Q-metru - cum se face

[Mircea]

PS: Va rog, sa ramanem strict la subiectul tehnic.

 

Doresc sfaturi pentru conceptia si constructia unui Q-metru de pana la 30MHz. In final va avea o intrare de RF, 2 borne pentru bobina si un afisaj LCD pentru masuratori.

 

Ce vreau sa fac este descris mai jos. Idei, sfaturi, ca sa nu fac greselile deja facute de altii. Multumesc.

 

In special ma intereseaza idei practice (fara piese care nu mai exista sau trimiteri la Remat dupa recuperari) despre redresarea RF.   

 

Principiul de urmat este bazat pe celebrul Boonton 160, dar schema bloc de mai jos este dintr-un Q-metru HP.

 

Teoria din manualul HP:

 

Practic, injectez un semnal sinusoidal dintr-un DDS intr-un ARF a carui iesire alimenteaza un tor cu raport de transformare 5V/10-20mV. Infasurarea secundara va fi o spira din sarma de cupru de diametru 1-2mm. Primarul cu o sectiune mult mai mica.

 

Tensiunea secundara va fi masurata dupa ce este amplificata cu 20-40-60dB (niste MMIC-uri MAR-6 sau un alt ARF dupa experimentari) si redresata.

 

Acelasi principiu de masura a tensiunii de pe condensatorul serie. Raportul celor 2 tensiuni fiind Q-ul bobinei.

 

Stiu ca exista eroarea datorata rezistentei infasurarii secundare a transformatorului injector.

 

Optiuni tor, de la Coilcraft, sunt dupa cum se vede din datasheet. De precizat ca folosesc numai torul, infasurarile se refac dupa nevoile aparatului in discutie.

Cazul 1, torul mai mare in diametru (verde/galben):

Cazul 2, torul mai mic in diametru (verde/rosu):

 

Niste scheme de pe Internet - nu sunt prea multe:

 

[+_Florin_+]

În ce privește  redresarea RF între amplificator și voltmetru (varianta de aparat propusă de Thunderer) nu vad rostul unor complicatii.

Eu as folosi redresarea monoalternanță cu diodā Schotky și condensator ceramic de filtraj. La bornele C-ului știu clar ca am valoarea de vârf a tensiunii alternative redresare, minus căderea de tensiune pe diodā (consultare datasheet).

 

 

[gauss]

Mie mi se par " comestibile " si schemele ( de pe net ) de mai sus . Par corecte ... , ma rog , cat ma pricep eu . N - au componente exotice , nici prea multe ... Ar merge abordate , macar ca divertisment sau punct de plecare . 

 

P.S. - consider ( parere personala ) ca accesul ( in paralel ) la un aparat industrial e vital ... altfel nu avem certitudinea ca ce masuram e (si) adevarat . Dupa ... , eventual cateva bobine reprezentative pastrate ca etalon , e mai usor . Si nici nu cred ca Q e foarte critic ... nici la masuratori , nici la determinarea promovarii unei anumite bobine in montajul dorit . Din ce - mi amintesc ... rezultatele masuratorilor cu diferite aparate difera . Am avut acces la unul Tesla , unul polonez si unul rusesc . Diferentele mergeau pana la 20 % . 

[Mircea]

@+_Florin_+, tot monoalternanta vizam si eu. Multumesc pentru confirmare.

 

Ca sa intru in detalii, prevad un comutator intre 3-4 condensatoare pentru largirea plajelor in functie de frecventa/inductanta. Alimentand din DDS, pot controla cat sa cad pe rezonanta relativ usor. Q-ul fiind calculat automat.

 

Intrebare: care sa fie raportul de transformare al transformatorului injector? Practic, cat sa obtin in secundar (si de ce?), daca aplic 5V in primar (arbitrar aleasa aceasta valoare, poate fi 3V, 7V, etc)? Care ar fi avantajele si dezavantajele unor tensiuni mici sau mari in secundar?

 

Nu vreau sa cumpar aparate existente. Nu vreau sa fac aparate care sa depinda de etaloane sau sa fie relative la etaloane.

Editat Februarie 24, 2019 de Thunderer

[Mircea]

2 hours ago, RST said:

Ati putea spune in ce unitati de masura este definit Q? 

Este multa teorie pe Internet, iti pot da niste link-uri pe MP, ca sa intelegi fenomenul. Asta dupa ce citesti ce am postat sus de tot.

 

Inapoi la subiect. Intentionez, in mod manual sau automat, sa mentin aceeasi tensiune in secundarul transformatorului injector. D-aia ii si zice "constant voltage", astfel ca masuratorile vor fi repetabile.

 

Variatii intre anumite aparate se datoreaza (evident poate) modurilor in care masuratorile sunt facute, daca se considera rezistenta infasurarii secundare, etc.

Editat Februarie 25, 2019 de Thunderer

[gauss]

" Fiecare aparat de masura " automat" are un standar provenit de la un etalon:  "

 

Asa , si ? ... Nu stiu ce e aia " standar " . Orice masurare , de la datu' cu pasu' , pana la chestii mai abstracte , presupune un " etalon " , fie si formal  ( conventional ) denumit asa . Altfel nu exista masurare . Cu foarte mult timp in urma , mi s - a spus ca ar fi o comparare a doua valori , una deja cunoscuta . Ma rog , nu stiu daca vedem fenomenul in acelasi mod ... chiar am niste banuieli ca nu .  ( Si ) nici nu e important . Chiar deloc , nu de ' aia am postat . Daca vedeti pe undeva ceva greseli ( la mine ) , nu va abtineti in a le semnala . Ma bucur sa corijez ce am asimilat gresit . Daca nu  ...

 

" Nu vreau sa cumpar aparate existente. Nu vreau sa fac aparate care sa depinda de etaloane sau sa fie relative la etaloane. "

 

Nu cred ca am sustinut cumpararea a ceva . Ma rog , am folosit termenul acces .  Q este adimensional  ( din ce stiu ) . Functie de principiul metodei ,  se pot obtine ( practic ) o infinitate de valori . Toate corecte . Atata timp cat respecta  definitia marimii de interes  . Mai exact modul de calcul  rezultat . Masurarea practica contine ceva ipoteze simplificatoare, depinde ce presupunem , omitem sau neglijam . E suficient de admis ca Q depinde de frecventa ( simplist vorbind ) . Asa cred , poate gresesc . De unde si parerea ( nici macar sugestie ) de raportare la o valoare  obtinuta la o bobina finita prin masurarea cu ceva care deja functioneaza . Daca e vorba numai de masurari comparative , intre mai multe exemplare , nu e nevoie . Ma rog , stiti mai bine , n - am nici un dubiu . Si nici nu e important , nici de ajutor . E de lucru destul si fara asertiunile mele .

Editat Februarie 25, 2019 de gauss

[+_Florin_+]

Acum 11 ore, Thunderer2018 a spus:

 

....................

Intrebare: care sa fie raportul de transformare al transformatorului injector? Practic, cat sa obtin in secundar (si de ce?), daca aplic 5V in primar (arbitrar aleasa aceasta valoare, poate fi 3V, 7V, etc)? Care ar fi avantajele si dezavantajele unor tensiuni mici sau mari in secundar?

.....................

 

In secundar e nevoie de o tensiune mică (de ordinul zecilor de mV) deoarece la rezonanta circuitului oscilant tensiunea pe condensatorul variabil (cea pe care o masuram) se multiplică cu factorul de calitate al circuitului. De exemplu, daca in secundarul trafului injector avem 50mV iar circuitul are Q=50, tensiunea pe condensator va fi de 2.5 V. La Q=100 vom avea 5V.

Valori convenabile, ce pot fi măsurate cu destulă precizie. 

Un alt motiv ar fi necesitatea unui secundar al trafului cu rezistența ohmica și inductanţa cat mai mici, pentru a pastra acceptabilă eroarea măsurătorii. Secundarul este in serie cu elementele LC iar influența sa trebuie să fie minimă. 

Cu o singură spiră groasă bobinată pe tor  se pot obține cei 50 mV iar contribuția sa la modificarea parametrilor circuitului va fi neglijabilă. 

[gauss]

Ma rog ... , ce sa zic ! Demersul ( si lucrarea ) sant interesante , si probabil provocate de vreo necesitate , sau , de ce nu , doar din dorinta de a testa si valida ceva solutii . D - nul Thunderer stie ce si cum ... , sigur va rezolva ce si - a propus . Sigur (si) fara ajutorul nostru . Ca idee , la ce am mai construit nu prea m - am izbit de necesitatea masurarii cantitative a Q - ului unor bobine . Doar pentru edificarea personala , la proiecte , sau la releveuri de module facute de altii . Mai ales acolo , trebuiau reproduse si n - am riscat , mai intai le  - am caracterizat cu tot ce am putut sa masor la ele . Vorbesc de inductantele din ele , multe de JF . Prin niste filtre ... ma rog , nu e scopul topicului . Si diferite transformatoare , pe tor de permalloy sau ferita , inclusiv la niste amplificatoare magnetice .  De aceea am pomenit de cele trei aparate , de trei natii ( si producatori ) diferite . Altfel , la conceptia proprie , am mers pe Q - uri cat mai ridicate , obtenabile dupa regulile stiute ... atat RF , cat si in JF. Din mare (Q) , se face usor mic ( sau cat e nevoie ) prin suntare cu rezistori etc . In fine ...

Editat Februarie 26, 2019 de gauss

[puriu]

Despre care Q vorbim? Cel adimensional se refera la un circuit oscilant LC si se determina de obicei din caracteristica de frecventa (frecventa de rezonanta impartita la banda de trecere la -3 dB). La o bobina, Q este raporul dintre reactanta inductiva (proportionala cu frecventa) si rezistenta de pierderi. Dimensiunea acestui Q este 1/Hz (kHz, MHz..). Practic si pierderile bobinei depind de frecventa. Un Q = 50/kHz nu poate fi extrapolat la 500/MHz decat la o bobina ideala. La o bobina reala, Q se masoara de preferinta la frecventa reala de lucru, ca in schema HP din prima postare. 

[Mircea]

@puriu, unii vorbesc discutii. Inutil sa-i combateti sau sa le explicati.

 

Multumesc celor care au contribuit cu sugestii practice.

[Vizitator]

On 2/24/2019 at 3:07 AM, Thunderer2018 said:

 

 

 

Practic, injectez un semnal sinusoidal dintr-un DDS intr-un ARF a carui iesire alimenteaza un tor cu raport de transformare 5V/10-20mV. Infasurarea secundara va fi o spira din sarma de cupru de diametru 1-2mm. Primarul cu o sectiune mult mai mica.

Tensiunea secundara va fi masurata dupa ce este amplificata cu 20-40-60dB (niste MMIC-uri MAR-6 sau un alt ARF dupa experimentari) si redresata.

Acelasi principiu de masura a tensiunii de pe condensatorul serie. Raportul celor 2 tensiuni fiind Q-ul bobinei.

Stiu ca exista eroarea datorata rezistentei infasurarii secundare a transformatorului injector.

Optiuni tor, de la Coilcraft, sunt dupa cum se vede din datasheet. De precizat ca folosesc numai torul, infasurarile se refac dupa nevoile aparatului in discutie.

Cazul 1, torul mai mare in diametru (verde/galben):

 

 

Mi-a trecut si mie asta prin scafarlie si am dat de informatiile respective in urma cu mai multi ani cand am avut o problema cu un BPF pentru banda de 40m pentru care unii din afara recomandau bobine reglabile Coilcraft la care atunci m-am aruncat si eu  constatand apoi ca de fapt pierderile in banda de 40m erau mari... Din fericire am putut identifica problema (Q redus al bobinelor) cu un alt tip de aparat ce-l aveam si apoi am renuntat la ideea de Qmetru, mai ales in urma posibilelor probleme detectate prin documentatii daca as fi avut pretentia la un Qmetru adevarat (adica aparat de masura) altfel decat vesiunile simple amatoricesti cunoscute.

 

Sursa de semnal RF utilizata la asa zisa injectie de tensiune trebuie sa aiba caracteristici apropiate de sursa ideala de tensiune , adica nivel RF constant  la iesire in toata gama de frecvente (E = e * Xc / Rs = e * Xl / Rs = e * Q, deci e trebuie sa fie constant!!!) si impedanta de iesire cat mai apropiata de zero, iar o impedanta de iesire de miliohm nu este usor de obtinut... trebuie folosita bucla de reglaj automat si stabilizare a nivelului la iesire  si transformator coborator.

Nivelul tensiunii injectate trebuie sa fie comutabil, prin comutarea sa se realizeaza comutarea gamelor de masura Q, fiind mai usor de stabilit/comutat nivelul sursei de semnal RF inchisa si stabilizata ca nivel cu o bucla ALC decat comutarea amplificarilor RF in voltmetrul de RF de banda larga.

Voltmetrul trebuie a aiba impedanta mare de intrare, doar MMIC-uri (50 ohmi) nu este suficient, probabil ca un etaj de intrare cu FET (plus eventual o configuratie cu efecte similare bootstrap daca pretentiile sunt mai mari) ar fi ok.

DDS nu este absolut necesar, un oscilator LC este suficient.

Transformatorul nu am aflat si nu stiu exact cum este la Qmetrul acela HP, insa am vazut descrierea unor tranformatoare cu rol similar in alte documentatii de la alte aparate HP si nu erau deloc simple dpdv constructiv: secundarul de o singura spira nu era o simpla sarma trecuta prin tor, ci era o piesa metalica special construita, care inconjura intreg miezul toroidal cu primarul, secundarul era ca un nit tubular rasfrant peste intreg torul cu primar (care astfel se aflau complet in interiorul acelui secundar!), asigurand astfel atat o R foarte redusa secundarului cat si cuplaj maxim si inductanta minima de scapari. Repet, nu stiu cum este la Qmetru insa ce gasisem a fost un avertisment atunci pentru mine asupra faptului ca lucrurile pot sa nu fie asa de simple precum pareau, daca as fi vrut aparat de masura si nu jucarie.

Probabil ca in regim home made mai potrivita este utilizarea unui miez binocular cu secundarul din tresa sau din tuburi din Cu ca aici , aici si aici , sau asa daca binocular nu este.

Ca miez probabil ca 61, 43, 4C6, 4C45, F4 sau chiar unele cu miu mai redus ar fi ok, deoarece impedantele reduse implicate (<<50 ohmi) si  numarul ridicat de spire in primar (dictat de raportul mare de transformare) permit miezuri cu Al (si miu) mai mic.

La Qmetrul HP nici macar condensatorul variabil nu este unul obisnuit deoarece rezistenta introdusa de acesta trebuie sa fie minimizata, argintarile si auririle sunt acolo la ele acasa iar rezistenta de contact a contactelor cu frictiune ale rotoarelor variabilelor obisnuite este clar ca nu-s chiar floare la ureche cand vorbim de miliohmi in circuitele respective...

Din toate acestea am concluzionat atunci ca este ok realizarea unui aparat amatoricesc fara pretentii care sa ne permita sortarea bobinelor deoarece Q-ul bobinelor uzuale de HF este pe la 200 (toruri -2) sau 60-80 (bobine Toko reglabile cu miez cilindric) sau chiar mai putin , dar  pentru un Qmetru aparat de masura serios treburile sunt un pic mai complicate...

In functie de realizare, ar putea fi unul dintre cele mai interesante proiecte din zona...

 

GL & 73!

 

 

P.S. Cauta in arhiva HP de pe net, in unul dintre buletinele lor din vremea respectiva (cred ca anii '70) este descris Qmetrul cu problemele respective.

Editat Februarie 26, 2019 de Vizitator
P.S.

[franzm]

3 hours ago, Traian B said:

La Qmetrul HP nici macar condensatorul variabil nu este unul obisnuit deoarece rezistenta introdusa de acesta trebuie sa fie minimizata, argintarile si auririle sunt acolo la ele acasa iar rezistenta de contact a contactelor cu frictiune ale rotoarelor variabilelor obisnuite este clar ca nu-s chiar floare la ureche cand vorbim de miliohmi in circuitele respective...

Fluturili îi baza.

[Mircea]

Domnule @Traian B, ca de obicei, va depasiti. Multumesc pentru sfaturi.

 

DDS-ul exista, d-aia il folosesc.

 

Intentionez sa injectez o tensiune constanta. O sa incerc sa fac mentinerea in mod automat. Sursa de semnal DDS va avea un ARF dupa ca sa injecteze pe 50 de ohmi in trafo injector. 

[Vizitator]

20 minutes ago, franzm said:

Fluturili îi baza.

 

Pentru noi, da, dar in functie de ce anume dorim concret putem chiar sa nu ajungem nici la fluture...

La HP e altfel, este descris in jurnalul mentionat anterior pe care l-am gasit acum, este aici: https://cal.equipment/doc/HP_Agilent_Keysight/journals/1970-09.pdf , incepand de la pag. 10.

Iar aici se vede in poze "complicatenia" lui...

In afara de conectarea la/prin ax, fiecare dintre cele 24 de placi ale rotorului are propriul contact lamelar pentru conectare. Aceste contacte calca pe marginea exterioara a fiecarei placi si asigura (prin 24 de astfel de contacte foarte scurte in paralel) inductanta minima de conectare direct la bornele aparatului.

Pentru noi asa complicatii nu sunt necesare, dar la HP este astfel deoarece aparatul asigura si posibilitatea masurarii valorii inductantei chiar la frecventa RF respectiva (cate LCR metre permit azi asa ceva?!), de aceea inductanta parazita este mentinuta acolo la minim.

 

 

 

 

9 minutes ago, Thunderer2018 said:

Sursa de semnal DDS va avea un ARF dupa ca sa injecteze pe 50 de ohmi in trafo injector. 

 

Nu trebuie sa iesi neaparat pe 50 ohmi... de exemplu un repetor pe emitor la iesirea catre transformator, nu-ti poate fi de folos acolo?

 

[Mircea]

Cred ca da.