SWR&Power meter with Arduino

Medidor de ROE con instrumento analógico de dos agujas. Incluye el sensor en la misma caja. Dos escalas muestran la RF directa y reflejada, el cruce de las dos agujas indica la ROE

El objetivo de este trabajo es compartir la experiencia de diseñar y montar un medidor de potencia y ROE digital económico. Monitorizar la ROE y la potencia de salida en cada transmisión es lo más frecuente en una estación de radioaficionado. La mayoría de los equipos incluyen instrumentos para esta función, aunque en algunos modelos la lectura se hace incómoda o es poco compatible con el resto de las mediciones. Por estas razones, es frecuente intercalar entre el transmisor y la antena un aparato que aporte una lectura más cómoda y eficiente. El mercado ofrece una gama amplia y variada gama de instrumentos, aunque también es posible montar un medidor de potencia y ROE casero que no envidie las prestaciones de uno comercial e incluso supere a algunos de ellos.

La precisión del medidor será tan buena como sea la muestra de potencia directa y reflejada. Es necesario tener en cuenta que un medidor digital versus uno analógico no mejora la precisión sino la resolución. Un procesador digital, además, permite calibrar mejor las prestaciones del sensor utilizado.

Esquema de bloques e inserción de un medidor digital de potencia y ROE

Para facilitar la construcción, dividiremos el proyecto en tres etapas:

  • el sensor que se montará en una caja independiente,
  • el propio instrumento,
  • y finalmente el software

El sensor

Uno de los sistemas sensores más utilizados en la actualidad es un “puente de Stockton” que, simplificando la definición, entrega una señal proporcional a la energía transmitida y otra, con la misma proporción, la energía reflejada por una carga al final de la línea (antena) mal ajustada.

Si alguien desea profundizar en la teoría del funcionamiento de un puente de Stockton, puede revisar el trabajo original de David Stockton (G4ZNQ) publicado en la web de SM7UCZ, o bien en el trabajo de Jon Iza (EA2SN) publicado en la revista Radioaficionados (URE) del mes de octubre de 2011, pag 11-14.

“Híbrido de cuatro puertas” A: Entrada de RF; B: Salida a la antena; C: Salida de la medición “Reflejada”; D:Salida de la medición “Directa”

Este tipo de sensor reúne las ventajas de ser escalable a diferentes niveles de potencia, la directividad y su sencillez de montaje. Es necesario cuidar el diseño de los transformadores si se desea que cubra las frecuencias de HF desde 1,8MHz hasta 30MHz, pues tiende a degradarse por debajo de los 7MHz.

Hay muchas formas de montar un acoplador bidireccional basado en el diseño divulgado por G4ZNQ. Los puntos clave son la simetría de los circuitos que recogen las señales directa y reflejada y la relación de los devanados primario y secundario de T1 y T2.

Una forma de facilitar el montaje, es acudir a los fabricantes de kits. Aunque probablemente haya más traeré dos ejemplos:

R3KBO suministra un acoplador bidireccional “Stockton” (SWR power meter 3000W), montado, que funciona razonablemente bien. El puente que he estado utilizando para hacer pruebas es de R3KBO. Los transformadores utilizan dos toroides que no he podido identificar de 14,5mm de diámetro exterior, 8,25mm interior y 5,5mm de grosor. Originalmente traía 8 espiras en el secundario, pero las he bobinado de nuevo. La relación actual es 1:23. El nuevo “SWR bridge Tandem Match” que ER3KBO anuncia en su Web, indica que utiliza un toroide Micrometals FT82-43 y el número de espiras es netamente superior a 8 (en la fotografía parecen contarse 30). Indica también en la publicidad, que soporta hasta 3KW y el precio es de 25 USD + 6,5 USD de portes (eBay).

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

Cualquiera de los dos kits citados servirían como sensores para las mediciones, sin embargo, es realmente sencillo hacer un puente casero.En este caso, es necesario tener en cuenta algunos requisitos. La simetría de montaje es el principal.

En segundo lugar la elección de la mezcla que está compuesto el toroide y la relación de espiras en el secundario de los transformadores del tandem.

Para este proyecto vamos a partir de un instrumento que pueda trabajar con un transmisor de hasta 200W. La frecuencia de trabajo y la potencia del transmisor condicionan el tamaño del toroide, la mezcla del material y el número de espiras. La discusión técnica sobre estos temas es amplia y ardua y hay abundante literatura en Internet. Sin embargo, de la lectura atenta de los textos técnicos podemos deducir que el tandem se puede formar con una pareja de FT50-61.

El número de espiras también es una condición importante, en especial cuando se va a utilizar un instrumento controlado por un microprocesador cuya tensión es de 5V. Cualquier tensión superior, haría una barbacoa de la placa. La siguiente tabla es la tensión de pico esperada en la entrada del pin analógico de un Arduino con una relación de espiras 1:32 en el transformador de la RF directa.

Potencia(W) Tensión de pico (V) Potencia (W) Tensión de pico (V)
20 1,786 120 3,939
40 2,401 140 4,231
60 2,873 160 4,502
80 3,271 180 4,757
100 3,622 200 4,998

Hay bastante literatura en la Red sobre la teoría de funcionamiento y ajuste de los sensores de un medidor de potencia y ROE. (por ejemplo: un vídeo de W2AEW). Carezco de instrumentos adecuados (generador de RF calibrado y osciloscopio principalmente) para realizar mediciones precisas. A pesar de todo, con el propio equipo y la ayuda de un polímetro se pueden realizar mediciones para comprobar, de forma razonable, el comportamiento del medidor.

Pruebas

He probado el sensor de R3KBO basado en el puente de Stockton, con la relación de espiras modificada 1:23. También he suprimido las resistencias en serie de la salida de tensión. De esta forma, el sensor ha quedado como se muestra en la fotografía. El circuito ha sido montado en una caja Minibox de Retex de 75 x 55 x 25mm. La caja es un poco justa de altura, pero suficiente para proporcionar un blindaje efectivo.

Circuito de R3KBO con T1 y T2 de 23 espiras en el secundario, montado en una caja Minibox

Resultados

He utilizado el IC-7300 como generador de RF más o menos calibrado sobre una carga artificial de 50 Ω /250W. En la línea de alimentación, entre el transmisor y la carga, he insertado el sensor en el sentido previsto de entrada y salida leyendo tensión a la salida del circuito de onda “DIRECTA” cada 5W entre 50 y 100W. La lectura es lineal, lo que indica que es fiable. La lectura de la onda “REFLEJADA” es insignificante.

La tensión DIRECTA máxima (100W) leída, ha sido 4,14V. Lo cual indica que, con una relación de 1:23 espiras en los transformadores, se pueden aplicar en la entrada de un microprocesador las tensiones que genera un TX de 100W, sin necesidad de colocar un divisor.

En este punto, se plantea una disyuntiva: continuar con la construcción de un instrumento capaz de trabajar con más de 200W o continuar con el diseño de un medidor de potencia limitada. Incrementar la capacidad de trabajo con los medios que dispongo haría necesario la colocación de un divisor de tensión a la entrada de la muestra en el Arduino, con la consiguiente pérdida de precisión. Otra opción es la de utilizar dos RSSI (Indicador de potencia de señal recibida) AD3087 que proporcionarían una señal apta. Pero este circuito desborda el objetivo, así que limitaré, por el momento, a 200W las posibilidades de trabajo del instrumento.

Construcción de un sensor casero

El toroide seleccionado es el FT50-61 y la relación de espiras de 1:32, esta configuración permite medir la potencia y ROE de una línea de transmisión con un máximo de 200W, entre 1,8 y 30 Mhz sin necesidad de utilizar un divisor de tensión. Para el bobinado de los transformadores, no es crítico el diámetro del hilo esmaltado, aunque la longitud puede condicionar el comportamiento en las bandas altas. Utilizaré 58cm de hilo de 0,4mm y un par de fragmentos de cable RG142 para el primario.

La primera parte del trabajo, el mecanizado de la caja esta acabado. La caja Minibox está fabricada por Retex, código 31040102 y tiene las medidas ideales (55 x 75 x 25mm) para fabricar un sensor tandem casero.

En la tapa, he pegado con Araldit cuatro tuercas M3 para sujetarla al cuerpo a la vez que los conectores SO239. El cuerpo lo he recubierto en el interior con cinta de cobre adhesiva con el fin de soldar la placa de separación entre los transformadores. La cinta se coloca fácilmente y mantiene una excelente conductividad. Como el recipiente no va a estar expuesto a la intemperie ni a la humedad es difícil que se produzca una reacción que dañe la caja.

Arriba el esquema del montaje de los componentes y mecanizado de la caja. Las resistencias son dos de 100 ohmios en paralelo. Los dos schotty 1N5711 y los condensadores de 0,01uF multicapa.

SOFTWARE

Mientras llegan los materiales pendientes, he estado trabajando en el “sketch”. Antes de profundizar es bueno hacer un repaso de las prestaciones que va a tener el instrumento y sus posibilidades futuras.

El éxito de la plataforma Arduino se basa principalmente en que se trata de un sistema abierto tanto en el desarrollo del software como en el de hardware. Cualquier proyecto que se pretenda compartir debe responder a ese criterio. En especial el software que no solamente debe funcionar de forma eficiente, sino que además, debe ser comprensible y documentado para que se pueda comprender, modificar, mejorar o añadir prestaciones.

las prestaciones que se planea que ofrezca este proyecto son.

  • Lectura y presentación de la RF directa y reflejada en vatios.
  • Cálculo de la ROE.
  • Presentación de los resultados en números y gráficos.
  • Alarma de ROE excesiva > 1:1.3.

Un medidor de potencia y ROE, únicamente trabaja cuanto el equipo conectado transmite. Durante el tiempo de escucha disponemos de un instrumento que nos puede proporcionar información complementaria útil. Por ejemplo: un reloj que nos informe de la hora local, hora UTC y fecha, sin elevar excesivamente el costo.

Para esta función, como disponemos de espacio y capacidad de proceso suficientes, planeo añadir un módulo RTC DS3231.