Sarcină artificială 50 Ohmi 1000 Watt 200 MHz

FRR – Campionatul National de Creatie Tehnica 2017

Sarcina artificiala

50 1KW 1-200MHz cu prelucrare computerizata a datelor

Valentin Tarala – YO4RLN

Introducere

                Sarcina artificiala sau Dummy load cum o mai regasim prin diverse documentatii, este un dispozitiv necesar la orice statie de emisie, cu ajutorul ei facandu-se diverse reglaje si masuratori la amplificatorul final. Aceasta deobicei poate avea diverse valori 50, 75, 200 si 300 ohm insa carateristica principala a sa este sa fie pur rezistiva, sau altfel zis sa nu aibe nici o componenta reactiva. Constructiv este imposibil sa se realizeze o rezistenta electrica fara componente reactive, ceea ce va duce la variatii ale impendantei odata cu cresterea frecventei.

                Constructiv sarcina artificiala poate lua diverse forme de la legarea in serie a mai multor becuri, la rezistente cufundate in ulei mineral pana la cele cu calorimetru. Eu m-am orientat catre o sarcina artificiala “uscata” realizata din 2 rezistente electrice cu pelicula groasa. Pelicula rezistiva a acestor rezistoare este realizata prin tehnologia straturilor groase (TSG), de unde şi denumirea de pelicula groasa (thick film). Mai pot fi intalnite si sub numele de rezistoare cu glazură metalică sau peliculă compozită. Pelicula rezistivă se obţine prin arderea controlată a unei paste rezistive depusă pe un suport izolant. Pasta rezistivă este un amestec format din praf de ruteniu şi oxid de ruteniu, iridiu şi oxid de iridiu, etc., sticlă şi un liant de legătură. Grosimea peliculei este de 15…30 µm. Pelicula rezistivă se depune prin serigrafie, metodă specifică straturilor groase. Sita serigrafică are la bază o ţesătură cu ochiuri foarte fine, cu fire din fibră de plastic, oţel, etc. După proiectarea imaginii pe care vrem să o imprimăm (imaginea negativă), se realizează sita, prin acoperirea cu substanţe fotosensibile, astfel incat se imprimă imaginea pozitivă. Sita este amplasată peste suportul pe care vrem să imprimăm, şi apoi cu ajutorul unei raclete pasta rezistivă este trecută peste sita, imprimandu-se in acest fel imaginea pozitiva dorita.

                                                    Aceasta tehnologie permite realizarea de rezistente electrice cu puteri de lucru foarte mari si reactante parasite foarte mici. Rezistentele utilizate la acest proiect sunt produse de renumita companie DICONEX si au o capacitate parazita de numai 10pF pentru o putere de 1000W.

Realizare

                Rezistentele utilizate sunt de 1000W si isi pastreaza caracteristicile pana la 500Mhz, mai sus in frecventa componentele reactive se isi vor face “simtita prezenta” si impendanta va fi diferita de 50 ohm ceea ce va duce la masuratori eronate. Problema principala si cea mai importanta este racirea cat mai eficienta a rezistentelor, care trebuie sa se faca cat mai eficient posibil. In acest sens s-a utilizat un radiator din aluminiu destul de mare cu o rezistenta termica de cca 0.1*C/W si ventilat artificial cu ajutorul unui ventilator de 12v cu cca 3000 RPM, avnd un debit de aer de cca 1mc/min. Pentru a realiza un transfer termic cat mai bun rezistentele au fost montate pe o bucata de cupru masiv, aceasta la randul sau a fost montata pe radiatorul de aluminiu. Avand in vedere faptul ca sarcina artificiala este un dispozitiv cu utilizare intermitenta, solicitarea termica este destul de mica.

La punerea in opera s-a avut in vedere sa se respecte pe cat posibil impendanta de 50 ohm, in acest sens cele 2 rezistente au fost montate cat mai aproape una de alta, sa utilizat un cablu coaxial de buna calitate semirigid RG403 care permite vehicularea de puteri foarte mari. Pentru masurarea puterii sa utilizat o punte de masura cu un divizor rezistiv care va masura amplitudinea tensiunii de radiofrecventa, aceasta este redresata, filtrata si apoi transmisa spre esantionare la un µC Atmel 328.

Partea de procesare a informatiei are ca element central un µC Atmel 328 (Arduino Nano) care se ocupa de achizitia de valorii tensiunii de RF, temperaturii si a benzii unde se face masuratoarea puterii. Toate aceste date sunt analizate afisate si ulterior transmise catre un calculator prin interfata USB. Afisarea locala se face cu ajutorul unui afisor grafic cu 128×64 pixeli monocrom. Puterea masurata va fi afisata atat grafic cu ajutorul unui BarGraf cat si numeric. O alta informatie utila este temperatura radiatorului. Datorita neliniaritatii diferitelor componente a trebuit sa se intervina la nivel de aplicatie unde s-a introdus o valoare de offset pentru corectarea puterii la diverse frecvente. Pentru ca aceasta sarcina artificiala va fi utilizata cu precadere in gamele de frecventa a radioamatorilor, eroarea de offset introdusa in algoritm sa fie functie de banda.

Programul pentru Microcontroller

O prima aplicatie care a fost dezvoltata este pentru programarea µC si a fost scrisa in C++ si modelata special pentru µC Atmel. Aplicatia se ocupa de preluarea a tensiunii de RF prin intermediul puntii de masura, aceasta este esantionata pe 10biti, analizata si in urma unor calcule matematice, puterea este afisata pe display-ul grafic si apoi incoporata intrun sir de caractere care ulterior este transmis prin USB catre un PC. De asemenea prin intermeniul unui circuit specializat DS18B20 este preluata temperatura radiatorului si interactiunea cu utilizatorul care va specifica gama de frecventa unde se face masuratoarea. Informatiile masurate si analizate sunt afisate pe display-ul grafic apoi sunt introduse intrun sir de caractere uni-dimensional si transmis la fiecare ciclare a firului de executie Serial prin portul USB.

Aplicatia dezvoltata apeleaza 3 biblioteci dezvoltate special pentru perifericele din jurul microcontrolerului

#include <openGLCD.h> – header care faciliteaza comunicarea cu afisorul grafic

#include <OneWire.h>  – header care inlesneste comunicarea cu sensorul de temperatura

#include <DallasTemperature.h> – header pentru preluarea si interpretare temperaturii

In functia de setup s-au facut mai multe setari pentru functionarea aplicatiei.

Dupa cum bine se stie aplicatia repetitiva preia diverse valori le analizeaza si le afiseaza, in functia loop care se ocupa de aceste cicluri s-au introdus mai multe linii de cod. Preluarea starii butonului de setare a benzii unde se face setarea. Am descris in linii mari functionalitatea programului care a fost implementat in µC, aceasta nu este foarte complicat, in mare parte am aplelat functii din bibliotecile descrise in prima parte. La fiecare ciclare se transmite pe USB datele citite de µC catre un alt calculator in cazul nostru o masina care ruleaza sistemul de operare Windows. Aceasta intercepreaza comunicarea pe serial si la fiecare intrerupere venita, preia datele si le analizeaza.

Programul pentru PC

                O a doua aplicatie care a fost dezvoltata a fost in mediul .NET si scrisa in C#, in linii mari aceasta palicatie preia valorile de pe portul serial, sunt analizate, afisate si apoi scrise intrun fisier CSV pentru o analiza ulterioara. Aplicatia intercepteaza transmisia seriala si la fiecare intrerupere preia sirul de caractere unidimensional, acesta este divizat in valori individuale care sunt analizate si apoi afisate. Valoarea puterii este analizata in timp real intr-un bargraf si cel mai important ultimile 100 de valori sunt introduse intr-un grafic care este foarte util in timpul reglajelor fiindca permite, o vedere de ansamblu a variatiei puterii.

Aplicatia in C# utilizeaza o biblioteca special scrisa pentru comucatiile serial utilizand biblioteca System.IO.Ports; Pentru initializarea conexiunii pe serial se utilizeaza functia de mai jos aceasta fiind apelata de catre butonul

 Dupa cum am zis anterior aplicatia intercepreaza comunicarea pe serial si la fiecare intrerupere de receptie a unei noi linii se apleaza o functie special dezvoltata pentru analiza sirului continut pe acea linie.

 Toate datele primite, dupa ce au fost analizate vor fi inregistrate intrun fisier de tip CSV pentru a fi urmarite ulterior. Datele se pot introduse in diverse grafice, in aplicatii de tip EXCEL sau altele, fiind foarte utile in analiza vectoriala a puterii, astfel putandu-se urmari cu usurinta evolutia in timp a datelor.

Bibliografie:

Pentru cei care doresc să dezvolte o asemenea aplicație se poate descărca alăturat documentația originală în format .pdf inclusiv programele pentru Arduino și PC.

Campionatul de creatie tehnica 2017-1

sarcina-arduino-1

sarcina-c#

 

Acest articol a fost publicat în Uncategorized. Salvează legătura permanentă.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *