Construir un watímetro de radiofrecuencia (RF)

Radioaficionados

Es normal que al radioaficionado, como ya hemos apuntado en otro lugar de este blog, le guste construirse sus propios aparatos. A aquellos que disponen de los suficientes conocimientos teórico-prácticos, el instrumento que traemos a la palestra en este artículo les resultará quizás excesivamente simple y fácil de construir.

Sin embargo, nuestra idea no es hacer llegar esta información únicamente a personas versadas en electrónica, sino también a aquellas que no lo están tanto, y por supuesto a todas aquellas que están ávidas por realizar experimentos de este tipo, tengan o no tengan conocimientos técnicos.

La herramienta que vamos a describir a continuación, además, les resultará de muchísima ayuda a todos ellos. Les servirá no solo para símplemente saber con que potencia sale un determinado transceptor de radio, sino también para ajustar sus propios emisores, exprimiendo al máximo las capacidades de cada uno de sus equipos.

Una vez construido, el watímetro de RF que tenemos entre manos se convertirá en un instrumento imprescindible e insustituible en nuestro rincón de radio. Pongamos pues manos a la obra.

Comenzaremos describiendo desde el principio el circuito básico que constituye un watímetro de RF. Una vez que entendamos que es exactamente lo que queremos hacer, desarrollaremos paso a paso el circuito final de nuestro watímetro a partir de los conocimientos adquiridos.

UN WATIMETRO BASICO
Ya sabemos, por la lectura de artículos anteriores, que entre el paso final de RF del transmisor y la antena, ambos incluidos, debe existir una adaptación de impedancias perfecta si queremos que el sistema funcione a pleno rendimiento.

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En el caso que nos ocupa, vamos a sustituir la antena por un watímetro, por lo que debemos diseñar el circuito de este último de manera que tenga exactamente la misma impedancia que dicha antena. ¿Como conseguirlo?.

Podemos comenzar sustituyendo la antena por un componente que presente una impedancia idéntica, componente sobre el que podamos efectuar una medida y evaluar la energía que se le ha aplicado.

De esta manera "cargaremos" correctamente el transmisor, no tendremos problemas de reflexiones indeseadas y dejaremos el equipo preparado para efectuar la medida.

La impedancia característica de la mayoría de las antenas, lineas de transmisión y emisores de radioaficionados es de 52Ω. Por lo tanto, en un principio necesitamos una resistencia no inductiva de ese valor.

Puede servir perfectamente una resistencia de carbón (no bobinada) de las habitualmente usadas en electrónica. A partir de aquí, podemos conectar un instrumento que sea capaz de medir la potencia disipada en ella. Pero... ¿Como podemos configurar la circuitería necesaria para ese instrumento?. ¿Que tipo de instrumento usar en este caso?.

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Como instrumento, un simple galvanómetro de bobina móvil puede servir perfectamente. Quizás el mayor problema sea configurar un circuito apropiado, de manera que cuando conectemos el emisor de radio, éste siga "viendo" una impedancia de 52Ω.

En un principio y de forma muy condensada, el esquema de nuestro watímetro podría ser el que puedes ver en la ilustración superior, siempre que su circuito no influya, al menos excesivamente, en el valor de la resistencia de 52Ω que estamos usando como "carga", simulando la antena. ¿Que circuito electrónico vamos a usar entre la resistencia y el galvanómetro para respetar esto último?. Comencemos a desarrollarlo.

EL CIRCUITO ELECTRÓNICO
Basicamente podemos decir que, si un galvanómetro se excita con corriente continua, antes que nada deberemos convertir la señal de RF que tenemos en la resistencia de 52Ω, en una corriente continua capaz de mover la aguja de nuestro instrumento.

Para conseguirlo, vamos a hacer uso de un diodo y un condensador de una capacidad adecuada conectados según representamos en la ilustración adjunta.

El diodo rectifica la señal de RF y el condensador se encarga de "aplanar los pulsos". De esta manera obtenemos en la salida una tensión continua proporcional a la potencia de la señal que suministra el transmisor. Cuanta más potencia genere la emisora tanto mayor será la tensión continua en bornes del condensador.

Hasta aquí todo parece ir sobre ruedas. Tenemos el transmisor correctamente cargado mediante una resistencia no inductiva del mismo valor que su impedancia de salida, de manera que el acoplamiento sea óptimo. Después hemos puesto una célula diodo-condensador en paralelo con la resistencia anterior para obtener una tensión continua proporcional a la potencia de salida del transmisor. Por último, en bornes del condensador hemos colocado un galvanómetro, el cual nos indicará la potencia que desarrolla el transmisor.

Si ahora juntamos todas las piezas de que disponemos, obtendremos el conjunto que hemos representado en el dibujo siguiente. Parece que hemos logrado diseñar un circuito que podría funcionar a la perfección. ¿Piensas así?.

Lamentablemente hemos de decirte que, aunque hemos puesto todas nuestras ganas, este circuito no funcionará correctamente. ¿Sabrias explicar porqué sin seguir leyendo el artículo?.

La respuesta ya la insinuamos al principio. Resulta que al colocar en paralelo con la resistencia de 52Ω el conjunto formado por el diodo más el condensador y el galvanómetro, hemos bajado excesivamente la impedancia del circuito.

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Efectivamente, la impedancia que "vería" el transmisor al conectarle este circuito sería mucho mas baja que los 52Ω de la resistencia ya que el galvanómetro apenas se opone al paso de la corriente. Para que el circuito funcione a la perfección, tenemos que conseguir que la impedancia que "vea" la emisora sean justo esos 52Ω, ni más ni menos.

Además, si usáramos el montaje anterior tal cual lo representamos, con una emisora de por ejemplo 10 watios,  la aguja del galvanómetro se desplazaría con tanta violencia que seguramente tendríamos que irla a buscar a casa de nuestro vecino.

¿Como vamos a lograr arreglar estos problemas, teniendo muy presente que nuestra idea es usar componentes sencillos y fáciles de obtener?.

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EL ACOPLAMIENTO PERFECTO
Lo primero que se nos ocurre para mantener la impedancia en torno a los 52Ω, y de paso hacer que al galvanómetro no le llegue una intensidad de corriente excesiva, es colocar una resistencia de elevado valor en serie con el diodo. Puedes ver la idea esbozada en la siguiente ilustración.

El esquema anterior podemos mejorarlo si en vez de solo añadir una resistencia fija, añadimos además una resistencia variable. Esto nos iba a permitir poder ajustar el watímetro a fondo de escala para una potencia determinada y tener la posibilidad de calibrar nuestro instrumento. La cosa quedaría de la siguiente manera.

Esto ya es otra cosa ¿eeeehh?. Ahora parece que nuestro invento si que puede funcionar. Y de hecho funcionaría, pero sigue teniendo algunas limitaciones que tenemos que subsanar. Por ejemplo, necesitamos que nuestro watímetro pueda medir potencias de al menos 15 o 20 watios para que tenga verdadera utilidad.

Nos resultará muy complicado encontrar en el mercado una resistencia de 52Ω con una potencia de disipación adecuada. Primero porque no es un valor estandar, y segundo porque, a partir de una determinada potencia, no se fabrican resistencias de carbón no inductivas, que son las que necesitamos. Tenemos que inventar algo para salir del atolladero.

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LA RESISTENCIA IDEAL
Como la resistencia que necesitamos no existe, no tenemos más remedio que "fabricarla". Y ahora probablemente te preguntes: "¿Comoooooo? ¿Fabricar nosotros una resistencia?". ¡Bueno! ¡Tranquilízate! ¡No te salgas del pellejo!. Observa que hemos colocado la expresión anterior entre comillas.

Lo que queremos decir es que, mediante una combinación de varias resistencias vamos a obtener el valor adecuado para alcanzar nuestras pretensiones. Si cogemos 20 resistencias de 1KΩ, cada una de ellas con una potencia de disipación de 1 Watio, y las ponemos en paralelo, nos vamos a llevar una agradable sorpresa. Mira un momento la siguiente ilustración.

Efectivamente, hemos obtenido una resistencia total de 50Ω, un valor muy próximo al que necesitamos. Con solo una pequeña modificación veremos como podemos aproximarnos más aún, hasta practicamente conseguir los 52Ω. Además, la potencia que el conjunto de resistencias en paralelo puede disipar será de 20 Watios (20 x 1), con lo que hemos conseguido matar dos pájaros de un tiro.

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En este punto, pensamos que ya es hora de presentarte el esquema completo de nuestro watímetro ¿no crees?. Aunque al primer vistazo quizás te parezca algo complejo, pero verás como no lo es en absoluto.

EL ESQUEMA COMPLETO
En el esquema final hemos añadido algunos extras, los cuales van a hacer mucho más preciso nuestro instrumento. Después de dedicar unos instantes a observarlo, y a tratar de adivinar para que sirve cada componente, sigue leyendo. Posiblemente se te despejen algunas dudas que pudieras tener.

Como seguro que te has percatado, no hemos puesto 20 resistencias de 1K en paralelo, sino 19. ¿Por qué?. Si haces los cálculos (ver nuestro artículo dedicado a las resistencias en serie y en paralelo) verás que incluyendo en el circuito las dos resistencias en serie de 3K6 y de 750Ω (en total 4.350Ω), obtenemos los 52Ω casi justos que necesitamos para acoplar nuestro watímetro a la perfección con la mayoría de los equipos de radio.

Hemos optado por esta solución por dos motivos. El primero ya lo hemos dicho, la impedancia que verá la emisora será de 52Ω casi clavados. El segundo es que, gracias al divisor de tensión formado por R20 y R21 y a que esta última es casi cinco veces más pequeña que la primera, conseguimos minimizar la influencia que el resto del circuito pudiera tener en el total del valor de la red de resistencias en paralelo.

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La señal de radiofrecuencia presente en R21 se rectifica con el diodo D1 y se le aplica un primer filtrado con el condensador C1, con lo que en este punto ya tenemos una tensión continua casi pura. Posteriormente hemos colocado el trimmer potenciométrico RV1, gracias al cual, vamos a poder calibrar nuestro instrumento a fondo de escala. Después de RV1 tenemos otro condensador (C2), el cual refuerza el filtrado de la señal, de manera que ahora la tensión que tiene en sus bornes puede considerarse libre de rizado.

Si el conmutador SW1 se encuentra en la posición "LOW", la tensión de C2 se aplica directamente al galvanómetro, que por cierto deberá ser de 100µA a fondo de escala. En esta posición de SW1, calibraremos el watímetro con RV1 para que mida una potencia de 2W a fondo de escala.

Después de calibrar el watímetro con RV1, colocaremos el conmutador SW1 en la posición "HI" y con la ayuda de RV2 calibraremos nuestro instrumento de manera que mida 20W a fondo de escala.

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Observa que para conseguir dos escalas de medida distintas hemos introducido en nuestro circuito el conmutador SW1 y un trimmer potenciométrico adicional, el RV2 de 470K, siendo su valor diez veces superior al del primer trimmer, por lo que podremos medir una potencia también diez veces superior, respetando siempre los 20W máximos que puede soportar la red de resistencias en paralelo. Gracias a esta doble escala ganaremos en precisión al medir potencias bajas, del orden de 2 watios o menos.

Un detalle importante es que al principio hemos representado la escala del watímetro de forma lineal, es decir, con los espacios entre divisiones idénticos. Sin embargo esto no es así. ¿Por qué?.

Deberías tener en cuenta que lo que estamos midiendo en realidad no es una potencia, sino la tensión que corresponde a esa potencia para una impedancia dada. Por lo tanto, dicha escala ha de ser logarítmica y no lineal.

Quizás lo entiendas mejor mediante un ejemplo. Recordemos que la fórmula que nos da la potencia disipada en una resistencia es

como resulta que

sustituyendo en la primera ecuación tenemos que

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o lo que es lo mismo

si despejamos V tenemos

supongamos, para redondear, que la impedancia del sistema es de 50Ω. Si estamos midiendo una potencia de 2 Watios, la tensión que medirá el galvanómetro será

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si medimos una potencia de 10 Watios la tensión medida será

y por último, si medimos una potencia de 20 Watios la tensión a medir será

Está claro que ante un aumento de cinco veces la potencia (de 2 a 10 Watios), la tensión no aumenta 5 veces sino solo algo más del doble (de 10 a 22,36 Voltios). Y si la potencia aumenta diez veces (de 2 a 20 Watios), la tensión solo aumenta algo más del triple (de 10 a 31,62 Voltios). Como vemos, los aumentos que nos medirá el galvanómetro no son lineales con respecto a los aumentos de potencia. Por lo tanto, la escala del watímetro no podrá ser lineal, sino logarítmica.

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Aquí damos por terminado este artículo. Solo recordarles a los suscriptores del blog que disponen de toda la información necesaria para la construcción de este equipo en la zona de descargas. En un solo PDF pueden bajarse la distribución de componentes y una copia a tamaño natural del diseño de pistas del circuito impreso necesario. Esperamos les sea de utilidad. ¡Hasta pronto!.

 
C O M E N T A R I O S   
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RE: Construir un watímetro de radiofrecuencia (RF)

#1 luigi santos » 26-11-2012 04:25

excelente informacion muy agradecido por la publicacion.

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