Grid-dip metar


Danas je nabavljen radioamaterski grid-dip metar izrađen u samogradnji vjerojatno tijekom 1960/70-tih godina.

 

Grid-dip metar ugrađen je u lijepo izrađeno aluminijsko kućište no čini se da projekt gradnje ipak nije do kraja završen. Nedostaju izmjenjive zavojnice, mjerna frekvencijska skala nije kalibrirana, nisu ispisane nikakve oznake kontrola.

 

Dvije kontrole na prednjoj ploči (pripadaju 4-položajnoj funkcijskoj sklopki (isključenje, diodni detektor, oscilator, modulator) i potenciometru za namještanje frekvencije NF oscilatora za amplitudnu modulaciju VFO-a. Sa bočne strane (lijevo) nalaze se priključnice za spajanje visokoomskih slušalica. Sa druge bočne strane (desno) nalazi se gumb za promjenu frekvencije VFO-a, potenciometar za namještanje osjetljivosti indikacijskog instrumenta i kabel sa priključnicom za dovođenje potrebnih napona napajanja (6,3 V za grijanje katode i cca 150 V za anodni napon).

 

Sa zadnje strane vidimo priključnicu za spajanje odgovarajućih zavojnica VFO-a (bijelo) preko kojih se ostaruje induktivna veza sa mjerenim titrajnim krugom kad isti nije pod napajanjem i priključnicu (plavo) preko koje se ostvaruje kapacitivna veza sa mjerenim titrajnim krugom kad je isti u radnom pogonu. Slika desno prikazuje donju stranu grid-dip metra.

 

Mjerni, odnodno indikacijski instrument sasvim sigurno nema mjerni opseg do 2 A. Instrument je “posuđen” od tko zna kojeg uređaja te mu je uklonjen shunt tako da se puni otklon ostvaruje već kod struje od 2 mA. Frekvencijska skala VFO-a je lijepo osmišljena, no nije kalibrirana. 

 

Grid-dip metar (GDM) ili grid-dip oscilator (GDO) dugo je slovio kao jedan od jedan od najjeftinijih i najkorisnijih instrumenata za radioamatere i radio tehničare. Sastojao se od jednostavnog oscilatora promjenjive frekvencije (VFO) sa elektronskom cijevi (obično trioda) i primarno se koristio za traženje rezonantne frekvencije različitih titrajnih krugova kada isti nisu bili u pogonu (pod napajanjem). No, s obzirom da je grid-dip metar zapravo VFO širokog raspona frekvencija sa baždarenom skalom, lako se mogao koristiti i kao sinusni signal generator, mjerač frekvencije, mjerač faktora dobrote (Q-faktora), mjerač rezonantnih frekvencija različitih VF titrajnih krugova, te kao mjerač polja, induktiviteta i kapaciteta. Ovim instrumentom također se mogla utvrditi rezonantna frekvencija antena i prisutnost stojnih valova na napojnom antenskom vodu. Bio je vrlo koristan u samogradnji i prilagođavanju pojedinih vrsta antena, na primjer za podešavanje dužine i razmaka elemenata Yagi antena, zatim za određivanje kuta zračenja antena ili za određivanje pravog mjesta priključka antenskog voda na neke vrste antena kojima o tome ovisi rezonantna frekvencija (vindom-antena). Koristio se za detekciju modulacije raznih AM oscilatora i predajnika kao i za detekciju postojanja harmoničnih ili drugih parazitnih oscilacija u stupnjevima predajnika, za određivanje rezonantnih frekvencija VF prigušnica, frekvencija kristala, vrijednosti elemenata za neutralizaciju i slično. Neutralizacija je sprječavanje nastajanja neželjene povratne sprege kod pojačala.

Sve ovo zvuči fantastično, no pogledajmo kako je sve to funkcioniralo i koja su zapravo u svemu tome bila ograničenja. Najbolje će biti da za početak nacrtamo shemu ovog našeg grid-dip metra prema njegovoj unutrašnjoj konstrukciji.

 

Unutrašnja konstrukcija grid-dip metra.

 

 

Vidimo da se instrument bazira na dvostrukoj triodi ECC 91 i samim time već možemo zaključiti da je riječ o poboljšanoj izvedbi grid-dip metra. Naime većina ovih uređaja, pogotovo onih izrađenih u samogradnji, bazira se na svega jednoj triodi koja radi u krugu VFO-a. Mi pak ovdje uočavamo čak tri osnova sklopa (VFO, DC pojačalo i NF modulator s tinjalicom), a tu su i još neki dodaci koji proširuju mogućnosti ovog uređaja.  Moguće je da se radi o vlastitoj ili modificiranoj shemi samog autora koji je ovdje želio za sebe napraviti grid-dip metar sa svim mogućim funkcijama i proširenjima koje su u to vrijeme objedinjavali samo vrlo rijetki (i skuplji) tvornički instrumenti ovog tipa. No, krenimo redom.

Prva sekcija triode u našem slučaju radi u krugu Colpitts oscilatora promjenjive frekvencije. Zapravo ćemo gotovo kod svih izvedbi ovog instrumenta (bilo to s elektronskim cijevima ili tranzistorima) kao VFO uglavnom imati neku inačicu Colpitts oscilatora sa karakterističnim spregnutim dvostrukim promjenjivim kondenzatorom i nekoliko fiksnih induktiviteta za proširenje mjerenih opsega. Ovaj tip oscilatora generira vrlo čist sinusni signal i može raditi u vrlo širokom rasponu frekvencija. Stoga je vrlo čest i kod konstrukcija različitih VF signal generatora te smo ga već nekoliko puta susreli u našim objavama vezanima uz iste.

Uz naš grid-dip metar nismo dobili induktivitete (vjerojatno i projekt nije bio završen do kraja) no u najvećem broju slučaja izrađuje se pet-šest različitih induktiviteta kojima se onda može pokriti frekvencijski opseg cca 1 – 250 MHz. Induktiviteti se izrađuju kao vanjski dodaci u obliku zavojnica motanih na produžena valjkasta tijela ili kao jetkani namotaji na elektroničkim tiskanim pločicama što je posebno karakteristično za najviše frekvencije gdje zavojnica ima svega jedan ili samo pola namotaja (U-oblik). U svakom slučaju konstrukcija zavojnica mora biti u obliku svojevrsne sonde, tako da su dovoljno izložene da se mogu primaknuti ispitivanim krugovima i da se na taj način ostvari induktivna veza sa titrajnim krugom kojem se ispituje rezonantna frekvencija.

Izlazni signal uzima se sa rešetke prve triode, dakle mjeri se struja rešetke. Kad je VFO uključen struja rešetke kreće se u rasponu cca 0,05 – 1 mA što najviše ovisi o frekvenciji rada VFO-a (veća frekvencija slabija struja i obrnuto). Međutim, ukoliko se zavojnici VFO-a sada približi neki LC titrajni krug koji ima istu rezonantnu frekvenciju, dio energije sa VFO-a apsorbirati će taj titrajni krug i to će se onda očitovati kao nagli pad struje rešetke. Ovaj efekt se koristi kao osnovni princip mjerenja grid-dip metrom. Grid-dip metar dakle približimo titrajnom krugu kojem tražimo rezonantnu frekvenciju, polako okrećemo promjenjive kondenzatore čime mijenjamo frekvenciju VFO-a i u jednom trenutku, dok se frekvencija VFO-a poklopi sa rezonantnom frekvencijom titrajnog kruga, na instrumentu ćemo zamijetiti nagli pad struje rešetke. Preostaje nam samo na tom mjestu očitati frekvenciju na kalibriranim skalama grid-dip metra. Sad je i jasno od kuda naziv “Grid (rešetka)-Dip (pad)”. Kako i sam naziv govori radi se o detekciji pada napona na rešetki triode. Naravno, s vremenom su tranzistori zamijenili elektronske cijevi pa se naziv promijenio u gate-dip metar, dip metar ili jednostavno diper.

Rekli smo da kad je VFO uključen struja rešetke kreće se u rasponu cca 0,05 – 1 mA. S obzirom na relativno male struje rešetke nužno je koristiti dovoljno osjetljiv mjerni instrument koji doseže puni ili barem gotovo puni otklon i na najmanjim strujama rešetke. To su onda svakako mjerni instrumenti osjetljivosti ispod 1 mA, no takvi osjetljivi instrumenti su bili teško dostupni prosječnim radioamaterima. U vrijeme elektronskih cijevi oni su zapravo činili najskuplju i najteže dobavljivu komponentu čitavog grid-dip metra. Postojala su dva načina da se premosti ovaj problem. Prvi je bio upotreba neke osjetljivije indikacijske elektronske cijevi (magičnog oka) koja onda ujedno služi i kao oscilator i kao indikator, a drugi način je bio ugradnja dodatnih pojačala.

Autor našeg grid-dip metra odlučio se za pojačalo s drugom sekcijom triode ECC 91. Ova elektronska cijev je upotrijebljena vjerojatno iz razloga jer je autoru u tom trenutku bila dostupna, no mogla je to biti i gotovo bilo koja druga dvostruka trioda ili pak neke zasebne VF triode. ECC91 je dvostruka trioda sa zajedničkom katodom i namijenjena je za RF pojačala ili oscilatore do frekvencija 250 MHz. Na tržištu se pojavila 1956. godine, pa vjerujemo da i sam uređaj datira iz 1960/70-tih godina jer su se kasnije već rašireno gradili tranzistorski grid-dip mjerači.

Vrlo rijetko tvornički grid-dip metri imaju dodana istosmjerna mjerna pojačala i ovo je zapravo jedini takav dizajn na koji sam naišao. Vidimo da su obje rešetke trioda spojene na jedan zajednički krug. Tako prilikom redovnog osciliranja, rešetka VFO-a dobiva određeni negativni prednapon koji se prenosi na rešetku druge triode (pojačala) i smanjuje anodnu struju. U trenutku kad se smanji amplituda oscilacija (dip) smanjuje se i prednapon i struja rešetke, pa anodna struja poraste i instrument u anodnom krugu pokazuje skretanje. Čini se dakle da ovdje nećemo dobiti indikaciju pada, nego indikaciju porasta struje. Šteta što uređaj nije kompletan da možemo ovo testirati, no ovaj dodatni stupanj pojačanja u svakom slučaju omogućuje ugradnju indikacijskog instrumenta manje osjetljivosti ili ćemo dobiti oštriju i dublju detekciju na osjetljivom instrumentu.

Na krug rešetki je također moguće dovesti signal iz NF oscilatora sa tinjalicom koji na izlazu daje napon sličan pilastom i koji se kao takav može iskoristiti kao audio ton za modulaciju VFO-a.  Autor je za ovaj oscilator ostavio mogućnost podešavanja modulacijske frekvencije pomoću promjenjivog kondenzatora, a s obzirom da se izlani signal preko kondenzatora 1 nF dovodi na obje rešetke, onda se ovaj NF oscilator osim za modulaciju VFO-a može ujedno koristiti preko visokoomskog izlaza za slušalice i kao izvor NF signala za neke druge aplikacije.

U naš uređaj također je ugrađena jedna prerađena i rasklimana 4-položajna sklopka koja prebacuje napajanja na opisana tri osnovna sklopa: VFO, DC pojačalo i NF modulacijski oscilator. Rad sklopke prikazali smo preko tablice povrh sheme. Napajanje se dovodi kablom preko vanjskog izvora i uključuje: napon grijanja katode 6,3 V i anodni napon 150 V (+B dolaz). U položaju ISKLJUČENO naponi se naravno ne dovode na sklopove grid-dip metra. U sva tri ostala radna položaja grijanje elektronke ECC 91 stalno je uključeno, no anodni naponi dovode se različito na pojedine sklopove:

 

OSCILATOR

Ovo je osnovni način rada grid-dip metra gdje se anodni napon dovodi na obje anode ECC 91. U pogonu je dakle VFO i DC pojačalo za indikator struje rešetke. VFO zrači VF energiju te se može na već opisani način koristiti kao grid-dip metar ili kao izvor VF signala. Induktivnom vezom (beskontaktno) preko izložene zavojnice VFO-a može se tražiti rezonantna frekvencija titrajnih krugova koji nisu pod naponom, a kapacitivnom vezom koja je ostvarena preko kondenzatora 100 pF može se mjeriti rezonantna frekvencija titrajnih krugova koji su u pogonu tako da se dotakne vrući (neuzemljeni) kraj aktivnog titrajnog kruga. Ovaj dodatak za kapacitivnu vezu rijetko se nalazi na tvorničkim grid-dip mjeračima.

 

DIODNI DETEKTOR

U ovom načinu rada isključuje se napajanje prve triode (VFO), a napajanje dobiva samo pojačalo sa indikacijskim instrumentom. S obzirom da prva trioda radi bez anodnog napona (grijanje katode je uključeno) ista se ponaša kao dioda. Sada to više nije aktivni VFO, te se njegov titrajni krug ne koristi za odašiljanje, nego za prijem VF energije na rezonantnoj frekvenciji iz vanjskih izvora. VF struja se zatim ispravlja, pojačava i mjeri na indikacijskom instrumentu. Instrument će pokazati najjaču struju kad titrajni krug grid-dip metra bude ugođen na frekvenciju izvora, pa se u ovom načinu rada uređaj može koristiti kao mjerač frekvencije. Ukoliko spojimo visokoomske slušalice dobivamo obični diodni demodulator kojim možemo čuti eventualnu AM modulaciju primljenog VF signala.

 

MODULATOR

U ovom načinu rada napajanje dobivaju obje triode ali također i audio oscilator sa tinjalicom koji služi za amplitudnu modulaciju signala VFO-a. Tako će VFO zračiti amplitudno modulirani signal određene frekvencije koji se može koristiti za provjeru rada ili ugađanje stupnjeva AM prijemnika i slično. Rijetki tvornički grid-dip mjerači su imali ugrađene ovakve AM modulacijske oscilatore.

 


 

Na frekvencijskoj skali uočavaju se neki pokušaji kalibracije, no ovaj posao je ostao nedovršen vjerojatno iz razloga jer autor nije mogao pribaviti pouzdane VF uređaje potrebne za taj postupak.

 

Ovdje se vidi vrlo zgodno rješenje za spregu promjenjivih kondenzatora VFO-a sa frekvencijskom skalom. Sam dvostruki promjenjivi kondenzator uzet je iz nekog radio uređaja zajedno sa reduktorskim zupčanicima preko kojih je omogućen fini pomak kondenzatorskih ploča. Od limenke nekog sredstva za emajliranje (Indian) napravljen je bubanj koji nosi frekvencijsku skalu grid-dip metra. Svakako da je nakon nabavke osjetljivog instrumenta, slijedeći kritični element za izradu grid-dip metra bila nabavka dvostrukog promjenjivog kondenzatora i njegova električka i mehanička prilagodba za novu funkciju.

 

Bolji pogled na dva zupčanika reduktora kojim se ostvaruju vrlo fino mehaničko okretanje ploča promjenjivih kondenzatora što je zapravo i ključno da bi mjerenje grid-dip metrom bilo moguće.

 


 

Donja strana konstrukcije grid-dip metra sa montažom elektronske cijevi ECC 91.


 

Dio šasije sa sklopkom, mjernim instrumentom i elementima NF modulacijskog oscilatora sa tinjalicom.

 

Tinjalica u krugu jednostavnog NF relaksacijskog oscilatora koji na izlazu daje valni oblik sličan pilastom naponu.

 

Trud je uložen i u izradu prozorčića frekvencijske skale kao i kazaljke za istu.

 


Ugradnjom dodatnog pojačala kod našeg grid-dip metra ublaženi su tek neki od mnogih nedostataka ovakvih jednostavnih uređaja. To je u prvom redu bio problem vrlo male struje rešetke za čiju detekciju su bili potrebni u to vrijeme teško dostupni osjetljivi analogni indikacijski instrumenti. No, iako u teoriji izgleda jednostavno, praktično mjerenje grid-dip metrom ipak zahtijeva poznavanje njegovih ograničenja i specifičnih električnih karakteristika, odnosno čimbenika koji mogu dovesti do neuspješnog mjerenja ili pogrešnih rezultata.

Kod klasičnog mjerenja induktivnom vezom može se dogoditi da dobivamo premalu, preširoku ili čak i pogrešnu indikaciju “dipa”. Potrebno je dobro odrediti ispravan razmak između zavojnica da bi mogli najbolje i najtočnije na instrumentu uočiti taj nagli pad struje, odnosno dip. Ako se previše približimo, zbog prevelikog međusobnog utjecaja frekvencija VFO-a se može promijeniti, dip će biti nedovoljno oštar i mjerenje će biti netočno. Ukoliko se previše udaljimo, dip će biti premali i moguće ga nećemo detektirati. Dip će biti utoliko oštriji i time precizniji koliko je veći faktor dobrote (Q) kako titrajnog kruga grid-dip metra tako i titrajnog kruga na kojem vršimo mjerenje. Poseban problem može predstavljati pristup nekom titrajnom krugu ukoliko se nalazi ugrađen u kakvo ograničeno kućište. Naime, grid-dip metar sa svojom izloženom zavojnicom nije baš mali uređaj i ne može se ugurati na baš svako mjesto unutar elektroničkog sklopa. Već smo spomenuli da grid-dip metar ne oscilira istom amplitudom u čitavom frekvencijskom opsegu rada, pa je vrlo važno kompenzirati tu razliku struje na mjernom instrumentu (potenciometar za OSJETLJIVOST) da se ne bi dogodilo da nismo zamijetili ili smo pogrešno protumačili dip jer se struja rešetke zapravo smanjila zbog promjene frekvencije, a ne zbog apsorpcije energije od strane rezonantnog titrajnog kruga. Sve se svodi na to da moramo dobro upoznati kako se naš grid-dip metar ponaša na određenim frekvencijama i u određenim uvjetima upotrebe, posebice ako je izrađen u samogradnji.

Osim ove osnovne funkcije određivanja rezonantne frekvencije titrajnih krugova kad nisu pod naponom, i sve druge mogućnosti mjerenja grid-dip metrom također povlače određena ograničenja i pojavu neželjenih pogrešaka mjerenja.

Mjerenje nepoznatog induktiviteta nije moguće izvesti izravno. Nepoznatoj zavojnici mora se paralelno spojiti kondenzator poznate vrijednosti tako da se formira paralelni titrajni krug, a nakon što se grid-dip metrom pronađe rezonantna frekvencija istog, induktivitet zavojnice potrebno je izračunati pomoću poznate Tomsonove formule. Sličan postupak vrijedi i za mjerenje kapaciteta, osim što se ovdje kao dodani paralelni induktivitet mogu koristiti postojeće zavojnice grid-dip metra. S obzirom da je mjerenje kapaciteta kondenzatora često potrebno u radio tehnici, ponekad bi radio amateri napravili zasebni LC mjerni titrajni krug sa baždarenim promjenjivim kondenzatorom. Prvo se pronađe rezonantna frekvencija toga LC kruga sa potpuno zatvorenim pločama kondenzatora, onda se titrajnom krugu paralelno dodaje nepoznati kondenzator, te se ponovno dovodi na prethodnu rezonanciju okretanjem promjenjivog kondenzatora sa prethodno baždarenom skalom izravno u pF. Naravno, točnosti ovih mjerenja ovise o kvaliteti (dobroti) upotrijebljenih LC elemenata no čak i kad se sve dobro postavi, izmjeri i izračuna svakako treba uzeti u obzir pogrešku od barem nekih 5%.

Izravno mjerenje faktora dobrote (Q-faktora) neke zavojnice također nije moguće izravno, nego se ovdje može samo vršiti međusobna usporedba više zavojnica jednake induktivnosti da bi se pronašla ona sa najboljim faktorom dobrote. Takva zavojnica naime kod testne frekvencije daje najdublji dip, odnosno izaziva najveći pad struje rešetke. Međutim, upotrebom grid-dip metra i cijevnog voltmetra moguće je i izmjeriti stvarnu vrijednost Q-faktora zavojnice. Na cijevnom voltmetru se prvo pronađe dip (minimum) na rezonantnoj frekvenciji, a zatim se traže frekvencije lijevo i desno od rezonantne frekvencije na kojima na voltmetru nastaje promjena napona za 0,707 V. Naravno, što je Q-faktor zavojnice lošiji to će ove frekvencije imati veći razmak. Time dobivamo tri frekvencije kao elemente za matematički izračun Q-faktora (omjer rezonantne frekvencije prema razlici druge dvije frekvencije).

Mogli bi u nedogled nastaviti nabrajati sve mogućnosti upotrebe grid-dip metra no vidimo da je kod svakog mjerenja bilo potrebno dobro znati što radimo i što možemo dobiti kao rezultat mjerenja. Grid-dip metar je bio vrlo popularan među radioamaterima jer je bilo moguće vršiti različita mjerenja i podešavanja na krugovima predajnika kad je isti bio potpuno isključen iz napajanja što je svakako štedjelo vrijeme i osiguravalo od strujnih udara. Čak i danas se neki radioamateri rado služe ovim već gotovo zaboravljenim instrumentom, uglavnom za gradnju i podešavanje antena.

 


 

Naš primjerak grid-dip metra je nedovršen no vidi se da je uloženo puno truda da se konstruira i sastavi ovakav uređaj. Svakako je najveći problem u to vrijeme predstavljao način baždarenja skala u širokom frekvencijskom opsegu. Širokopojasni generatori signala i mjerači frekvencije nisu bili dostupni mnogim radioamaterima (zato su se u konačnici i gradili grid-dip mjerači) pa se crtanje skala uglavnom vršilo uz pomoć nekog drugog veća baždarenog grid-dip metra ili uz pomoć raznih dostupnih radio predajnika sa stabilnim frekvencijama. Autor našeg uređaja nije došao do te faze i teško da će danas netko više pokazati zanimanje za dovršiti ovaj projekt. Ali zapitajte se, koji današnji moderni RF/VF mjerni instrument ima mogućnost izravnog mjerenja rezonancije titrajnih krugova kada isti nisu spojeni na nikakvo napajanje. Ove specifične mogućnosti teško se odriču radio-elektroničari koji su jednom navikli na rad sa grid-dip metrom, pa se danas može naći niz modernih projekata izrade ovog uređaja sa automatiziranim sustavom mjerenja i prikaza rezonantne frekvencije. Moramo priznati da je uz sve današnje RF signal generatore, spektralne analizatore i RLC mjerače grid-dip metar i dalje jedan vrlo specifičan i vrlo zanimljiv mjerni instrument kojeg se svakako isplati zadržati u stalnoj postavi mjerne instrumentacije svake moderne radio-tehničke radionice 🙂

Leave a comment

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena.