Medidor de ROE y potencia, parte I (Sensor)

El medidor de ROE o Relación de Ondas Estacionarias (Voltage Standing Wave Radio, VSWR, en inglés), se basa en la lectura, cálculo y presentación de una muestra de las tensiones de la señal de RF directa y reflejada en un punto de la línea de transmisión.

Medidor de potencia y ROE analógico con doble instrumento Daiwa CN801

 La medida de la ROE no es producto de una lectura absoluta, sino el resultado del cálculo matemático de la «Razón geométrica existente entre el valor máximo y el valor mínimo de la ampli­tud de voltaje observado en una condición de onda estacionaria eléctrica como sería a lo largo de una línea de transmisión» (Wi­kipedia). Simplificando conceptos, se expresa con la siguiente ecuación:

vSWR = (Vdir + V-ref) / (Vdir – Vref)

La presentación de los resultados se realiza mediante instrumentos analógicos o pantallas. Podemos citar la similitud entre el instrumento analógico de un medidor de ROE y una regla de cálculo y la de un procesador digital con una calculadora electrónica.

Esquema de un medidor de ROE

El instrumento del proyecto se compone de tres elementos:

  • Sensor.
  • Procesador y pantalla (Instrumento).
  • Software

 El sensor

La precisión de un instrumento de medida de la ROE será tan alta como lo sea el sensor. Los sensores más utilizados, incluyen un acoplador bidireccional conocido como “puente de Stockton” que entrega una señal proporcional a la energía transmitida y otra, con la misma proporción, de la energía reflejada por una carga desconocida (la antena). Un acoplador bidireccional será preciso si las condiciones de lectura de la tensión directa y reflejada son simétricas. Un instrumento digital no añade precisión, sino resolución y capacidad para ajustar las características del sensor.

Esquema de un puente de Stockton

Si se desea profundizar en la teoría del funcionamiento, se puede revisar el trabajo original de David Stockton, G4ZNQ (1), o bien, el trabajo de Jon Iza, EA2SN, publicado en la re­vista Radioaficionados de la URE del mes de octubre de 2011, páginas 11 a 14.

Diseño y selección de los componentes

La muestra de las tensiones correspondientes a la RF directa y reflejada, se entrega en una entrada analógica del microprocesador que incluye un conversor analógico/digital (ADC). El proceso y los cálculos de las lecturas se basan en placas de Arduino UNO o NANO que incluyen un microprocesador ATmega328 con tecnología TTL de 5V. Ambas disponen de capacidad sobrada de proceso para el proyecto. El ADC incorporado en las entradas analógicas es de 10 bit, lo cual significa que la tensión de entrada se divide en 1.023 etapas digitales.

La relación de espiras entre primario y secundario de los transformadores T1 y T2 van a condicionar la tensión que presente la muestra en el terminal del secundario de T1 (C) que corresponde a la onda reflejada y en el de T2 (D) que corresponde a la onda directa. Para las pruebas, he construido T1 y T2 con una relación de 1:32 espiras.

Podemos hacer un cálculo inicial del valor de la tensión de la muestra mediante la fórmula:

Ganancia = 20 * log(Ep/Es) = 20*log(1/32) = -30,10

Si utilizamos un transmisor de 200 W, la tensión total de pico en la línea será de:

Vpico= RAIZ(200 * 50) = 141,42V

Donde,

  • 200W es la potencia máxima
  • 50 ohmios es la impedancia de la antena

Luego, la tensión presente en la entrada analógica del Arduino para el proceso de la tensión de muestra de la onda directa será:

Vent = (141,42 / (20 * abs(log(1/30))) – 0,3 = 4,67V

Donde,

  • 20 * abs(log(1/32) es el factor de división del transformador.
  • 0,3 es la caída de tensión en diodo schottky 1N5711

La relación de 1:32 entre las espiras del primario y secundario de los transformadores T1 y T2, es adecuada para aplicar directamente la tensión de salida en una entrada analógica con un transmisor de 200 W de potencia como máximo. Si el instrumento se va a utilizar con transmisores de menor potencia, se puede reducir la relación de espiras hasta 1:10 ganando sensibilidad y resolución, pero introduciendo mayores pérdidas de inserción.

Los núcleos de ferrita FT37 o FT50 son adecuados para cual­quier potencia de hasta 400 W. Para potencias mayores con deva­nados largos e hilo de 0,5mm Ø, se pueden utilizar toroides FT82 en una caja mayor tamaño.

El material 61 es más resistente al calor, por lo tanto, es aconsejable utilizarlo con potencias por encima de los 400 W. Los tipos de mezcla del material de las ferritas 43 o 61 son adecuados para las frecuencias de HF, entre los 160 m y 10 m.

TipoDiámetro exterior (mm)Diámetro interior (mm)Altura (mm)
FT379,54,753,3
FT5012,77,154,9
FT822113,26,35

Para transmisores de mayor potencia, se deberán utilizar di­visores de tensión resistivos externos. En ningún caso, la muestra debe superar los 5V en los pines de entrada de las placas de Arduino UNO o NANO so riesgo de quemar el microprocesador.

El siguiente cuadro proporciona unos datos orientativos sobre los devanados de los transformadores T1 y T2 y el tipo y material de los toroides.

PmaxVpicoPrealEsecVentPI(%)DivNúcleoMat
2044,72100,6101,941FT4743
100100145,7163,850,39FT47/5043
400200186,2237,040,191:1,41FT5043/61
400200227,5326,340,11:1,27FT5043/61
1000316,2227,53210,20,11:2,04FT8261
  • Pmax: Potencia máxima teórica (W).
  • Vpico: Tensión de pico correspondiente a la potencia máxima (V).
  • Preal: Potencia máxima admisible sin divisor (W).
  • Esec: Espiras en el secundario de T1 y T2.
  • Vent: Tensión en la entrada analógica del Arduino (V).
  • PI: Pérdida porcentual de inserción.
  • Div: Relación del divisor resistivo R2 / (R1+R2).
  • Núcleo: Tipo de núcleo (estándares Amidon).
  • Mat: Tipo de mezcla.

RA3KBO suministra un acoplador bidireccional montado, basado en el puente de “Stockton”, “SWR bridge tándem match 3000 W” que funciona razonablemente bien. El sensor que anuncia ahora en su sitio web indica que utiliza toroides Micro­metals FT82-43. No especifica el número de espiras. Indica en la publicidad que soporta hasta 3 KW y el precio es de 25 USD + 6,5 USD de portes (eBay).

Kits and Parts, suministra el kit “Universal SWR bridge V1,4”, cuyos transformadores están compuestos por toroides FT50-43 con una relación de espiras de 1:8, diseñado para un máximo de 100 W. El precio del kit es de 12 USD + portes.

Construcción de un sensor

He utilizado una caja minibox de Retex de 75 x 55 x 25 mm (Ref: 31040102) que he mecanizado de acuerdo con el esquema:

Esquema del montaje del sensor.

Prepararemos 40 mm de cable coaxial, preferentemente RG142 por la rigidez del conductor, de la forma que se describe en la imagen, dejando 20 mm de malla y cubierta en un extremo, so­bre el que se colocará la bobina. Será necesario dejar unos 7,5 mm de hilo desnudo en cada extremo del primario (vivo del coaxial). El resto lo dejaremos con el aislante. Se retirarán unos 4mm de la protección de la malla en el extremo que no asoma el aislante y se soldará un hilo de 0,5 mm Ø y 10 mm de longitud, aproximada­mente, con el fin de soldar a masa este extremo de la malla.

Esquema de construcción del primario de T1 y T2

Para los transformadores T1 y T2, se bobinan 32 espiras de hilo de 0,04 mm Ø, sobre el toroide FT50-61, cuidando que el sentido del bobinado sea el mismo en ambos transformadores. A continuación, se colocan sobre el trozo de coaxial. Ahora pode­mos soldar el extremo exterior de cada bobina del secundario al hilo a la malla del coaxial.

T1 y T2 listos.

Montaje

Una vez mecanizada la caja, se instalan en primer lugar los co­nectores SO329 y RCA. A continuación, se suelda T1 entre los terminales de entrada y salida de RF. T2 se instala entre dos sepa­radores de plástico sujetos en la caja con sendos tornillos M3 del mismo material.

Se sueldan los hilos de masa de las mallas a los terminales sujetos en la caja con un tornillo M3.

El terminal libre del secundario de T1 se suelda a la salida C del puente y el terminal libre del secundario de T2 se suelda al conector de salida de antena.

Finalmente se sueldan las resistencias de 50 Ω (compuestas por dos resistencias de 100/1 W en paralelo) entre las salidas C y D del puente y los terminales de masa de los conectores RCA. Los diodos 1N5711 se sueldan entre las mismas salidas C y D y las salidas RCA para la toma de las tensiones directa y reflejada. Finalmente, los condensadores de 0,01 μF, entre las salidas RCA y masa.

Pruebas

Con el sensor instalado en la línea de transmisión, se ha utilizado un Icom IC-7300 como generador de RF y una antena artificial de 50 Ω. Se ha medido la tensión directa, en la salida del sensor, con un polímetro digital Amprobe AM-510-EUR, Se ha transmitido con potencias de 5 a 100 W, en tramos de 5 W, en las bandas de 160 m, 30 m, 20 m, 17 m y 10 m (ver tabla 1 en a siguiente página).

Potencia (W)160m (V)20m (V)10m (V)
50,4490,4210,443
100,8180,7560,799
150,9570,8930,949
201,0871,0241,071
251,2261,1731,216
301,3681,3281,361
351,5091,4831,506
401,6331,6251,637
451,7721,7791,781
501,9251,9461,941
552,0122,0312,029
602,0972,1172,115
652,1972,2172,213
702,2952,3182,313
752,3792,4012,398
802,4642,4852,481
852,5622,5822,576
902,6622,6782,669
952,7482,7602,746
1002,8522,8562,837

Las lecturas entre las diferentes bandas, en cada tramo, va­rían una media de 21 mA, con un máximo de 64 mA. Lo cual indica que la frecuencia introduce un sesgo insignificante e irrele­vante para el cálculo de la ROE.

Relación entre la tensión medida por Arduino y la potencia aplicada con el IC-7300

La gráfica muestra una línea recta, especialmente a partir de los 50 W. Las ligeras variaciones con potencias menores de 50 W se pueden achacar a la calibración del IC-7300. En cualquier caso, es irrelevante para la medición de ROE. Se ría necesario hacer nuevas pruebas con devanados de menos espiras para observar si se incrementa la precisión.

Para probar la simetría del sensor se ha invertido el sentido de inserción y se han repetido las mediciones con potencias de 20 W, 40 W, 60 W, 80 W y 100 W en la banda de 20 m y se han comparado con las anteriores:

Potencia (W) en la
banda de 20m
Voltios
anterior
Voltios
invertida
Diferencia
201,0511,072-0,021
401,6251,646-0,021
602,1092,111-0,002
802,4732,480-0,007
1002,8462,856-0,010

Para probar que el montaje es reproducible, se ha construido un segundo sensor idéntico al primero y se han repetido las me­diciones realizadas en las bandas de los extremos: 160 m y 10 m, obteniendo una diferencia media de 8 mA. Lo cual prueba que esta forma de construir un sensor basado en un puente de Stoc­kton, es reproducible.

La siguiente entrega tratará sobre el montaje del cuerpo del instrumento que albergará la placa de Arduino, los componentes de entrada de datos y el display de lectura.

Este trabajo ha sido publicado en el número de marzo de la revista “Radioaficionados” de la URE.

Enlaces

“Homebrew HF SWR/Power Meter”, Bill Leonard, N9CU. http://www.na0tc.org/lib/exe/fetch.php?media=technical:homebrew_swr_meter.pdf

“A Modern Directional Power/SWR Meter”, Bill Kaune, W7IEQ, QST ARRL, enero 2011. http://www.arrl.org/files/file/Product%20Notes/2012%20Handbook/KAUNE.pdf

Especificaciones de los toroides Amidon. http://www.amidoncorp.com/specs/

Los dibujos son de José Luis, EA2CJA.

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