Instrumento digital con Arduino para el HF-62

He adquirido recientemente un amplificador lineal HF-62 montado por EA4BQN. Los últimos modelos del HF-62 monitorizan la potencia de salida y el consumo mediante barras de diodos, pero el que he comprado es de los primeros y utiliza un instrumento analógico para estas funciones. El equipo traía el instrumento averiado y sin posibilidad de encontrar repuesto por lo que he decidido sustituirlo por un display 1602 (16 caracteres por 2 líneas) pilotado por un Arduino Nano.

El display se sujeta al panel frontal mediante un bisel y una placa posterior de PLA, construidos en la impresora 3D. La placa posterior que sujeta el bisel, soporta la placa perforada de circuito impreso que incluye el Arduino NANO y los componentes. Este diseño puede ser válido también para los modelos HF-3 y HF-6 que disponen de un instrumento analógico y un conmutador de modo con el mismo mecanizado de la placa anterior.

Parte anterior del bisel

El bisel

El bisel es un poco grueso (10mm), necesario para albergar toda la placa del display. Es el primer diseño que hago para impresora 3D (Ender-3) con FreeCAD y CURA cuyo aprendizaje no ha sido muy difícil.

Parte posterior del bisel
Placa posterior de soporte
Display montado en el bisel (los insertos de rosca M3 (A) han quedado algo chapuceros)

El archivo bisel_HF62.stl se puede descargar de la página Thingiverse.

Medición de consumo

El consumo de los transistores MOSFET del amplificador (4 x MRF150) a plena carga es de 26/27A (600W). Originalmente se medía mediante caída de tensión que se produce en un shunt colocado en serie el cable de alimentación de los drain. No he podido medir la resistencia del shunt; tampoco conozco la resistencia interna del instrumento analógico averiado ni la tensión que puede medir a plena escala aunque la carátula está calibrada de 0-30A.

Para medir con precisión el consumo, he utilizado el circuito integrado ACS724LLCTR-30AU-T de Allegro, que incluye un sensor Hall que detecta el flujo de corriente y genera una tensión proporcional. Este CI está montado en una plaquita de circuito impreso con terminales para la inserción en el circuito a medir (Pololu). Dispone de tres terminales para la alimentación (+5Vcc, GND) y la tensión de salida. Esta placa es bastante cara, sobre todo por los portes, ya que he tenido que comprarla en UK. El ACS724 sustituye al ACS714 y ACS712. De estos últimos hay bastante oferta a unos precios mucho más bajos. El tamaño de la placa es de 17,78mm x 20,32mm (0.7” x 0.8”).

Esquema de salidas del ACS724 Vcc = 5V
Placa con el ACS724 de Pololu

Es fácil encontrar vendedores chinos de placas que integran el ACS712, pero ojo, la mayoría de las placas con este sensor para 30Am incluyen un borne inservible puesto que no soporta una corriente de más de 15A y, además, no caben los cables adecuados.

Otro aspecto a tener en cuenta, es el tipo de circuito integrado y su sensibilidad (mV/A) ya que, según los tipos de cada uno de de los modelos, (ACS712, 714 y 724) pueden medir 5, 20, 30 o 50A y el rango de medida puede ir de 0 a maxA o de -maxA a +maxA. En el caso un sensor de 30A, según puede estar entre -30A y +30A o entre 0A y 30A. Por esta razón es necesario conocer la sensibilidad y el rango para realizar los cálculos en el microprocesador, incluyendo el inicio de la medida a partir de la lectura raw con corriente 0A. El rango de medida del ACS724LLCTR-30AU-T que he utilizado es de 0 a 30A y la sensibilidad es de 133mV/A.

Medición de potencia

El equipo dispone de un acoplador bidireccional (puente de Brienne) como sensor de RF directa y reflejada. La tensión proporcional que se entrega al instrumento analógico calibrado indica la potencia de salida. No he podido obtener datos del circuito sensor y la calibración tanto de la tensión que entrega el sensor como el instrumento, así que he considerado diseñar un medidor de potencia virtual equivalente al CN-801 HP basándome en el Arduino.

Para esta función, he realizado una serie de medidas utilizando la excitación calibrada del emisor en tramos de 5 vatios en modo FM. La lectura simultánea de la tensión de salida del sensor medida con un polímetro Amprobe AM-510 EUR y la potencia de salida medida con un instrumento Daiwa CN801HP sobre una carga artificial de 50 ohmios nos indica la relación entre tensión de salida del sensor, sin modificar la calibración, y la potencia leída por el medidor de potencia.

Exc. (W)Consumo (A)RF directa (V)rawPA (W)Ratio
IC-7300ArduinoArduinoArduinoDaiwaraw/PA
53,920,4904993613,86
106,661,032562589,69
157,701,238594817,33
208,661,4296141125,48
259,781,6256281394,52
3010,811,8206451743,71
3511,852,0306582003,29
4012,662,2106702302,91
4513,632,4006832702,53
5014,592,6106953102,24
5515,032,6107023302,13
6015,402,6107083502,02

Exc es la potencia de salida a que se ha ajustado el del Icom IC-7300 para realizar las medidas.

A partir de la medida de la tensión, en una entrada analógica del Arduino, sólo queda reproducir digitalmente las lecturas equivalentes de potencia de salida.

El consumo se ha calculado a partir de la lectura raw de la tensión medida a la salida del ACS724 y ha sido contrastada con las variaciones obtenidas en un shunt calibrado de 30A para un un instrumento de 75mA.

La RF directa se ha medido en la entrada analógica A0 (raw).

Ratio raw::PA es la razón entre los tramos digitales a la entrada A1 del Arduino NANO y la potencia leída en el medidor de potencia. Esta razón se utiliza para calcular la potencia de salida del equipo.

Estas medidas que han servido para el ajuste inicial de los cálculos digitales del instrumento. Los resultados obtenidos indican, además, que el amplificador está averiado puesto que, a plena carga, con 60W de excitación, debería consumir entre 25A y 27A con una salida útil de 600W.

Una vez que el equipo sea reparado, deberé realizar nuevas medidas para calibrar en el sketch del Arduino.

El circuito

El circuito de control, incluye una placa compatible con Arduino NANO, el regulador de tensión, los filtros de las entradas analógicas y los bornes de las entradas y salidas.

Esquema
Pistas y componentes de las dos caras vistas desde el lado de componentes
Componentes, salidas y entradas.

La alimentación se toma desde el cable que suministraba 9Vcc al instrumento analógico. La masa es la común del equipo.

El sketch

El display muestra en la primera línea el consumo, su cálculo no creo problemas ya que la tensión leída es proporcional al consumo de corriente y su valor es el resultado de calcular la sensibilidad. En este caso 1A::0,133V, de esta forma hay que:

  • Calcular la tensión en la entrada analógica, Vin = (raw * 5) / 1023.
  • Calcular la corriente de paso (consumo), Aconsumo = Vin / 0,133

El cálculo de la potencia es algo más complicado. No hay una referencia lineal para aplicar una fórmula a tensión de salida del sensor (puente bidireccional), por lo tanto, una función se ocupa de calcular la ratio entre la lectura de digital de la RF directa entregada por el sensor y potencia equivalente a la lectura del medidor de potencia HC801. Será necesario hacer más pruebas para establecer la fiabilidad de las lecturas.

Este método no es exacto, pero es tan fiable como fiables sean las medidas realizadas con el medidor de potencia externo y suficiente para monitorizar el comportamiento del amplificador lineal.

Sketch

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