QRP Wattmeter der anderen Art

Sicherheitshinweis

Achtung Brandgefahr: Die nachfolgende Schaltung setzt elektrische Leistung in Wärme um. Beachten Sie, dass die Widerstände Ra und Rb bezüglich der Leistung ausreichend dimensioniert sind und sich kein brennbares Material in unmittelbarer Nähe der Widerstände befindet.

Nachdem man einen QRP-Sender gebaut hat , möchte man doch schon wissen welche Ausgangsleistung er bringt. In der Regel wird dazu die Spannung an einem 50 Ohm Widerstand (Dummy-Load) als Spitze-Spitze Wert Uss mit dem vorhandenen Oszilloskop gemessen. Die Leistung wird nun nach der Formel P =  U x U / R berechnet. Für U ist dabei der Effektivwert der Spannung Ueff = 0,707 x Uss / 2 einzusetzen.

Bei dieser Art der Leistungsbestimmung über eine Spannungsmessung gibt es verschiedene Fehlerquellen: Ein von 50 Ohm abweichender Widerstandswert der Dummy-Load bei Erwärmung, die Grundgenauigkeit des Oszilloskops, der Amplitudenabfall des Y-Verstärkers bei höheren Frequenzen und ein evtl. nicht richtig kalibrierter 10:1 Teiler. Aufgrund von U-Quadrat hat jedes mehr oder weniger gemessene Volt einen entsprechenden Einfluss auf das Ergebnis der Berechnung (Leistung). 50 % Abweichung von der tätsächlichen Leistung nach oben bzw. unten sind im ungünstigsten Fall durchaus möglich.

Thermische Umformung

Eine andere Methode der Leistungsmessung kommt ohne Messung der HF-Spannung aus. Sie arbeitet nach dem Prinzip der thermischen Umformung. Ein Regler sorgt dafür, dass die Temperatur an den beiden Heizwiderständen Ra und Rb identisch ist. Rb wird dazu solange aufgeheizt bis die aus den Temperaturfühlern Fa/Fb und den Vorwiderständen R1/R2 aufgebaute Messbrücke im Gleichgewicht ist. Die von Rb in Wärme umgesetzte Gleichstromleistung entspricht dann exakt der in Ra in Wärme umgesetzten HF-Leistung.
Als Regler wird üblicherweise ein Operationsverstärker mit einem nachgeschalteten Linearverstärker (Leistungstransistor) verwendet. Rb erhält damit als Stellgrösse eine variable Spannung. Da die Heizleistung aber proportional zum Quadrat dieser Spannung ist, bekommt man eine zu U-Quadrat proportionale Schleifenverstärkung des Reglers. Das Resultat ist eine nichtlineare Sprungantwort und damit alle bekannten Probleme bezüglich der Stabilität des Regelkreises bei Sollwertänderungen. Die zusätzliche Verlustleistung am Stellglied von maximal 0,5 x Pmax sei hier nur am Rand erwähnt.

Schaltregler-Variante

Die zuvor genannten Nachteil gibt es bei der folgenden Schaltung nicht. Das Besondere der Schaltung ist die Verwendung eines Schaltreglers anstelle eines kontinuierlichen Reglers. Der Schaltregler TL494 setzt die Regeldifferenz Xd in eine dazu proportionale Impulsdauer tp um. Die Ausgangsspannung ist jetzt konstant und es entfällt damit die störende quadratische Komponente im Regelkreis. Die Heizleistung wird ausschliesslich über die mit Ys = f  (Xd) proportional steigende Impulsdauer nachgeführt. Die Umschaltverluste in den beiden Schalttransistoren im IC sind vernachlässigbar gering.

• Echte Effektivwertmessung;
• Unabhängig von der Kurvenform
• Lineare Skalierung der Anzeige
• Einfache Kalibrierung mit einem Multimeter
• Stabile Regelung bei jedem Sollwert
• Verlustlose Leistungsverstärkung

Abb.1: Schaltbild des thermischen Leistungsmessers

Durch die Parallelschaltung der Schalttransistoren ist eine Einschaltdauer von tp = 0,95 x T möglich. Die fehlenden 5% sind, durch das für einen Gegentaktbetrieb ausgelegte Design des Schaltreglers, prinzipbedingt. Der als PI-Regler beschaltete Operationsverstärker im TL494 sorgt für eine optimale Regelgüte und Einschwingverhalten bei Sollwertänderungen. Die Anzeige der Leistung ist sehr einfach; ein Drehspulinstrument integriert die Impulse. Die Skalierung ist aufgrund der Beseitigung der quadratischen Komponente linear (P ~ tp ~ Ys).

Abb.2: Skala mit linearer Teilung

Konstruktive Erfordernisse

Die konstruktive Seite dieser Schaltung ist für die Funktion ebenfalls von grosser Bedeutung. Gleiche Widerstandswerte Ra = Rb und R1 = R2, Temperatürfühler mit gleicher Charakteristik und ein streng symetrischer Aufbau sind die Voraussetzung für ein hohe Messgenauigkeit. Nicht die absoluten Bauteiledaten sondern möglichst gleiche Daten sind wichtig.
Der Lastwiderstand ( 2 x 100 Ohm parallel mit je 2 W) und der Temperaturfühler bilden eine thermisch eng gekoppelte Einheit (Modul A und B). Der Fühler liegt liegt in der Mitte auf den beiden nebeneinander angeordneten Widerständen. Er ist mit Kupferdraht an den Widerständen befestigt. Etwas Wärmeleitpaste verbessert die thermischen Kopplung.
Die gemäss Skizze aufgebauten Module A und B sind im Messgerätgehäuse so anzuordnen, dass sie sich nicht gegenseitig erwärmen und gleiche Umgebungsbedingungen (Temperatur , Luftströmung .. ) vorfinden. Ein Abstand von 5 ... 10 cm zwischen den Modulen, eine Trennwand und Lüftungsschlitze im Dachblech sind die entsprechenden konstruktiven Massnahmen.

Abb.3: Module A und B

Abgleich und Kalibrierung bei Ub = 13,8 V konst.

Die Qualität der Brücke wird zuerst bei Raumtemperatur geprüft. Die OP-Eingänge sind dabei abgetrennt und die Heizwiderstände sind spannungslos. Die mit (X) markierten Stellen in der Schaltung sind dafür zu unterbrechen. Nun werden Ra und Rb parallel stufenweise mit 5 V, 7.07 V und 10 V versorgt. Die Temperatur steigt jetzt an, wobei die Spannung im Brückenzweig im Bereich von 0 ... +/-10 mV bleiben muss. Bei grösseren Abweichen ist davon auszugehen, dass die Temperaturfühler zu unterschiedliche Kennlinien haben. Es sind in diesem Fall andere Exemplare einzusetzen und auszumessen. Einen geringen Offset bei gleicher Steigung der Kennlinien kann man mit P1 ausgleichen. Wenn die Brücke korrekt arbeitet, folgt der zweite Schritt.
Es werden nun die OP-Eingänge mit der Brücke verbunden und Rb an IC1 angeschlossen. Der Messeingang erhält eine Konstantspannung von 10 V, was einer Leistung von 2 Watt entspricht. Mit P2 nun das Drehspulinstrument so einstellen, dass der Zeiger am Skalenende (100 % = 2 W) steht. Der Vorgang dauert aufgrund der Trägheit des Reglers und der Strecke einige Sekunden. Zur Kontrolle nun die Spannung auf 7,07 V reduzieren. Der Zeiger muss jetzt auf die 50% Stellung (1 W) zurückgehen.

Hinweise: Nach der Kalibrierung bei Ub = 13,8 V ist diese Versorgungsspannung für alle Messungen einzuhalten. Eine davon abweichender Spannungswert bewirkt einen erheblichen Messfehler.

Messbereichserweiterung

Wer zum Beispiel ein 5 Watt Messgerät benötigt muss darauf achten, dass die Leistung der Widerstände Ra/Rb entsprechend hoch ist und die Transistoren im Regler IC nicht überlastet werden. Wenn die 13,8 V Versorgungsspannung beibehalten werden soll, empfiehlt es sich, Rb bei gleicher Bauform wie Ra*, auf 25 Ohm zu reduzieren. Der Strom durch Rb* beträgt dann ca. 0,5 A. Ein zur Stromverstärung nachgeschalteter Power FET hat damit kein Problem. Die Module sind so aufgebaut, dass die Sensoren nur mit der halben Leistung, d.h. maximal 2.5 W belastet werden. Die Temperatur der Module sollte 100 °C nicht überschreiten. Der Grenzwert für die Temperatursensoren KTY beträgt 150 °C.

Effektivstrom-Messung

Mit einem 1 Ohm Widerstand als Ra kann man Ströme (Effektivwert) von bis zu 2 A messen. Der Effektivwert wird z.B. für die Berechung der Eingangsleistung (Ueff x Ieff) eines Schaltnetzteils benötigt. Bei diesen Geräten ist die Eingangsspannung zwar sinusförmig, jedoch nicht der Eingangsstrom. Eine Strommessung mit einem üblichen Multimeter würde hier einen erheblichen Messfehler verursachen.