Voor het meten van het uitgangsvermogen van een transceiver is een meetbereik vanaf één Watt tot een paar honderd Watt en een nauwkeurigheid van een paar procent ruim voldoende.

Dit meetbereik en deze nauwkeurigheid kunnen eenvoudig behaalt worden door de transceiver aan te sluiten op een dummy load en de spanning over de dummy load te meten met een enkelfase gelijkrichter. De impedantie van de dummy load moet overeenkomen met de uitgangsimpedantie van de transceiver. In de praktijk is dit vrijwel altijd 50 Ohm.

Het dummy load vermogensmeter principe is een goed alternatief voor de onnauwkeurige SWR meter met vermogensschaal en de nauwkeurige maar dure commercieel vermogensmeter.

• Voordelen
  • eenvoudig meetprincipe
  • goedkoop en eenvoudig zelf te bouwen
  • praktisch bruikbaar vanaf minder dan een Watt tot meer dan een kilowatt
  • hoge nauwkeurigheid (enkele procenten)
  • bij gebruik van Digitale Multimeter is ijken niet nodig

• Nadelen
  • geen meting bij live uitzending mogelijk, de transceiver moet losgekoppeld worden van antenne
  • de maximale meettijd is afhankelijk van gebruikte heatsink

Op HF dummy load vermogensmeter theorie vind je de theoretische beschrijving en de afleiding van de gebruikte formules voor deze meetmethode.

De dummy load moet over het hele gebruikte frequentiebereik een SWR hebben die dicht bij 1:1 ligt. Door deze lage SWR geeft de DC uitgangsspanning een nauwkeurige indicatie van het vermogen wat in de dummy load wordt opgenomen.

De eenvoudigste methode voor het meten van de DC uitgangsspanning is een nauwkeurige digitale multimeter (DMM). Met onderstaande formules is hieruit eenvoudig het in de Dummy load opgenomen vermogen te berekenen.

Je hoeft bij gebruik van een DMM niets te ijken. De nauwkeurigheid van deze methode ligt direct binnen een paar procent.

Je kunt ook een standalone instrument bouwen waarbij het gemeten vermogen direct op een schaal of display wordt weergeven. Dit kan zowel analoog als digitaal.

Een goed voorbeeld van een analoge standalone vermogensmeter is het project van Z33T Mile geeft een gedetailleerde bouwbeschrijving met foto's en beschrijft ook een eenvoudige en nauwkeurige methode om de schaal van je analoge meter te ijken in Watt.

• Voordelen
  • vermogen direct afleesbaar
  • eenvoudige bouw
  • hoge nauwkeurigheid

• Nadelen
  • custom made schaalverdeling noodzakelijk
  • bij maken van schaalverdeling is een ijkprocedure noodzakelijk

Wil je digitale vermogens uitlezing bouwen, dan zijn er veel mogelijkheden, zoals een Arduino. De Arduino kan de gemeten DC spanning direct omrekenen naar vermogen.

Bij het meten van hogere vermogens loopt de DC spanningsnel op (50 Watt geeft ca 70 Volt). Hou er rekening mee dat je voor hogere vermogens een spanningsdeler nodig hebt om de analoge ingang van de Arduino niet te beschadigen.

• Voordelen
  • vermogen direct afleesbaar
  • nauwkeurige meting
  • ijken niet nodig

• Nadelen
  • complexere en duurdere bouw
  • programmeerkennis noodzakelijk

Voor het berekenen van het gemeten vermogen gebruik ik de onderstaande formules. Op HF dummy load vermogensmeter theorie vind je de afleiding van deze formules.

• `P` is gedissipeerd vermogen in Watt
• `Uo` is gemeten DC uitgangsspanning in Volt
• `Uk` is de kniespanning van de gebruikte diode('s) in volt
• `Ur` is maximale reverse spanning diode('s)

Voor een 50 Ohm dummy load:

`P = ((Uo + Uk)/10)^2`

`Uo = 10sqrtP - Uk`

`Ur = 20*sqrt(P) + Uk`

`Pmax = ((Ur - Uk)/20)^2`

Bij hoge waardes van Uo en Ur is de invloed van Uk verwaarloosbaar en kan weggelaten worden, waardoor de formules vereenvoudigen.

`P = ((Uo)/10)^2`

`Uo = 10sqrtP`

`Ur = 20*sqrt(P)`

`Pmax = ((Ur)/20)^2`

Het theoretische schema met ideale componeren is eenvoudig. In de praktijk moeten we rekenen houden met de praktische eigenschappen van de gebruikte componenten.

Voor dit ontwerp heb ik gebruik gemaakt van een 50 ohm, 250 Watt dummy load met een frequentie bereik van 0 - 3 GHz. Deze dummy load weerstanden zijn voor weinig te koop op diverse grote online platforms en zijn eenvoudig op een heatsink te monteren.

• RFP-250-50TC datasheet

Let op

• De HF aansluitlip is vrij kwetsbaar, buig deze zo min mogelijk op en neer.
• Deze weerstanden bevatten beryllium oxide. Zaag, of vijl niet aan deze weerstanden vrijgekomen stof is giftig.

De temperatuur van de gebruikte dummy load mag oplopen tot 100 ºC voordat het maximaal te dissperen vermogen terugloopt. (zie de grafiek in de datasheet).

Bij het kiezen van een heatsink heb in je junkbox gekeken voor geschikte heatsink. Deze heatsink kan circa 3 minuten 100 Watt dissiperen voordat de dummy load 100 ºC wordt. Dit is voor mijn metingen lang genoeg. Voor een langere meettijd kun je kiezen voor een grotere heatsink en/of een koelfan.

Elke type condensator heeft een maximale bruikbare frequentie kent. Boven deze frequentie speelt de zelfinductie van de condenstor een steeds groter rol. De condensator zich als spoel te gedragen. Bij condensators met een hoge capaciteit is de bruikbare frequentie lager dan bij condensators met een kleine capaciteit. Daarnaast maakt het uit welk type condenstor je gebruikt. Ceramische of mica condensators zijn tot een veel hogere frequentie bruikbaar dan een een MKT polyester condensator.

Bij een hoge frequentie liggen de toppen van de sinus in tijd dichter bij elkaar dan bij een lage frequentie, hierdoor mag de condenstor voor hoge frequenties kleiner zijn dan die voor de lage frequenties om het zelfde afvlakkende effect te bereiken.

Om de enkelfase gelijkrichter over een groot frequentie bereik te laten functioneren, worden er twee condensators parallel geschakeld een polyester condensator met relatief hoge waarde voor het lage frequentie bereik en een ceramische of mica condenstor met een relatief lage waarde voor het hoge frequentie bereik.

Omdat de DC belasting van gelijkrichter hoog omhing is en weinig stroom trek, zijn de waardes van de twee condensators niet kritisch. In de praktijk voldoen de volgende waardes.

• C1 = 100 pF of hoger, ceramisch, mica of vergelijkbaar
• C2 = 47 nF, MKT of vergelijkbaar

Om te voorkomen dat er HF op de DC uitgangspennen komt te staan kan er gebruik gemaakt worden van een Pi filter met een spoel Omdat ik de benodigde componenten had liggen heb ik dit project met PI filter gebouwd, maar dit is niet strikt noodzakelijk. De meter werkt zonder Pi filter ook uitstekend. De waarde van de spoel is niet kritisch, ik heb gekozen voor de zelfde waarde die Mile Z33T in zijn ontwerp gebruikt.

• C1 = 100 pF of hoger, ceramisch, mica of vergelijkbaar
• C2 = 47 nF, MKT of vergelijkbaar
• C3 = 100 pF of hoger, ceramisch, mica of vergelijkbaar
• C4 = 47 nF, MKT of vergelijkbaar
• L = 470 μH

Voor dit ontwerp heb ik gebruik gemaakt van de BAT41 Schottky diode, dit is een snel schakelende diode met een lage kniespanning, een hoge maximale reverse spanning en een lage reverse capaciteit. Deze diode is te koop op diverse grote online platforms. In Nederland wordt deze diode geleverd door o.a. HaJé

• BAT41 datasheet

De gebruikte diode BAT41 heeft een maximum reverse spanning van 100 Volt. Met die hierboven geven formules is te berekenen hoeveel diodes in serie geschakeld moeten worden, voor het meten van hogere vermogens.

De gebruikte dummy load het een maximale vermogen van 250 Watt

Dit is net boven de de maximale `Urev` van 300 Volt van drie diodes in serie.

Berekening van het maximale te meten vermogen aan de de hand van `Urev` voor 3 en 4 diodes in serie.

Omdat voor mij de bovengrens van 223 Watt ruim voldoende is, heb ik gekozen voor een ontwerp met drie BAT41 diodes. Wil je meer vermogen kunnen meten, kies dan voor vier of meer diodes.

Bij het gebruik van meerdere diodes wordt de totale reverse capaciteit verlaagd en het frequentiebereik aanzienlijk verhoogt.

De totale reverse capaciteit gelijk aan:

`CrevT = (2 pF)/N`

`N` = aantal diodes

Het aantal diodes beïnvloed het minimaal te meten vermogen. Dit is alleen relevant bij het meten van vermogens in de range van milliwatt's.

Als laatste heb ik i mijn ontwerp een uitgangsweerstand van 10 kΩ toegevoegd, deze weerstand beperkt de uitgangsstroom bij kortsluiting van de uitgang en beveiligd de diodes tegen overbelasting.

Van de BAT41 is de maximale toegelaten If = 100 mA, mits de aansluitdraden op kamertemperatuur blijven. Het is verstandig om de stroom bij kortgesloten uitgang ruim onder deze waarde te houden om geen onnodige warmte ontwikkeling in de diode te veroorzaken. Met een weerstand van 10 kΩ kan de volgende maximale If gegenereerd worden.

Dit zit ruim onder de maximale If = 100 mA van de BAT41 en zorgt voor een effectieve kortsluitbeveiliging. Bij een praktijk metingen met een Digitale Multimeter blijkt Uo voor en achter de diode minder dan 1% af te wijken. Dit is ruim binnen nauwkeurigheid die ik in dit project wil bereiken.