Современный ГИР на полевых транзисторах
 Гетеродинный индикатор резонанса — один из самых необходимых инструментов радиолюбителя. Его можно сравнить с пультом дистанционного управления, пока его нет, вы не знаете на кой он вам нужен. Но когда он есть, то вы не можете представить себе жизни без него. Им можно измерять, проверять и настраивать практически всю ВЧ технику — от трансиверов и приемников до усилителей мощности и антенн. |
 |
 |
Идея схемы ГИР была взята из австралийского журнала Amateur Radio, где Lloyd Butler, VK5BR предложил схему, основанную на так называемом "ламбда диоде".
Очень удобно, что сменные катушки имеют только два вывода, один из которых заземлен, это позволяет использовать коаксиальные разъемы типа BNC.
ГИР HM-10A, который выпускался фирмой Heathkit много лет назад, тоже имел двухвыводные катушки, но
найти сейчас генераторный туннельный диод не так просто, (это в США, а у нас это не так сложно. Диоды типа АИ201 с разными буквами попадаются достаточно часто. Прим.перев.) поэтому я решил пойти другим путем. В отличие от похожих схем, моя не имеет ВЧ дросселей и поэтому ложные резонансы отсутствуют во всем частотном диапазоне. Измерительный прибор имеет ток полного отклонения 200 мкА, но можно применить и другие, изменив величину резистора R5. На транзисторах Q1 и Q2 собран сам ВЧ генератор, Q3 служит истоковым повторителем, с его выхода можно снимать ВЧ сигнал для частотомера, транзистор Q4 работает как детектор и УПТ, а Q5 — эмиттерный повторитель. В режиме волномера, питание с генератора снимается. Потребляемый ток в режиме ГИР около 3 мА, в режиме волномера близок к нулю при отсутствии ВЧ на входе. Данные катушек приведены в таблице, они являются ориентировочными. Также показан рисунок шкалы, но намного удобнее использовать частотомер, достаточно 4-5 знаков, поскольку стабильность частоты ГИР невысокая.
Краткий перевод СКР Team (C)2003
На сайте СКР вы найдете частотомер на PIC16F84 (конструкции А.Денисова RA3RBE), который прекрасно подойдет для этого ГИР в диапазоне до 30 МГц. Нужно будет только увеличить напряжение питания.
Вы можете ознакомиться со статьями по ГИР, которые упоминает N1AL. Файл GDOnotes.djvu.
Рисунок печатной платы и расположение деталей от автора N1AL, а также восстановленная печатная плата в формате SprintLayout3 находятся в файле N1AL_GDO.zip.
Транзисторы MPF102 можно заменить на КП302,303,307 и аналогичные. Биполярные транзисторы не имеют особенностей, подойдут любые приличные ВЧ. Только не ставьте явное барахло, типа КТ315, 361, а если поставите, то не задавайте вопросов почему не работает, а если заработает, то не пишите по этому поводу писем на СКР :-).
Приведены параметры примененных транзисторов из краткого справочника:
Type Description Ucb,V Ic,A Pwtts hfe ft MHz Equivalence
2N2907(A) Si;pnp;uni 60 0,6 0,8 >40 >200 2N2097A,2N2906,BSS80C,BSW24
2N3904 Si;npn;uni 60 0,2 0,36 >100 >250 BC237,BC86,BCY65E,BC190,BC174,BCX70G,
Гетеродинный индикатор резонанса для определения резонансной частоты колебательного контура усилителя радиочастоты, элемента антенны радиопередатчика или иной активной колебательной системы обычно используют резонансный волномер. Такой прибор содержит колебательный контур, состоящий из калиброванной катушки индуктивности и образцового конденсатора переменной емкости, снабженного градуированной шкалой. Если колебательную систему связать индуктивно с контуром волномера и перестраивать его по частоте, добиваясь возникновения в нем максимального напряжения радиочастоты, то по шкале волномера можно определить резонансную частоту исследуемой колебательной системы.
В радиолюбительской практике для измерения резонансной частоты пассивной колебательной системы чаще всего применяют гетеродинный индикатор резонанса – ГИР. Он объединяет в себе резонансный волномер и маломощный генератор калиброванной радиочастоты. Колебательный контур волномера ГИРа является одновременно и контуром его гетеродина. С помощью такого измерительного прибора несложно определить резонансную частоту колебательного контура, отрезков соединительных линий, элементов антенн коротковолновых радиостанций. ГИР, кроме этого, можно использовать и как сигнал-генератор.
Гетеродинный индикатор резонанса принципиальная схема приведена на рис.
Его гетеродин выполнен на полевом транзисторе VT1, включенном по схеме с общим истоком. Такой транзистор обеспечивает прибору значительно большую стабильность частоты, чем биполярный. Диод VD1, подсоединенный к выводам затвора и истока транзистора, улучшает форму генерируемого напряжения, приближая ее к синусоидальной. Без диода положительная полуволна тока стока станет искажаться из-за увеличения коэффициента усиления транзистора с повышением напряжения на затворе, что неизбежно приводит к появлению четных гармоник в спектре сигнала гетеродина. Резистор R5 ограничивает ток стока полевого транзистора.
Колебательный контур прибора образуют сменная катушка L1, подключаемая к разъему X1, блок конденсаторов переменной емкости С1 и соединенные с ним последовательно конденсаторы С2, СЗ. Переключают прибор на работу в одном из пяти диапазонов измерения (3…6, 6…10, 8…15,13…25 и 24…35 МГц) включением катушки L1 соответствующей индуктивности.
Через конденсатор С5 напряжение радиочастоты поступает на вход высокочастотного вольтметра-индикатора, состоящего из детектора, диоды VD2 и VD4 которого включены по схеме удвоения напряжения, и усилителя постоянного тока на транзисторе VT2 с микроамперметром РА1 в коллекторной цепи. Диод VD3 стабилизирует образцовое напряжение на диодах VD2, VD4, тем самым повышая чувствительность детектора и стабильность работы усилителя. Переменным резистором R3, объединенным с выключателем питания SA1, устанавливают стрелку микроамперметра РА1 в исходное положение. Дроссель L2 — элемент развязки гетеродина от источника питания по высокой частоте.
Источником питания прибора может быть встроенная в него батарея напряжением 3…9 В (предпочтение следует отдать батарее «Корунд» или аккумуляторной 7 Д-0,1) или внешний сетевой блок питания с таким же выходным напряжением.
В описываемом ГИРе нет дополнительного стабилизатора питающего напряжения, поэтому при работе с ним необходимо пользоваться источником с одним и тем же значением напряжения постоянного тока.
Внешний вид прибора показан в заголовке статьи, а монтаж деталей в корпусе — на рис.
Его корпусом служит латунная хромированная коробка размерами 120x70x45 мм с плотно закрывающейся крышкой. Блок конденсаторов переменной емкости С1, индикатор РА1 и переменный резистор R3 размещены на лицевой стенке корпуса. Конденсаторы С2 и СЗ смонтированы непосредственно на выводах секций блока КПЕ и гнездах разъема X1. Остальные детали, кроме батареи питания, смонтированы на печатной плате (рис.), выполненной из фольгированного стеклотекстолита.
Блок КПЕ, использованный в ГИРе, от малогабаритного радиоприемника «Селга». Конденсаторы С2 и СЗ — КС0-1, С5— КД, С9 и С10—оксидные К52-1Б, остальные — КМ-5. Все постоянные резистора типа МЛТ, переменный R3 с выключателем питания SA1 — СПЗ-4вМ. Диоды КД512А (VD1), КД521Б (VD3) можно заменить на любые другие кремниевые 0,12. Катушка готового дросселя пропитана клеем “Суперцемент”.
Намоточные данные контурной катушки пяти диапазонов измерения приведены в таблице.
Каркасами катушек первых трех диапазонов могут служить отрезки полиэтиленовой изоляции коаксиального кабеля РК-106. Катушки двух последних диапазонов бескаркасные. Катушку диапазона 24…35 МГц желательно намотать медным посеребренным проводом диаметром 1 мм.
Конструктивно каждая контурная катушка размещена в карболитовом корпусе от кварцевого резонатора. Между основанием корпуса и защитным колпаком зажат согнутый из тонкого алюминия уголок, к которому приклеена шкала соответствующего диапазона измерения. Делать одну общую шкалу для всех диапазонов нецелесообразно — при различной плотности перестройки применяемых контуров это затруднит пользование прибором.
На торцевой стенке корпуса укреплена двухгнездная колодка кварцедержателя, в которую и вставляют штыри контурной катушки. Шкала при этом оказывается под ручкой блока КПЕ с указательной стрелкой.
Монтаж высокочастотных цепей и соединений выполнен голым медным посеребренным проводом диаметром 1 мм, низкочастотных — проводом МГШВ.
Налаживание ГИРа
начинают с тщательной проверки правильности всех соединений. Затем в гнезда разъема X1 вставляют контурную катушку любого из диапазонов измерения и включают питание. При этом стрелка микроамперметра РА1 должна отклониться от нулевой отметки. Переменным резистором R3 ее устанавливают на крайнюю правую отметку шкалы. Затем, вращая ручку блока КПЕ из одного крайнего положения в другое, наблюдают небольшое перемещение стрелки прибора. При минимальной емкости КПЕ стрелка должна отклоняться больше вправо, что объясняется повышением добротности контура с повышением частоты генератора.
Шкалы всех диапазонов измерения градуируют, пользуясь, например, калиброванным приемником.
Если в каких-то участках диапазона необходимо повысить точность шкалы, то параллельно катушке подключают слюдяной конденсатор постоянной емкости. Индуктивность контурной катушки и емкость контура с учетом дополнительного конденсатора можно рассчитать по формуле LC=25330/f2 где С — в пикофарадах, L — в микрогенри, f — в мегагерцах.
Определяя резонансную частоту исследуемого контура, к нему возможно ближе подносят катушку ГИРа и, медленно вращая ручку блока КПЕ, следят за показаниями индикатора. Как только его стрелка качнется влево, замечают соответствующее положение указателя на ручке КПЕ. При дальнейшем вращении ручки настройки стрелка прибора возвращается в исходное положение. Та отметка на шкале, где наблюдается максимальный «провал* стрелки, как раз и будет соответствовать резонансной частоте исследуемого контура.
(ГИР) —универсальный измерительный прибор. С помощью его настраивают высокочастотные каскады приемников, радиостанций и измеряют частоты колебательных контуров, емкости конденсаторов и индуктивности катушек и производят ряд других измерений.
Рис. 31. Схема гетеродинного измерителя резонанса.
Схема ГИР показана на рис. 31. Прибор представляет собой генератор высокой частоты, собранный по схеме-трехточке на лампе Л1. Изменения сеточного тока лампы фиксируются микроамперметром. Питание прибора осуществляется от одиополупернодного выпрямителя переменного напряжения сети.
Принцип пользования прибором заключается в том, чтобы при любом измерении отмечать, на какой частоте происходит резонанс, характеризующийся резким падением сеточного тока лампы. Если на анод лампы ГИР подавать небольшое напряжение, чтобы генератор не возбуждался, а затем поднести катушку ГИР к контуру работающего передатчика, то во время резонанса прибор даст более высокие показания. Прибор имеет шесть сменных катушек, рассчитанных на частоты от 1,5 до 150 Мгц.
Генератор ГИР монтируют в отдельном металлическом корпусе и разъемом соединяют с выпрямителем трехжильным экранированным проводом длиной 50 см (рис. 32). Микроамперметр находится на лицевой панели корпуса выпрямителя.
Рис. 32. Внешний вид гетеродинного измерителя резонанса.
Монтаж генератора нужно выполнять короткими проводниками, иначе прибор трудно будет настроить на частоту 150 Мгц. Лампу помещают возле колодки для включения сменных катушек. Все провода и конденсаторы, идущие на «землю», соединяют с корпусом в одной точке.
Детали. Трансформатор питания Tpi от любого лампового радиоприемника 3-го класса. Важно лишь, чтобы у него обмотка накала ламп была на 6,3 в и повышающая обмотка — на напряжение 150—200 в.
Намоточные данные катушек L1—L5 приведены в табл. 2. Каркасами катушек служат стержни из изоляционного материала — текстолита, эбонита, органического стекла.
Катушка L6 (рис. 32), рассчитанная на диапазон частот 80—150 Мгц, бескаркасная. Она представляет собой незамкнутую вытянутую петлю высотой 45 мм из провода МГ диаметром 2 мм. Отвод сделан на расстоянии 30 мм от заземленного конца.
Выводы и отводы катушек припаивают к штырькам октальных цоколей радиоламп. Для подключения катушек к генератору используют восьми-штырьковую фарфоровую панельку. Для градуировки прибора нужны генераторы стандартных сигналов высокой частоты типов ГСС-6 и ГВМ.
При включении любой катушки в панель генератора ГИР стрелка микроамперметра отклоняется. Резистором R2 устанавливают стрелку прибора в среднее положение шкалы прибора.
Настройку ГИР начинают с катушки L1 Частоту ГСС устанавливают около 2 Мгц, выходное напряжение максимальное. К выходным зажимам ГСС подключают катушку, содержащую 8 витков провода ПЭЛ 0,5. Диаметр катушки должен быть такой, чтобы ее можно было свободно надеть на каркас катушки ГИР. Движок резистора R2 устанавливают в положение, при котором ГИР не генерирует. Катушку ГСС надевают на катушку L4 ГИР и конденсатором C1 добиваются максимального отклонения стрелки прибора —, индикатора настройки. Затем проверяют диапазон частот, перекрываемый ГИР с этой катушкой (для L1 1,55—3,5 Мгц), Если диапазон частот значительно отличается от указанного в табл. 2, то несколько изменяют данные катушки, чтобы установить нужный диапазон частот.
Если стрелка индикатора не отклоняется и, следовательно, невозможно определить резонансную частоту ГИР, тогда включают телефоны в гнезда: при настройке контура ГИР в резонанс с частотой ГСС в телефонах будет слышна модуляция ГСС.
Так настраивают все катушки ГИР. Так как ГСС рассчитан на частоты до 26 Мгц; то катушки L5 и L6 настраивают с помощью генератора метровых волн.
Шкалы частот первых трех диапазонов (катушки L1—L3) чертят на одной половине диска на корпусе генератора ГИР, а шкалы трех остальных диапазонов (катушки L4—L6 )—на второй половине диска. Стрелку шкалы делают из органического стекла шириною 12 мм и длиною во всю шкалу. Посередине стрелки наносят риску, которую заливают черной тушью. Стрелку надевают на ось конденсатора переменной емкости и по риске производят отсчет частот.
Измерения с помощью гетеродинного измерителя резонанса
Измерения с помощью ГИР сводятся в основном к сравнению резонансных частот электрических контуров. Чтобы произвести те или иные измерения, в ГИР вставляют катушку соответствующего диапазона частот (иногда сменяют несколько катушек, когда частота измеряемого контура неизвестна) и индуктивно связывают ее с катушкой исследуемого контура. Наблюдая за стрелочным индикатором ГИР, вращают ручку конденсатора переменной емкости, добиваясь резонанса частот. Резонанс фиксируют по резкому уменьшению показаний стрелочного индикатора.
Характер изменения показаний индикатора зависит от добротности катушки и степени связи измеряемого контура с катушкой ГИР: чем выше добротность контура, тем значительнее изменения показаний индикатора.
Измерение коэффициента связи между двумя катушками. С помощью ГИР довольно точно можно измерить коэффициент связи между катушками индуктивности. Делают это так (рис. 38). К одной из этих катушек, лучше всего к катушке с наибольшей индуктивностью L1, подключают конденсатор емкостью 20—100 пф, дважды измеряют резонансную частоту получившегося контура — при разомкнутой второй катушке L2 и при замыкании ее коротким отрезком провода. Соответственно получают две частоты; f1 и f2. Коэффициент связи между катушками определяют по формуле
Рис. 33. Схема измерения коэффициента связи между катушками индуктивности.
Этим методом можно измерять коэффициент связи от 0,1 до 0,7. Меньший коэффициент связи измерить трудно, так как разница между частотами ft и f2 мала. При коэффициенте более 0,7 из-за шунтирующего действия второй катушки падает добротность измеряемой катушки, и точно определить резонанс частоты трудно.
Определение частоты ВЧ генератора.
Для определения частоты генератора, в том числе и вспомогательного гетеродина приемника, переменным резистором (на рис. 31—R2) срывают генерацию ГИР, подносят его катушку к катушке исследуемого генератора и, изменяя емкость конденсатора настройки и сопротивление переменного резистора, добиваются наибольшего отклонения стрелки прибора ГИР. Частоту генерации определяют по шкале конденсатора переменной емкости ГИР в момент резонанса. При этом связь катушки ГИР с генератором ослабляют до минимума: чем меньше эта связь, тем точнее будет определена частота генерации.
Частоту генератора, мощность которого превышает 1 вт, надо измерять очень осторожно, чтобы не повредить прибор ГИР из-за большого тока через него. В этом случае достаточно поднести катушку ГИР к катушке генератора не ближе 20—40 мм. По мере настройки ГИР в резонанс с частотой генератора его постепенно относят от катушки генератора дальше. Это предупреждает повреждение прибора и дает более точный отсчет частоты.
Измерение индуктивности катушки. Для измерения индуктивности катушки к ней подключают конденсатор, емкость которого известна, и с помощью ГИР измеряют резонансную частоту получившегося контура. Индуктивность катушки определяют по формуле
где L — измеряемая индуктивность, мгн С — известная емкость конденсатора, пф; f — резонансная частота контура, Мгц.
Для измерения индуктивности катушки с большим числом витков емкость подключаемого к ней конденсатора должна быть 150
300 пф. При измерении индуктивностей катушек УКВ диапазона его емкость должна быть 25—30 пф. Для упрощения расчета индуктивности катушек диапазонов средних и длинных волн к ним подключают конденсатор емкостью 100 пф.
Измерение емкости конденсатора производят с помощью эталонной катушки, индуктивность которой известна. Индуктивность этой катушки может быть от 10 до 200 мгн. Методика измерения такая же, как при измерении индуктивности катушки, с той лишь разницей, что эталоном является не емкость, а индуктивность. Отмечая точку резонанса, определяют емкость конденсатора по той же формуле, только емкость и индуктивность меняют местами:
где С — измеряемая емкость, пф; L — индуктивность катушки, мкгн f — резонансная частота, Мгц.
Этим способом можно измерять емкости конденсаторов от 10 до 1500 пф.
Настройка антенны с помощью ГИР заключается в измерении ее резонансной частоты. Для этого используют индуктивную (рис. 34) или емкостную (рис. 35) связь ГИР с антенной. Выбор места связи ГИР с антенной и вид связи (емкостная или индуктивная) имеют значение при измерении резонансной частоты антенны. Для точного измерения резонансной частоты антенны нужно знать хотя бы приблизительно частоту, на которой будет работать антенна. Коэффициент связи должен быть больше, чем при определении резонансной частоты контура. Особенно сильная связь антенны с ГИР должна быть на частотах меньше 10 Мгц.
Если длина антенны более половины длины волны, то применяют емкостную связь (через конденсатор емкостью 5— 15 пф). При длине антенны меньше половины волны используют индуктивную связь. При настройке полуволновых вибраторов место разреза вибратора соединяют проводом так, чтобы образовался виток связи (рис. 36) который при настройке подносят к ГИР.
При помощи ГИР можно согласовать антенну с кабелем, а кабель с выходом передатчика. Существует такое правило: при правильном согласовании антенны с кабелем и с передатчиком резонансная частота антенны не должна изменяться при подключении к ней кабеля. Поэтому, изменяя связь ка-беля с передатчиком и размеры симметрирующих элементов, добиваются, чтобы частота ГИР при отключении антенны от кабеля или кабеля от передатчика почти не изменилась.
При измерении резонансной частоты фидеров (кабелей) с малым волновым сопротивлением учитывают, что их индуктивность очень мала (доли микрогенри), поэтому определение резонансных частот проводят тщательно.
В.В. Вознюк. В помощь школьному радиокружку
Ключевые теги: радиолампы, Вознюк, Измерения
