6 Messbrücken
Erstellt: DL6GL, 04.11.2013, letzte Änderung 05.12.2019
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Update 14.03.2014: 750 Watt-Messbrücke von DG1KPN (Abschnitt 6.6)
Update 09.02.2014: 50 Watt-Messbrücke von DG1KPN (Abschnitt 6.5)
6.1 Hardwarerealisierungen
Die verwendeten Messbrücken sind Stockton-Typen (Tandem match coupler). Wirkungsweise und Aufbau sind im oben genannten Artikel [1] beschrieben.
Hier noch einmal die Messbrückenschaltung (umrandeter Bereich) aus [1]. Der links im Bild gezeigte Emitterfolger zur Auskopplung des Forward-Signals zum Frequenzzähler und die OpAmps im unteren Teil waren Bestandteil des Kopplers für den Antennentuner bis zur Version 2016. Sie werden hier nicht weiter betrachtet. Die anzuschließende Messeinheit sollte auf alle Fälle hochohmig sein, etwa mit OpAmps wie in Abb. 6.0 gezeigt.
Abb. 6.0: Messbrückenschaltung aus [1].
In der Realisierung unterscheiden sich beide ein wenig. Ringkerne: FT50-43.
Abb. 6.1: Stockton-Messbrücke von DG1KPN nach [2].
Abb. 6.2: Stockton-Messbrücke von DL6GL nach Schaltung in Abb. 6.0.
6.2 Diodenkennlinien
Die Kenntnis der Diodenkennlinien bzw. der Korrekturfaktoren UDC (gemessene Gleichspannung) zu UHF (anliegende HF-Sitzenspannung) sind maßgebend für die Genauigkeit der Anzeigen, gerade im unteren Leistungsbereich und bei kleinen SWR. Details sind in [1] beschrieben. Die Näherungsfunktion für den Korrekturfaktor lässt sich ohne großen Aufwand mit einem Excel-Sheet berechnen (im Download). Nachfolgendes Beispiel von DG1KPN zeigt dies für eine GE-Diode 1N34.
Abb. 6.2: Bestimmung der Korrekturfunktion für eine 1N34.
Hieraus ergibt sich als angepasste Korrekturfunktion CF mit einem Vertrauenswert von 0,99
CF = UHF / UDC = 0,07031 * UDC-1,07386 + 1
U HF = UDC *CF.
Zum Vergleich die gleiche Messung an einer Schottky-Diode 1N5711:
Die Germaniumdiode 1N34 kommt dem Ideal UDC ≈ UHF (peak) schon recht nahe. Hier liegen die rote DC-Kennlinie und die blaue HF-Gleichrichterkennlinie näher zusammen als bei der Schottky-Diode. Für die Messung kleiner Leistungen wäre die 1N34 der Favorit. "Echte" 1N34 sind aber nur noch schwer zu bekommen. Wie Norbert berichtet, kursieren jede Menge (China-?) Fakes auf dem Markt. Nächst bester Aspirant wäre die Low barrier Schottky BAT62-3W.
Die FWD-Diode sollte wie dargestellt ausgemessen werden. Dabei ist nach Möglichkeit die REV-Diode auf möglichst gleichen Durchlasswiderstand zu selektieren, falls mehrere zur Auswahl stehen. Die Diodenparameter streuen beträchtlich, dennoch als Anhaltspunkte folgende an den jeweiligen Exemplaren ermittelte Werte für die o.a. Exponential-Fitfunktion
CF = UHF / UDC = A * UDCB + C:
| Diode | Typ | A | B | C |
| 1N34 | Ge | 0,07031 | -1,07386 | 1,00000 |
| 1N5711 | Schottky | 0,20157 | -1,37949 | 1,00000 |
| BAT43 | Schottky | 0,25161 | -0,85798 | 1,00000 |
| BAT62-3W | Schottky | 0,12523 | -0,84625 | 1,00000 |
6.3 Ringkerne
Die Wicklungszahlen der beiden identischen Ringkerne bestimmen den Messbereich. Details hierzu sind hier auf dieser Website beschrieben. Zur Dimensionierung der Ringkerngrößen in bezug auf Erwärmung und magnetische Sättigung insbesondere des Spannungstransformators sind hier Einzelheiten zu finden.
In der im Download-Bereich beigefügten Firmware sind 7 Windungen als Standard vorgegeben, passend für QRP-Anwendungen. In den Komfortversionen (Abschnitte 2 und 3) ist eine Anpassung im Dialog vorgesehen. In der Spartanerversion, Abschnitt 4, muss die Windungszahl in der Datei "SWR_Bridge_Data.bas", dort "bytTurns=xx", angepasst werden. Anschließend ist erneutes Kompilieren und Brennen erforderlich.
Nachtrag Dez. 2019: Es kommt ja bisweilen vor, dass man aufgrund gesammelter Erfahrung noch ein wenig klüger wird. Die hier vorgeschlagenen Windungszahlen für den ADC mit 5V Referenzspannung sind so schlau nicht. Kleine Windungszahlen und damit geringe Kopplungsfaktoren induzieren eine unzweckmäßig hohe Impedanz in die Primärleitung des Stromkopplers. Diese ergibt sich aus R/N2. R ist der Lastwiderstand an der Sekundärwicklung des Stromkopplers. Mit R=50Ω und N=7 beträgt der induzierte Widerstand etwa 1Ω! Ergebnis ist eine unnötig hohe Einfügedämpfung des Kopplers.
Besser wäre es also, den Kopplungsfaktor mit einer höheren Windungszahl zu vergrößern, was dann aber die ausgekoppelte Leistung erniedrigt. Als Kompensation kann bei kleinen HF-Leistungen die Referenzspannung des ADC verringert werden, damit dieser voll ausgesteuert wird und mit optimaler Auflösung misst. Die neueren AVR lassen neben der Betriebsspannung zumeist zwei weitere wählbare Referenzspannungen zu, etwa 1,0 und 2,56V. Bei den älteren ATmega 8/16/32 gibt es nur eine alternative interne ADC-Referenz 2,56V.
Den ADC für kleine Messspannungen anzupassen ist die eine Sache. Das ändert aber nichts an der Verflachung der Diodenkennlinie unterhalb der Kniespannung. So kommen wir wohl nicht um einen Kompromiss zwischen Einfügedämpfung einerseits und Anzeigeempfindlichkeit/-genauigkeit am unteren Leistungsende andererseits herum.
Für HF-Leistungen jenseits QRP lässt sich die Windungszahl allerdings nicht beliebig erhöhen. Hier kann der 1M-Widerstand an den Kathoden der BAT43 im Koppler (Abb. 6.0) durch einen Spannungsteiler ersetzt werden. In [1] ist in "Excel calculations.zip" ein kleines Excel-Sheet für Berechnungen zugefügt.
Auf alle Fälle sollte dem Koppler ein OpAmp mit hohem Eingangswiderstand nachgeschaltet werden wie in Abb. 6.0 angedeutet. Mit dem besagten Spannungsteiler statt des 1M-Widerstandes lässt sich die vom OpAmp verarbeitbare Eingangsspannung anpassen. An dessen niederohmigem Ausgang kann schließlich die analog oder digital auszuwertende Messspannung eingestellt werden.
6.4 Messbereichserweiterung
Die Idee ließ nicht lange auf sich warten, zwei umschaltbare Messbrücken an eine Anzeige zu hängen. Mit der Begrenzung der ADC-Eingangsspannung auf 5V muss man über die Windungszahl der Kopplerringkerne den darstellbaren Leistungsbereich festlegen. QRP oder QRO wird mit den Ringkernen entschieden. Software ist ja geduldig und Pins hat der ATmega auch genug.
Wenn – und nur dann – die Umschaltung auf eine zweite Messbrücke gewünscht ist, sind folgende Hardware-Erweiterungen notwendig:
- Ein Dreifach-Umschalter für FWD und REV, dritter Schalter von PA6 nach GND zur Aktivierung der zweiten Messbrücke.
Einfachere Alternative: Je Koppler verschiedene Stecker, z.B. Diodenstecker, wobei im Stecker der zweiten Messbrücke eine Verbindung von PA6 nach GND hergestellt wird. - Optional LED-Anzeige an PA7, LED ist an (PA7 high), wenn die zweite Messbrücke aktiviert ist.
Das Setup stellt sich mit dem Einschalten des Gerätes automatisch entsprechend der Beschaltung von PA6 ein:
- Keine Verbindung von PA6 nach GND: Messbrücke 1, Anzeige "Unit 1"
- PA6 nach GND geschaltet: Messbrücke 2, Anzeige "Unit 2".
Bis auf die beiden Messbrücken gemeinsame ADC-Referenzspannung können alle anderen fünf Messbrückendaten (s.o. zu 5.1) je Messbrücke angepasst werden. Im normalen Messbetrieb werden entsprechend der Schalterstellung an PA6 mit dem Einschalten des Gerätes die passenden Messbrückendaten aus dem EEPROM gelesen.
6.5 Remote-Messbrücke 50 Watt
Februar 2014: Seiner neuen PA hat Norbert, DG1KPN, gleich auch eine neue Messbrücke für Leistungen bis zu 50W spendiert. Sie wird abgesetzt von der Anzeige betrieben, verbunden über ein abgeschirmtes Kabel.
Abb. 6.5: 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.
Daten:
- Ringkerne FT50-43, 14 Wdg. CuL 0,5 mm
- Semi Rigid-Koax, Isolation unter den Ringkernen
- Dioden: 1N34
Abb. 6.6: 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, Detailansicht.
Nach Vermessen der FWD-Diode, Berechnung der Fitparameter für die Korrekturfunktion mit Excel und Eingabe in das ATmega-Programm war der Koppler ohne weitere Abgleicharbeiten sofort funktionstüchtig, was Norbert schon ein wenig beunruhigte. Ist es möglich, dass etwas auf Anhieb funktioniert? Offensichtlich ja. Bisweilen. Bei einem solch bildschönen Aufbau kann das ja mal passieren.
Ein Präzisionsinstrument kann und will das SWR- und Powermeter nicht sein. Um eine Vorstellung von der Messgenauigkeit zu bekommen, hat Norbert den Frequenzgang zwischen 1,8 und 50 MHz ausgemesen.
Abb. 6.7: Genauigkeit der Leistungsmessung zwischen 1,8 und 50 MHz an einer 50Ω Dummy-Load.
Neben der rechnerischen Diodenkorrektur spielen die Impedanzen am Ein- und Ausgang eine nicht zu unterschätzende Rolle. Exakte 50Ω-Abschlüsse sind eher Glücksache. Mit all diesen Unwägbarkeiten bleibt aber der Fehler in der Messanordnung immer unterhalb von 5%. Ist ja auch schon was. Im gezeigten Beispiel sind das gerade einmal +/- 100 mW Unsicherheit. Auf der anderen Seite ist zur Abstimmung einer Antenne das SWR die wesentliche Messgröße. Und da heben sich die Messfehler im FWD- und REV-Zweig bei hinreichender Symmetrie und mit etwas Glück auf.
Die untere Messgrenze dieser 50W-Messbrücke liegt mit den 1N34-Dioden bei gemessenen (!) 100 mW, QRP geht also auch damit.
Auch die Messungen mit dem DG8SAQ Vector Network Analyzer bei Abschluss mit 50Ω können sich sehen lassen.
Abb. 6.8: 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, VNWA-Messungen S11 und S21.
Die Durchlassdämpfung S21 (grün, korrekt Vorwärts-Transmissionsfaktor mit negativem Vorzeichen) ist linealglatt bis 50 MHz kleiner als 0,1 dB.
Die Reflexionsdämpfung S11 (rot, korrekt Eingangs-Reflexionsfaktor mit negativem Vorzeichen)
bewegt sich von 1,8 bis 50 MHz fast durchgehend unterhalb 30 dB,
VSWR (blau) 1,05 bis 1,08.
Solch schöne Daten schreien förmlich nach einer ebenso schönen Verpackung. Norbert hat dem Teil noch ein nettes Kleidchen verpasst.
Abb. 6.9: Finish der 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.
Die selbstklebende InkVinyl-Folie wurde zunächst mit dem Tintenstrahler bedruckt. Danach wird die Oberfläche mit einer selbstklebenden Klarsichtfolie versiegelt. Selbstklebende Transparentfolien gibt es übrigens auch für Laserdrucker.
6.6 Remote-Messbrücke bis 750 Watt
Die Geschichte ist noch nicht zu Ende. Nach den bisherigen Ergebnissen war Norbert nicht mehr zu halten. Herausgekommen ist eine Messbrücke von 1 bis 750 Watt.
Abb. 6.10: Die fertige 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.
Schmuck wie der kleine 50W-Bruder sieht der Bolide von außen aus. Das Gehäuse misst 64 x 101 x 40 mm, war vor einiger Zeit im Pollin-Angebot. Aber schauen wir uns mal das Innenleben an.
Abb. 6.11:Innenansicht der 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.
Für QRO ist alles ein wenig größer:
- Ringkerne FT114-43
- 30 Windungen 0,8 mm CuL
- Koax-Kabel RG393 (oder RG213, RG214)
- N-Buchsen im oberen Leistungszweig
- Dioden 1N34
Auch das Schaltungskonzept ist für eine vielseitige Anwendbarkeit, insbesondere aber zur Optimierung der Richtschärfe etwas anders ausgelegt. Hier sind Ideen von DL4JAL [3] mit eingeflossen.
Abb. 6.12: Schaltung der 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.
Der Messkreis im unteren Teil enthält neben den zwei bewährten Diodenanordnungen zur Messung von Vor- und Rücklauf (Forward, Reverse) folgende Besonderheiten:
- Durch Umpolen der Ringkerne sind, anders als in [1], die Ausgänge "Incident" und "Reflected" dem üblichen Anschlussschema von Richtkopplern angepasst.
- Die Seele des Koax-Kabels durch den unteren Spannungstransformator ist an die BNC-Koax-Buchsen "Incident" und "Reflected" herausgeführt.
- Die beiden 50Ω-Lastwiderstände sind in Form von handelsüblichen 50 Ω-Abschluss-Steckern dort aufsteckbar.
- Mit zwei Jumpern lassen sich die Diodengleichrichter ankoppeln oder abtrennen.
- Am Ausgang "Incident" ist ein 30p-Trimmer zur Optimierung der Richtschärfe angeordnet.
Bei 750W PEP an 50Ω Antennenlast und mit 30 Ringkernwindungen ist ein maximaler Forward-Ausgang von ca. 9V DC zu erwarten. Je nach zu verwendender Auswerteeinheit (analog oder digital) kann es notwendig werden, die 1M-Arbeitswiderstände an den Kathoden der 1N34 durch Spannungsteiler zu ersetzen.
Eine präzise Herstellung der Teile im Leistungsteil wird mit guten Daten belohnt. So sauber hat Norbert die Teile vorbereitet:
Abb. 6.13: Einzelteile der 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.
Das hier verwendete RG393-Koax mit PTFE-Isolator übersteht spielend die Löttortur. Bei Koax-Kabeln mit PE-Isolation muss man halt aus dem aufgebröselten Abschirmgeflecht eine Wurst zwirbeln. Mit etwas Geduld, Kühlung der Außenisolation, z.B. in einem Schraubstock, und vielen Pausen lässt sich aber auch auf PE-isolierten Koax-Kabeln eine durchgehende Verzinnung des Abschirmgeflechts wie in Abb. 6.13 hinbekommen. Die Koax-Kabel werden mit einem geeigneten Isoliermaterial in den Ringkernen zentriert. Nicht jeder wird solch passende Tüllen parat haben.
Der CuL-Draht muss eng am Ringkern anliegend gewickelt werden. Für 30 Windungen 0,8 mm CuL auf den FT114 werden ca. 85 cm Drahtlänge gebraucht. Drahtenden entsprechend lang zum Durchfädeln im Gehäuse. Ergibt eine Induktivität von ca. 400 µH.
Die Messungen von S11 und S21 ("Durchlass-" und "Reflexionsdämpfung") mit dem DG8SAQ VNWA ergaben auf Anhieb noch bessere Werte als beim kleinen 50W-Bruder.
Abb. 6.14: 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, VNWA-Messungen S11 und S21.
Gutes geht aber noch besser. Hierfür ist der 30p-Trimmer an der Incident-Buchse zur Optimierung der Richtschärfe zuständig. Da die Messung der Richtschärfe nicht zum täglichen OM-Handwerk gehört, sind im Download (Messungen an Richtkopplern.pdf) einige Hinweise zusammengestellt.
Zunächst die Messanordnung.
Abb. 6.15: Messanordnung zur Optimierung der Richtschärfe.
Mit einem vektoriellen, z.B. VNWA, oder einem skalaren Netzwerkanalysator, z.B. FA-NWT, wird in der in Abb. 6.15 gezeigten Anordnung zwischen 1 und 60 MHz gewobbelt. Mit dem Trimmer wird das Reflected-Signal im gewünschten Frequenzbereich minimiert. Bei einem idealen Koppler und idealem 50Ω-Abschluss an Port 2 dürfte an Port 4 überhaupt nichts ankommen.
Mit N = 30 Windungen ist die Kopplungsdämpfung (Coupling factor) 20*LOG(1/N) = 29,54 dB. Dieser Wert ist zu den dargestellten Daten zu addieren. Die Kurve nach Addition der Koppeldämpfung entspricht der Richtschärfe (Directivity) des Kopplers. Zwischen 1 und 30 MHz sollten leicht 40 dB zu schaffen sein. An diesem Koppler wurden erreicht:
Abb. 6.16: 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, S21 Koppeldämpfung.
Die Koppeldämpfung S21 (grün) weicht vom für N=30 berechneten Wert 29,54 dB im Bereich von 1 bis 30 MHz um maximal 0,08 dB ab, bei 50 MHz sind es 0,26 dB. Insgesamt ist der Verlauf glatt und flach.
Fehlt noch die Richtschärfe (Directivity). Der DG8SAQ-VNWA kann sie direkt anzeigen. Erläuterungen zur Messanordnung im Download.
Abb. 6.17: S21 Directivity
Von 1.8 bis ca. 35 MHz ist die erreichte Richtschärfe größer oder gleich 40 dB. Gar nicht übel. Für eine Power-/SWR-Anzeige allemal.
Bleibt noch zu klären, ob und wie der 5V-ADC des AVR in der Anzeigeeinheit mit 750W oder höher bei dem hierfür nicht passenden Windungsverhältnis 1/30 umgehen kann. Auf alle Fälle wird die maximal messbare ADC-Spannung von 5V schon unterhalb von 750W überschritten.
Nach [1] ist die angezeigte Leistung P = (U2 * Z * N2) / R2
mit U = ADC-Spannung (5V)
Z = Systemimpedanz (50Ω)
N = Ringkernwindungen (30)
R = Lastwiderstand (50 Ω)
Für N = 30 ergibt sich damit P = 450W maximal darstellbare Leistung (Peak power).
Die den beiden ADC im AVR angebotene Messspannung muss also reduziert werden. Wird nur ein Koppler verwendet, kann dies durch Umdimensionierung des Spannungsteilers am Ausgang der beiden OpAmps (Abb. 1 in [1]) erfolgen. Die dort vorgesehene Dimensionierung war so ausgelegt, zusammen mit der Verstärkung der OpAmps von 2 eine kalibrierte Gesamtverstärkung von 1 herzustellen.
Soll die bestehende Möglichkeit offen gehalten werden, zwei verschiedene Koppler umschaltbar mit der Anzeigeeinheit einzusetzen (QRP/QRO), muss im QRO-Koppler eine Anpassung vorgenommen werden. Dazu werden die 1MΩ-Lastwiderstände der Dioden (Abb. 6.12) durch 25-Gang-Präzisionstrimmer 1MΩ ersetzt. Hier erfolgt eine Reduzierung der Messspannung auf z.B. 5V bei 750W. Einstellung für beide Richtungen: TX an Eingang TX (forward) und TX an Ausgang Antenna (reverse). Zum Ausgleich muss diese Reduzierung in der Software wieder rückgängig gemacht werden, ohne die Spannungskalibrierung der OpAmps zu verändern. In der Software V2.01 kann dies im Setup für beide Koppler getrennt vorgenommen werden, dort Setup Nr. 7, "CalFactor".
Mit 750W ist Ende der Fahnenstange. Norbert, es war die reine Freude, mit Dir zusammenzuarbeiten.
Für diejenigen, die sich von unseren Ergebnissen angesprochen fühlen, bietet Norbert einen kostenlosen Service an. Er vermisst eine zugeschickte Diode und ermittelt die Parameter der Korrekturfunktion wie oben in Abschnitt 6.2 dargelegt zur Eingabe in die Firmware. Beigelegter adressierter und frankierter Rückumschlag genügen.
Anfragen über das Kontaktformular auf dieser Website
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