Безиндукционные резисторы и проекты на их основе

7 сентября 2020

Ранее в этом блоге были рассмотрены схемы эквивалента нагрузки на 100 Вт, аттенюатора, КСВ-моста, делителя / сумматора 3 дБ, и даже такой экзотики, как квадратурного гибридного ответвителя. Эти схемы объединяет то, что в них используются резисторы, притом резисторы должны быть безиндукционными (non-inductive). Только вопрос о том, что это за резисторы такие и где их взять, был оставлен в стороне. Сегодня мы заполним этот пробел, разобравшись в типах резисторов, а также проведя несколько экспериментов с ними.

Типы резисторов

В наше время наиболее распространены следующие виды резисторов:

  • Углеродистые резисторы (carbon film resistors, CF);
  • Металлопленочные резисторы (metal film resistor, MF);
  • Металлооксидные резисторы (metal-oxide resistors, MO);
  • Проволочные резисторы (wire wound resistors);

Здесь мы не будем вдаваться в тонкости их изготовления. Заинтересованные читатели могут прочитать об этом на Википедии. Также можно порекомендовать статьи Types of Resistor на electronics-tutorials.ws и What Is There To Know About Resistors? на hackaday.com. Последняя была переведена на русский язык. Если походить по ссылкам из этих статей, а также почитать даташиты на используемые вами резисторы, то можно найти немало интересного. Например, что в резисторах иногда применяется оксид бериллия (beryllium oxide). Только это очень токсичное и канцерогенное вещество. Как альтернатива существует нитрид алюминия (aluminium nitride) и прочие соединения. Уверенны, что ваши резисторы не канцерогенны?

Однако нас сейчас интересует другое. Оказывается, что все резисторы, кроме проволочных, являются безиндукционными. То есть, они обладают низкой паразитной индуктивностью на высоких частотах. Проволочные резисторы тоже полезны. Например, ранее мы убедились, что соединив 20 проволочных резисторов параллельно, можно успешно скомпенсировать их индуктивность, и получить неплохой эквивалент нагрузки на частоты до 30-50 МГц. Также из них получается отличная нагрузка для тестирования блоков питания.

SMD-резисторы типично являются металлопленочными или металлооксидными, а значит они безиндукционны. Кроме того, при использовании SMD-резисторов не возникает длинных соединений, как в случае с выводными резисторами, что также снижает паразитную реактивность. Все это делает SMD-резисторы незаменимыми в высокочастотных схемах. Ранее мы в этом убедились при изготовлении аттенюатора на SMD-компонентах. Аттенюатор прекрасно работал на частотах выше 1 ГГц.

Но в радиолюбительском деле использовать исключительно SMD-компоненты не очень практично. Например, если хочется быстро проверить идею, удобно использовать выводные компоненты и так называемый ground plane construction. С тем же подходом можно снизить себестоимость устройства и сэкономить время, отказавшись от изготовления печатной платы. Все равно устройство будет произведено в одном экземпляре, и не поедет на конкурс красоты.

Возникает закономерный вопрос — а какие частоты мы сможем себе позволить с таким подходом? Для получения ответа было решено произвести три небольших эксперимента, и заодно пополнить свою коллекцию полезных поделок. Все использованные далее резисторы являются металооксидными на 2 ватта.

Эквивалент нагрузки 50 Ом

Соединяем параллельно шесть резисторов по 300 Ом на 2 Вт, и получаем эквивалент нагрузки 50 Ом на 12 Вт:

Самодельный эквивалент нагрузки 50 Ом на 12 Вт

Измерим возвратные потери при помощи анализатора спектра и КСВ-моста:

Возвратные потери эквивалента нагрузки на 12 Вт

Они не превышают 21 дБ на интервале 1.8-146 МГц, что соответствует КСВ < 1.2. Использованный КСВ-мост привирает на средних волнах. На самом деле, КСВ на частотах 1.8-2 МГц составляет 1.05. В этом можно убедиться с помощью антенного анализатора.

При подаче несущей с мощностью 10 Вт эквивалент нагрузки нагревается до 100°C за 30 секунд. Если вы планируете подобного рода нагрузку, стоит подумать о небольшом радиаторе. С радиатором температура не выходила за 46°C при той же нагрузке в течение одной минуты.

Аттенюатор 26.5 дБ

Допустим, мы делаем QRP-трансивер с выходной мощностью ≤ 10 Вт, что составляет ≤ 40 dBm. Вход антенного анализатора рассчитан на ≤ 20 dBm. Мы можем воспользоваться ответвителем, как делали это раньше. Но у ответвителя есть несколько проблем. Во-первых, он обладает слишком большой аттенюацией на КВ, порядка 60 дБ. Какая-нибудь гармоника со вполне существенным уровнем -40 dBm будет ослаблена до -100 dBm. Типичный уровень шума, который показывает Rigol DSA815-TG на интервале частот 1-31 МГц с RBW 3 кГц составляет -90 dBm. Мы просто ничего не увидим! Во-вторых, ответвитель обладает нелинейной АЧХ, а значит нужна обязательная калибровка.

Решить эти проблемы можно при помощи аттенюатора на 10 Вт с аттенюацией 20 дБ, а лучше — чуть большей, на всякий случай. Поигравшись с параметрами скрипта attcalc.py, я выбрал значение 26.5 дБ:

>---+--- R3 ---+---<
    |          |
    R1         R2
    |          |
    V          V

R1 = R2 = 54.97 Ohm
R3 = 527.19 Ohm

Шесть параллельных резисторов по 330 Ом должны дать 55 Ом, а пять резисторов по 2.7 кОм — 540 Ом, что достаточно близко. В реальности R1 и R2 у меня получились по 54.25 Ом, а R3 — в точности 527 Ом.

Аттенюатор получился таким:

Самодельный аттенюатор 26.5 дБ на 10 Вт

Анализатор спектра показывает следующую картину:

Тест аттенюатора с помощью анализатора спектра

Аттенюация составила 26.6 дБ на КВ и 25.15 дБ на 144-146 МГц. Хоть АЧХ и не вышла идеально ровной, выглядит, как что-то полезное в хозяйстве. Результаты нагрузочного тестирования с мощностью 10 Вт аналогичны тем, что были получены для эквивалента нагрузки.

Делитель/сумматор 6 дБ

Простой делитель/сумматор можно сделать из трех резисторов по одной из следующих схем:

Две схемы делителя/сумматора на резисторах

В первой схеме все резисторы имеют сопротивление Z/3, во второй — просто Z, где Z обозначает волновое сопротивление линии. Минус схемы по сравнению с рассмотренной ранее схемой на ферритовых кольцах заключается в лишних 3 дБ потерь, а также в отсутствии изоляции между портами. Зато схема простая и дешевая, а также работает от 0 Гц (DC) до сколько-то ГГц при использовании SMD-резисторов.

У нас резисторы хоть и выводные:

Делитель/сумматор 6 дБ на выводных резисторах

… но результат тоже неплох:

Тест делителя/сумматора 6 дБ с помощью анализатора спектра

В аттенюаторе использовано три резистора по 51 Ом, чем объясняется некоторое отличие аттенюации от 6 дБ. Нагрузочное тестирование не проводилось. Я слабо представляю ситуацию, в которой захочу, к примеру, поделить 10 Вт с потерей половины мощности на делителе.

Зато я не поленился проверить работу схемы в качестве сумматора:

Тест сумматора 6 дБ при помощи осциллографа

Здесь синусоида с частотой 100 кГц складывается с меандром 1 МГц вдвое меньшей амплитуды.

Заключение

Итак, мы установили две вещи:

  • Выводные металлооксидные резисторы обладают низкой индуктивностью и могут быть применены в радиолюбительских проектах. Результаты будут аналогичными для углеродистых и металлопленочных резисторов. Впрочем, я призываю не верить мне на слово и убедиться в этом самостоятельно;
  • Ground plane construction с выводными резисторами может быть применен на частотах до 146 МГц;

Описанные устройства должны быть в арсенале любого коротковолновика, заинтересованного в изготовлении своих QRP-трансиверов. Их также можно рекомендовать, как проекты для начинающих радиолюбителей-конструкторов.

Метки: , , .