La medición de potencia

La potencia indicada por un watímetro (W = V² / R) depende no tan sólo de la cantidad de energía entrante sino también de cómo se haya diseñado y tarado el circuito del instrumento. Con los ohmios (R) no se puede hacer "trampa", ya que no hay diferentes "interpretaciones" y normalmente es un valor fijo (50 en el caso que nos ocupa), pero con los voltios sí se puede hacer, ya que en corriente alterna existen diferentes maneras de "pesar" el voltaje. Si eso ya sucede con onda sinusoidal, con formas de onda complejas el tema se complica. Quedándonos en onda sinusoidal, tendremos valor de pico (Vp), RMS (Vp/0,707), y efectivo (Vp/0,636). De lo que se deduce que si considerásemos el valor de pico podríamos tener algo así como un valor de vatios-pico, si lo hacemos con el valor efectivo tendríamos vatios-efectivo, y si lo hacemos con el valor RMS tendríamos vatios-RMS.

RMS o "Root Mean square" significa la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de la suma de todos los voltajes en la forma de onda, ello ya indica que no es sencillo "pesar" voltajes de CA incluso en sinosuidal, por lo tanto los vatios-RMS, o "vatios estandarizados", son el resultado de cálculo que utiliza un valor de voltaje traducido a RMS (0,707 Vp). Y también el valor de voltaje RMS es el estandarizado para transformar voltios-SSB (PEV - Peak Envelope Voltage) a vatios, y de ahí sale el famoso PEP (Peak Envelope Power) que es W = (PEV x 0,707)² (conversión voltaje pico a RMS) / R (ohmios).

Obtener Voltios para convertirlos en Vatios: Los voltímetros tanto analógicos como digitales sólo pueden procesar con precisión voltajes de CA de frecuencia baja a relativamente baja, hasta unos 20 Kcs como máximo. Por lo tanto hay que convertir el voltaje de CA frecuencia elevada a CC. Observando el circuito medidor de YP-150 ya se ve claramente cómo se realiza. El procedimiento siempre es el mismo: Rectificar la CA en CC pulsante con un diodo de germanio (hay que considerar el potencial de contacto del diodo, el germanio resta unos 0,37 voltios, el silicio el doble), filtrar la RF para que quede sólo CC (al igual que en un detector de AM), y luego disponer el medidor de CC (instrumento o multímetro) que marcará voltios de pico (Vp) de la CA rectificada. A voltajes muy bajos el potencial de contacto debería considerarse, por ejemplo 1 voltio CC-Vp de lectura representa 20 milivatios sobre 50 ohmios (1²/50), pero la lectura real debería ser 1,37 voltios (1 + 0,37 de retardo de apertura en el diodo de germanio), por lo que realmente hay 37,5 milivatios (1,37²/50); 17,5 milivatios de diferencia.

El voltaje de pico equivale a 1,414 veces (√ 2 ) el voltaje RMS, lo que es decir que el voltaje RMS se reduce a 0,707 veces el voltaje de pico. Las equivalencias y fórmulas son:

Si se convierten los voltios o amperios a su equivalente RMS (multiplicando por 0,707 o dividiendo por 1,414) los vatios serán también RMS, en caso contrario serán W_p.

Adecuación de la toma para no influir en la carga: El punto de toma de los voltios para convertirlos en vatios debe influir mínimamente en la carga; en el YP-150 vemos que se hace la toma en una parte pequeña de la carga. Después viene la sonda detectora, compuesta por el diodo en serie y el condensador a masa, sigue una resistencia fija y otra de ajustable conformando un valor ómico muy elevado si lo comparamos con el valor de la toma en la carga, luego viene el instrumento medidor. La influencia es nula en esa carga total de 50 ohmios.

Pero hay otra forma muy popular de hacerlo, que es hacer la toma por desmultiplicación, es decir, poner en paralelo con la carga un valor de resistencia elevado y situar la toma a 1/10ª o 1/100ª parte del total; luego se sitúa la sonda rectificadora seguida del medidor con la indicación de lectura incrementada 1/10ª o 1/100ª parte restaurando así el valor original. Así si delante de una carga de 50 ohmios ponemos en serie 10 resistencias de 1.000 o 10.000 ohmios la primera toma después de masa corresponderá a 1/10ª o 1/100ª parte respectivamente. Vemos que Heathkit hace eso de forma simplificada en la Cantenna usando un par de resistencias normalizadas:

La Cantenna de Heathkit: R1 es la carga artificial, R2 y R3 conforman una carga paralela total de 101 unidades de 1.000 ohmios con toma a 1/101ª parte del voltaje total desde masa (R3), así el valor de 101 Kohmios no tiene ningún efecto en los 50 ohmios de la carga. D1 con C1 conforman la sonda de RF (rectificación y filtro RF) para hacer toma de CC en Vp; se puede convertir el valor Vp a Vrms multiplicando la lectura por 0,707. Para saber el voltaje real se multiplica la lectura por 100 en una escala 0-1. Si se desease medir directamente en Vrms habría que poner en serie con el multímetro de CC una resistencia de 4,7 Megohmios (equivaldría a una simplificación de la sonda Heathkit 309-C) y luego aplicar la fórmula de arriba para obtener Wrms.

Wattmeters y Through-Line Wattmeters

El Medidor de Potencia RF ≠ al Watímetro de RF

a) Medidores de potencia de salida o "Wattmeters".

El Medidor de Potencia (Power Meter, Wattmeter), como es el YP-150, es un dispositivo que mide la potencia real disipada a través de una carga de terminación y, por lo tanto, es un dispositivo de entrada única que se usa de forma similar a un "tester", pero con un circuito de medición tarado para la gama de frecuencias implicadas con relación a una impedancia de carga de valor concreto y conocido. El diseño de este tipo de dispositivo puede medir cualquier potencia en cualquier frecuencia siempre y cuando los valores del circuito de medición se adapten a ella. Como el Medidor de Potencia trabaja con respecto a una variable conocida y comprobable (la carga), resulta el dispositivo más preciso para medir potencia, aunque la conexión al aparato generador debe ser la adecuada. El medidor de potencia dará los vatios reales haciendo coincidir su valor de carga con la fuente de energía.

b) Vatímetros de monitorización de línea RF o "Through-Line Wattmeters".

El Vatímetro de RF Through-Line es un dispositivo de entrada y salida que sólo puede medir RF, y detecta la energía que pasa por una línea mediante una "sonda", (en el Bird el 'sensing loop' del tapón, ver esquema abajo, en el Heathkit la línea de muestra, ver link a continuación), tomando una muestra del voltaje en un punto y sentido concreto (o en un punto y dos sentidos diferentes de la línea mediante la rotación del tapón sonda). Al usar una línea y no una carga este tipo de vatímetro de RF (y sus derivados) se le denomina throughline "a-través de línea". El valor real de la carga se desconoce aunque se supone coincide con el valor de diseño (50 Ω). En el YP-150 este valor siempre se conoce, por ello la precisión de un Through-Line puede resultar inferior a la de un Medidor de Potencia. Un ejemplo claro de este dispositivo es el Bird-43⁽¹⁾, que es una adaptación sofisticada del diseño Monimatch.

Esquema del Bird-43:

Tapones del Bird-43, hay decenas de ellos. El diseño monimatch es sensible a la frecuencia, en el Bird los tapones preparan el aparato para cada aplicación y así se transforma en un monimatch de precisión. Hay que usarlo con el tapón preciso y asegurándose que los parámetros de línea y carga son adecuados, en caso contrario no dará resultados fiables ya que depende totalmente de esos parámetros. A nivel aficionado no es necesaria tanta precisión.

El vatímetro throughline también puede medir la potencia real entregada a una carga, pero a diferencia del Medidor de Potencia lo hace a través de la energía que radía la línea. Esta línea, y/o carga, deberá tener una impedancia supuestamente conocida y/o cercana a la de diseño, ya que si la impedancia real de la línea o de la carga no es la de diseño la indicación de potencia quedará falseada, el aparato será "optimista" o "pesimista", por eso en los instrumentos medidores de estacionarias (SWR-ROE) se hace referencia siempre a potencia relativa.

Los throughlines, a diferencia de un Medidor de Potencia como el YP-150, tienen la aplicación adicional de medir potencia reflejada dependiendo de su conexión (girando el tapón captador en el Bird, otros modelos pueden tener controles integrados para seleccionar qué componente se mide). Este tipo de vatímetro es usado más comúnmente para monitoreo de potencia en un sistema de transmisión que para una medida específica de potencia dada, sin embargo, muchos throughlines se pueden utilizar como Medidor de Potencia conectando una carga de valor conocido a su salida mediante un cable lo más corto posible. El vatímetro throughline es especialmente necesario en UHF (nótese los conectores que lleva el Bird), ya que a medida que la frecuencia se eleva es necesario eliminar las variables de pérdida (cable de conexión al intrumento por ejemplo). El Bird dará valores exactos cuando la impedancia de línea/carga sea muy aproximada a 50 Ω, a medida que eso no se cumpla dará información de 'una' potencia transmitida a 'una' línea y a 'una' antena, es decir, valores relativos de monitorización. El vatímetro troughline dará los vatios reales cuando se conecte a una línea que funcione con valores iguales a los de tarado del aparato, (ajuste de fábrica del tapón en el caso del Bird).

⁽¹⁾Patentes Bird-43: Directional Wattmeter US pat 2852741 (1953-58), Standing Wave Indicator US pat 2891221 (1955-59).