Semplici ed economici dummy load utilizzabili dalla DC a 1000 MHz

                     Costruzione e messa a punto

 

Descrizione

I carichi fittizi, detti anche dummy load, fanno parte di quegli accessori indispensabili in un laboratorio tecnico perché possono essere utilizzati in svariate applicazioni nel settore della radiofrequenza. Tipicamente presentano una resistenza/impedenza di carico pari a 50 ohm ed uguale a quella che è normalmente l’impedenza di un antenna. Quindi, uno dei campi di applicazione dei dummy load è quello di poter sostituire un’antenna quando si debbano eseguire test di messa a punto negli apparati ricetrasmittenti. In questo modo, è possibile eseguire la taratura in tutta sicurezza, evitando anche l’emissione di radiofrequenza che potrebbe disturbare un’ eventuale ricezione sulla stessa frequenza. I dummy load devono essere in grado di sopportare tutta la potenza in essi immessa che viene poi trasformata in calore da dissipare velocemente nell’ambiente. Le fogge costruttive di questi dispositivi sono differenti per dimensioni, in quanto dipendono dalla potenza che debbono dissipare e dalla frequenza di utilizzo. I valori di potenza possono spaziare da meno di 1 W fino ad  arrivare a diverse migliaia di W. Allo stesso modo, le frequenze di utilizzo possono iniziare dalla DC fino ad arrivare a qualche centinaio di GHz. In (foto n.1), sono mostrati alcuni dummy load di produzione industriale, per piccole e medie potenze e per frequenze fino a 20 GHz. Analoghi dummy load si possono anche auto-costruire, data la disponibilitá sul mercato di resistori adeguati a cifre irrisorie e la relativa facilità della loro realizzazione. Utilizzando un adeguato “case” ed il giusto resistore si possono ottenere le stesse prestazioni, in termini di potenza e di frequenza, di analoghi dummy load reperibili sul mercato, ma a costi decisamente più bassi. Nella descrizione che seguirà farò riferimento alla realizzazione di due semplici dummy load che ho costruito in maniera diversa sia per la tipologia dei resistori utilizzati che per la potenza e la frequenza di impiego.

 

Dummy Load da 250 W – 50 ohm DC- 1000MHz

Per realizzare questo dummy load ho utilizzato un resistore antinduttivo di precisione flangiato del tipo  “Hybrid Stripline”. Resistori di questo tipo vengono prodotti da varie ditte, le più conosciute sono la DICONEX, la RF Florida Lab., ecc…. Questo resistore è montato su di un chip resistivo che viene realizzato incidendo, con il laser, un substrato sottile resistivo di ossido di berillio. Il chip viene successivamente rivestito con materiale ceramico. Le sue dimensioni sono di 9,6 x 9,6 mm e lo spessore è di 2,8 mm. Il chip, così prodotto, viene poi  fissato su di una flangia metallica in rame nichelato dalle dimensioni di 24,9 x 9,6 mm e 2,8 mm di spessore che svolge funzioni di sostegno meccanico e di interfaccia termica per agevolare un veloce trasferimento di calore sviluppato dal chip verso il corpo del dissipatore. La sua flangia è provvista di due fori del diametro di 3 mm in modo che questa, con il relativo chip posizionato superiormente alla stessa, si possa fissare agevolmente ed in maniera meccanicamente solida ad un adeguato dissipatore. Il fissaggio della flangia al dissipatore si realizza utilizzando due bulloncini con le relative viti, in grado di bloccare energicamente la flangia su di una generosa aletta di raffreddamento. Analogamente ai Mosfet e/o i Transistor di potenza è consigliabile interporre una piastra di rame fra il dissipatore di alluminio e la flangia del chip, allo scopo di ottenere una migliore e veloce dispersione del calore in componenti che concentrano in modeste superfici una dissipazione di potenza/calore elevata. Pertanto, nonostante i pochi centimetri che possiede la superficie della flangia, è possibile trasferire rapidamente tantissimo calore al dissipatore. La costruzione del resistore utilizza una tecnologia che permette di ottenere un resistore rigorosamente anti-induttivo, con lo scopo di poterlo utilizzare in un ampio range di frequenza in quanto i suoi valori resistivi/induttivi cambino leggermente in funzione della frequenza di utilizzo. Per il montaggio di questi componenti si raccomanda di tenere i collegamenti quanto più corti possibili, per evitare di introdurre induttanze e capacità parassite.

Il resistore utilizzato (foto n.2) è stato prodotto dalla DICONEX in Francia, le caratteristiche per il modello 39-056 che ho utilizzato sono: Potenza 250W – Resistenza 50 ohm, temperatura di esercizio -55° + 150° C, temperatura derating a 250 W di 100° C, frequenza di lavoro dalla DC fino a 1000 MHz. La qualità è al top essendo costruito con specifiche adeguate a standard militari. Questo resistore è ideale per essere utilizzato in costruzioni elettroniche come in carichi per radiofrequenza da utilizzare in splitter, in combinatori oppure per tanti altri utilizzi nel settore della radiofrequenza. Mi permetto di suggerire di prestare parecchia attenzione durante la messa in opera del chip sul dissipatore perché i suoi terminali sono realizzati in sottilissima bandella di rame argentato e pertanto potrebbero spezzarsi facilmente in corrispondenza dell’attaccatura ceramica del chip.

Per procedere alla realizzazione di un dummy load occorre reperire un dissipatore dimensionato in modo tale che possa dissipare tutta la potenza di radiofrequenza che viene trasformata in calore dal resistore. Il suddetto dissipatore deve essere provvisto di alette di raffreddamento allo scopo di avere una bassa resistenza termica verso l’ambiente circostante, al fine di smaltire velocemente il calore emesso dal resistore stesso. Per questo scopo ho utilizzato un dissipatore di alluminio provvisto di alette e di una ventola di raffreddamento alimentabile a 12 V. Questo dissipatore, in precedenza, veniva utilizzato per raffreddare la CPU di un PC in disuso (foto n.3). 

Le misure del blocchetto di alluminio sono 76 x 60 x 40 mm. Ho previsto inoltre di utilizzare un piatto di rame da interporre fra il dissipatore ed il blocchetto metallico contenente il resistore. Le sue misure sono di 78 x 50 x 5 mm. L’alluminio offre il vantaggio di scaldarsi e raffreddarsi velocemente, inoltre se posto a contatto ad una barra di rame si va a migliorare l’effetto complessivo del raffreddamento. Il blocchetto contenente il resistore deve essere posizionato possibilmente nel baricentro della superficie del dissipatore e prima di unire i pezzi occorre spalmare per bene della pasta termo conduttiva sulle superfici di contatto. Inoltre, per massimizzare il contatto termico prima di unire i vari pezzi, è necessario levigare le superfici di contatto per renderle più lisce possibili. Queste operazioni sono molto importanti per fare in modo che il chip possa rimanere ad una temperatura sotto i 100° C con il 100% della potenza prevista pena la distruzione del chip stesso. Quando la ventola è in funzione è possibile smaltire il calore prodotto dal resistore anche per tempi relativamente lunghi, mentre con la ventola ferma e con il solo dissipatore, occorre procedere in modo che il calore prodotto sia per tempi brevi. Nel dimensionare il sistema di raffreddamento ho previsto di utilizzare il dummy load a piena potenza e con la ventola in funzione per tempi relativamente brevi per evitare di superare la massima temperatura consentita

Il resistore deve essere posizionato il più vicino possibile al connettore tipo “N” e pertanto occorre una disposizione semplice e funzionale. Allo scopo è stato utilizzato un adeguato blocchetto metallico all’interno del quale viene posizionato e fissato il resistore di potenza con in corrispondenza un connettore tipo “N”. (foto n.4) Il suddetto blocchetto è stato acquistato, per pochi euro, presso un espositore presente ad una fiera radiantistica. (foto n.5).

Le misure del blocchetto sono riportate nella (figura n.1). Il lavoro si completa centrando il piatto di rame sul dissipatore di alluminio e fissandolo con quattro bulloncini e viti filettate da 3MA. Sul piatto era giá stato fissato il blocchetto contenente al suo interno il relativo chip resistivo. Dopo aver unito i 

vari pezzi, il risultato finale è quello visibile nella (foto n.6).

 

Verifiche di funzionamento

Il primo passo é stato quello di misurare, in corrente continua, il valore della resistenza. Questa é risultata essere pari a 50,1 ohm e pertanto uguale al valore misurato prima di posizionare il resistore all’interno del supporto flangiato. In seguito ho eseguito alcune misure nell’intervallo della gamma di utilizzo del dispositivo. Queste misure sono il Return-Loss, per il quale userò l’abbreviazione di RL, ed il rapporto di onde stazionarie che sará abbreviato in VSWR. Per il test ho impiegato l’analizzatore di antenna della AAI mod. N1201SA. Questo strumento, dopo essere stato calibrato nell’intervallo di frequenza da 137,5 a 1000 MHz, è stato collegato al connettore “N” del dummy load. I valori misurati sono stati: Alla frequenza di 144.200 MHz, il RL è risultato di -34,68 dB corrispondente ad un VSWR di 1,037 (foto n.7). 

Alla frequenza di 432 MHz, il RL è risultato di -25,98 dB ed il VSWR di 1,105 (foto n 8). Infine a 1000 MHz il RL è risultato di -16,68 dB e VSWR di 1,342 da cui si evince, per questa frequenza, una situazione peggiore anche se sempre valida e comunque tale da confermare che il dummy load presenta le stesse specifiche del resistore utilizzato. Infine ho riscontrato che iniettando una potenza di 250 W alla frequenza di 144.200 MHz, dal dummy load  tornano indietro solamente 85,1 mW, mentre, sempre con la stessa potenza alla frequenza di 432 MHz tornano indietro 630 mW. La verifica termica l’ho eseguita collegando il dummy load al mio TX mediante uno spezzone di cavo coassiale. Inizialmente ho applicato per 10 secondi una potenza di 50 W alla frequenza di 144.200 MHz, in questo modo il piatto in rame era passato dalla temperatura ambiente alla temperatura di 40°C, mentre il dissipatore di alluminio a 35°C. Successivamente ho applicato 200 W per 10 secondi alternando delle pause della stessa durata. Ho proseguito per altre dieci volte alternando ancora 10 secondi di key down e 10 secondi di pausa; in queste condizioni la temperatura del piatto era attorno ai 50°C mentre il dissipatore di alluminio rimaneva tiepido perché raffreddato in continuazione dalla ventola.

  Dummy Load da 50 W – 50 ohm DC- 500MHz

Per questa realizzazione ho utilizzato un resistore a strato di carbone a forma di “mattonella” di colore marrone da 50 ohm – 50 W, dalle dimensioni di 51 x 36 x 8,5 mm, che ho ritrovato in mezzo alle mie vecchie cianfrusaglie elettroniche. Ricordo di aver comprato quattro di questi resistori, più di quaranta anni fa, presso un noto rivenditore di materiale elettronico di Firenze. Questo negozio esiste ancora anche se ubicato ad un indirizzo diverso da quello dove mi recai quella volta. Acquistai quattro resistori con l’intento di realizzare un carico per HF da 200 W – 50 ohm che si poteva ottenere collegando i quattro resistori in serie/parallelo fra di loro. Il progetto non fu mai realizzato per scarso interesse alle HF e fu così che due di questi resistori li cedetti ad un amico mentre i due restati rimasero, per tanto tempo, all’interno della busta intestata del rivenditore. (foto n.9).

Per questo tipo di resistore, realizzato su base ceramica, disponevo solamente di poche informazioni e nonostante questo decisi di utilizzarlo in ambito VHF/UHF perché ero convinto che se fosse stato montato seguendo la logica dei montaggi per radiofrequenza avrebbe potuto funzionare assai bene fino a frequenze abbastanza alte dell’ordine di 0,5 GHz. Tale resistore doveva essere inserito all’interno di un contenitore metallico con lo scopo di mantenere la sua impedenza costante lungo tutto il percorso della radiofrequenza. Questo perché un’eventuale onda riflessa generata dalla disuniformità di impedenza avrebbe reso il carico stesso utilizzabile solamente in ambito HF. Inoltre era molto importante, dopo il montaggio, verificare il comportamento del dummy load allo scopo di procedere ad una eventuale compensazione delle induttanze residue o delle capacita fra il resistore e la massa. Si trattava comunque di eseguire semplici operazioni che mi intrigavano al punto di voler verificare subito tutto ciò che avevo considerato. Così preparai immediatamente quel poco di materiale che occorreva per realizzare questo tipo di dummy load.(foto n.10)

Il suddetto resistore è stato fissato sul fondo del contenitore Teko mod. 371 avente dimensioni di 54 x 50 x 26 mm, mediante due bulloncini da 3 MA. Allo stesso modo con altri due bulloncini ho fissato il dissipatore di alluminio, avente le dimensioni di 58 x 50 x 20 mm, sul fondo dello stesso contenitore ma dalla parte opposta dello stesso. Ricordo che anche per questa realizzazione deve essere utilizzata, fra le superfici poste a contatto fra di loro, della pasta termo-conduttiva ben spalmata. Infine ho completato il lavoro collegando un capo del resistore a massa mentre l’altro capo, mediante una paglietta di rame argentato, l’ho collegato all’ingresso del connettore BNC femmina da pannello. (foto n.11)

  Verifiche di funzionamento

Terminato il montaggio, ho provveduto immediatamente a misurate il valore del RL per le due frequenze che ho previsto di usare prevalentemente. Vale a dire a 144.200 MHz il valore misurato del RL è stato di -27,01 dB corrispondente ad un VSWR di 1,093, mentre alla frequenza di 432 MHz il RL misurato è stato di -15,22 dB corrispondente ad un VSWR di 1,419. (foto n. 12 e 13).

I valori riscontrati del RL e del VSWR sono da considerare ottimi alla frequenza dei 144.200 MHz ma scarsi alla frequenza di 432 MHz. Questo aspetto è visibile sullo schermo grafico dello strumento così come mostrato dalle corrispondenti rette che invece di essere abbastanza lineari sul piano orizzontale presentano una discreta pendenza verso l’alto. Occorreva pertanto procedere, come avevo previsto, ad eseguire una compensazione induttiva/capacitiva al resistore al fine di migliorare il RL alle frequenze più alte. Ho eseguito un primo intervento posizionando, su due bordi del resistore, un sottile foglio di lamierino in ferro che ho stagnato all’interno delle corrispondenti pareti del contenitore Teko. Dopo questo intervento, il RL ed il corrispondente VSWR era già migliorato. Un secondo intervento di compensazione è stato quello di mettere in serie al resistore una piccolissima induttanza allungando di poco il conduttore che provvedeva ad unire il terminale del resistore all’ingresso del connettore BNC. Dopo alcuni tentativi il risultato migliore è stato quello di aggiungere circa 5 mm di conduttore del diametro di 1 mm. Dopo aver chiuso il coperchio del contenitore, i nuovi valori misurati sono stati: 1) alla frequenza di 144.200 MHz il RL è risultato di -25,07 dB corrispondente ad un VSWR di 1,118 (foto n.14);

2)alla frequenza di 432 MHz il RL è risultato di -23,75 dB ed il VSWR di 1,138 (foto n.15) valori che dopo la compensazione mostrano un notevole miglioramento del RL alla frequenza di 432 MHz a scapito di un leggero peggioramento del RL alla frequenza di 144.200 MHz. Tutto questo è visibile sullo schermo grafico dello strumento dove la retta si presenta, in questo caso, molto più lineare sul piano orizzontale. Il risultato ottenuto dipende essenzialmente dal tipo di contenitore utilizzato e dal tipo di connettore usato.

Comunque posso affermare che i valori ottenuti sono ripetibili poiché ho realizzato con l’altro resistore che avevo un secondo dummy load, che se pur realizzato all’interno di un contenitore leggermente differente (foto n.16), mi ha permesso di ottenere circa gli stessi valori in termini di RL ed VSWR. Quanto ottenuto puó essere considerato un risultato interessante dato che il RL intrinseco del solo resistore, misurato alla frequenza di 100 MHz, era stato di -22 dB. E’ evidente che le compensazioni  induttive/capacitive sulle modalità di montaggio del resistore consentono di poter utilizzare questi ultimi due dummy load fino alla frequenza di 500 MHz.

 Conclusioni

Il mio interesse di fare esperienza con questi dispositivi ha avuto un riscontro positivo in quanto corrispondente alle mie esigenze. Anche se, durante un uso prolungato, la temperatura dei dissipatori aumentava, il VSWR rimaneva stabile. Le verifiche hanno confermato che sono indispensabili adeguati dissipatori in alluminio, provvisti di alette di raffreddamento. Allo stesso modo è indispensabile la ventola che ho montato sul dummy load della potenza di 250 W. Per quest’ultimo ho riscontrato che, a piena potenza, con la ventola continuamente in funzione la temperatura del dummy load restava contenuta all’interno delle specifiche del resistore. Mi auguro che questa semplice descrizione sia di interesse per gli  appassionati di radiocostruzioni come lo sono io.   

                                                                                                             i4civ.onorio@gmail.com

La presente descrizione è stata pubblicata su RadioKit Elettronica del mese di marzo 2022 a pag. 40