Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - 5/50 W Leistungsmesser mit Abschlußwiderstand bis 1,3 GHz
Leistungsmesser sind bei Funkamateuren in vielfältiger Art und Weise in Benutzung. Die meisten käuflichen Geräte liegen jedoch im Frequenzbereich und auch in der Genauigkeit unter dem, was sich vorallem VHF-UHF-Amateure wünschen. Außerdem tritt bei vielen Durchgangsleistungsmessern eine Abhängigkeit der Anzeige von der Anpassung der Antenne auf. Dieses Problem zeigt sich nicht bei Leistungsmessern mit eingebautem Abschlußwiderstand.
Stellte früher dieser Abschlußwiderstand das größte Problem beim Nachbau dar, kann man heute auf fertige Industrieprodukte mit exzellenten Daten und einem noch amateurmäßigen Preis zurückgreifen.
1. Zum Prinzip
Verschiedene Verfahren der HF-Leistungsmessung wurden schon in (1) dargestellt. Deshalb wird hier nur auf die Leistungsmessung an einem Abschlußwiderstand eingegangen.
Bild 1 zeigt die verwendete Grundschaltung. Daraus ersieht man, daß es sich eigentlich um keine echte Leistungsmessung, sondern um eine Spannungsmessung handelt, die in Leistung umgeeicht werden kann, da der Widerstand konstant bleibt.
Bild 1: HF-Leistungsmessung über den Umweg der Spannungsmessung am 50-Ω-Abschlußwiderstand.
Diese notwendige Eichung stellt die meisten nachbauenden Funkamateure vor unüberwindliche Schwierigkeiten. Da es sich jedoch bei obiger Schaltung um eine Einweggleichrichtung mit einer Diode handelt, stellt sich folgende Frage: Warum sollte eigentlich diese Diode eine Spannung mit einer Frequenz von 100 MHz anders gleichrichten als eine Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz?
Verwendet man Gleichrichterdioden vom Typ 5082-2800 von HP, so sind nach dem Blick auf die Eigenschaften der Diode kaum Argumente gegen obige Annahme zu finden. Sicher gehen Schaltzeiten und Kapazitäten ein, eine experimentelle Überprüfung der vorgestellten Schaltung ergab jedenfalls eine Brauchbarkeit bis 1,3 GHz, da sich auch der kapazitive Nebenschluß bei der Verwendung von 3 Dioden in Grenzen hält. Da Spannungen mit 50 Hz Netzfrequenz allgemein verfügbar und genau zu messen sind, steht auch einer Eichung des Meßgerätes nichts mehr im Wege.
2. Auswahl der Bauelemente
Herzstück der Schaltung ist der Abschluß-widerstand von der Firma CTC (in DL: Muni-corn, München). Er besteht aus einer auf ein Berylliumoxydplättchen aufgedampften Widerstandsschicht, welches mit einem Flansch an einem Kühlkörper befestigt werden kann. Für Amateure am interessantesten sind die Typen TA 150-50 mit 150 W Belastbarkeit und einem Frequenzbereich bis 2 GHz, und TC 250-50 mit 250 W Belastbarkeit und einem Frequenzbereich bis 1 GHz.
Für den Musteraufbau wurde der Typ TA 150-50 ausgewählt. Seine exzellenten Daten in Bezug auf die Rückflußdämpfung zeigt Bild 2.
Bild 2: Rückflußdämpfung (Return Loss) des betriebsfertigen Geräts im Bereich von 100 MHz bis 2 GHz.
Vor dem Einsatz der Gleichrichterdiode sollte man sich vor Augen führen, daß diese die Spitze-Spitze-Spannung an dem 50-Ω-Widerstand vertragen muß. Diese Spannung errechnet sich mit der zugeschnittenen Gleichung:
USSD = 20 × √P Pin W an 50 Ω
Bei einer Leistung von 50W sind dies 141,42 V, also für eine Diode mit 70V maximaler Sperrspannung etwas zu viel.
Um noch etwas Reserve zu haben, werden 3 Dioden in Serie geschaltet. Reserve sollte übrigens auch beim Abschlußwiderstand eingeplant sein, da diese kleinen Keramikplättchen wegen ihrer geringen Wärmekapazität sehr empfindlich auf Überlastung reagieren, selbst wenn diese nur für den Bruchteil einer Sekunde auftritt.
3. Gesamtschaltung
Bild 3 zeigt die Gesamtschaltung des Wattmeters. Man erkennt den Abschlußwiderstand, die Gleichrichterdioden und den Ladekondensator, welcher aus der Parallelschaltung eines 1-nF-Chipkondensators und einem 0,1-µF-Keramikkondensator besteht. Der Vor-widerstand des 100-µA-Meßwerks wird zweigeteilt, so daß am Punkt (1) maximal 4,75 V auftreten. Der Rest zu der am Ladekondensator anstehenden Spitzenspannung fällt in R10, P10 oder R11, P11 ab. R13 wird so dimensioniert, daß 4,75 V am Punkt (1) gerade Vollausschlag ergeben. Die Spannung am Ladekondensator ergibt sich durch die Spitzenspannung am 50-Ω-Widerstand, also US = √2 × √(P × R).
Bild 3: Gesamtschaltung des Wattmeters mit Spitzenspannungsspeicher.
Um bei SSB-Signalen Spitzenleistungen genauer ablesen zu können, wurde das Meßgerät mit einem Spitzenspannungsspeicher versehen. Die Schaltung ist nach (2) aufgebaut und hat genau die Verstärkung eins.
R1 und P1 bilden die Impedanz des Meßwerks inklusive Vorwiderstand R13 nach, da der Operationsverstärker im Eingang hochohmig ist. Der verwendete zweifach-OPV LM358N arbeitet bis an die negative Versorgungsspannung heran, kommt also ohne Plus/Minus-Versorgung aus.
Für die umrandeten Teile der Schaltung wurde eine Platine mit der Bezeichnung DF8CA 001 erstellt. Die Bestückung der 70 mm × 33 mm großen, einseitig kaschierten Leiterplatte erfolgt nach Bild 4. Bild 5 zeigt die fertige Platine.
Bild 4: Bestückung der einseitigen kaschierten Platine DF8CA 001 für den Spitzenspannungsspeicher und zwei Vorwiderstände.
Bild 5: Musteraufbau der Platine.
4. Aufbau
Der 50-Ω-Abschlußwiderstand muß auf einem ausreichend großen Kühlkörper befestigt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die Fläche glatt und der Wärmekontakt möglichst optimal ist.
Die HF-Zuführung erfolgt beim Mustergerät über ein Stück Teflon-Koaxkabel RG-142 B/U (ähnlicher Durchmesser wie RG-58), welches auf eine N-Flanschbuchse mit Kabelanschluß führt. Sehr wichtig ist auch eine möglichst gute Zugentlastung des Kabels am Widerstand. Sie wird durch Auflöten des Kabels auf ein mit Schrauben am Kühlkörper befestigtes Messingblech realisiert.
Die drei Dioden werden möglichst kurz auf den Chip-Abblockkondensator geführt. Je kompakter der Aufbau, desto höher die Grenzfrequenz. Bild 6 zeigt den Abschluß-widerstand mit drei Dioden und Ladekondensatoren. Die Befestigung der N-Buchse zeigt Bild 7.
Bild 6: Abschlußwiderstand mit Dioden und Ladekondensator. Das Planfräsen der Montagefläche ist nicht unbedingt notwendig.
Bild 7: Kühlkörper mit Gehäuse-Unterteil.
Das Gehäuse wurde U-förmig aus Aluminiumblech gebogen. Ebensogut kann jedoch ein fertiges Gehäuse verwendet werden. Darin werden die Batterie, die Platine und der 4-fache, 6-polige Umschalter befestigt. Die einzige Verbindung vom Ladekondensator zum Punkt X sollte man als Steckkontakt ausführen.
Bild 8 zeigt die Außenansicht des Gehäuses.
Bild 8: Das Mustergerät des Verfassers.
5. Abgleich
Zum Abgleich benötigt man einen Regel-Trenntransformator und ein möglichst genaues Wechselspannungsmeßgerät (DVM). Außerdem ist für kleine Spannungen ein normaler Transformator 220 V auf 24 V/1 A nützlich, der dem Regel-Trenntrafo nachgeschaltet wird. Da der Ladekondensator zwischen Punkt X und Masse für 50 Hz einen zu geringen Wert aufweist, muß während der Abgleichprozedur provisorisch ein Elko mit 50 bis 100 µF parallelgeschaltet werden!
Zuerst wird die Effektivspannung von:
Ueff = 7,07107 × √P in W an 50 Ω
also: Ueff = 15,81 V eingestellt, und das Gerät mit P10 im 5-W-Bereich auf Vollausschlag abgeglichen.
Dasselbe geschieht bei 50V im 50-W-Bereich.
Nun können die Zwischenwerte nach Tabelle 1 eingestellt und Markierungen mit Bleistift zum Zeichnen der Skala angebracht werden.
| Leistung | Effektivspannung |
|---|---|
| 50 W | 50,00 V |
| 45 W | 47,43 V |
| 40 W | 44,72 V |
| 35 W | 41,83 V |
| 30 W | 38,73 V |
| 25 W | 35,36 V |
| 20 W | 31,62 V |
| 15 W | 27,39 V |
| 12,5 W | 25,00 V |
| 10 W | 22,36 V |
| 7,5 W | 19,37 V |
| 5 W | 15,81 V |
| 4,5 W | 15,00 V |
| 4 W | 14,14 V |
| 3,5 W | 13,23 V |
| 3 W | 12,25 V |
| 2,5 W | 11,18 V |
| 2 W | 10,00 V |
| 1,5 W | 8,660 V |
| 1,25 W | 7,906 V |
| 1 W | 7,071 V |
| 0,75 W | 6,124 V |
| 0,5 W | 5,000 V |
| 0,4 W | 4,472 V |
| 0,3 W | 3,873 V |
| 0,2 W | 3,162 V |
| 0,1 W | 2,236 V |
| 0,05 W | 1,581 V |
Der Abgleich läßt sich zur Not auch mit Gleichspannung durchführen. Die dabei einzustellenden Werte sind jedoch um den Faktor √2 größer als die in Tabelle 1. Zu Beachten ist jedoch, daß die während des Einstellvorgangs am 50-Ω-Widerstand abfallende Leistung doppelt so groß ist wie die im normalen Betrieb. Wegen der Überlastungsgefahr wird von dieser Methode abgeraten.
Da die Schwellenspannung der Dioden in beiden Bereichen verschieden eingeht, bräuchte man eigentlich zwei Skalen. Die Unterschiede sind jedoch bei 5 und 50 W so gering, daß man mit einer Skala mit dem Mittelwert auskommt. Werden mehrere Bereiche mit noch kleineren Leistungen gewünscht, sind jedoch verschiedene Skalen notwendig.
Allerdings geht dann unter Umständen eine Änderung der Diodenschwellenspannung bei Temperaturänderungen so stark ein, daß die Messung zu ungenau wird. Für kleine Leistungen sollte man die Diode im quadratischen Kennlinienbereich betrieben.
Der Abgleich des Spitzenspannungsspeichers geschieht durch Einspeisen eines Signals für Vollausschlag und Einstellen von P1 so, daß sich beim Umschalten von Normal-auf Spitzenwertanzeige kein Unterschied ergibt.
Für den Batterietest wird R12 so gewählt, daß die Spannung von 9 V im letzten Drittel der Anzeige liegt.
Beim vorliegenden Gerät bleiben die Abweichungen vom exakten Wert normalerweise immer unter 10%.
Bei sorgfältigem Aufbau und Abgleich kann mit einer wesentlich besseren Genauigkeit gerechnet werden.
6. Literatur
- Frosinn, Otto, DF7QF: UHF/SHF-Leistungsmesser zum Selberbauen, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 2, Seite 66-74
- Zirpel: Operationsverstärker, Franzis Verlag, München ISBN3-7723-6132-3