05.04.21

[Домашняя]

Радиолюбители применяют гетеродинные индикаторы резонанса (ГИР) по меньшей мере, с 1947 г. Катушка индуктивности перестраиваемого генератора ГИРа монтируется вне корпуса, что позволяет измерить резонансную частоту исследуемой цепи без электрического соединения с ней. Достаточно всего лишь при­близить катушку ГИРа к катушке измеряемой цепи и вращать ручку перестройки генератора, следя за стрелкой измерителя ВЧ-сигнала. На частоте резонанса ее отклонение будет минимальным. Возможность проведения таких "неконтактных" измерений весьма удобна во многих случаях. Например, с помощью ГИРа можно успешно настраивать пассивные элементы остронаправленных антенн, которые не имеют точек питания, и их резонансную частоту нельзя определить обычным способом — с помощью измерителя КСВ. Поможет ГИР и в выявлении нежелательных резонансных цепей в корпусе мощного лампового усилителя РЧ (предварительно обязательно удостоверьтесь в том, что высокое напряжение выключено!). ГИР может делать многое, о чем вы, пожалуй, и не предполагали» Так, например, он может измерять индуктивность. Для этого достаточно к измеряемой катушке подключить параллельно конденсатор с известной емкостью. При поиске неисправного каскада в приемнике катушку ГИРа, настроенного на соответствующую ПЧ, последовательно подносят к элементам схемы, перемещаясь при этом от выхода ко входу. Прохождение сигнала свидетельствует о работоспособности тракта. Это особенно удобно в случаях поверхностного монтажа, когда использование щупа оказывается затруднительным. Если ГИР обладает разъемом выхода ВЧ, то его можно использовать в качестве сигнал-генератора в слу­чаях, когда не требуются хорошая стабильность частоты и точность поддержания уровня сигнала, например, для проверки работоспособности (по принципу: работает или нет) усилителей, смесителей и широкополосных фильтров. При выключенном генераторе ГИР может работать как селективный детектор ВЧ, при использовании емкостного щупа в качестве антенны ГИР становится измерителем напряженности поля. Им можно регистрировать излучение от линии питания ан­тенны, передвигая катушку вдоль коаксиального кабеля во время работы передатчика. Микроамперметр покажет все пики и провалы стоячих волн нежелательных РЧ-токов, текущих по наружной поверхности оплетки кабеля. В "былые времена" наличие выхода для головных телефонов было обязательным для проверки качества модуляции АМ-передатчиков Современные радиолюбители весьма редко используют AM, однако головные телефоны остаются полезными для прослушивания щелчков при работе телеграфным ключом, фона переменною тока и низкочастотной паразитной генерации. И, наконец, если подключить антенну к катушке ГИРа, у вас в руках окажется широкодиалазонный  "детекторный приемник"! Весьма интересна идея применения ГИРа в качестве металлоискателя, изложенная в [1]. Если следить за сигналом ГИРа через телеграфный или SSB-приемник, перемещая катушку вдоль стены, то легко можно заметить изменение частоты генерации при прохождении катушки вблизи замурованного в стену металлического предмета (например, трубы). Идея разработки описываемого ГИРа возникла при чтении статьи L.Butler'a, VK5BR, опубликованной в журнале "Amareur Radio", издаваемом Австралийским институтом радио­связи. Достоинством предложенной VK5BR схемы является применение сменных катушек индуктивности без отводов. Кроме того, один вывод катушки заземлен, что позволяет использовать для ее подключения прочный и надежный коаксиальный разъем. В большинстве схем ГИРов применяются либо катушки с отводом, либо катушки с двумя выводами, оба из которых должны быть изолированы от общего провода. В старом Heathkit 'Tunnel Dipper" применялись двухвыводные катушки, а генерация осуществлялась за счет отрицательного сопротивления туннельного диода. В настоящее время очень нелегко отыскать туннельный диод, и VK5BR собрал элемент с отрицательным сопротивлением, объединив между собой п-канальный и р-канальный полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом. Эта схема генерирует великолепно, но слишком устойчивая генерация порождает проблему в этом случае весьма затруднено получение заметного "провала" в показаниях микроамперметра VK5BR уменьшал амплитуду генерации подключением параллельно к каждой из сменных катушек индивидуально подобранных резисторов. Но лучше пойти другим путем. Ведь резистор снижает добротность катушки, что приводит к падению чувствительности и расширению полосы пропускания в режиме волномера. Кроме того, р-канальные полевые транзисторы (ПТ) с управляющим р-п-переходом достаточно дефицитны. Стоит также избавиться от потенциометра, служащего для установки рабочей точки генератора. В результате получился ГИР, фотографии которого приведены на рис.1 и 2, а схема — на рис.3.

Активными элементами генератора являются два n-канальных ПТ с управляющим р-п-переходом (VT1 и VT2), истоки которых соединены между собой. В схеме отсутствуют ВЧ-дроссели. Такие дроссели на практике являются резонансными элементами, что приводит к появлению ложных частотных провалов. Биполярный транзистор VT4 типа 2N3904 выполняет две функции, его переход база-эмиттер работает в качестве детектора ВЧ, а затем происходит усиление протекающего через базу выпрямленного тока. Далее следует эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 (2N2907), нагрузкой которого является микроамперметр с последовательно включенным ре­зистором R5. В схеме стоит микроамперметр с током полного отклонения 200 мкА, но вполне подойдет и прибор с другим током. Достаточно пересчитать величину сопротивления R5 по формуле, где lm — ток полного отклонения головки микроамперметра, Rm — внутреннее сопротивление головки. Будьте осторожны при измерении внутреннего сопротивления микроамперметра! Предварительно следует удостовериться, что измерительный ток омметра (мультиметра) на выбранном пределе не превышает ток полного отклонения тестируемого амперметра — это можно сделать менее чувствительным прибором. Такая проверка вовсе не будет излишней, несмотря на то, что токи в измерительных цепях большинства современных мультиметров обычно лежат в пределах 50. 200 мкА. Генерируемый сигнал поступает на разъем "Выход ВЧ" через буферный истоковый повторитель на транзисторе VT3. Напряжение с этого выхода может подаваться в тестируемую схему при работе ГИРа в качестве сигнал-генератора либо поступать на вход частотомера для более точного изме­рения частоты генерации. В режиме детектора питание генератора и ВЧ-буфера отключено Транзистор VT4 обеспечивает детектирование и усиление сигналов, уловленных катушкой. Регулировка чувствительности функционирует как в режиме генерации, так и в режиме волномера и может также использоваться для регулировки громкости звука в головных телефонах. Потребление тока от батареи — око­ло 3 мА при включенном генераторе и близко к нулевому в режиме волномера при отсутствии входного сигнала, остается достаточной для работы прибора на минимальной частоте порядка 62 МГц. Пожалуй, ГИР станет работать лучше на УКВ, если установить в нем другой конденсатор настройки. Установленный конденсатор с емкостью 75 пФ обеспечивает только примерно двукратное перекрытие по частоте. Такое малое перекрытие позволяет плавно варьировать рабочую частоту и облегчает считывание показаний шкалы настройки, но требует большего числа сменных катушек. Если установить конденсатор переменной емкости от радиовещательного приемника с максимальной емкостью 365 пФ, то с любой из катушек коэффициент перекрытия окажется не менее трех. Шкалы настройки нанесены на подвижный диск из прозрачного пластика толщиной 6 мм, приклеенный к ручке настройки. Диаметр диска чуть больше, чем ширина корпуса — это позволяет, удерживая в руке ГИР, подстраивать его частоту большим пальцем. Наклеенная на корпус под диском шкала настройки изготовлена с помощью программы компьютерной графики. Калибровка прибора по частоте и проектирование шкалы весьма трудоемки Лучше включить в состав конструкции частотомер. Его точность может не превышать 4-5 разрядов в силу не очень высокой стабильности генератора ГИР. На рис.5 представлено изображение самодельной шкалы.

Работа с прибором. Для измерения резонансной частоты в настраиваемой схеме включите режим генерации и отрегулируйте чувствительность ГИРа так, чтобы стрелка измерителя отклонилась примерно на 3/4 максимального значения шкалы. Затем приблизьте катушку ГИРа к катушке индуктивности тестируемой цепи (оси катушек должны быть примерно параллельными) и плавно изменяйте емкость конденсатора настройки в поисках заметного провала в показаниях индикатора уровня сигнала. Слишком сильная связь с тестируемой целью может вызвать смещение частоты генератора ГИРа. Поэтому для достижения максимальной точности измерений необходимо сначала обеспечить сильную связь с тестируемой схемой в поисках примерного значения частоты, а затем удалять катушку ГИРа до тех пор, пока провал показаний индикатора не станет едва заметен, и провести точную настройку на резонансную частоту Обеспечение связи с тороидальными или экранированными катушками может быть затруднено. В этом случае можно соединить проводом вывод емкостного щупа с "горячей* точкой тестируемой цепи, однако лучше будет не подключать провод к этой точке, а расположить его рядом—чем слабее связь, тем точнее будут измерения. При измерении индуктивности тороидальной катушки с помощью подключенного к ней конденсатора с известной емкостью выводы конденсатора часто оказываются достаточной длины для образования витка связи с катушкой ГИРа. Некоторые авторы рекомендуют связывать тороидальную катушку с ГИРом с помощью наматываемого на катушку одиночного витка, однако в этом случае тороидальная катушка работает подобно трансформатору с закороченной вторичной обмоткой, и это приводит к изменению ее индуктивности. При тестировании антенн измерения лучше всего проводить в точках пучности тока в антенном проводнике. Для полуволнового диполя — это область вблизи его середины. Ориен­ируйте катушку ГИРа перпендикулярно проводнику антенны для обеспече­ния максимальной связи. До начала измерений следует обязательно закоротить между собой точки возбуждения антенны. Если вам не удается отыскать провал в показаниях индикатора, то можно увеличить связь ГИРа с антенной, изготовив закорачивающий точки возбуждения проводник в виде одновитковой петли связи с катушкой ГИРа. Кроме резонанса на основной частоте, должны наблюдаться и резонансы на ее нечетных гармониках. Для измерения электрической длины линии передачи к ее концу подключают маленький виток связи, к которому подносят катушку ГИРа, а проводники второго конца линии оставляют разъединенными. Чем меньше размеры витка, тем более точными будут результаты измерений, и, в силу этого, его габариты должны быть минимально возможными при обеспечении достаточной связи с ГИРом. Линия является четвертьволновой на самой низкой резонансной частоте, следовательно, ее электрическая длина в метрах будет равна 75/f, где f—резонансная частота в мегагерцах. И в этом случае будут также проявляться резонансы на нечетных гармониках. Уровень сигнала на выходе ВЧ ГИРа варьируется в зависимости от подключенной катушки, но обычно его эффективное напряжение—порядка 250 мВ без нагрузки и 50 мВ при сопротивлении нагрузки 50 Ом. Этою вполне достаточно для подачи на вход частотомера или для использования ГИРа в качестве сигнал-генератора при поиске неисправностей ГИР подобен пульту дистанционного управления телевизором — вы не ощущаете особой потребности в нем до его приобретения, но затем не можете представить себе, как без него обходиться. Этот простой прибор способен выполнить ряд измерений, для которых обычно требуется целый стеллаж, заставленный дорогой радиоаппаратурой. Я упомянул лишь о нескольких из множества разнообразных вариантов применения этого за­мечательного прибора. Изготовление. Практически вся схема собрана из элементов, которые оказались под рукой. Единственное требование — транзисторы VT1, VT2 и VT4 должны быть указанных типов или являться их аналогами. Габариты корпуса ГИРа (57x57x127 мм) являются компромиссом. Корпус достаточен для свободного размещения всех элементов и легко помещается в руке. Катушка смещена относительно оси прибора, что позволяет минимизировать длину проводников, соединяющих ее с конденсатором настройки, и обеспечивает более удобное поднесение катушки к элементам тестируемого устройства. Детали высокочастотной части схемы установлены на перфорированной (макетной) плате, а соединения выполнены проводными перемычками. Обратите внимание на то, что батарея питания подключена к "земле" схемы своим выводом (противоположно обычному включению). Каркасы катушек индуктивности изготовлены из отрезков пластмассовых трубок с наружным диаметром 9,5 мм. Внутренний диаметр такой трубки позволяет ввернуть в нее с усилием резьбовую часть коаксиального соединителя типа BNC, предназначенного для монтажа на шасси. Самая низкочастотная из катушек намотана на большой пластмассовой баночке для пилюль, дно которой упрочнено двумя алюминиевыми шайбами с диаметрами по 25 мм для крепления соединителя. Провод пропускается по оси каркаса катушки и припаивается к центральному штырьку соединителя BNC. Затем каркас наворачивается на резьбу соединителя и на его противоположном конце делается небольшой пропил для пропуска провода. После намотки катушки второй конец провода обрезается, залуживается и припаивается к лепестку заземления соединителя. Намоточные данные катушек приведены в таблице.

Если вам не удастся в точности воспроизвести конструкцию моего ГИРа, то частотные диапа­оны каждой из катушек будут несколько другими. Представленную информацию можно использовать в качестве отправной точки при самостоятельном изготовлении катушек. Две самые высокочастотные катушки намотаны медным проводом без изоляции. При изготовлении остальных катушек используется обмоточный провод с эмалевой изоляцией. Точная величина диаметра провода не является критичной, но при выборе другого диаметра, возможно, придется подобрать число витков. Хорошим источником тонкого провода для низко­частотных катушек являются отклоняющие системы уже отработавших свое телевизионных кинескопов. Провод трех самых маленьких катушек (29,5...150 МГц) уложен с шагом для обеспечения указанной длины намотки. Средние 4 катушки (25..35 МГц) и самая большая намотаны виток к витку. Значительное число витков катушек диапазонов 0,9...1.5 и 1,5...2,8 МГц не позволяет изготовить их однослойными на выбранных каркасах, и, в силу этого, пришлось при намотке периодически "нахлестывать" соседние витки друг на друга. Конечно, аккуратная намотка виток к витку в два слоя смотрелась бы лучше, но это увеличит межвитковую емкость, которая сузит рабочий диапазон и может стать причиной паразитных резонансов. Я предусмотрел возможность сдвига рабочего диапазона самой низкочастотной катушки путем параллельного подключения к ней одного или двух конденсаторов по 53 пФ с помощью коаксиального тройника. Безус­ловно, можно было бы намотать еще одну катушку, но использованная в качестве каркаса баночка оказалась у меня единственной. Может оказаться полезным подключение дополнительной емкости и к другим катушкам — при этом уменьшаете» коэффициент перекрытия, что облегчает измерения узкополосных устройств, подобных пьезофильтрам. С самой маленькой катушкой генерация возникает лишь в узком секторе возможных положений пластин конденсатора переменной емкости. К счастью, этого оказалось достаточно для перекрытия радиолюбительского 2- метрового диапазона.

Радио №2 2006г стр. 32