Meranie VF výkonu a na čo si dať pozor

V minulom článku Čo je to PSV … som spomenul že niektoré wattmetre sú v podstate voltmetre ociachované vo wattoch a že si o tom niečo viac povieme niekedy nabudúce. To nabudúce prišlo teraz takže skúsim o tom niečo napísať. Na úvod ešte dodám že chcem uviesť veci potrebné pre praktické využitie takže nebudeme detailne opisovať vektory výkonov, matematické riešenia a pod. koho to zaujíma určite nájde na internete články ktoré sa tejto problematike venujú detailne a teóriu popisujú naozaj obsiahlo. My sa však pokúsime o praktickú ukážku ktorá je pre nás z pohľadu rádioamatérov dôležitá avšak bez základných pojmov sa nezaobídeme.

Ako meriame výkon

V elektrotechnike meriame výkon priamo wattmetrom alebo voltmetrom a ampérmetrom pričom na základe týchto meraní vieme výkon vypočítať. Pre jednoduchšie pochopenie začnime v obvodoch DC teda jednosmerného napätia kde je výkon definovaný ako súčin napätia a prúdu.

P=U.I

• P – je výkon v Wattoch [W]
• U – je napätie vo Voltoch [V]
• I – je prúd v Ampéroch [A]

Je to veľmi jednoduchý vzťah kde je na prvý pohľad jasné že potrebujeme zmerať ako napätie tak aj prúd aby sme mohli určiť výkon. Meracie prístroje ktoré nám merajú priamo výkon teda musia mať dva meracie vstupy a to napäťový a prúdový. Ak nemáme Wattmeter postačíme si s ampérmetrom a voltmetrom a namerané hodnoty jednoducho vynásobíme.

Toto však platí v prípade DC sústavy. Ak chceme merať výkon v AC teda striedavej sústave dostávame sa do zložitejšej situácie pretože sa nám do cesty postaví fázový posun medzi napätím a prúdom čo nazývame účinník siete označovaný ako cos Φ. Tento jav nám situáciu skomplikuje tým že hneď namiesto jedného výkonu sa nám objavia 3 výkony ktoré sme pomenovali :

• Činný ktorý je definovaný ako : U.I.cos Φ
• Jalový ktorý je definovaný ako : U.I.sin Φ
• Zdanlivý ktorý je definovaný ako : U.I

Ak skúsme dosadiť uhol fázového posuvu prúdu a napätia 0 st zistíme že:

• Cos 0 = 1
• Sin 0 = 0

Po dosadení do predchádzajúcich vzorcov nám jalový výkon zmizne a činný bude tak ako aj zdanlivý definovaný iba súčinom napätia a prúdu, teda :

P=U.I

Týmto sme sa elegantne zbavili siahodlhého opisu čo ktorý výkon znamená a máme opäť iba jeden jednoduchý vzťah ako v prípade DC sústavy. Jediné čo musíme dodržať je fázový posun medzi napätím a prúdom 0 stupňov. Čo to pre nás znamená a ako túto podmienku dodržíme v prípade merania VF výkonu si povieme trocha neskôr.

Meranie VF výkonu

Nás rádioamatérov zaujíma spravidla VF výkon. Či už sa jedná o výkon transceivera alebo VF zosilňovača je to výkon striedavého charakteru. Ak zabezpečíme fázový posun medzi prúdom a napätím 0 stupňov môžme použiť vzťah :

P=U.I

Aby sme splnili podmienku fázového posunu 0 musíme zabezpečiť aby meranie prebiehalo do čiste rezistívnej záťaže tzn že záťaž nebude mať ani kapacitnú ani induktívnu zložku. Najjednoduchšie je použiť umelú bezindukčnú záťaž. Ak však použijeme umelú záťaž ktorej parametre budú počas celého merania konštantné môžme si to zjednodušiť ešte viac.

Ohmov zákon bez ktorého sa jednoducho nezaobídeme

Ohmov zákon nám pri zjednodušovaní pomôže pretože hovorí o vzťahu napäta, prúdu a odporu.

I = U/R

Keďže umelá záťaž bude mať konštantnú hodnotu odporu môžme si dovoliť využiť tento fakt a do predchádzajúceho vzorca P=U.I namiesto prúdu dosadiť z ohmovho zákona U/R. Vznikne nám elegantný vzorec kde zmizne prúd a zostane v ňom iba napätie a odpor :

P = U.U/R

Na čo si treba dať pozor

Keďže ciachovanie takéhoto wattmetra je závislé od odporu umelej záťaže musíme si uvedomiť že v prípade iného odporu ako 50 j0 (ohmov rezistívnych) nám takýto wattmeter už nebude ukazovať správne hodnoty. Je to spôsobené tým že keďže je to v podstate voltmeter zmeria napätie ktoré pri inej záťaži už zodpovedá inému výkonu ako pri 50 ohmovej na ktorú bol ciachovaný. Výkon by sme teda mali merať do umelej záťaže a nie do antény. Ak meriame výkon do antény môžme jeho údaju veriť iba v prípade že má anténa na danom kmitočte PSV blízke 1:1 Na tento fakt sa často zabúda a potom nám pri meraní do antény vychádzajú nezmyselné hodnoty výkonov ktoré sa môžu v niektorých prípadoch dramaticky odlišovať od reality.

Predstavme si situáciu že meriame výkon 100W. Tomuto výkonu zodpovedá napätie pri 50 ohmovej záťaži asi 71 Vrms. Pri tejto hodnote napätia je ociachovaný wattmeter na 100W. Ak však budeme merať do antény s impedanciou povedzme 25j0 (kde je mimochodom PSV = 2:1), wattmeter zmeria napätie 50 Vrms avšak pri 50j0 záťaži napätiu 50 Vrms zodpovedá výkon 50W tzn. že wattmeter ukáže nameranú hodnotu 50W namiesto 100. Toto však platí pri veľmi jednoduchých wattmetrov s ktorými sa môžme ešte v praxi stretnúť ale existujú samozrejme aj iné sofistikovanejšie typy.

Nie je wattmeter ako wattmeter

V praxi sa môžme stretnúť s typmi wattmetrov ktoré skutočne merajú iba napätie a výkon je prepočítaný vzhľadom na konštantnú 50 ohmovú záťaž. Ich konštrukcia býva väčšinou veľmi jednoduchá a využívajú sa skôr pre CB pásma príp. KV. Jedným z takýchto typov je aj PSV meter a Wattmeter ALAN K155.

Meranie výkonu je konštrukčne riešené naozaj veľmi jednoducho a nie príliš dobre. Priamo na vstup je pripojený kapacitný napäťový delič. Z jeho stredu je cez VF detektor a filter privedený signál na ručičkové meradlo. Je to v podstate VF milivoltmeter ociachovaný vo wattoch. Pre meranie do umelej záťaže to postačuje ale ak by sme s ním mali merať priamo do antény výsledky budú silne závislé od vyladenia antény.

Vráťme sa ale k pôvodnému vzťahu pre výpočet výkonu a to :

P = U.I

Pri menšej impedancií záťaže síce nameriame menšie napätie ale prúd sa musí zvýšiť aby zostal výkon rovnaký. Tzn že ak by sme do merania ešte zaviedli závislosť od pretekajúceho prúdu mohli by sme zmerať výkon s relatívne dostatočnou presnosťou aj na anténe ktorá nie je ideálne vyladená. Pre takéto merania sa používajú zapojenia ktoré merajú prúd aj napätie a akýmsi vzájomným súčtom oboch nameraných napätí (pretože aj pri meraní prúdu je výsledkom nejaké napätie) sa ovláda výchylka meradla ktoré je síce opäť voltmeter ale už je pri meraní kompenzovaná aj závislosť napätia a prúdu. V praxi sa používajú hlavne dve základné zapojenia. A to zapojenie s tzv. Bruenovou smerovou odbočnicou (Bruene directional coupler) kde sa pre meranie prúdu používa prúdový transformátor ktorý je napäťovo offsetnutý výstupom z kapacitného napäťového deliča.

Je to staršie zapojenie z 50tych rokov minulého storočia ale je s obľubou používané v mnohých wattmetroch napr. aj v Tunery MFJ949 kde je síce trocha upravené ale v princípe rovnaké.

Ďalším používaným zapojením je tzv Tandem – Match. Je to veľmi podobná topológia ako v predošlom prípade ale na injektovanie napäťovej úrovne sa nepoužíva kapacitný delič ale napäťová cievka tandemového transformátora.

Záver

Ako vidíte zapojení je niekoľko a nie každé sa správa rovnako. Ak nie sme si istý aký druh wattmetra máme odporúčam merať do umelej záťaže a nespoliehať sa na údaj ktorý nameriame do antény. Ak však máme wattmeter skonštruovaný tak ako v posledných dvoch ukážkach je možné s ním merať výkon aj do nie ideálne prispôsobenej antény avšak kompenzačné členy prúdu a napätia nekompenzujú všetko čo sa v prípade nie dobre vyladenej antény deje preto odporúčam vždy použiť bezindukčnú umelú záťaž a meranie do antény používať iba ako informatívnu hodnotu ktorá sa môže od reality viac či menej líšiť. Treba si však uvedomiť jednu zásadnú vec a to je fakt že pri meraní výkonu voltmetrom (čo sú v podstate všetky zapojenia) je napätie v druhej mocnine tzn že výkon nám rastie so štvorcom napätia.

P = U²/R

Preložené do ľudskej reči to znamená že aj malá zmena napätia spraví veľkú zmenu výkonu tzn. že už malá nepresnosť v kalibrácií ukazovateľa wattmetra čo je v podstate voltmeter nám spraví veľkú nepresnosť v meraní výkonu. Taktiež je tu značná nelinearita vzhľadom na meranú frekvenciu takže širokopásmové wattmetre bez nejakej slušnej kompenzácie riadenej mikroprocesorom nebudú moc presné (to je aj dôvod prečo americká firma Bird vyrába takú širokú paletu Bird elementov). Jednoducho akýkoľvek analógový wattmeter ktorého šírka pásma bude príliš veľká nám nemôže presne merať na všetkých kmitočtoch. Ak máte možnosť výberu medzi viac pásmovými Wattmetrami s úzkymi prepínateľnými rozsahmi tak tu je väčšia pravdepodobnosť že takýto wattmeter bude merať presnejšie pretože je tu šanca na omnoho lepšiu kompenzáciu nepresností vzhľadom na väčší počet rozsahov. Preto aj namerané výsledky bežnými wattmetrami berte radšej s rezervou. Dovolím si povedať že 10% odchýlka z maxima meraného rozsahu je ešte relatívne v poriadku.