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Progetto ideato e realizzato dai nostri Soci:

 

QMETER1Q-meter da 1 a 50 MHz

 

Premessa

Uno strumento che raramente è stato presentato all’attenzione del radioamatore che ancora si diletta nell’autocostruzione, è senz’altro il Q-Metro!
Certamente non si tratta di uno strumento moderno: appartiene infatti alla categoria degli strumenti analogici che oggi, grazie anche alla potenza dei mezzi informatici e digitali, vengono via via sostituiti dai vari VNA e “diavolerie” simili; può sembrare quindi anacronistico proporre qualcosa che sa di “antico” ma, data la semplicità della realizzazione e la praticità dell’utilizzo, riteniamo che possa in realtà essere tenuto in seria considerazione.
Per la sua realizzazione, si è ritenuto di utilizzare, quale sorgente di segnale a R.F., un generatore esterno; nulla vieta che si possa realizzare un generatore da includere nell’apparato stesso, in modo da renderlo autonomo: un’ottima soluzione sarebbe quella di prevedere uno dei tanti generatori D.D.S. (ultimamente apparsi sulle riviste di settore).

Per i particolari tecnici e descrizioni, riferirsi al progetto riportato nell’Archivio di di questo sito.

In considerazione di quanto sopra, riteniamo però inutile complicarci la vita in una realizzazione così complessa e ci sentiamo oltretutto confortati nella nostra convinzione dalla constatazione che comunque oggi, chi ancora si ostina a dedicarsi all’autocostruzione, sicuramente già dispone di uno dei tanti meravigliosi generatori R.F. ultimamente apparsi sul mercato “surplus” a prezzi veramente convenienti.
Un’ulteriore considerazione che ci fa propendere per un generatore esterno è motivata dal fatto che il segnale di cui necessitiamo deve essere il più possibile stabile in ampiezza su tutta la banda operativa e deve comunque risultare regolabile (in ampiezza) con continuità: in un generatore auto costruito dovrebbe venir quindi previsto un efficace A.L.C. oltre ad un buon attenuatore in uscita, circuiti questi già presenti in un generatore R.F.commerciale.
Sempre nell’intento di prevenire le osservazioni che potrebbero venir mosse, chiariamo che la scelta di uno strumentino ad equipaggio mobile (di tipo magneto-elettrico tradizionale) quale lettore di “Q” , è stata condizionata da considerazioni di carattere operativo: la lettura del Q, come avremo modo di approfondire in seguito, viene effettuata ricercando la risonanza della bobina in esame, con un condensatore variabile presente nell’apparato; questa si manifesta con un picco di tensione rilevato ai capi dello stesso variabile.
Se la bobina in esame presenta un Q elevato (buona qualità) il picco di tensione risulta essere molto stretto e necessita quindi di un variabile notevolmente demoltiplicato: va da sé che se utilizzassimo un voltmetro digitale anziché uno analogico, la ricerca della risonanza risulterebbe notevolmente difficoltosa: nulla vieta, comunque, di utilizzare uno strumentino digitale o addirittura un multimetro esterno; non dimentichiamo comunque che la misura del Q di una bobina non richiede precisioni tali da giustificare l’utilizzo di uno strumento d’alta classe.

 

Richiami teorici

Un’induttanza perfetta dovrebbe presentare solo reattanza induttiva (XL) con Rs = 0; in realtà ciò è solo chimera ed in pratica la presenza di una Rs, nella quale immaginiamo concentrare tutte le perdite, ci presenta l’induttanza come una impedenza anziché una pura reattanza.
Un’induttanza è quindi tanto più “buona” quanto più piccola è Rs in confronto con la XL, ad una determinata frequenza; questa “bontà” viene indicata dal rapporto tra la XL e la Rs che per questo sarà tanto più grande quanto XL sarà maggiore di Rs.
Per la determinazione di tale valore si fa ricorso al circuito riportato nel progetto.

Figura 1

 Come si può notare in fig. 1, si tratta di in generatore di tensione alternata (di cui parleremo in seguito) che alimenta un circuito Rs Lx Cv serie dove Rs rappresenta la concentrazione delle perdite sostanzialmente addebitabili alla sola L in quanto la Cv altro non è che il condensatore variabile dell’apparato, di buona qualità e quindi di perdite trascurabili.
Il voltmetro, ad altissima impedenza, può leggere sia la tensione di ingresso (del generatore) che quella ai capi di Cv senza introdurre alcun carico; alla risonanza di Lx e di Cv, risonanza che avviene alla frequenza per cui XLx = XCv, le cadute di tensione ai capi di questi elementi sono quindi uguali (fatto salvo il fatto che le fasi sono in opposizione) per cui la tensione letta dal voltmetro ai capi di Cv equivale alla tensione ai capi di Lx.
Sempre alla risonanza la corrente all’interno del circuito vale:

Ii = Vi / Rs

in quanto le reattanze uguali ma con fasi opposte si elidono; la caduta di tensione sull’induttanza vale quindi:

VLx = XLx * Ii = XLx * Vi / Rs

e, in definitiva:

VLx = Q *

in altre parole, la sovratensione ai capi di Lx (misurata in realtà ai capi di Cv) rappresenta il “Q” della bobina, dopo che si è tarato il voltmetro sulla tensione di ingresso, acquisita come valore unitario.
Per non influenzare la misura, occorre che il generatore di segnale sia possibilmente equiparabile ad un “vero” generatore di tensione (resistenza interna nulla) perché, diversamente, la resistenza interna dello stesso andrebbe a sommarsi alla Rs della bobina Lx, falsando così la lettura.
L’impegno maggiore nella realizzazione del progetto l’abbiamo dovuto profondere nella ricerca di una soluzione accettabile per questo problema; in un primo tempo abbiamo tentato, con scarso successo, la via del partitore resistivo: la risposta inspiegabilmente risultava sovra-compensata alle alte frequenze della banda!
Abbiamo quindi intrapreso la via di un trasformatore di impedenza con un notevole rapporto in discesa: dopo svariati tentativi con nuclei e toroidi, con risultati non del tutto soddisfacenti, la soluzione si è trovata con l’utilizzo di una ferrite di foggia binoculare (di quelle, per intenderci, usate un tempo nei “balun” per antenne TV): a volte le soluzioni più valide sono le più semplici e naturalmente sono le ultime che tentiamo!!!!

 

Analisi dello schema elettrico

Figura 2

In fig. 02 è riportato lo schema elettrico del Q-Metro: il segnale del generatore, con un valore di circa 0 dBm, viene connesso al BNC J1, amplificato da Q1, connesso ad emettitore comune; la compensazione in frequenza viene realizzata per mezzo di Cx ed Rx; il segnale viene poi amplificato in corrente (abbassato di impedenza) dal circuito darlington formato da Q2 e Q3 per poter infine pilotare il trasformatore a larga banda T1.
Detto trasformatore presenta un rapporto di trasformazione di 10/1 (in discesa) e quindi riduce di 100 volte l’impedenza di uscita del darlington, di per sé già molto bassa.
I diodi D1 e D2 rivelano il valore picco-picco del segnale al primario di T1; se avessimo dovuto rivelare il segnale al secondario, avremmo dovuto prima amplificarlo: questa scorciatoia ci è permessa perché il rapporto di trasformazione si mantiene sostanzialmente costante in tutta la banda di impiego (1–50 Mhz).
Come già detto in precedenza, la sovratensione dovuta al “Q” del circuito la rileviamo non ai capi di Lx bensì di Cv, per mezzo di un separatore dotato di altissima impedenza di ingresso e bassa impedenza in uscita (Q4 e Q5).
Il segnale viene prelevato da una capacità (Cx) di appena 2.2pF ed amplificato in corrente da un darlington prima di essere rivelato da D3 e D4.
Merita un commento la scelta dello strumento (25 uA f.s.); detta scelta non è stata dettata per esigenze di sensibilità (si possono indifferentemente usare altri strumenti di diversa sensibilità), ma per esigenze di portate: nel nostro caso la prima portata in termini di Q è di 250 f.s. e la seconda di 500 f.s; per passare da una portata all’altra si interviene semplicemente sul livello del segnale d’ingresso del generatore esterno: con 0 dBm in ingresso (indicati da un contrassegno X1 sulla scala dello strumento, verificati con S1 su “Cal.”) avremo la portata Q = 250 f.c. mentre con un segnale in ingresso dimezzato (ridotto di – 6 dBm) (indicati sempre sulla scala dello strumento da un secondo contrassegno X2), moltiplicheremo per due la lettura dello strumento (una volta passato S1 su “Test”) realizzando così una portata Q = 500 f.c.
La scelta di alimentare il tutto con tensione negativa deriva dal fatto che in questo modo i collettori dei Bjt connessi in darlington vengono direttamente collegati a massa e questo esclude la possibilità di inneschi che diversamente tendono a verificarsi; chi volesse cimentarsi in qualcosa di alternativo, può farlo!
Per alimentare il tutto abbiamo utilizzato uno dei tanti alimentatorini da parete che sicuramente ci ritroviamo tra i piedi, dopo averlo cannibalizzato: nulla esclude la possibilità di realizzare un alimentatore entrocontenuto!

 

 

Realizzazione pratica

A solo titolo di esempio si propone il PCB, si raccomanda solo una connessione possibilmente breve tra Cv e stampato e tra le boccole per la Lx e lo stesso; privilegiate un condensatore variabile di buona fattura meccanica e soprattutto con una buona demoltiplica sull’albero.
Per quanto riguarda T1, il nucleo di ferrite (Amidon) è disponibile da Franco Rota (BN43- 202 o similari); il secondario è costituito da una sola spira (sostanzialmente un cavallotto di filo di rame argentato da 1 mm. di diametro che entra in un foro per riuscire da quello parallelo come in figura) mentre il primario è costituito da dieci spire di filo smaltato da 0.35 mm.

 

 

Taratura

Per la taratura il metodo più sicuro consiste nel confronto con un Q-Metro assunto a campione; realizziamo quindi una bobina che misureremo con accuratezza (noi abbiamo realizzato una induttanza su nucleo toroidale in modo di avere un Q abbastanza alto, compreso tra 225 e 250) ad una determinata frequenza: questa costituirà il campione col quale tareremo il nostro Q-Metro.
Connettiamo ora un generatore RF con un livello di segnale pari a 0 dBm, al BNC del nostro strumento; con S1 su “Cal.” agiamo su V1 per portare l’indice dello strumento a fondo scala (riferimento x1); successivamente, spostando S1 su “Test”, ricercheremo la risonanza dell’induttanza in prova con Cv ed infine faremo coincidere il valore di “Q” precedentemente letto, con un’identica indicazione sulla scala del nostro strumento, (Q = 250 f.s.) agendo su V2.
Infine, ridurremo il segnale RF di ingresso fino a portare la lettura ad un valore di scala esattamente dimezzato: questo dovrebbe realizzarsi con una riduzione di circa 6 dB (dimezzamento del valore di tensione); commutando il deviatore S1 su “Cal.” riportiamo un riferimento sulla indicazione dello strumento che per noi costituirà il riferimento x2: le letture che effettueremo in queste condizioni corrisponderanno alla portata Q = 500 f.s. e le ricaveremo moltiplicando per due la indicazione dello strumento.

 

 

Annotazioni tecniche

La scala dello strumento, essendo lo stesso in continua, è lineare; in realtà, data la presenza dei diodi rivelatori, l’indicazione del Q si discosta da questa, soprattutto nel tratto iniziale (bassi valori di Q); come si sottolineava in precedenza, tuttavia, la lettura del fattore di bontà di una bobina non necessita di una notevole precisione, soprattutto per bassi valori dello stesso, per cui non si è ritenuto necessario ricavare una scala specifica.
Come si può dedurre da quanto esposto nel commento allo schema elettrico, il cambio di portata si effettua semplicemente variando il segnale RF di ingresso: modificando la frequenza di misura o tra una lettura e l’altra, vale la pena di verificare frequentemente il livello del segnale sullo strumentino (riferimenti x1 o x2) in quanto la precisione di misura dipende dalla costanza di questo livello.
Altra raccomandazione da tener presente è il tarare una eventuale scala solidale con l’albero del variabile Cv, con valori di capacità corrispondente: questa operazione che vi raccomandiamo di effettuare con un buon capacimetro, in sede di misura vi permetterà di valutare con quale valore di capacità risuona la vostra induttanza incognita, ed inoltre, conoscendo capacità e frequenza, con un semplice calcolo vi permetterà di calcolarne il valore (anche se approssimativo).
Da ultimo, noterete dalle foto che il pannellino frontale ed il posteriore sono stati realizzati con del semplice laminato per circuiti stampati: questa doveva essere una realizzazione di prova per esser poi sostituita da pannellini in alluminio satinato con scritte a pantografo (fortuna di avere un amico incisore)…… ma come di solito capita, le cose provvisorie a volte diventano definitive; a solo titolo di stimolo vi alleghiamo il disegno di quello che doveva essere il risultato finale!!

 

 

Conclusioni

Come sempre, il progetto completo di tutti i dettagli, schemi e figure, trova spazio nell’area Progetti dell’Archivio della Sezione A.R.I. di Pordenone.