształtowniku masowym narysowałem siatkę oznaczającą miejsca wiercenia otworów pod rezystory, a następnie po wywierceniu 44 otworów zacząłem umieszczać je w tych otworach. Wkładając rezystory starałem się je możliwie równo i blisko przysuwać do płytki, ale tak, aby można było z obu stron je przylutować.
Po umieszczeniu wszystkich rezystorów w 3 rzędach przylutowałem je z obu stron. Wolne końcówki rezystorów przyciąłem rzędami, każdy rząd na inną długość aby ułatwić nałożenie drugiej płytki. Po nałożeniu drugiej płytki przylutowałem rezystory do niej. Na finał poucinałem wszystkie końcówki. W dwóch miejscach płytki masowej wywierciłem wcześniej otwory pod śrubki M3. Podczas wkładania rezystorów włożyłem również nakrętkę w pobliżu jednego z otworów, aby można było przykręcić płytkę do ścianki kształtownika.
Po zmontowaniu obciążenia przykręciłem je do obudowy równolegle do tylnej ścianki obudowy jednocześnie dosuwając do tłumika.

Wykończenie tłumika

Teraz pora na skończenie tłumika i połączenia. Do prawej strony płytki tłumika (wejście) przylutowałem kawałek kabla 50R łącząc go z gniazdem antenowym. Starałem się przy tym zminimalizować odległości przylutowania. Ekran kabla rozdzieliłem na 2 końce aby rozprowadzić masę na obie strony płytki. Pasek żyły gorącej w płytce zeszlifowałem na końcach do ok. 2,7mm aby zapewnić odległości od krawędzi płytki, które stykają się ze ściankami tłumika. W tłumiku przylutowałem 5 rezystorów 1K/2W każdy połączonych szeregowo od żyły gorącej do wyjścia na miernik mocy. Na drugim końcu również przykręciłem kawałek laminatu, dodatkowo łącząc go po obu stronach drutem srebrzonym z masą płytki wejściowej tłumika. Pomiędzy wyście i masę na tej płytce wlutowałem równolegle 2 rezystory 100R. Wyjście tłumika połączyłem z kablem 50R ze sztucznym obciążeniem. Pierwszy koniec kabla przylutowałem na samym środku obciążenia zapewniając w miarę równomierny rozpływ prądu w rezystorach. Drugi koniec do wyjścia tłumika w sposób podobny jak na wejściu.

Płytka przetwornika i kontrolera

Płytki urządzeń przed lutowaniem pomalowałem kalafonią rozpuszczoną w denaturacie. Po wyschnięciu przystąpiłem najpierw do montażu płytki przetwornika z układem AD8307. Najpierw przylutowałem sam układ. Następnie rezystory i kondensatory. Na wejściu zastosowałem rezystory SMD o mocy 1W. I tak rezystor od wejścia ma wartość 33R, natomiast jako rezystory do masy przylutowałem rezystor 39R i 33R jeden na „plecach” drugiego. Na koniec wlutowałem cewkę 20uH w formie 3 zwoi o średnicy wewnętrznej 3mm z drutu DNE 0,5mm.

Płytkę kontrolera wykonałem tak, aby wszystko, tzn. wszystkie elementy i ścieżki były dostępne po jednej stronie – od góry. W przypadku wykonania ścieżek po drugiej stronie późniejsze przylutowanie wyświetlacza LCD uniemożliwiło by uruchomienie kontrolera choćby z powodu zwarcia, do którego dostęp byłby niemożliwy. Jako rezonator kwarcowy użyłem zwykłego kwarcu krystalicznego dokładając dodatkowo 2 kondensatory 10pF każdy na nóżkach kwarcu do masy.
Sam układ PIC16F876 zaprogramowałem prostym programatorem „ludipipo” za pomocą programu IC-PROG. Plik do zaprogramowania układu PIC16F876 można ściągnąć ze strony OZ2CPU. Przy ustawieniach programatora włączyłem tryb HS aby poprawnie dobrać rodzaj kwarcu. Standardowo w projekcie przewidziano zastosowanie oscylatora ceramicznego. Ja zaś dysponowałem zwykłym kwarcem.
Na spodniej stronie płytki wyfrezowałem otworki dla elementów przewlekanych, aby zapobiec zwarciom do masy. Przed podłączeniem czegokolwiek do płytki kontrolera sprawdziłem dokładnie obecność zwarć i mikropęknięć. Tak zmontowaną płytkę kontrolera połączyłem z wyświetlaczem LCD za pomocą drabiki pinów.

Tak przygotowane płytki przykręciłem do obudowy. Wyświetlacz LCD z kontrolerem na długich śrubach M3 blokując nakrętkami. Płytkę przetwornika przylutowałem bezpośrednio do złącza BNC w obudowie. Przed połączeniem obu płytek ze sobą podłączyłem napięcie 9V na wejście stabilizatora 7805 w płytce kontrolera. Zmierzyłem napięcie zasilania ze stabilizatora 5V oraz napięcie referencyjne o wartości 2,5V na pinie 5 układu PIC. Wyłączyłem zasilanie i włożyłem układ w podstawkę. Włączyłem zasilanie. Niestety na wyświetlaczu pokazały się „śmieci”. Wyłączyłem zasilanie, wyjąłem płytkę. Zmierzyłem jeszcze raz przejścia od układu PIC do wyświetlacza. Jedna ze ścieżek miała zwarcie do masy. Usunąłem zwarcie, włączyłem kontroler. Tym razem zadziałał prawidłowo. Połączyłem więc obie płytki razem przewodem krosowym.
Uwaga: W projekcie płytki ze Świata Radio zamieniono miejscami wejścia A i B układu PIC.

Ponownie włączyłem zasilanie, zmierzyłem napięcie na pinie 5 układu AD8307 o wartości 5V. Wyłączyłem zasilanie. Przylutowałem przyciski do złącza K6. Zamiast impulsatora zastosowałem przyciski umieszczone z lewej strony płyty przedniej. Włączyłem je w ten sposób, że jedne końce przyłączyłem do masy, a drugie odpowiednio do wejść UP i DOWN. Pomiędzy te wejścia wpiąłem kondensator ok. 10uF/16V bipolarny, który zrobiłem z dwóch kondensatorów elektrolitycznych połączonych ze sobą plusami.

Zasilacz

Do obudowy przykręciłem transformator 10V z płytką prostownika na diodach. Wykorzystałem do tego celu transformator z gniazdkowego zasilacza sieciowego. Umieszczając transformator w obudowie starałem się go umieścić jak najdalej od sztucznego obciążenia.

Uruchomienie obciążenia

Obciążenie zostało podpięte do tłumika, a ten do gniazda antenowego. W chwili uruchomienia obciążenia odlutowałem przetwornik od wyjścia tłumika. Zmierzyłem dla pewności rezystancję obciążenia. Było dokładnie 50R. Do gniazda antenowego podłączyłem mój transceiver IC-718. Ustawiłem najmniejszą moc. Włączyłem tryb RTTY i wcisnąłem PTT. Zwiększyłem moc do ok. 20%. Wskaźnik pokazał właściwie wypromieniowaną moc. I tak kolejno dojechałem do 100% mocy, czyli 100W. Obciążenie bez żadnych problemów skutecznie przejęło całą energię. Podłączyłem skrzynkę antenową. Ponowiłem próby. Jak się okazało, ustawienie w skrzynce nie wiele odbiegło od sytuacji, gdyby jej nie było. Aby dopasować SWR nie musiałem robić żadnych korekt. Po podłączeniu bez skrzynki, przy pełnej mocy 100W wartość SWR wyświetlana w transceiverze wynosiła mniej niż 1. Zatem obciążenie spełniło moje oczekiwania.


Uruchomienie miernika i kalibracja

Przed kalibracją podłączyłem tłumik do miernika. W chwili uruchamiania miernika nie posiadałem właściwe wyskalowanego generatora 0dB, którego zastosowanie jest bardzo zalecane. W związku z tym moja kalibracja ograniczyła się do prostego ustawienia wartości zbliżonych. Dokładniejszym kalibrowaniem zajmę się w momencie posiadania sygnału 0dB. Do kalibracji zastosowałem mój prosty generator AM dający na wyjściu napięcie w granicach 0-1,5V. Najpierw w menu kontrolera miernika ustawiłem tryb LF oraz tłumienie -50dB jako że mój tłumik z zastosowaniem rezystancji 5K ma tłumienie 1:100. Następnie na wejście podałem sygnał 3,5MHz z generatora ustalając wartość napięcia wyjściowego w granicach maksymalnego. Z menu kontrolera wybrałem kalibrację. Metodą prób i błędów kalibrowałem wartość napięcia w górę i w dół kręcąc potencjometrem w generatorze. W transceiverze ustawiłem częstotliwość 3,7MHz. Po każdej kalibracji włączałem maksymalną moc z nadajnika wiedząc że jest to 100W o dczytywałem wskazanie miernika. Za każdym razem robiłem korektę na generatorze aby uzyskać właściwe wskazanie. W końcu udało mi się dobrać wartość właściwą dla 100W mocy. Na koniec zjechałem z mocą nadajnika w transceiverze o różne wartości w dół i sprawdzałem w skazanie na mierniku. Było zadziwiająco porównywalne ze skalą w radiu. Czynność powtórzyłem dla trybu HF i częstotliwości w radiu 14MHz. Na koniec skręciłem obudowę.