2 Messungen mit einen HF-Stromwandler

Gespeichert von DL6GL am Do., 14.02.2019 - 08:47

2.1  Messprinzip in einer 50Ω-Umgebung

Will man berührungslos Strom und Leistung auf der Primärseite messen, ist für geordnete Verhältnisse zu sorgen. In üblichen HF-Umgebungen sind daher Rp = Rs = 50Ω. Die Leistung eines TX kann also nur mit einer 50Ω-Dummyload verlässlich gemessen werden. An Antennen mit zufälligen und selten bekannten Impedanzen kann man nur den Strom messen. Auch Mantelwellen auf einem Koax-Kabel sind zumindest qualitativ aufzuspüren. Ohne Mantelwellen heben sich die Magnetfelder der gegenphasigen Ströme im Innenleiter und auf der Abschirmung gegenseitig auf, Messergebnis also Null, siehe unten, Abb. 2.7.

Wird sekundärseitig mit einem 50Ω-System, etwa einem Powermeter, Netzwerk- oder Spektrumanalysator, gemessen, muss auch dort für korrekte Anpassung gesorgt werden.

50 ohms measurement option 1

Abb. 2.1: Powermeter/Netzwerkanalysator-Messung, Option 1.

Der Sekundär-Lastwiderstand Rs entfällt. Die 50Ω-Last bildet die Eingangsimpedanz des Messgerätes. Die gemessene Sekundärleistung ist unmittelbar zur Bestimmung der Primärleistung bzw. des Primärstroms heranzuziehen.

50 ohms measurement option 2

Abb. 2.2: Powermeter/Netzwerkanalysator-Messung, Option 2.

Der Sekundär-Lastwiderstand Rs = 50Ω ist eingefügt, wie er auch für hochohmige Messungen mit einem Scope oder einer Gleichrichterschaltung zu verwenden wäre. Die 50Ω Eingangsimpedanz Ri des Messgerätes liegt parallel zum Sekundär-Lastwiderstand Rs = 50Ω. Gesamtlast also 25Ω, womit sich die Spannung Us gegenüber der Schaltung nach Option 1 halbiert. Die gemessene Sekundärleistung ist um 6dB reduziert, nicht 3dB, wie bei einer Halbierung zunächst zu vermuten wäre. Es müssen Leistungen, nicht Spannungen betrachtet werden.

Mit Ri=50Ω-Last an der Sekundärwicklung (Option 1) stelle sich die Spannung U0 an Ri ein.

Leistung (Option 1)     P0 = U02/Ri [W] = 10 * LOG10(U02/Ri) + 30 [dBm]

Mit Us = U0 = 1V wird P0 = 0,02W = 13 dBm

Doppelte Last Rs||Ri, Rs=Ri=50Ω in Option 2. Sekundärspannung Us = U0 / 2.

Leistung (Option 2)     P0 = (U0/2)2/Ri [W] = 10 * LOG10((U0/2)2/Ri) + 30 [dBm]

Mit Us=U0/2 = 0,5V wird P0 = 0,005W = 7 dBm

Das Powermeter nach Option 2 misst nur noch ein viertel der Leistung, also 6dB zu wenig.

Nun zur Berechnung von Primärstrom und -leistung aus der gemessenen Sekundärleistung Ps:

Current sensor calculations

Der Primärstrom ist mit bekanntem Windungsverhältnis und Sekundärwiderstand aus der gemessenen Sekundärleistung bzw. der entsprechenden -spannung messbar. Die Primärleistung ist nur bei bekannter (ohmscher) Primärlast zu ermitteln.

2.2  Spezialfall 34dB-Koppler

Einen Sonderfall gilt es noch zu betrachten, bei dem der Primärstrom ohne Rechenkünste ermittelt werden kann. Den machen sich auch kommerzielle HF-Stromzangen zu Nutze.

Wenn wir einen Kopplungsfaktor von 34dB herstellen, genauer 33,98dB, lässt sich aus der Sekundärspannung Us mit Rs=50Ω der Primärstrom Ip unmittelbar ablesen.

Current sensor attenuator

Abb. 2.3: Ermittlung des Primärstroms Ip aus den Sekundärspannung Us.

Ein Kopplungsfaktor von 33,98dB wäre mit sekundär 50 Windungen herzustellen. Die HF-Eigenschaften könnten aber nicht mehr überzeugen. Also wäre mit weniger Windungen ein passender Abschwächer einzusetzen.

Nicht zufällig wurde der unten in Abb. 2.5 und 2.6 gezeigte Koppler mit 25 Windungen entsprechend 28dB Kopplungsfaktor ausgestattet. In einer 50Ω-Umgebung, Lastwiderstand Rs = Eingangswiderstand = 50Ω, wird eine Koppeldämpfung von 34dB erzielt (Abb. 2.6, blaue Kurve). Die 1MΩ Eingangsimpedanz des Scopes wird also mit einem 50Ω-Durchgangsterminator abgeschlossen. Der in Abb. 2.3 gezeigte Abschwächer entfällt in diesem Falle (25 Windungen entsprechend 28dB Koppeldämpfung) und wird wie in Abb. 2.2 durch den 50Ω -Lastwiderstand Rs an der Sekundärwindung ersetzt.

Für andere Koppelfaktoren ist ein passender 50Ω-Abschwächer einzuschleifen, Beispielrechnung:

n = Ns/Np 10
CF 20,00 dB
Zusatzdämpfung 50||50Ω 6,00dB
50Ω-Pi-Abschwächer 7,98dB
Gesamt-CF 33,98dB

Rechnerisches Windungsverhältnis n = 10^(CF/20) = 50,003.

Mit Ip = n * Is und Is = Us / Rs wird

Ip = n * Us / Rs.

Beispielrechnung

Gesamt-CF 33,98dB
n rechnerisch 50,003
Scope-Terminator 50Ω
Us 100,000mV
Ip 100,006mA

Damit ist eine 1:1-Konversion hergestellt, 1V sekundär entspricht 1A primär. Mit Us-RMS erhält man unmittelbar den zahlengleichen RMS-Primärstrom Ip und daraus bei bekannter Primärlast Rp die Primärleistung aus Ip2 * Rp.

In einem Excel-Sheet im Download können solche Messungen konfiguriert und ausgewertet werden.

Current sensor Excel calculation

Abb. 2.4: Excel-Sheet zur Berechnung eines HF-Stromsensors.

2.3  Messungen an einem Prototyp

28dB-Prototyp von DG1KPN mit 25 Windungen auf einem FT50-43-Ringkern. Bei 1kW hat der FT50-43 Ringkernen eine magnetische Flussdichte von nur 14 Gauss bei 1,8MHz zu verkraften, weit unterhalb vom empfohlenen Maximalwert 80 Gauss.

Power current sensor inside

Abb. 2.5: 28dB-Messwandler von DG1KPN.

Power current sensor VNWA chart

Abb. 2.6: Messergebnisse mit dem VNWA.

Die Transmission S21, gemessen mit Option 1 (Abb. 2.1), ist orange dargestellt, die mit Option 2 (Abb. 2.2) in blau. Der rechnerische Kopplungsfaktor 27,96dB wird mit der orangen Kurve mit 27,91 bis 28,20dB von 137kHz bis 50MHz gut wiedergegeben, überraschend sogar noch bis ca. 60kHz. Die blaue Kurve ist wie erwartet um 6dB abgesenkt, 33,89 bis 34,08dB. Das VSWR ist bis 28MHz < 1,10. Für höhere Frequenzen wäre ein FT50-61 wohl vorteilhafter.

Also: DIY kann doch zu respektablen Ergebnissen führen und macht zudem Spaß.

Mit einem HF-Powermeter wie hier beschrieben lässt sich in einem 50Ω-System die Primärleistung einfach messen. Wenn eine Zusatzdämpfung gleich der Koppeldämpfung ausgewählt wird, ergibt sich daraus unmittelbar die Primärleistung an einer 50Ω-Last. Im o.a. HF-Powermeter sind u.a. Dämpfungen von 20 und 30dB einstellbar. Passende Stromkoppler wären mit n = 10 Windungen (20dB), n = 32 Windungen (30,1dB) oder Kopplungsfaktor nach Wahl mit zusätzlichem Abschwächer.

Insbesondere bei QRO-Systemen kann ein Stromkoppler weiterhin verwendet werden, das TX-Signal mit einem Scope gefahrlos zu überwachen, gegebenenfalls auch Zweitonsignale zu untersuchen.

Spaßeshalber hat Norbert einige 0,5inch-Ringkerne aus seinem Bestand ausgemessen, darunter Eisenpulverkerne. Zusammenstellung im Download. Ergebnisse:

  • Für LF und HF ist ist der Amidon-Ferrit 43 (FT50-43) am besten geeignet,
  • der Amidon-Ferrit 61 (FT50-61) hat Stärken bei VHF,
  • der Amidon-Ferrit 77 (FT50-77) geht halbwegs im LF- und unteren HF-Bereich,
  • Eisenpulverkerne Amidon T sind für diese Zwecke völlig unbrauchbar.

Für den o.a. Mantelwellendetektor sind zwei Ringkerne vorteilhaft, einer um die abisolierte Kabelseele zur Messung des Antennenstroms wie gehabt (rechts im Bild) und ein weiterer um das gesamte Koax-Kabel. Letzterer zeigt ggf. vorhandene Asymmetrien in der Stromverteilung zwischen Kabelseele und Abschirmung an, die durch Mantelwellen verursacht werden. Zu den Gegentaktströmen auf der Kabelseele und der Innenseite der Abschirmung "rauf wie runter, gegenphasig" tritt dabei ein weiterer Gleichtaktstrom auf der Außenseite der Abschirmung "als Mantel" auf. Den würde der im Bild linke Ringkern feststellen.

Sheath current sensor

Abb. 2.7: Mantelwellensensor (Realisierung DG1KPN).

Die Koax-gespeiste Langdrahtantenne von DG1KPN liefert Mantelwellen "frei Haus" gleich mit. Ohne Mantelwellensperre. Beruhigend für Norbert: Die am Koax-Kabel aufgebrachten Klappferrite haben ihre Wirkung nicht verfehlt. Der linke Ringkern hat nichts zu vermelden.
Problem erkannt, Problem gebannt.