Современный гир на полевых транзисторах. Гетеродинные индикаторы резонанса на транзисторах

Особенность нашей рубрики «Советуем повторить…» заключается в том, что в ней публикуются материалы, основанные на практическом опыте повторения той или иной конструкции, схема и описание которой были ранее напечатаны в радиолюбительской литературе. Выполненные конструкции, как правило, носят сугубо утилитарный характер, т.е. опробованы радиолюбителями, содержат фото и практические советы, что особенно ценно для начинающих радиолюбителей.

На этот раз мы представляем конструкцию гетеродинного индикатора резонанса, предложенную Г.Гвоздицким в журнале Радио,1993, №1.

В радиолюбительской практике для измерения резонансной частоты пассивной колебательной системы чаще всего применяют гетеродинный индикатор резонан-са - ГИР. Он объединяет в себе резонансный волномер и маломощный генератор калиброванной радиочастоты. 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 резонанс-ную частоту исследуемой колебательной системы, Колебательный контур волномера ГИРа является одновременно и контуром его гетеродина. С помощью такого измерительного прибора несложно определить резонансную частоту колебательного контура, от-резков соединительных линий, элементов антенн коротковолновых радиостанций. ГИР, кроме этого, можно использовать и как сигнал-генератор.

ГИР Гвоздицкого является более совершенным, чем описанные в и отличается более высокими характеристиками, хотя их генераторы во всех случаях выполнены на полевом транзисторе, что обес-печивает значительно большую стабильность частоты, чем при применении биполярного транзистора.

«Принципиальная схема предлага-емого ГИРа приведена на рис.1. Его гетеродин выполнен на полевом транзисторе VT 1, включенном по схеме с общим истоком. Резистор R 5 ограничивает ток стока полевого тран-зистора.Дроссель L 2 - элемент развязки гетеродина от источника питания по высокой частоте».

Диод VD 1, подсоединенный к. выводам затвора и истока транзистора, улучшает форму генерируемого напряжения, приб-лижая ее к синусоидальной. Без диода по-ложительная полуволна на тока стока станет искажаться из-за увеличения коэффици-ента усиления транзистора с повышени-ем напряжения на затворе, что неизбежно приводит к появлению четных гармоник в спектре сигнала гетеродина».

Рис.1

В отличие от уже упоминавшихся выше схем колебательный контур прибора обра-зуют сменная катушка L 1, подключаемая к разъему X 1, не имеющая среднего вывода, что упрощает ее коммутацию. «Переключают» прибор на работу в нужном диапазоне частот вклю-чением катушки L 1 соответствующей ин-дуктивности. Вариант таких катушек, выполненных на каркасах из лабораторных пробирок для забора крови , показаны на фото (рис.2) и подбираются радиолюбителем на желаемый диапазон, или выполняются согласно рекомендациям в первоисточнике .

Рис.2

«Через конденсатор С5 напряжение радиочастоты поступает на вход высоко-частотного вольтметра-индикатора, сос-тоящего из детектора, диоды VD 2 и VD 4 которого включены по схеме удвоения напряжения, что повышает чувствительность детектора и ста-бильность работы усилителя постоянного токи на транзисторе VT 2 с микроамперметром РА1 в коллекторной цели. Диод VD 3 стабилизирует образцовое напряже-ние на диодах VD 2, VD 4. Перемен-ным резистором R 3 объединенным с выключателем питания S А1, устанавливают стрелку микроамперметра РА1 в исходное положение на крайнюю правую от-метку шкалы …».

В описываемом ГИРе нет дополни-тельного стабилизатора питающего нап-ряжения, поэтому при работе с ним рекомендовано пользоваться источником с од-ним и тем же значением напряжения пос-тоянного тока - оптимально сетевым блоком пита-ния со стабилизированным выходным напряжением.

Внешний вид прибора и монтаж деталей в корпусе показан на рис. 3,4,5.

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Его корпусом служит латунная хромированная коробка размерами 120x70x45 мм с плотно закрывающейся крышкой (от бывшего стерилизатора шприцев типа «Рекорд» ) (рис.3). Ручка блока конденсаторов перемен-ной емкости С1.1 - С1.2 размещена на ли-цевой стенке корпуса. Блок КПЕ, использованный в ГИРе, от малогабаритного радиоприемника «Альпинист». Форма привода верньерного механизма позволяет отмечать карандашом через отверстие частоту в соответствующем диапазоне из-мерения на листке ватмана, приклеенного к корпусу ГИРа под ручкой блока КПЕ (рис.6).

Рис.6

Делать одну общую шкалу для всех диапазонов нецелесообразно из-за сложности такой работы. Тем более, что точность полученной шкалы при различной плотности перестройки при-меняемых контуров затруднит поль-зование прибором.

Катушки L 1 пропи-таны эпоксидным клеем или НН88. Их намоточные данные определяются эмпирически или согласно рекомендациям из . На ВЧ диапазоны их жела-тельно намотать медным посеребрен-ным проводом диаметром 1,0 мм.

Конструктивно каждая контурная ка-тушка размещена на основании распространенного разъема СГ-3. Он вклеен в каркас катушки.

На торцевой стенке корпуса укреплена ответная часть СШ-3, в которую и вставляют штыри контурной катушки (рис.7).

Рис.7

Дроссель L 2 применен готовый и состоит из двух соединенных параллельно дросселей типа ДМ0,1 номиналом по 100 мкГ.

Остальные примененные радиодетали соответствуют рекомендациям в первоисточнике .

Конкретную «калибровочную» отметку на шкале-листке прибора делают перед измерением, пользуясь, например, приемником с цифровой шкалой (или частотомером).

«Если а каких-то участках диапазона необходимо повысить точность шкалы, то параллельно катушке подключайте слюдяной конденсатор постоянной ем-кости (рис.8).

Рис.8

Индуктивность контурной катуш-ки и емкость контура с учетом дополни-тельного конденсатора можно рассчи-тать по формуле

LC =25330/ f ²

где С- в пикофарадах, L - в микрогенри, f - в мегагерцах.

Определяя резонансную частоту ис-следуемого контура, к нему возможно ближе подносят катушку ГИРаи, медлен-но вращая ручку блока КПЕ, следят за показаниями индикатора. Как только его стрелка качнется влево, отмечают соот-ветствующее положение ручки КПЕ. При дальнейшем вращении ручки настройки стрелка прибора возвра-щается в исходное положение. Та отметка на шкале, где наблюдается максималь-ный *провал* стрелки, как раз и будет соответстовать резонансной частоте исследуемого контура».

Выделенные цветом абзацы «в кавычках» - оригинальный текст

из статьи Г.Гвоздицкого в журнале «Радио».

Источники:

1. Г.Гвоздицкий. Гетеродинный индикатор резонанса. - Радио,1993, №1, с.36,37.

2. ГИР на 1,8-150 мГц . - Elektronisches Jarbuch 1988, c.169..

3. В.Демьянов. Усовершенствованный ГИР. - Сайт Н.Большакова (RA 3 TOX ) «Радиофанат».

Радиолюбительские измерения

Гетеродинный индикатор резонанса

Гетеродинный индикатор резонанса генерирует колебания частотой до 100 МГц и совмещает в себе функции автогенератора и индикатора одновременно..

Для генерации колебаний разных диапазонов используют сменные катушки L, включаемые через гнезда Гн1 и Гн2 в контур генератора.

Рис.1. Принципиальная схема ГИРа

Генератор собран по схеме емкостной трехточки. В его контур, кроме катушки L входит блок КПЕ С1С2, секции которого включены между анодом и управляющей сеткой лампы. Чтобы устранить влияние руки оператора при настройке, роторы конденсаторов соединяют с корпусом.
Для измерения резонансной частоты неизвестного контура сменную катушку генератора приближают к катушке этого контура и подбирают частоту генератора блоком С1С2.

Момент совпадения частоты генератора с резонансной частотой неизвестного контура фиксируют по индикатору ГИР.

Это явление характеризуется "отсасыванием" исследуемым контуром высокочастотной энергии из контура генератора. А так как контур ГИР включен в сеточную цепь лампы, это явление сопровождается уменьшением угла сектора на экране индикатора. Резонансную частоту исследуемого контура определяют по шкале блока С1С2, у которого угол поворота ротора прямо пропорционален изменению емкости его секций. Шкалу ГИР градуируют при помощи волномера промышленного изготовления.
Сменные катушки генератора наматывают проводом ПЭЛ 0,4 на каркасах диаметром 12 мм. Числа витков катушек приведены в таблице.

С помощью ГИР можно также измерять малые емкости и индуктивности.

Для измерения емкости составляют контур из катушки и конденсатора известной емкости Ск; определяют резонансную частоту этого контура f1. Затем параллельно контуру присоединяют конденсатор, емкость которого нужно измерить, и снова определяют резонансную частоту f2 получившегося контура. Измеряемую емкость конденсатора, пФ, определяют по формуле:

Если известна индуктивность контурной катушки, то емкость конденсатора, включенного в контур, пФ, определяют по формуле:

где, fрез - в мГц; Lо - в мГ.
Для определения индуктивности катушки составляют контур из конденсатора известной емкости С0 и катушки, индуктивность которой нужно измерить. Затем изложенным выше способом определяют собственную частоту этого контура. Измеряемую индуктивность, мГ, определяют по формуле.

Резонанса (ГИР) - это простейший высокочастотный универсальный прибор, позволяющий производить самые разнообразные измерения, ос­нованные на использовании явления резонанса. ГИР позволяет определять частоту настройки негенерирующих колебательных контуров, производить настройку приемных и передающих устройств, измерять частоту гетеродина, а также осуществлять ряд других измерений.

Основой ГИРа является маломощный автогенератор, работающий в определенном диапазоне частот и настраиваемый в резонанс с частотой исследуемой цепи. В ка­честве индикатора резонанса наиболее часто применяются микроамперметры магнито­электрической системы. В настоящей листовке рассматриваются два ГИРа, выполнен­ные на транзисторах.

На рис. 1 приведена простейшая схема ГИРа на одном транзисторе. Автогенера­тор собран по схеме с общей базой и емкостной связью (через конденсатор С2). ­тота генерируемых колебаний определяется индуктивностью катушек LI, L2 и емкостью переменного конденсатора С1. Для чтобы перекрыть частот от 5,8 до 59 МГц и определить частоту колебаний по шкале конденсатора С1 с достаточной для практики точностью, указанный выше диапазон частот разбит на шесть поддиапазо­нов: 5,8 - 9; 7,2 - 11; 10 - 16,5; 16 - 27; 26 - 41 и 37 - 59 МГц. Выбор частотного подди­апазона производится переключателем B1, замыкающим часть витков контурной ка­тушки L2. Режим работы транзистора Т1 по постоянному току определяется делите­лем напряжения, образованным резисторами Rl, R2.

Переменное напряжение высокой частоты на резисторе R3, пропорциональное ам­плитуде высокочастотных колебаний в контуре, через конденсатор С5 поступает на Д1. Постоянная составляющая тока в цепи детектора измеряется микроам­перметром ИП1 с током полного отклонения 50 - 100 мкА. Если катушку индуктив­ности L1 приблизить к колебательному контуру LC (на рис. 1 он изображен штри­ховыми линиями), частоту которого требуется измерить, а конденсатором переменной емкости С1 частоту ГИРа сделать равной собственной частоте контура LC, то часть высокочастотной энергии из контура L1L2C1 будет «отсасываться». Это вызовет умень­шение высокочастотного напряжения, подаваемого на детектор, а следовательно, и уменьшение показаний по шкале микроамперметра. Таким образом, если шкалу ГИРа пиоградуировать по частоте, легко определить резонансную частоту контура LC. Сле­дует учесть, что чем слабее будет связь между катушками L1 и L, тем резче будет проявляться минимум тока в момент резонанса в цепи микроамперметра, а следова­тельно, точнее будут результаты измерения. микроамперметра мож­но изменять переменным резистором R4.

При разомкнутом выключателе В2 питание на транзистор 77 не подается, и ГИР преобразуется в обычный резонансный абсорбционный . При этом о наст­ройке контура L1L2C1 в резонанс с частотой генерирующего контура (контура гете­родина, задающего генератора и т. д.) судят по максимуму тока в микроамперметра. Этот микроамперметр измеряет, как и прежде, постоянную составляющую тока в цепи детектора, на который высокочастотное напряжение поступает с кантура L1L2C1 через конденсаторы С2, С5, С4.

ГИР вместе с источником питания - батареей « » размещается в футляре размерами 50X75X130 мм, изготовленном из тонкого мягкого листового дюралюми­ния.

Катушка индуктивности L2 намотана на полистироловом каркасе диаметром 19 и длиной 40 мм. На каркасе размещено 37 витков провода ПЭЛ 0,59 с отводами от 15, 23, 29 и 33-го витков, считая от нижнего (по схеме) вывода катушки. Шаг на­мотки - 0,9 мм. Катушка индуктивности L1 состоит из одного витка провода ПЭЛ 1,35. Ее габариты указаны на рис. 2. Катушку L1 устанавливают на торцевой части корпуса ГИРа, a L2 - внутри корпуса, как можно ближе к переключателю В1. Для защиты от повреждения катушка L1 закрывается цилиндрическим колпаком, вы­точенным из органического стекла.

На рис. 3 приведен один из возможных вариантов конструктивного оформления подобного ГИРа. В использованы конденсатор с воздушным диэлектриком и мак­симальной емкостью порядка 50 пФ (С1), переключатель галетного типа (В1), выклю­чатель-тумблер (В2) на два направления, конденсаторы КТ (С2, С5), конденсаторы БМ-2 (СЗ, С4), переменный резистор СПО-0,5 (R4), постоянные резисторы МЛТ-0,25. Налаживание ГИРа производится после окончания монтажа и устранения всех вы­явленных ошибок. Подключив к прибору питание, подбирают номиналы резисторов Rl, R3 и конденсатора С2 такими, чтобы в пределах рабочего диапазона автогенера­тор устойчиво возбуждался. Ток коллектора при этом обычно не превышает 2 - 4 мА. Если автогенератор работает, то при перемещении движка переменного резистора R4 показания микроамперметра должны плавно изменяться.

Убедившись в работоспособности автогенератора, переходят к определению пределов первого поддиапазона (37 - 59 МГц) и к градуировке шкалы переменного конден­сатора С1. Эту операцию можно произвести с помощью резонансного волномера, ге­нератора стандартных сигналов либо сигнал-генератора, радиоприемного устройства, рассчитанных на работу в диапазоне порядка 5 - 60 МГц.

При использовании резонансного волномера, который наиболее доступен радио­любителям, его катушку индуктивно связывают с катушкой L 1, конденсатор С1 ус­танавливают в положение максимальной емкости, включают ГИР, ручкой переменно­го резистора R 4 устанавливают стрелку микроамперметра в среднее положение и, ме­няя частоту настройки резонансного волномера, настраивают его на частоту ГИРа (по минимуму тока через микроамперметр). Это значение частоты наносят на шкалу пе­ременного конденсатора С1. Верхнюю границу частоты поддиапазона I определяют при минимальной емкости конденсатора С1.

Если окажется, что границы поддиапазона значительно отличаются от требуемых значений, изменяют индуктивность катушки L 1 и повторяют измерения. Градуиров­ка шкалы ГИРа внутри поддиапазона, производится аналогично, при этом сначала ус­танавливают частоту резонансного волномера через 0,5 - 1 МГц, а затем на эту же частоту настраивают ГИР. Закончив градуировку поддиапазона I, В1 устанавливают в положение « II » (26 - 41 МГц) и переходят к установлению пределов и к градуировке шкалы на поддиапазоне II. Если необходимо устранить смещение частоты на поддиапазоне II, следует более тщательно подобрать место припайки от­вода (точку «а») к виткам катушки L 2. На следующих поддиапазонах уточняют мес­та припайки отводов от витков катушки L2 (точки «б», «в», «г»).

В процессе градуировки может оказаться, что ширина каждого из поддиапазонов будет отличаться от указанных выше значений (за счет начальной емкости конденса­тора С1, емкости монтажа, собственной емкости катушек L 1, L 2). С этим следует мириться, так как в данном случае элементов для подстройки частоты в начале и конце поддиапазонов нет. Важно, чтобы нижняя частота поддиапазона I была нес­колько меньше высшей частоты поддиапазона II; нижняя поддиапазона II меньше высшей частоты поддиапазона III и т. д.

Окончив градуировку, витки катушки L 2 желательно закрепить на каркасе в отдельных точках полистироловым лаком, чтобы исключить их смещение, а, наруше­ние, следовательно, нарушение градуировки.

Схема более современного ГИРа, содержащего модулятор (Т2) и s индикаторном устройстве (ТЗ), приведена на рис. 4. Такой ГИР обладает более ­рокими измерительными возможностями и позволяет использовать более грубый стре­лочный - чувствительностью 0,5 - 1 .

Процесс градуировки каких-либо особенностей не имеет.

Москва, Издательство ДОСААФ СССР, 1976 г. Г-75792 от 11/ XI -75 Изд. N 2/743a Зак .768

Все, кто имел дело с гетеродинным индикатором резонанса, знают, что работа с ним является довольно кропотливым делом, т.к. в процессе измерения приходится манипулировать не только ручкой настройки частоты, но и регулятором чувствительности прибора, а в некоторых конструкциях - и ручкой режима.

Это связано с тем, что практически во всех перестраиваемых в широком диапазоне частот генераторах амплитуда ВЧ напряжения также меняется в широких пределах. Чтобы не пропустить момент резонанса, ручку настройки необходимо вращать как можно медленнее и внимательно наблюдать за показаниями стрелочного индикатора.

Работа с ГИРом значительно упрощается и ускоряется, если дополнить его устройством, фиксирующим момент резонанса каким-либо световым индикатором.

На рис. 1 приведена схема ГИРа со светодиодным индикатором резонанса. Работу его поясняют графики рис. 2 и рис. 3. Чем выше скорость вращения ротора конденсатора настройки, тем круче фронт изменения В Ч напряжения на контуре (линия А1 на графиках рис. 2 и рис. 3).

Задача заключается в фиксации резкого уменьшения уровня ВЧ напряжения. Решается она применением дифференциального усилителя, который, в общем случае, реагирует не на абсолютную величину параметра, а на его изменение в какую-либо сторону.

Задающий генератор ГИРа собран на транзисторе VT1 по схеме, описанной в . Дифференциальный усилитель собран на транзисторах VT3, VT4, VT5. При перестройке по диапазону в сторону уменьшения

емкости или, что то же самое, в сторону увеличения ВЧ напряжения (показано стрелкой на рис. 2 и рис. 3) выпрямленное напряжение отрицательной полярности на затворе VT3 плавно увеличивается. На стоке VT3 и левой обкладке конденсатора С7 напряжение положительной полярности также плавно увеличивается. Транзисторы VT4 и VT5 при этом заперты. В момент резонанса напряжение на затворе VT3 резко меняется в сторону положительного потен-циала, происходит резкое падение потен-циала стока VT3. Конденсатор С7 "передает" этот перепад потенциала на базу VT4. В результате VT4 и VT5 открываются и све-тодиод HL1 ярко вспыхивает. Длительность вспышки зависит от постоянной времени заряда C7R7.

На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока для измерительного прибора

Q -добротнотсь в усл. ед.
U - выскоочастотное напряжение в усл. ед.
а - угол поворота ротора конденсатора С, град.
С - емкость конденсатора.
t - время вращения ротора конденсатора, усл. ед
т.1 - момент резонанса.

РА. Резистором R5 устанавливается необходимая чувствительность прибора. При помощи цепочки R4VD4 подается дополнительное положительное смещение на исток VT2. Резистором R3 стрелка прибора устанавливается в любое место шкалы, на-иболее удобное для наблюдения момента-резонанса.

Диапазон МГц

Работа с прибором очень проста. Исследуемый колебательный контур связывают с контуром ГИРа. Ручкой настройки быстро переводят конденсатор из положения максимальной емкости в другое крайнее положение. Если вспышки светодиода не было, на данном поддиапазоне резонанса нет.

Если наблюдалась вспышка светодиода, установив ручку настройки примерно в положение, при котором был резонанс, резистором R5 устанавливают максимальную чувствительность измерительного прибора, резистором R3 устанавливают стрелку в середину шкалы и, медленно вращая ручку настройки ГИРа, определяют момент резонанса традиционным способом. Для более точного определения момента резонанса служит "растягивающий" подстроечный конденсатор с воздушным диэлектриком С5 емкостью 2...15 пф, ручка которого выведена на переднюю панель ГИРа. Значение частоты резонанса считывается по шкале частотомера.

Значения L, С* приведены в таблице. Радиолюбители могут сами рассчитать величины L, С* и намоточные данные L исходя из выбранных граничных частот под-диапазонов, имеющихся переменного конденсатора и каркасов для катушек индуктивности. Методика расчета L, С* неоднократно приводилась в технической литературе, например .

При повторении ГИРа по данной схеме необходимо учесть, что на низкочастотном диапазоне может наблюдаться периодический срыв колебаний (релаксация) из-за большой добротности контура и большой ПОС. Избавиться от этого можно либо включив в разрыв отвода от катушки резистор на 47 - 200 Ом, либо сделав отвод не от середины катушки, а ближе к "земляному" концу. Следует учесть также, что светодиод будет вспыхивать всякий раз при быстром вращении ротора конденсатора в сторону увеличения емкости, т.к. при этом ВЧ напряжение на контуре уменьшается.

Литература
1. Транзисторный ГИР // Радио. - 1971. - N 5. - С. 55.
2. Борисов В. ГИР // Радио. - 1974. - N3. - С. 53.
3. Гавриков В, Прахин П. Амплитудно-стабильный гетеродин // Радио. - 1984. - N 2. - С. 22.
4. Бирюков С. К расчету колебательных контуров генераторов // Радио. - 1992. - N11-С. 23.
5. Малинин P.M. Справочник радиолюбителя-конструктора. - М.: Энергия, 1978.

C этой схемой также часто просматривают:

Транзисторный ГИР, схема которого приведена на рисунке, предназначен для налаживания радиоаппаратуры в диапазоне 9-210 Мгц.

Для удобства работы с прибором весь диапазон разбит на 7 поддиапазонов.

Транзисторный ГИР выполнен на трех транзисторах, один из которых (Т1) использован в генераторе ВЧ, а два других (Т2 и Т3) - в усилителе постоянного тока.

Транзистор генератора ВЧ включен по схеме с общей базой. Колебательный контур состоит из конденсаторов С1, С2, С5 и катушки индуктивности L1.

Коллекторный ток транзистора устанавливают переменным резистором R2 при настройке прибора, добиваясь устойчивой генерации во всем диапазоне рабочих частот. Питание генератора ВЧ стабилизировано стабилитроном Д1, благодаря чему точность градуировки прибора не изменяется при снижении напряжения питания до 7 в.

Напряжение высокой частоты с коллектора транзистора Т1 через конденсатор С7 подается на соединенные параллельно диод Д2 и переменный резистор R4. Положительные полуволны выпрямленного напряжения с резистора R4 поступают на вход двухкаскадного усилителя постоянного тока. В усилителе применены специальные малошумящие кремниевые транзисторы с большими коэффициентами усиления и малыми коллекторными токами покоя. Применение кремниевых транзисторов позволило практически избавиться от влияния температуры окружающей среды на работу усилителя.

В коллекторную цепь транзистора Т3 включен стрелочный индикатор. Для предохранения его от бросков тока, имеющих место, например, при смене катушек, параллельно индикатору включены диоды Д3 и Д4. Чувствительность индикатора регулируется переменным резистором R4.

Изменение режима работы прибора осуществляется переключателем П1.

Мгц

* Петля размерами 8×26 мм

Примечание.

Транзисторы 2N2484 можно заменить отечественными кремниевыми транзисторами КТ315Г, а транзистор AFY16 - транзистором ГТ313Б. Вместо диодов ОА200 можно применить диоды КД10ЗА, КД103Б. В качестве кремниевого стабилитрона можно использовать два стабилитрона КС 133А, соединенные последовательно. Катушки индуктивности можно намотать на полистироловых каркасах диаметром 20 мм и длиной 25-30 мм.