Teljes kép

Eredetileg koaxkábelek teszteléséhez (eldönteni hogy 75 vagy 50 ohmosak) akartam építeni egy TDR-t, de végül a kihívás hajtott hogy elő tudok-e állítani nagyon gyors impulzusokat.

Mi az a TDR

A TDR (time domain reflectometer) egy olyan készülék, ami nagyon-NAGYON gyors felfutási idejű (pár ns!) jeleket generál. Olyan gyorsakat, hogy a jel felfutása gyorsabb mint ahogy a jel végighalad a kábelen - így hullámjelenségek (legfőképpen visszaverődés) lépnek fel, amelyek segítségével vizsgálhatjuk a kábel tulajdonságait.

A kábelen a jel egy adott C sebességgel terjed, amely megközelíti a fénysebességet (minimum 60%-a, kábeltípusól függően), és a visszaverődő impulzus segítségével le tudjuk mérni hogy mennyi időbe telt a jelnek a kábelen oda-vissza végigmenni. Ez alapján a C=2L/t képlet alapján meghatározhatjuk a jel sebességét (ha tudjuk a kábel hosszát és az időt lemérjük) vagy a kábel hosszát (ha ismerjük C-t és lemérjük t-t). Utóbbi különösen hasznos lehet ha van egy hosszú, esetlegesen beépített kábeldarabunk, ami valahol el van szakadva (vagy rövidre zárva) - lemérhetjük a szakadásig tartó kábelszakasz hosszát.

A visszaverődés megszüntethető impedanciaillesztéssel - azaz ha a kábel végén az impedancia megegyezik a kábel karakterisztikus impedanciájával - ekkor az impulzus teljes energiáját elnyeli a lezáró impedancia, és nem jön létre visszaverődés. A nem helyesen illesztett impedancia visszaverődést okoz - a túl nagy azonos fázisút, a túl kicsi ellentétes fázisút. A szakadás (nyitott vég) itt végtelen nagy ellenállásnak tekinthető, míg a rövidzár 0 ohmosnak… Természetesen nem kell (és nem is lehet) tökéletesen illeszteni az impedanciákat, de általában (legalábbis rádiófrekvenciák esetében) törekedni kell a minél jobb egyezésre.

A visszavert impulzus vizsgálatával megállapíthatjuk hogy megfelelően van-e illesztve a kábelünk, illetve hogy kisebb vagy nagyobb az impedancia a kábel végén mint kéne…

Egyszóval egy TDR nagyon hasznos ha valaki koaxkábeleket akar vizsgálni - persze én inkább a kihívás miatt építettem…

Impulzusgenerátor

A neten többféle TDR-áramkör terjed, de két fő típus van: a 74AC-s logikai áramkörre épülő és az avalanche-effektusra épülő. Az előbbihez “speciális” IC-re van szükség, ami nem igazán volt nekem kéznél (a karantén miatt meg még nehezebb bármit beszerezni, de elvileg már úton van ez is), a második áramkör viszont rém egyszerű, csak a tápelleása bonyolult…

generátor rajz

Az áramkör működésének alapja az avalanche (lavina) effektus. A tranzisztor, ha megfelelően nagy a C-E feszültség, spontán vezetni kezd, még ha a bázisáram 0 is - és ez a hirtelen átmenet nagyon gyors.

A tranzisztor köré egy relaxációs oszcillátort építünk fel egy kondenzátorból és ellenállásból, illetve egy 50 ohmos ellenállást használunk az impedanciák illesztésére. A bázist a földre húzzuk hogy biztosan ne hamarabb vezessen át a tranzisztor.

A nagyfeszültségű áramforrás az ellenálláson keresztül tölti a kondenzátort, amelyen így viszonylag egyenletesen nő a feszültség. Amikor ez a feszültség eléri a kritikus értéket, a tranzisztor átvezet, és kisüti a kondenzátort - létrehozva az impulzust, és újraindítva a kört…

Az áramkör egyszerűsége lenyűgöző, gyakorlatilag változtatás nélkül minden neten fellelhető verzió megegyezik - bár van ahol 50 ohmos ellenállás helyett két 100 ohmosat kötnek be párhuzamosan… A tranzisztor szinte mindenhol a 2N3904-es típus, ami elég gyakori darab - nálam is akadt egy itthon, szóval minden meg is volt a generátorhoz.

Közeli kép

Az egyetlen nehézség a ~200V előállítása elegáns módon. Amíg a generátorrész mindenhol megegyezett, itt nem volt két egyforma megoldás - és az enyém is csak egy újabb lett…

A tápegység

A neten két megoldás volt gyakori: önrezgő boost-konverter feszültség-többszörözővel, illetve kapcsolóüzemű IC-s transzformátoros. Én az utóbbival kezdtem el kísérletezni…

Az egyetlen gondot az jelentette, hogy nem volt itthon kapcsolóüzemű tápegység IC, és a karantén miatt beszerezni sem nagyon tudtam. Találtam viszont egy 555-öst, illetve egy valamilyen transzformátort - valószínűleg egy LCD monitor háttérvilágításából bontottam…

PSU rajz

Az első kísérlet egy egyszerű önrezgő áramkör volt. Hasraütve 22kHz-re állított frekvenciával és a fiókból véletlenszerűen választott tranzisztorral az áramkör éppen nem érte el a szükséges feszültséget - egészen az egyik estig, amikor (valószínűleg az áramkör melegedése miatt) egyszer csak működni kezdett, egészen amíg le nem ütöttem véletlenül az asztalról, de azután többet egyszer sem…

A tápegységet tökéletesítgettem még egy darabig, mire újra sikerem volt. A transzformátort kimérve függvénygenerátorral rájöttem hogy 10kHz-n a legjobb az átvitel. A reflexből beépített antiparallel (flyback) diódát is kiszereltem, illetve kapott egy kondenzátort a tápot stabilizálandó. Így minden kontroll nélkül több mint 500V-ra felment a szekunder oldalon a feszültség…

A tápegységben az igazi áttörést a szabályozás bevezetése hozta. Az ötletet innen vettem, és csak csodálkozni tudok az eredeti kitaláló zsenialitásán. A visszacsatolás bevezetése automatikusan megoldotta a feszültségszabályozást problémáját, de az áramfelvétele is jelentősen lecsökkent, megoldva a túlmelegedést is…

Az új tápegységgel már elsőre működött a generátor, és onnan már csak a méretét kellett miniatürizálnom…

PSU közeli kép