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Der Bauvorschlag(1) für einen thermischen Leistungsmesser ist offenbar Auslöser für viele Diskussionen und Selbstbauprojekte gewesen. Aus der Vielzahl von Nachfragen und Anregungen möchte ich einige Punkte zur Diskussion stellen.
Die optimale Gestaltung des Bolometerkopfes (Wandler von HF-Leistung in Brücken-Gleichspannung) entscheidet über die Stabilität und die erreichbare Grenzfrequenz der Schaltung. Versuche mit 1,5 mm dicken Epoxy-Glasfaser-Platinen verliefen wenig ermutigend, weil neben den dielektrischen Verlusten der Übergang von der HF-Buchse auf die dicke Streifenleitung eine zu ausgeprägte Stoßstelle bedingt. Bereits bei 1,3 GHz wurde eine Rückflußdämpfung von nur 10 dB (SWR = 2:1) unterschritten (Tabelle 1). Eine gewisse Reduzierung der Übergangsverluste bei allen Platinenarten läßt sich mit einer Massebeschichtung der Leiterbahnseite erreichen. Für optimale Ergebnisse sollte das Ende der Platine mit dünnem Kupferblech umkontaktiert werden (Bild 1).
Bild 1: Modifizierter Aufbau eines Bolometer-Kopfes.
| DJ4GC | 30 MHz | 144 MHz | 440 MHz | 1,3 GHz | Basismaterial | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| BNC | Refl.Dämpfung | 35 dB | 33 dB | 27 dB | 27 dB | RT-Duroid 5870 0,79mm |
| SWR | 1,03 | 1,04 | 1,09 | 1,09 | ||
| N | Refl.Dämpfung | 40 dB | 39 dB | 37 dB | 23 dB | |
| SWR | 1,02 | 1,02 | 1,03 | 1,15 | ||
| SMA | Refl. Dämpfung | 40 dB | 42 dB | 55 dB | 31 dB | |
| SWR | 1,02 | 1,02 | 1,00 | 1,06 | ||
| N | Refl.Dämpfung | 39 dB | 31 dB | 21 dB | 10 dB | Epoxy 1,5mm |
| SWR | 1,02 | 1,06 | 1,2 | 2 |
Versuche mit runden Widerständen (Metallfilm) erwiesen sich als Fehlschlag, da infolge des Skin-Effekts der Strom in Richtung Gegenleiter (Masse) gedrängt wird, wodurch sich der Widerstandswert frequenzabhängig erhöht.
Die Anschlußdrähte der NTC-Widerstände lassen sich erst bei hohen Temperaturen sicher löten. Unterhalb von etwa 350 °C verkleben sie lediglich, wodurch die Gefahr von Thermospannungen besteht.
Die Versorgungsspannung der Brücke kann bei geringfügigen Verlusten an Linearität auch potentialfrei aufgebaut werden (Bild 2). Es entfällt dann der erste Operationsverstärker mit seiner möglichen Offset-Drift. Diese Spannung muß jedoch unbedingt stabilisiert werden. Die Drift eines Bausteins 78L05 ist sehr gering und beeinflußt das Anzeige-Ergebnis nur linear, stört also nicht die Symmetrie der Bolometerbrücke.
Bild 2: Ergänzungen zur Verstärkerschaltung.
LED-Anzeigen sollten übrigens ebenso wie Netzgeräte aus thermischen Gründen nicht in der Nähe des Bolometers plaziert werden.
Für den Anzeigeverstärker läßt sich vorteilhaft der chopper-stabilisierte Operationsverstärker ICL 7650 von Intersil einsetzen.(2) Offset-Spannungen und Offset-Drift sind praktisch nicht vorhanden. In der Schaltung nach (1) wären allerdings zwei solcher OPs erforderlich. Zu beachten ist der geringe Ausgangsstrom dieser C-MOSSchaltung, so daß ein Meßwerk mit 100 µA Vollausschlag verwendet werden muß.
Sprünge der Nullpunktlage bei der Bereichsumschaltung sind zumeist auf Oszillation des verwendeten Operationsverstärkers zurückzuführen (Nachweis mit dem Oszilloskop). Abhilfe schafft erstens ein Abblocken der Versorgungsspannung in der Nähe des OP. Zweitens läßt sich durch einen Kondensator (1 nF - 0,1 µF) zwischen dem Ausgang und dem invertierten Eingang des OP seine Wechselspannungsverstärkung so weit reduzieren, daß die Schwingung abreißt.
Das Meßwerk läßt sich vorteilhaft zusätzlich mit einer dB-Skala versehen. Der Vollausschlag im Bereich 1 mW entspricht dann 0 dBm. Sinnvoll ist eine Skalierung bis -10 dB. Bei Bereichsumschaltungen in Zehnerschritten werden zum An-zeigewert 10 dB oder 20 dB addiert oder abgezogen. Man erhält ohne Umrechnung eine dBmSkala. Verstärkungen oder Abschwächungen lassen sich unmittelbar in dB ablesen. Für die optimale Nutzung dieser Skalierung ist jedoch eine Feinverstimmung der Anzeige-Empfindlichkeit zu empfehlen.
Eine wegen ihrer verblüffenden Einfachheit besonders interessante Schaltung wurde vom Autor bereits in größerer Stückzahl gebaut. Es handelt sich um einen thermischen Leistungsmesser mit Digitalanzeige, der ohne Meßverstärker auskommt. Die Brückenspannung wird einfach einem 3½-stelligen LCD-Multimeterbaustein zugeführt.
Bei einer Brückenspannung von 5 V liegt die Differenzspannung bei etwa 60 mV für 20 mW Hochfrequenzleistung. Die Auflösung (ein Digit) beträgt dann 10 µW. Eine Bereichsumschaltung auf 200 mW kann einfach durch Teilung der Brücken-Spannungsversorgung realisiert werden. Bei den so aufgebauten Geräten wich die Anzeigelinearität bis 200 mW HF nur um wenige Prozent vom Idealwert ab. Interessanterweise läßt sich die Empfindlichkeit des Dual-Slope-Wandlers von 200 mV für Vollausschlag durch Verstellen des Spindeltrimmers auf den geforderten Wert justieren.
Für Abgleichzwecke ist die Digitalanzeige ein wenig gewöhnungsbedürftig, jedoch haben wir uns mit entsprechenden Multimetern auch schon angefreundet.
Bild 3: Vollständige Schaltung eines digital anzeigenden thermischen Milliwatt-Meters.
R1 (Temperaturkompensation): Mikro-NTC-Widerstand ca. 1 MΩ
R2 (Meßfühler/Bolometer): wie R1
Literatur
- Carsten Vieland, DJ4GC: Empfindlicher thermischer Leistungsmesser, UKW-Berichte 23 (1983) Heft 3, S. 141-147
- Dr. Hannes Fuchs: Messen im Mikrovolt-Bereich (ICL 7650), Funkschau, Heft 11/1984
DJ4GC, Carsten Vieland.