|
Acasă | Articole | Proiecte | Produse | Favorite | Despre | |
|
Postat la - 25 aprilie 2017
Aparatul de măsurare EMF sau Măsurător al intensității câmpului este un dispozitiv care măsoară câmpul electromagnetic din jur. Asta înseamnă că vei putea vedea radiația reală emisă de antenă fără a o conecta în linia de alimentare a antenei, așa cum ai face în cazul unui aparat SWR. Prin urmare, este util pentru ajustarea antenelor, emițătoarelor sau tunerelor între ele, analizând câmpul electromagnetic. Pentru o configurare bună poți folosi atât un aparat EMF cât și un aparat SWR corelate între ele, ca în imaginea de mai jos.
Undele electromagnetice excită electronii din antenă, forțându-i să se deplaseze înainte și înapoi, producând mici curenți alternativi. Folosind diferite metode de redresare, amplificare, acești mici curenți pot fi transformați în valori vizibile.
De exemplu, dacă un bec este atașat la capetele unei antene dipol aflată în prezența radiației electromagnetice, electronii încep să circule de la un element la altul prin filament, așa că dacă câmpul este suficient de puternic, becul va lumina (Fig. 2A). Acest caz nu se aplică pentru LED, deoarece este o diodă și va restricționa curgerea electronilor într-o singură direcție. LED-ul nu luminează deoarece, odată ce electronii unui element sunt împinși în celălalt prin LED, nu există o cale de întoarcere (Fig. 2B), conducând astfel la încărcarea pozitivă și negativă a elementelor dipolului. LED-urile sunt diode slabe de comutare (tensiune directă mare, capacitanță mare, curent de scurgere ridicat, eficiență slabă de redresare etc), totuși dacă conectezi două LED-uri în mod antiparalel (Fig. 2C) la capetele dipolului și dacă câmpul electromagnetic este de frecvență joasă, ele vor lumina, fiecare pentru o jumătate de ciclu, dar le vei vedea pe amândouă luminând cu aceeași intensitate în același timp datorită vitezei mari a frecvenței. Nu vei observa pâlpâiri nici măcar la frecvențe joase, cum ar fi 200Hz.
Pe internet am găsit o mulțime de scheme proaste. Multe dintre ele nu măsoară într-un mod liniar sau nu sunt suficient de sensibile, altele folosesc unele circuite integrate, etc. Un circuit interesant este AD8307, care este un amplificator logaritmic complet integrat 0-500MHz, foarte precis și ușor de folosit. Dar nu vreau să folosesc circuite integrate, așa că am decis să notez principalele obiective:
Acum că avem o idee de bază despre cum funcționează o antenă receptoare, e timpul să proiectăm aparatul EMF. În primul rând, curentul alternativ de la capetele antenei trebuie eșantionat cumva, apoi redresat-detectat, amplificat și în final afișat utilizatorului. După câteva experimente pe placa de test am tras următoarele concluzii:
1. Un voltmetru cu impedanță ridicată ar trebui folosit pentru a preveni încărcarea etapei de detector/redresor. Voltmetrul ar trebui să fie imun la variațiile de temperatură și tensiune de alimentare.
2. De asemenea, un divizor rezistiv ar trebui folosit pentru a seta gamele voltmetrului. Divizorul rezistiv va seta impedanța de intrare a voltmetrului.
3. Un tranzistor de intrare care urmează antena nu poate fi folosit deoarece va trunchia caracteristicile de bandă largă ale diodei. Trebuie folosit într-o configurație acordată. Dacă totuși se folosește un tranzistor, dinamica sa nu poate face față cazurilor când se dezvoltă tensiuni înalte la capetele antenei. Un astfel de caz apare când plasezi antena receptoare lângă antena emițătorului alimentată cu mai mult de 5W HF/VHF, pot apărea tensiuni mult peste 20Vp la antena receptoare.
Diagrama bloc arată astfel:
Cu mulți ani în urmă am cumpărat un microampermetru analogic ieftin pentru acest scop. Un aparat analogic va indica fluctuațiile în timp real, spre deosebire de unul digital care va măsura tensiunea în eșantioane pe secundă. O deviere completă pe acesta indică 50 uA cu o rezistență a bobinei de aproximativ 2.2 Kohm. Cu o rezistență atât de mică nu poate fi conectat direct la divizor, deci nici la etapa de detecție, din cauza problemelor de încărcare — practic va perturba ieșirea detectorului. Prin urmare, trebuie să existe un adaptor de impedanță mare între ele. Am încercat să folosesc niște tranzistoare BJT fără succes, așa că un JFET este necesar pentru acest job.
JFET-ul are o impedanță de intrare foarte mare, zeci sau sute de megaohmi pentru curent continuu. Am găsit câteva BF256B în cutia mea de piese, așa că o să folosesc acest tip de JFET pentru proiectul EMF. Pentru o bună înțelegere a acestui tip de tranzistor, te rog să citești articolul despre JFET din secțiunea SEMI de pe http://allaboutcircuits.com
Acest circuit de test poate fi folosit pentru a găsi regiunea sa liniară.
Următorul tabel reprezintă măsurători luate de la voltmetru și ampermetru în timp ce se rotește treptat potențiometrul.
| Voltaj Poarta-Sursa | Curent de Drena |
|---|---|
| -3.00V | 0.00mA |
| -2.75V | 0.09mA |
| -2.50V | 0.40mA |
| -2.25V | 0.86mA |
| -2.00V | 1.50mA |
| -1.75V | 2.24mA |
| -1.50V | 3.00mA |
| -1.25V | 3.90mA |
| -1.00V | 4.90mA |
| -0.9V | 5.32mA |
| -0.8V | 5.74mA |
| -0.7V | 6.19mA |
| -0.6V | 6.60mA |
| -0.5V | 7.00mA |
| -0.4V | 7.50mA |
| -0.3V | 7.99mA |
| -0.2V | 8.47mA |
| -0.1V | 8.94mA |
| -0.0V | 9.40mA |
În prima parte a acestui tabel, tensiunea de polarizare a fost crescută cu unități de +0.25V, în timp ce în a doua parte a tabelului tensiunea de polarizare a fost crescută cu +0.1V deoarece se dorește o rezoluție mai bună în regiunea liniară.
Reprezentarea grafică:
După o scurtă analiză a tabelului și a graficului, se poate observa că în regiunea liniară, o schimbare de +0.1V peste -0.5V la poartă va crește curentul de drenaj cu aproximativ 0.50mA.
Pentru a folosi această porțiune liniară ca voltmetru, JFET-ul trebuie polarizat astfel încât tensiunea Poartă-Sursă să fie setată la -0.5V ca punct de plecare, iar pentru fiecare unitate de creștere de 0.1V să se citească o deviație de +10uA pe scala indicatorului.
O deviație maximă pe acest aparat va indica 50uA. Scala sa reprezintă 0uA, 10uA, 20uA, 30uA, 40uA, 50uA.
Următorul tabel ar trebui să reflecte corelația între tensiunea de polarizare a porții și citirile în uA:
| -0.5V | 0uA |
| -0.4V | 10uA |
| -0.3V | 20uA |
| -0.2V | 30uA |
| -0.1V | 40uA |
| 0V | 50uA |
Pentru a obține -0.5V Poartă-Sursă, tranzistorul trebuie conectat conform schemei de mai jos, unde Rs poate fi calculat astfel: tensiunea pe rezistor trebuie să fie 0.5V, iar curentul prin el 7.00mA (vezi al doilea tabel de mai sus). Atunci Rs = U/I, adică Rs = 0.5/0.007 => Rs = 71.4 Ohmi.
Deoarece prin Rg nu curge niciun curent, datorită impedanței foarte mari a JFET-ului, tensiunea pe acesta este 0V. Indiferent de valoarea lui Rg, el va acționa ca un scurtcircuit între poartă și masă. Dacă un voltmetru este conectat cu firul roșu la Poartă și firul negru la Sursă, se va citi -0.5V, Poarta este polarizată invers! Trebuie avut mare grijă la măsurarea tensiunii Poartă-Sursă; dacă Rg este în jur de 10MOhmi, iar impedanța aparatului de măsură este sub 100MOhmi DC, se va obține o măsurătoare eronată.
Pentru a măsura acele unități de 0.50mA ale curentului de drenaj, aparatul analogic trebuie plasat între două divizoare de tensiune, precum într-un pod Wheatstone.
Când cele două brațe ale podului sunt echilibrate, adică același curent curge prin ambele brațe, nu există curent prin microampermetru, deci nu există citiri. Radj trebuie să imite caracteristicile JFET-ului, astfel încât să echilibreze podul. Pe rezistorii de 71 Ohmi va fi o cădere de tensiune de 0.5V, iar pe BF256 și Radj va fi o cădere de 8.5V, ambele brațe având curent de 7mA, astfel că totalul curentului când nu există citiri va fi 2 x 7mA = 14mA, Radj = 8.5 / 0.007 => Radj = 1214 Ohmi.
Dacă tensiunea Poartă crește de la -0.5V la 0V, curentul prin rezistorul de 71 ohmi va fi aproximativ 9.4mA, ceea ce înseamnă 0.64V. Pe celălalt braț al podului, pe rezistorul de 71 ohmi va fi aproximativ 0.5V, deci între cele două brațe va fi o diferență de aproximativ 0.14V. Microampermetrul are o rezistență internă de aproximativ 2.2K, deci 0.14 / 2200 = 63uA. Microampermetrul va indica aproximativ 63uA, dar scala sa poate citi maximum 50uA, așadar un rezistor trebuie plasat în serie cu microampermetrul pentru a indica 50uA la o intrare de 500mV. Valoarea acestuia poate fi găsită ușor, 50uA pe 2.2K înseamnă 0.11V, deci 0.14 - 0.11 = 0.03V trebuie căzut pe rezistorul din serie, valoarea acestuia fiind aproximativ 600 ohmi.
Acest tip de configurație Wheatstone este foarte sensibil la variațiile tensiunii de alimentare, ceea ce înseamnă vești proaste când este alimentat din baterie. De asemenea, fluctuațiile de temperatură ale rezistorilor sau ale tranzistorului vor duce la măsurători eronate, deoarece, în general, dacă temperatura crește, rezistorii își măresc valorile, în timp ce tranzistorul își scade rezistența, rezultând brațe foarte dezechilibrate în configurația Wheatstone.
Pentru a elimina acest efect, trebuie adăugat un calibrator de zero, un potențiometru care înlocuiește Radj și care va seta citirea zero pentru 0V la intrarea voltmetrului, de fiecare dată când acesta este pornit. Sau o metodă mai bună este folosirea acelorași componente pentru ambele brațe ale configurației Wheatstone, caz în care nu mai este necesar niciun calibrator de zero. Pentru această sarcină, componentele trebuie sortate cu atenție. Rezistorii trebuie să aibă aceeași valoare, tranzistorii aceeași curbă liniară, aceeași transconductanță.
Din păcate, la momentul construcției nu am găsit niciun rezistor potrivit de 71 ohmi, așa că am folosit unul de 68 ohmi cu rezultate similare, dar rezistorul de 600 ohmi a fost înlocuit cu un trimer, iar tensiunea de polarizare a fost ușor modificată.
Conform scalei microampermetrului, voltmetrul ar trebui să măsoare milivolți după cum urmează:
| 100mV | 10uA |
| 200mV | 20uA |
| 300mV | 30uA |
| 400mV | 40uA |
| 500mV | 50uA |
Fotografii din timpul construcției:
Volmetrul JFET poate măsura acum tensiuni între 0 și 500mV. Cred că un interval de la 0V la 50V ar trebui să fie suficient pentru contorul meu EMF, iar această limită de 50V va fi impusă de tensiunea maximă de străpungere a detectorului (descrisă în secțiunea următoare). Pentru a măsura în acest interval este nevoie de un divizor de tensiune în trei trepte.
Intervalele vor fi:
0V până la 0.5V
0V până la 5V
0V până la 50V
Divizorul de tensiune va avea o impedanță totală de 10Mohmi pentru curent continuu și va înlocui rezistorul de poartă de 10Mohmi de la intrarea voltmetrului. Tensiunea pe rezistențele divizorului poate fi calculată folosind această formulă:
Us = U * (Rs / Re)
Us - tensiunea căzută pe rezistorul selectat;
U - tensiunea pe întreaga rezistență a divizorului;
Rs - valoarea rezistorului selectat;
Re - valoarea echivalentă a întregului divizor.
Aceasta poate fi explicată ca tensiunea înmulțită cu raportul rezistorilor, unde raportul înseamnă cât de mic este un rezistor în comparație cu echivalentul total, de atâtea ori mai mic va fi curentul, tensiunea, pe rezistorul mai mic. Așadar, dacă avem la intrare 4.5V, ar trebui să reducem această tensiune la 450mV, de zece ori mai mică. Folosind formula rezultă Ur = 4.5 * (1000000 / 10000000) => Ur = 0.450V, ceea ce este corect. La fel pentru o intrare de 36V, la poarta JFET vom avea Ur = 36 * (100000 / 10000000) => Ur = 0.36V.
Toți rezistorii trebuie să fie de precizie 1% pentru divizor.
Prelevarea tensiunilor de la antenă se poate face prin mai multe metode:
Circuitul clamper cu diodă folosit în EMF-ul meu:
Când o tensiune RF este prezentă la intrare, pentru o alternanță, condensatorul de 820p va fi scurtcircuitat la masă de către diodă și încărcat la valoarea de vârf RF cu partea pozitivă spre rezistorul de 10K. Odată încărcat, tensiunea stocată va fi adăugată împreună cu valoarea medie a tensiunii RF care este 0V, deci dacă valoarea de vârf este 10V, tensiunea măsurată de detector va fi 0V + 10V = 10V. Desigur, dioda va avea o cădere de tensiune directă, BAT41 are aproximativ 350mV, atunci tensiunea reală afișată de detector va fi 0V + 10V - 0.35V = 9.65V. Tensiunea RF maximă suportată de detector este determinată de tensiunea inversă a diodei. Când condensatorul este încărcat și o alternanță se adaugă la tensiunea stocată, vor fi 50Vp RF + 49.65V pe condensator = 99.65V tensiune inversă pe diodă, iar cum dioda BAT41 suportă maximum 100V invers, atunci tensiunea de străpungere a detectorului este jumătate din tensiunea inversă a diodei. Rezistorul, bobina și condensatorul de ieșire formează un filtru trece-jos, care elimină orice RF rezidual. Rezistorul de 10K protejează de asemenea voltmetrul de curenți mari. Condensatorii ar trebui să fie cotați peste tensiunea inversă a diodei.
La început, când am testat acest circuit clamper, nu am folosit condensatorul de 820p la intrare (nu mai era un circuit clamper) și am observat pe osciloscop că dioda scurtcircuitează semnalul pentru o alternanță, astfel nu poate fi folosit ca sondă RF, de aceea condensatorul de intrare este cu adevărat necesar! Detectorul poate fi folosit ca sondă RF fără impact vizibil asupra circuitului măsurat datorită impedanței sale ridicate.
Am încercat să găsesc o alternativă mai bună pentru acea diodă BAT41, dar după analizarea mai multor fișe tehnice am ajuns la următoarea concluzie: diodele de frecvență foarte mare au o joncțiune mică pentru a avea mai puțină capacitanță, deci sunt disponibile doar cu tensiuni inverse mici, adică 2-12V. Aproape toate diodele au o regiune neliniară de la 0mV până la aproximativ 1000mV, măsurând semnale mici într-un mod foarte neliniar. Totuși, pentru un interval de 0-200Mhz și tensiune inversă medie, BAT41 își face treaba pentru mine.
Pentru a construi contorul EMF am folosit o carcasă mică de aluminiu, baterie alcalină de 9V, mufă BNC, comutator rotativ, buton și alte componente mai mici. Totul a fost măsurat cu atenție și poate mai bine de o oră am gândit cum să le așez în acea cutie mică. Partea grea a fost găurirea și frezarea carcasei groase de aluminiu.
Vedere frontală:
Vedere din spate:
1 - voltmetru
2 - divizor + comutator rotativ
3 - detector
4 - baterie 9V
5 - comutator ON/OFF
6 - mufă BNC
Din păcate, nu am găsit rezistori de înaltă precizie pentru divizor în cutia mea cu piese vechi. Dar toate componentele au fost selectate cu grijă pentru a oferi o potrivire cât mai bună.
Întregul circuit consumă aproximativ 13.5mA în stare de repaus și 15.2mA la deflexie maximă pe scară, cu acei rezistori de 68 Ohmi pe sursa JFET. O baterie alcalină de 9V care are o capacitate tipică de 550mAh va alimenta contorul EMF timp de aproximativ 25-30 de ore continuu. Deoarece nu există indicator de baterie și comutatorul rotativ are pini nefolosiți, ar fi util să existe un indiciu despre nivelul bateriei. Un alt divizor de tensiune va împărți tensiunea de alimentare pentru a fi măsurată de voltmetru atunci când poziția butonului este setată corespunzător.
Divizorul de tensiune pentru măsurarea bateriei va fi compus din doi rezistori, 9.5M și 500K, care vor seta deflexia completă pe scală la 10V. Desigur, la momentul construcției nu am găsit rezistori de precizie potriviți, prin urmare s-au folosit rezistori obișnuiți cu valori de 9.1M și 470K.
Măsurători calculate ale bateriei:
| 9.1M + 470K | 9.5M + 500K | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
Se poate observa că pentru o scădere de un volt există și o scădere de 5uA.
Schema finală: (clic pentru a mări)
Folosind o bucată de 30cm de sârmă ca antenă, aparatul EMF este suficient de sensibil pentru a detecta mișcări slabe ale acului de la 6-7 metri distanță de un emițător portabil VHF de 5W, cu două ziduri de beton între ele. Sensibilitatea pe UHF este mai slabă din cauza caracteristicilor slabe ale diodei. Pe 80m HF poate recepționa semnale de la câțiva metri distanță de o antenă dipol alimentată cu 4W CW. Mai mult, dacă conectez antena externă HF la aparatul EMF, obțin valori de aproximativ 600-800mV din cauza unui emițător de undă medie puternic (250KW, 855KHz) situat la aproximativ 30KM distanță.
Un alt test VHF a fost stabilirea unei distanțe între emițătorul portabil și aparatul EMF astfel încât să arate constant 1V pe scară la 50mW putere, apoi când am schimbat nivelul de putere la 500mW, valorile au crescut aproape la 3V, ceea ce confirmă o creștere de aproximativ 10dB.
Folosind aparatul EMF în paralel cu osciloscopul, măsoară aproximativ aceeași tensiune de vârf ca și osciloscopul. Măsurătorile nu sunt foarte precise din cauza rezistențelor cu precizie scăzută folosite în rețeaua de divizare. De exemplu, aparatul EMF măsoară 5Vp, osciloscopul 5Vp; aparatul EMF 11Vp, osciloscopul 10Vp; aparatul EMF 17Vp, osciloscopul 15Vp și așa mai departe.
Plănuiesc să înlocuiesc rezistențele din rețeaua de divizoare cu unele de precizie, dar între timp aparatul EMF poate fi folosit ca unealtă de referință pentru a observa fluctuațiile în câmpul electromagnetic și ca sondă RF.
Pentru a transforma citirile de tensiune în dB se poate folosi următoarea formulă: 20 * log (Vmax / Vmin). Astfel, o citire de la 10 la 50 pe scară este echivalentă cu o creștere de 13.9dB.
|
Acasă | Articole | Proiecte | Produse | Favorite | Despre |