Jednym z ważniejszych zagadnień dotyczących pracy wzmacniacza jest pomiar jego parametrów bieżących. Nie chodzi tylko o to, aby operator miał wgląd do najważniejszych wskazań na ekranie, ale aby wszelkie odchyły i nieprawidłowości parametrów dały sygnał do procesora, który w pewnych przypadkach zaalarmował o sytuacjach awaryjnych, a nawet wyłączył wzmacniacz. Wpływa to na większe bezpieczeństwo pracy.
W moim, zbudowanym wzmacniaczu mierzone są najważniejsze parametry:
- Prąd anodowy IA
- Prąd siatki IG
- Napięcie anodowe
- Temperatura lampy oraz zasilacza
- Prąd żarzenia lampy
- Moc padająca i odbita (SWR)
- Temperatura
Przyjęty sposób pomiaru (nie wliczając pomiary magistralą I2C) odbywa się analogowo, gdzie napięcie z czujnika zawiera się w przedziale 0-5V , co umożliwia doprowadzenie do wejść procesora kontrolera.
Warto wspomnieć, że sygnały analogowe 0-5V można wyświetlić również, na dolnej 40-to diodowej linijce diodowej bargrafa. Przełączenie tych sygnałów odbywa się za pomocą 16 kanałowego analogowego multiplexera CD74HC4067. Oczywiście można całkowicie zrezygnować z mutiplexera i do górnej linijki diodowej podłączyć na stałe moc wyjściową, a do dolnej linijki np prąd anodowy. W moim wzmacniaczu do górnej linijki LED mam na stałe podłączony pomiar mocy wzmacniacza, a na dolnej linijce mogę wybierać – wskazania prądu anodowego, SWR-a, wysokiego napięcia czy innych. Wszystkie te wskazania są zdublowane, gdyż wyświetlane są one również na wyświetlaczu LCD Nextion w postaci pasków.
Ogólny schemat blokowy pomiaru parametrów
Użyty jako multiplexer moduł CD74HC4067 umożliwia przełączenie jednego z 16-tu wejść analogowych do jednego wyjścia. Sterowanie odbywa się za pomocą 4 linii sterujących ABCD (kod BCD). Moduły te są stosunkowo tanie, powszechnie dostępne na portalach aukcyjnych oraz Aliexpress . We wzmacniaczu wykorzystanych jest zeledwie kilka wejść multiplexera i wejść analogowych Arduino, dzięki czemu w przyszłości mogę wykorzystać je do pomiaru innych parametrów (chociażby napięć stałych zasilacza 5, 12, 24V )
Pomiar wysokiego napięcia.
Jednym z ważniejszych pomiarów jest pomiar wysokiego napięcia. Nie tylko chodzi o to, aby widzieć, czy zasilacz podaje odpowiednie napięcie, ale również o to, aby kontroler uniemożliwił podanie mocy na lampę w przypadku braku napięcia. Z uwagi na wysokie napięcie anodowe, moduł pomiaru HV należy dokładnie przemyśleć, a przede wszystkim w dzielniku napięcia należy użyć rezystorów wysokonapięciowych. Dzielnik napięcia składa się z rezystora wysokonapięciowego 20 MOhm oraz rezystora 10 kOhm (2x20k) Z dzielnika napięcie podawane jest na wzmacniacz operacyjny (wzmocnienie x2), a stamtąd do wejścia analogowego Arduino Mega 2560 Mini. Przy napięciu 2 kV na dzielniku występuje napięcie 1V, natomiast na wyjściu wzmacniacza operacyjnego LM358 otrzymujemy 2V. Można podłączyć woltomierz analogowy w zakresie 0-5V, dzięki czemu przy 1000V na mierniku otrzymamy 1V, przy 2000V otrzymamy 2 V, a przy 4000 – 4V. Oczywiście ja nie użyłem mierników analogowych, natomiast napięcie z modułu pomiaru podane jest do wejścia arduino, co pozwala pomiar do 5 kV
Jak ważny jest dobór rezystora wysokiego napięcia mogłem się przekonać osobiście. Zakupiony na portalu aukcyjnym rezystor 22 MOhm od pewnej firmy (DW..) handlującej sprzętem demobilowym miał być przeznaczony wg sprzedającego do napięcia 6 kV, a niestety nie wytrzymał pierwszej próby 2 kV – Szklana rurka, w której próżniowo był wtopiony rezystor zwyczajnie została rozerwana. Dlatego lepiej jest użyć rezystorów wysokonapięciowych z Aliexpress o rezystancji 20 MOhm, wymiary 50mmx8mm, wytrzymujących wg katalogu 10 kV. Można je kupić chociażby tu: https://www.aliexpress.com/item/1005002670594942.html (są również dostępne u tego sprzedawcy rezystory 50, 100, 500M, a nawet 1 GOhm oraz nieco dłuższe 72 mm, wytrzymujące napięcie aż 30 kV)
Nowo zamówione płytki z firmy allpcb.com
Pomiar prądu anodowego oraz prądu siatki.
O ile w przypadku użycia mierników analogowych (wskazówkowych) nie ma problemu z pomiarem prądu anodowego, to w przypadku pomiaru za pomocą procesora sprawa się nieco komplikuje i wynika z konieczności zachowania izolacji galwanicznej. Na szczęście z pomocą przychodzą chińskie i tanie moduły z układami ACS712, ACS723. Układy te wykorzystują do pomiaru efekt Halla, wejścia pomiarowe są całkowicie odizolowane galwanicznie od reszty układu. Moduły ACS712 występują w wersjach 5, 10, 20 A jednak jak sprawdziłem doświadczalnie ich dokładność przy pomiarach mniejszych prądów rzędu kilkudziesięciu mA może być niewystarczająca. Dlatego do pomiaru IA użyłem modułu ACS723 ze wzmacniaczem operacyjnym. Moduł ten umożliwia pomiar od 10 mA do 5 A
Moduł ten posiada dwa potencjometry do regulacji Vref oraz wzmocnienia (regulacja jest b ostra). Do regulacji należy używać najlepiej śrubokręta (stroika) ceramicznego, gdyż nawet najlżejsze namagnesowanie śrubokręta metalowego fałszuje wskazania podczas regulacji. Inaczej mówiąc układ ACS723 jest bardzo wrażliwy na stałe pole magnetyczne.
W przypadku pomiaru prądu siatki, sprawa jest mocno uproszczona, gdyż napięcie brane jest wprost z jednego z rezystorów na płytce BIASa.
Pomiar mocy oraz współczynnika SWR
W chwili obecnej, do pomiaru mocy wychodzącej oraz odbitej (SWR) wykorzystuję wykonany przeze mnie moduł prostego sprzęgacza który jest wykonany z dwóch pierścionków Amidon FT 82-43 oraz diod 1N5711. Dokładność pomiaru jest całkowicie wystarczająca, tym bardziej, że używam również zewnętrznego miernika własnej konstrukcji, który jest dokładniejszy.
Nie wykluczone, że mostek SWR wymienię w przyszłości na inny, oparty o układy logarytmiczne AD8307 wg koncepcji DJ0ABR, do którego opracowałem własne płytki PCB. Wg autora moduł umożliwia pomiar mocy od 100mW do 1.6 kW w zakresie 0.4-60 MHz. Na podstawie tej płytki wykonałem miernik mocy (SWR) oparty o Arduino z moim własnym oprogramowaniem.
W ostatnich dniach opracowałem nową płytkę dodając do istniejącego układu opcjonalny przetwornik ADC 12 bitowy, źródło napięcia odniesienia VRef (również opcjonalny), dzięki czemu moduł będzie mógł być podłączony bezpośrednio do Arduino poprzez magistalę I2C (większa dokładność) albo klasycznie poprzez wyjścia analogowe. Płytki właśnie do mnie przyszły z Chin, są w trakcie montażu, po zmontowaniu oczywiście je przetestuję.
Pomiar prądu żarzenia lampy.
Pomiar prądu żarzenia lampy GS35 jest stosunkowo prosty do wykonania. Oczywiście zastosowano moduł transformatora pomiarowego , przez otwór którego przechodzi jeden z przewodów doprowadzających prąd żarzenia. Prąd zmienny indukuje w uzwojeniu wtórnym transformatora prąd zmienny, który po wyprostowaniu diodą i odfitrowaniu za pomocą kondensatora doprowadzony jest do wejścia Arduino w kontrolerze. W sprzedaży są dwa rodzaje modułów jedne proste, – praktycznie sam transformator. Drugi rodzaj to ze wzmacniaczem operacyjnym. Zastosowałem prostszą wersję, dokładność pomiaru jest całkowicie wystarczająca.
Moduły, transformatory do pomiaru prądu zmiennego.
Pamiętać należy o tym, że przy zastosowaniu samego transformatora pomiarowego i dużych prądach, napięcie wyprostowane i odfiltrowane kondensatorem może przekroczyć 5V, a co za tym idzie uszkodzić wejście Arduino. Dlatego zastosowałem potencjometr montażowy i dodatkowy rezystor, aby ograniczyć napięcie. do dopuszczalnego poziomu.
Pomiar temperatury
Pomiar temperatury odbywa się z pomocą czujników temperatury DS1820. Jest to pomiar cyfrowy za pomocą magistrali 1wire. Czujnik zamontowany jest w tulejce metalowej, ekranowany, w związku z czym, nawet zbliżony do radiatora lampy (anody), nie głupieje, pokazuje prawidłowe wartości.
Uwagi końcowe.
Trzeba pamiętać o jednej ważnej rzeczy, o kalibracji wszystkich układów pomiarowych. Wiadomo, każdy wykonany układ, choćby niemal identycznie, może się różnić od innego i to czasem znacznie. Dlatego po uruchomieniu danego układu należy podpiąć odpowiedni miernik (mocy, woltomierz, amperomierz) dokonać pomiaru i wprowadzić odpowiednie korekty w oprogramowaniu kontrolera.