ROS-mètre
Je vous propose la description de ce petit appareil simple à construire que j’utilise pour contrôler la puissance transmise à mon antenne. Le ROS mètre est décrit dans de nombreux documents. Je me suis appuyé sur les articles de Robert Berranger F5NB publiés dans Radio REF et disponibles aussi sur le blog du radio-club F6KRK.
J’ai repris le schéma du ROS-mètre avec transformateur de courant et transformateur de tension auquel j’ai ajouté un circuit simple d’affichage sur un galvanomètre.
1. Analyse du système de mesure
Le circuit se divise en 2 parties :
- la mesure, qui est analysée ici,
- l’affichage qui peut être au choix réalisé par un galvanomètre ou un affichage numérique.
Le circuit de mesure est composé de 2 transformateurs T1 et T2 et de 2 résistances de 50Ω.
T1 est un transformateur abaisseur de courant placé en série avec la source.
T2 est un transformateur de tension placé en parallèle à la charge.
1.1. Paramètres du système
Zc : impédance nominale le charge = 50Ω.
Pqro : Puissance maximum délivrée par la source de courant = 25W. C’est ma puissance maximum QRO.
Pqro = Uc²/2Zc où Uc = Tension crête,
On en déduit Uc = √(Pqro*2Z) = √(Pqro*100) = 10√(Pqro) = 10√25 = 50V.
Pour obtenir 50V crête sur 50Ω il faut I crête = 1A.
N: rapport de transformation de T1 et T2.
Je veux obtenir Ua=5V maximum à l’entrée de mon système d’affichage. Cette valeur est bien au-dessus du seuil de conduction des diodes Schottky 5v>>0,2V. J’ai aussi choisi cette valeur pratique et compatible avec une entrée ADC d’un microcontrôleur PIC ou autre (qui pourrait remplacer le galvanomètre).
On en déduit le rapport de transformation N = 50V/5V = 10.
Figure 1 – Circuit équivalent avec une charge de 50 Ohms
1.2. Schéma équivalent
Le schéma équivalent modélisé sur LTSPICE figure 1 est constitué:
- d’un générateur de courant I1 délivrant 1A/N crête qui représente T1,
- d’un générateur de tension V2 = I1*Zc/N = 50V/N à la charge nominale qui représente T2,
- d’une résistance R1 = 50Ω en parallèle à I1,
- d’une résistance R2 = 50Ω en série avec V2.
1.3. Paramètres du modèle
Les éléments indiqués permettent d’adapter le système à votre cas de figure:
- z : impédance de la charge entrée sous forme de liste de différentes valeurs en module,
- Imax =1A : intensité du courant crête délivré par la source,
- N =10 : rapport de transformation de T1 et T2,
- v = (z*Imax)/N tension délivrée par le générateur de tension.
Figure 2 – Circuit équivalent avec une charge de 150 Ohms
1.4. Mesures effectuées
Outre les graphes des tensions et courants du système, le modèle calcule:
- Vm : tension crête au point M (tension réfléchie),
- Vp : tension crête au point P (tension incidente ou directe),
- ρ = Vm/Vp,
- ROS = (1+ρ)/(1-ρ),
Attention à la polarité de I1 et V2. Les courants de I1 et V2 s’annulent. En cas d’inversion Vp et Vm sont inversés.
Les résultats sont enregistrés dans le fichier Error Log de LTSPICE.
Ci-dessus, figure 1 le résultat obtenu avec une charge de 50Ω. On obtient les valeurs nominales :
- aucun courant dans R1, I1 ne débite pas,
- IR2 = 0,1A (puissance moyenne dissipée dans R2 = 0,25W)
- Vm = 0
- Vp = 5V
- ROS = 1
Figure 2, désadaptation importante avec une charge de 150Ω:
- I1 débite du courant dans R1 = 0,1A
- IR2 = 2A (puissance moyenne dissipée dans R2 = 1W)
- Vm = 5V
- Vp = 10V
- ROS = 3
L’appareil ne doit pas être utilisé au delà de cette valeur.
Plus la désadaptation est grande, plus le courant augmente. Il y a risque de destruction de l’appareil en cas de branchement sans charge (Zc infinie).
Figure 3 – Schéma du circuit
2. Schéma du circuit
Figure 3, le schéma réalisé avec le logiciel libre KiCad disponible ici.
Remarque
Le circuit d’affichage est doublé pour alimenter les 2 canaux ADC d’un microcontrôleur (en prévision). Il peut être simplifié à un seul canal si on n’envisage pas ce montage en plaçant l’inverseur sur les points M et P.
2.1. Calcul des composants
Le ROS-mètre est calculé sur mesure avec ce cahier des charges :
- 5W mini en QRP
- 25W maxi en QRO
- galvanomètre 100uA, avec cette échelle graduée jusqu’à 100 il est très facile de calculer le rapport de tension qui donne le ROS.
Les transformateurs T1 et T2 sont des FT50-43. Sur chacun, on bobine 10 tours de fil 0,6mm. La spire unique est constituée par la passage du câble coaxial RG58.
2.1.1. Calcul du potentiomètre de tarage
Pour obtenir la sensibilité maximum il faut que le potentiomètre de tarage Rv fasse dévier l’aiguille du galvanomètre à pleine échelle.
On calcule à 25W : Ia max = 100uA = 5V/Rv ou Rv=5V/0,1mA = 50kΩ.
Cependant il faut se prémunir contre une désadaptation importante et, puisque l’appareil est limité à un ROS de 3 qui donne une tension de mesure de 10V,
on calcule Rv = 10V/0,1mA = 100kΩ. On obtient à la valeur nominale une lecture pleine échelle à mi-course du potentiomètre.
A 5W En utilisation QRP, de la même façon on calcule Uc = 10√5 = 22,36V.
Avec le même rapport de transformation Ua = 22,36/10 = 2,23V qui reste encore au dessus du seuil de conduction des diodes Schottky.
On obtient 2,23/0,1 = 22,3kΩ pleine échelle soit 1/4 de tour de Rv.
3. Limites
En dessous de 1W, sauf à avoir un grande désadaptation de la charge, la tension réfléchie n’est plus mesurable.
Figure 4 – Courbe de puissance transmise
4. Mesures
Plutôt que de parler de ROS, je préfère exprimer la puissance transmise P = Pi-Pr, figure 4.
On pose ρ = Vr/Vi.
Puisque ρ est un rapport de tension à la même impédance on peut écrire ρ² = Pr/Pi.
En ramenant à l’unité Pi si Pi ≠ 0 on écrit
P/Pi = 1-Pr/Pi = 1-ρ²
Exemple si Vr = 20 et Vi = 100 alors ρ=0,2.
P/Pi = 1-0,2*0,2 = 0,96 ou 96% et Puissance perdue = 4%.
Le fichier Graph est disponible ici.
Il n’est pas toujours possible d’obtenir un ROS de 1.
L’écart d’un point S correspond à un rapport de puissance de 4.
Si Vr/Vi= 0,5 (ROS = 3) alors la puissance transmise = 75%
Si nous sommes reçu S9 avec 100W émettre avec 75W se traduira par une baisse de 1/3 de point S.
Figure 5 – Courbe du rapport de transformation
5. Utilisation
Toujours connecter une charge.
Au départ inverseur sur Vref et potentiomètre au maximum de résistance.
Si tout va bien, inverseur sur Vdir. Tourner le potentiomètre jusqu’à avoir une lecture pleine échelle (100 sur mon galvanomètre).
Inverseur sur Vref. Calculer ρ = Vref/Vdir.
Pour changer le rapport de transformation utiliser le graphe ci-contre figure 5, disponible ici.
6. Montage
Le boîtier de base provient d’une alimentation de PC HS. Le circuit est réalisé en l’air (pas de gravure). Une petite plaque époxy cuivrée sert de support aux cosses sur lesquelles sont soudés les composants au plus court.
Les 2 transformateurs sont séparés par un écran fait d’une plaque d’époxy cuivrée double face, soudée perpendiculairement à la plaque de base.
Le blindage du RG58 doit être enlevé au plus court. Une seule extrémité est soudée à la masse, voir photos ci-dessous.
Index des articles de la catégorie labo-de-l-om