SBK matuoklis

SBK matuoklis SBK matuoklis
Problemos su SBK matuokliais privertė mane pasidomėti jų konstrukcijomis ir apskaičiavimais. SBK matuoklis linijų pagrindu praveriant po kabelio šarvu laidininkus principe yra neblogas ir paprastas, tačiau jo jautrumas keičiasi priklausomai nuo dažnio. Todėl tokios konstrukcijos iš karto atsisakiau. Ko gero optimaliausias SBK metras yra su srovės transformatoriumi. Šis prietaisas matuoja įtampą, esančią linijoje u' ir joje tekančią srovę i'. Jame vyksta šių dydžių aplitudinis ir fazinis sumavimas. Įsigilinau į jo darbo principą ir skaičiavimus. Pasirodė, kad man žinomi SBK matuokliai mažiau ar daugiau yra blogai paskaičiuoti (o gal ir visai neskaičiuoti). Teorinio skaičiavimo teisingumui patikrinti pagaminau SBK matuoklį. Taip gavosi DL2KQ ir UA6CL aprašytų SBK matuoklių hibridas. Jo schema pavaizduoda paveikslėlyje.

Iš tikrųjų tai nieko naujo. Tokia schema yra seniai žinoma. Pabandysiu paaiškinti jos darbo principus, pateiksiu reikalingus skaičiavimus.

Srovė matuojama srovės transformatoriumi. Įtariu, kad mažai kas žino kaip jis dirba. Srovės transformatorius yra toks pat transformatorius, kaip ir įtampos, tik su kai kuriais niuansais, kuriuos pabandysiu paaiškinti. Pirminė apvija yra laidininkas, prakištas per žiedo kiaurymę. Jo antrinė apvija apkrauta rezistorių R1, R2, R3 ir R4 suma R'. Tada transformuota varža į pirminę apviją

kur w antrinės apvijos vijų skaičius. Pvz. jei w=20 ir R'=100W, tai R''=100/400=0,25W. Tai bus transformatoriaus nuosekliai apkrovai įnešama papildoma varža, ant kurios pirmine apvija tekant AD srovei i' kris įtampa U''=i'*R''. Jei pvz. tekės 2A, tai įtampa tarp pirminės apvijos išvadų bus U''=2*0,25=0,5V. Toliau įtampos transformacija paskaičiuojama kaip ir paprastame transformatoriuje. Praleisdami tolimesnius išvedžiojimus gausime, kad

kur P - TX galia, R - apkrova. Kaip nebūtų iš pirmo žvilgsnio keista, antrinės apvijos įtampa yra atvirkščiai proporcinga antrinės apvijos vijų skaičiui, t.y. kuo daugiau vijų, tuo mažesnė gaunama įtampa.
Esant subalansuotai schemai įtampa transformatoriaus antrinės apvijos kraštiniuose išvaduose vidurinio išvado atžvilgiu (UR'/2) yra lygi įtampai, gautai daliklio C1 ir C2 pagalba (UC2). Jų fazių skirtumas skirtinguose išvaduose yra 180°. Tuo būdu viename petyje daliklio (UC2) ir tranformatoriaus (UR'/2) įtampos sumuojasi, kitame kompensuoja viena kitą. Esant SBK=1, įtampos UC2 ir UR'/2 viename petyje susidės ir suminė įtampa bus lygi 2UC2 (UR'), kitame viena kitą kompensuos ir rezultatas bus lygus 0. Apkrovai esant ne tokiai, kokiai buvo subalansuotas SBK matuoklis, transformatoriaus ir daliklio įtampos skirsis ir nei viename petyje nulio negausime. Jei apkrova turės reaktyvinę dedamąją, srovės transformatoriaus ir įtampos daliklio įtampų fazės nesutaps ir vėl nei viename petyje nulio negausime.
Kaip matome, srovės transformatoriaus antrinės apvijos įtampos dydis bei jos fazė turi lemiamą įtaką matavimo rezultatui. Ši įtampa ir jos fazė turi tiksliai atitikti pirminės apvijos srovės parametrus visame SBK matuoklio darbo diapazone.Todėl didelės matavimo paklaidos dažniausia gaunamos dėl neteisingo srovės transformatoriaus skaičiavimo ir konstrukcijos. Parazitinė transformatoriaus apvijų talpa į "žemę" gali keisti jų įtampos dydį bei fazę. Transformatoriaus antrinė apvija turi atitikti AD plačiajuosčiams transformatoriams keliamus reikalavimus, t.y. turi būti vyniojama iškart dviem tarp savęs susuktais laidais (ilgos linijos transformatorius). Susukimų skaičius į ilgio vienetą apsprendžia gaunamos linijos banginę varžą. Ši varža randama iš lentelių. Pvz. kad gautume maždaug 50W banginės varžos liniją, reikia du 0,2mm diametro laku izoliutus laidus tarp savęs susukti maždaug 4 susukimais į centimetrą. Apkrovos rezistorius R' turi būti dvigubai didesnės varžos nei šios linijos banginė varža, t.y. šiuo atveju 100W. Transformatoriaus antrinės apvijos induktyvumas turi būti apie

kur fmin yra minimalus darbo dažnis. 100W apkrovai (R') ir žemiausiam dažniui 1,8 MHz praktiškai tai būtų 50 - 150mH. Tik išpildžius šias sąlygas gaunamos patenkinamos dažninės amplitudinė bei fazinė transformatoriaus charakteristikos 1,8-30MHz diapazone. O geram SBK matuokliui tai yra labai svarbu. Šie paskaičiavimai yra bendri ir nepriklauso nuo apkrovos varžos R.
Įtampa matuojama dalikliu C1 ir C2. Naudojami ir transformatoriaus tipo įtampos dalikliai (autotransformatoriai), tačiau nusprendžiau bent šiuo atveju naudoti kondensatorinį daliklį. Transformatorių sunkiau pagaminti, ypač jei SBK matuoklis bus naudojamas prie didelių galių. Kondensatorinis daliklis reikalauja didelės apkrovos varžos. Jei C1=6,2pF ir C2=200pF ir detektoriaus apkrovos varža (rezistorius, per kurį prijungiamas indikatorius) yra 100kW, tai jo įtampos paklaida 2-30MHz dažnyje neviršija 1,5%. Jei apkrova 10kW, paklaida tampa 15% ir bus žymus daliklio fazės postūmis 1,8 MHz diapazone. Todėl apkrova turi būti ne mažesnė nei 100kW, o tai realizuojama naudojant jautrų (ne daugiau 100mA) mikroampermertrą. Mažinant talpas atatinkamai reikia didinti apkrovos varžą. Matavimus dariau programos "Electronics Workbench" pagalba.
Užsidavus C2 paskaičiuojamas C1

Įtampa , krentanti ant C2 bus

Grubiai prietaisą galima balansuoti keisdami C1, tačiau esant geram montažui to tikriausia neprireiks. Rezistorius R4 skirtas tiksliam matuoklio balansavimui. Jis nedidelėse ribose keičia R', kas ekvivalentiška paderinimui C1 pagalba. Jei norėtume balansuoti vien C1 talpa, jį reiktų turėti paderinamą ir gan didelės maksimalios leidžiamos įtampos, kuri priklauso nuo galios. Paderinamas rezistorius yra paprasčiau ir patikimiau.
Detektorius naudojamas su įtampos dvigubinimu. Toks detektorius nereikalauja grandinės pagal nuolatinę srovę. Jei įtampos dalikliui naudotume transformatorių, detektorius galėtų būti paprasčiausias. Detektoriui geriausia naudoti diodus su Šotki barjeru (1N5711 ir pan.). Šie diodai turi mažą talpą ir mažą tiesioginės įtampos kritimą, kas svarbu matuojant mažą SBK ar dirbant maža TX galia, pakankamai didelę leistiną atbulinę įtampą. Bet kokiu atveju pagrindinė prietaiso matavimo paklaidos priežastis yra diodų nelijiniškumas ir tiesioginės įtampos kritimas, o viršijus maksimalią leidžiamą diodų atbulinę įtampą ir atbulinė srovė.

Paskaičiuokime 75W SBK matuoklį, skirtą prijungti prie 200W galios siųstuvo
Pirmiausia nusprendžiame, kad transformatoriui naudosime mano jau minėtą 50W liniją (4 susukimai į centimetrą 0,2mm laidu). Transformatoriaus apkrovos varža R'=2*50=100W. Diodus naudosime GD507A su maksimalia leidžiama atbuline įtampa Udmax=20V. Transformatoriaus vijų skaičius

Priimsime, kad w=22 (2x11) vijos. Kaip jau anksčiau minėjau,esant R'=100W induktyvumas turi būti apytiksliai lygus 50 - 150mH. Dabar reikia parinkti žiedą, ant kurio suvynioję 22 vijas gautume tokį induktyvumą. Jo skverbtis šiuo momentu domina tik tiek, kad kartu su jo gabaritais gautume reikiamą induktyvumą. Apvijos, užvyniotos ant feritinio žiedo induktyvumas paskaičiuojamas pagal formulę

kur h - žiedo aukštis, D - išorinis diametras, d - vidinis diametras (mm), m dielektinė skverbtis. Feritiniams žiedams apibūdinti kartais naudojamas parametras A_L. Tai vienos vijos induktyvumas. Jį galima paskaičiuoti iš jau duotos formulės. Tada

Taigi reikalingas žiedas su

Radau žiedą su A_L=0,1mH (išmatavau realaus žiedo). Jo m=400, K10x6x3. Jį lengvai galima užmauti ant RG58 kabelio, kurį panaudosime transformatoriaus tvirtinimui. Vidinis kabelio laidininkas atlieka pirminės apvijos vaidmenį, šarvas - ekrano. Kabelio ilgis apie 1 cm. Jo šarvas prie žemės prijungiamas tik iš vienos pusės. Dar kartą pabrėžiu, kad žiedo m šiuo atveju jokių apribojimų neturi, svarbu tik žiedo A_L. Nedidelis induktyvumo nukrypimas nuo apskaičiuotos reikšmės neturi didelės reikšmės, sunku rasti žiedą visiškai atatinkantį reikiamus parametrus. Nors ir gautume reikiamą induktyvumą su mažesniu vijų skaičiumi, reikia vynioti apskaičiuotą vijų skaičių, kadangi priešingu atveju padidės antrinės apvijos įtampa ir prie 200W galios per diodus gali žymiai padidėti atbulinė srovė, kas sumažins prietaiso matavimo tikslumą. Aštrios žiedo briaunos suapvalinamos smulkiu švitriniu popieriumi. Žiedas apvyniojamas polietilenine juostele kad vyniojant laidą nepažeisti jo izoliacijos. Vijos išdėstomos vienodu atstumu viena nuo kitos taip, kad apvija užimtų maždaug 4/5 žiedo. Vieno laidininko pradžia sujungiama su kito galu. Tuo būdu gaunamas vidurinis atvadas.
Apskaičiuojame R' galią

Priimsime, kad R1=R2=60W. Tokią varžą gausime lygiagrečiai sujungę po du 0,25W 120W rezistorius (viso 4 rezistoriai, 1W). Reiktų juos parinkti skaitmeniniu ommetru taip, kad kuo tiksliau būtų išlaikyta sąlyga R1=R2. Rezistoriai R3=R4=470W. Bendra rezistorių R1-R4 varžų suma sudarys apie 100W.
Priimame, kad C2=200pF ir apskaičiuojame C1

Naudojau C1=6,2pF. Kondensatorius C1 turi turėti maksimalią leidžiamą įtampą

Kitų kondensatorių maksimali leidžiama įtampa gali būti tik 20V. Kondensatoriai C3-C6 apie 10nF talpos (nekritiška), mažų gabaritų (KM).
Matuoklio konstrukcija analogiška UA6CL konstrukcijai su nežymiais pakeitimais. Reikia kuo geriau išlaikyti visos konstrukcijos simetriškumą ir kuo mažesnę talpą tarp detalių ir žemės, naudoti kuo trumpesnius detalių išvadus.
SBK daviklis yra ne visai simetriškas, t.y. negalima keisti TX ir apkrovos vietomis. TX turi būti jungiamas toje pusėje, kur jungiamas kondensatorius C1. Priešingu atveju kondensatorius C1 30MHz dažnyje esant 75W apkrovai padidina SBK iki 1,1 ir visiškai subalansuoti prietaiso nepavyks.
Naudinga mikroampermetrą su potenciometru sumontuoti atskiroje plastmasinėje dėžutėje ir prijungti prie daviklio plonu kabeliu. Tada indikatorių bus galima pastatyti bet kurioje patogioje vietoje, jis nebus "pririštas" prie storų AD kabelių. Esant tokiai konstrukcijai galima turėti keletą daviklių. Kad daviklis būtų atsparesnis trukdžiams, jis montuojamas mažų gabaritų metalinėje dėžutėje.
SBK matuokliui balansuoti reikalinga grynai aktyvinė apkrova. Tai realizuoti ne taip paprasta, kaip daugelis galvoja. Jei apkrova turės reaktyvinę komponentę, matuoklio nebus galima tiksliai subalansuoti. 75W apkrovos rezistorių galima padaryti iš keturių 300W MLT-2 tipo rezistorių, sujungus juos lygiagrečiai. Trumpam į tokią apkrovą galima paduoti 40W galią. Kažkur skaičiau, kad tokią apkrovą pamerkus į stiklinę su vandeniu galima padavinėti ir didesnę galią. Bandžiau taip, bet nuo vandens SBK blogėjo. Gal vanduo nebuvo distiliuotas, tačiau gero rezultato gauti nepavyko.
Balansuojant R4 keičiama transformatoriaus antrinės apvijos įtampa, o reaktyvumai apkrovoje pasuka fazę tarp srovės ir įtampos. Taigi, jei subalansuoti pilnai nepavyksta, pirmiausia įsitikinkite, kad apkrova neturi parazitinio induktyvumo ar talpumo. Kaip matėte, net keli pikofaradai turi įtaką jo parodymams. Kabelis, kuriuo prijungiama apkrova prie matuoklio, būtinai turi būti tokios pat banginės varžos kaip ir apkrovos varža. Apkrova prie kabelio jungima minimaliu laidų ilgiu. Jei balansuojant rezistorius R4 gaunasi kraštinėje padėtyje, nežymiai pakeiskite C1 talpą.
Pagamintą ir suderintą prietaisą patikrinau su 40W siųstuvu įvairiuose diapazonuose su įvairiomis apkrovomis. SBK parodymai buvo labai panašūs į paskaičiuotus. Taip pat jį galima patikrinti lygiagrečiai apkrovai prijungę reaktyvinę varžą, pavyzdžiui, kondensatorių. Šioje skaičiuoklėje įveskite apkrovos varžos reikšmę, kabelio banginę varžą omais, kondensatoriaus talpą (pF) ir dažnį (MHz), kuriame tikrinate matuoklį, ir nuspaudę mygtuką "SBK" gausite SBK reikšmę, kokią turi parodyti prietaisas.

Rp =       Cp =
Zk =        F =
                     SBK =

Atjungęs C1, prijungęs apkrovą 75W rezistorių ir padavęs iš standartinių signalų generatoriaus 1V į SBK matuoklio įėjimą išmatavau AD milivoltmetru įtampą ant VD3. Ji praktiškai nesikeitė 1,5-35MHz diapazone. Tai rodo, kad transformatorius yra teisingai paskaičiuotas bei pagamintas. Deja, fazines transformatoriaus charakteristikas neturėjau su kuo išmatuoti. Projektuojant SBK matuoklį didesnei TX galiai teks naudoti feritinį žiedą su mažesne skverbtimi (greičiausia su m=100), nes reikės daugiau vijų. Nereikia didinti įtampos, krentančios ant R'. Tai vers naudoti didesnės galios rezistorius, diodus su didesne atbuline įtampa. Prietaiso tikslumas dėl to nepadidės, nes tiesioginės įtampos kritimas, kaip minėjau, silicio dioduose didesnis.
Beveik visos naudojamos formulės išvestos mano paties. Niekur neradau konkrečios SBK skaičiavimo metodikos. Todėl galėjau kažą ir ne taip nuskaičiuoti… Tačiau pagamintas SBK matuoklis parodė, kad skaičiavimai atlikti teisingai. Sumaketavau ir patikrinau jo darbą kompiuterinės programos "Electronics Workbench" pagalba. Testai parodė, kad matavimo principas yra teisingas - apkrovai esant aktyviai, reaktyviai ar mišriai SBK parodymai turi būti teisingi. Jei taip nėra, kaltas montažas ar detalės.

Matuoklio schema gali būti ir tokia.

Skaičiavimai atliekami analogiškai. Kondensatorius C2 imamas truputį mažesnės talpos nei paskaičiuotas, o matuoklis derinamas paderinamu kondensatoriumi C7. Kadangi čia didelės įtampos nėra, tai tinka paprastas keraminis 8-30 pF talpos kondensatorius. Paskutiniuose savo darytuose SBK matuokliuose naudojau diodus D311, jų yra labai mažas įtampos kritimas, o maksimali atbulinė įtampa lygi 30V. Skaičiavimus dariau 25V, naudodamas vieno vato galios rezistorių R`= 100om. Žiedą naudojau K7x4x2, m=600, jo Al=0,15mH. Suvyniotą jį paprasčiausia užmaunu ant atatinkamo storio laido su izoliacija. Ekrano tarp žiedo ir laido nedarau, nedidelė talpa tarp apvijų ir laido sumuojasi su kondensatoriaus C1 talpa. Šis talpa yra tik naudinga, idealiu atveju iš jo galėtų būti sudarytas C1. Tokiu atveju ir srovė, ir įtampa būtų matuojami viename taške. Kondensatoriaus C1 talpa priklauso nuo naudojamo indikatoriaus jautrumo. Su jautriais (10mA) indikatoriais galima naudoti mažesnę talpą (3pF), su mažiau jautriais (100mA) 7 - 8 pF. Naudojant jautrų indikatorių galima lygiagrečiai kondensatoriui C2 prijungti 100 ar daugiau kiloomų varžos rezistorių, o detektorius daryti be įtampos dauginimo, t.y. kiekvienam detektoriui naudoti vieną, o ne du diodus. Šiuo atveju taip pat nereikalingi C3 bei C4.
Kartais apkrovos rezistorius R' sudaromas iš vieno rezistoriaus ir prijungiamas tarp srovės tranformatoriaus apvijų kraštinių kontaktų. Tačiau, kaip parodė praktika, taip jį prijungus matuoklis aukštuose dažniuose turi žymią paklaidą. Naudinga užšuntuoti abi transformatoriaus apvijas apkrovos rezistoriais R1 ir R2. Geras varijantas yra R1=R2=51W 0,5W.

F_min=	MHz
P_R1=	W
R1=R2=	Ω
Pmax=	W
Z_k=	Ω
C1=	pF

A_Lopt=	µH
A_L =	µH
L_opt =	µH
L =	µH
w = 2x
C2 =	pF

Išorinis diametras	mm
Vidinis diametras	mm
Aukštis	mm
Skrebtis
	µH

Norintiems SBK matuoklį patalpinti stiprintuvo dėžėje, rekomenduoju paskaityti jau mano minėtą DL2KQ straipsnį šia tema. Tačiau jo siūloma gan sudėtinga matuoklio konstrukcija yra aktuali tik tada, kai SBK matuoklį veikia stiprūs AD laukai. Kitu atveju nėra prasmės taip daryti. Tačiau rekomenduoju tik pasinaudoti konstrukcija, o transformatorių suskaičiuoti ir išpildyti pagal anksčiau mano duotas rekomendacijas.

Apie SBK matuoklius taip pat naudinga paskaityti UT1MA straipsnį. Tačiau man neprireikė jo siūlomų kompensacijų. Matyt tai yra dėl to, kad jo SBK matuoklio transformatorius yra kitaip suvyniotas. Tačiau kondensatorių C1 ir C2 prijungimo taško vieta tikrai yra svarbi.

Prietaiso skalę nesunku pasidaryti "Rudis" programos pagalba. Pavyzdį duodu. Čia yra nedidelė programėlė, paskaičiuojanti SBK matuoklio padalų koordinates (jei norėsite ką nors pakeisti). Atspausdinau lazeriniu spausdintuvu ant lipnaus balto popieriaus ir užlipinau ant jau esančios skalės (žinoma, prieš tai reikia prietaisą išardyti). Atrodo visai padoriai.

Kad matuojant nereiktų junginėti perjungėjo ir sukioti potenciometro, naudoju truputį pakeistą sekančią automatinio SBK indikatoriaus schemą. Ją naudojant SBK parodymai mažai keičiasi keičiantis TX galiai.

Vytas LY3BG