Danas je nabavljen američki vojni mjerač frekvencije iz 1942. godine pod oznakom BC-221-AC (za isti uređaj koristi se i vojna oznaka SCR-221-AC). Naš uređaj ugrađen je u drveno kućište, a također postoji ista inačica toga mjerača frekvencije ugrađena u metalno kućište kao i još barem 25 izvedbi ovog mjerača koji se međusobno minimalno razlikuju po dizajnu i električnoj shemi.
Mjerač frekvencije BC-221-AC je dizajniran za mjerenje radio frekvencija u opsegu od 125 do 20000 kHz. Radi se o prijenosnom i autonomnom instrumentu koji se prvenstveno koristio za kalibraciju vojnih radio prijemnika i predajnika na terenu, i to po principu izravne usporedbe mjerene frekvencije sa frekvencijom kalibriranog promjenjivog oscilatora ugrađenog u mjerač frekvencije.
Usporedba se vrši miješanjem spomenute dvije frekvencije u elektroničkom mješaču mjerača, pri čemu nastaje frekvencija njihove razlike. Ukoliko su dvije frekvencije približno blizu jedna drugoj tada će ta frekvencija razlike biti u čujnom audio opsegu (20-20000 Hz). Operater slušno prati taj audio ton razlike. Što je audio frekvencija viša to su frekvencije međusobno udaljenije i obrnuto. U idealnom slučaju trebalo bi okretanjem skale mjerača pronaći usko područje audio tišine koje se nalazi između dva rastuća područja audio frekvencije na jednu i drugu stranu. Naime, u slučaju potpune izjednačenosti mjerene frekvencije sa frekvencijom promjenjivog oscilatora mjerača, nema njihove razlike frekvencije, pa se u slušalicama ne bi trebao čuti nikakav ton.
Mjerač frekvencije BC-221-AC radi na dva osnovna frekvencijska područja: LOW od 125 do 250 kHz i HIGH od 2000 do 4000 kHz. Korištenjem drugog, četvrtog i osmog harmonika na nižem frekvencijskom području (LOW) može se dobiti bilo koja frekvencija između 250 i 2000 kHz, a korištenjem drugog, četvrtog i petog harmonika na višem frekvencijskom području (HIGH) može se dobiti bilo koja frekvencija između 4000 i 20000 kHz. Za kalibraciju promjenjivog oscilatora u mjerač je ugrađen precizni kristalni oscilator koji radi na temeljnoj frekvenciji od 1000 kHz, a uz njegove harmoničke frekvencije (do 15-og harmonika) moguće je vršiti provjeru kalibriranosti promjenjivog frekvencijskog oscilatora mjerača na velikom broju frekvencija – točaka (CRYSTAL CHECK POINTS).
Na ukupno tri skale mjerača vrši se cjelovito očitanje frekvencije, ali ne kao izravna vrijednost frekvencije u kHz već u obliku svojevrsne brojčane šifre na osnovu koje se zatim pripadajuća frekvencija potraži u tzv. kalibracijskoj knjizi. Kalibracijska knjiga sastavni je dio svakog mjerača frekvencije tipa BC-221, te za svaku očitanu šifru prikazuje pripadajuće frekvencije na oba frekvencijska pojasa (LOW i HIGH) i za sve pripadajuće harmonike. Osim toga, knjiga sadrži i frekvencije za provjeru VFO-a kristalnim oscilatorom (CRYSTAL CHECK POINTS) kao i osnovne upute za rad s mjeračem. Nažalost, naš primjerak mjerača nabavljen je bez kalibracijske knjige.
Spomenuta šifra frekvencije se sastoji od pet znamenki pri čemu je posljednja odvojena točkom. Prve dvije znamenke očitavaju se na skali bubnja DIAL HUNDREDS (vrijednosti od 0-50), druge dvije znamenke na velikoj skali kotača birača (vrijednosti od 00-99), a posljednja znamenka očitava se na manjoj skali kotača birača (0-9) odnosno ona crtica koja se najtočnije poklapa sa crticom velike skale ispod (slično kako se očitava vrijednost desetinki milimetra na pomičnom mjerilu).
U originalu se mjerač frekvencije BC-221-AC napaja se sa četiri baterije od 1,5 V (tip BA-23) te sa 6 baterija od 22,5 V (tip BA-2). Time se dobivaju naponi od 6 V (minimalni potreban je 5,4 V) i od 135 V (minimalni potreban je 121,5 V). Potrošnja struje za grijanje cijevi na 6 V je oko 850 mA, a za napone rešetki i ostalo (135V) potrošnja struje je oko 16 mA. U naš primjerak uređaja u prostor za baterije ugrađen je mrežni stabilizator napajanja, no ostavljeni su izvodi i za baterijsko napajanje.
Mjerač frekvencije BC-221-AC sastoji se od četiri osnovna stupnja:
- Promjenjivi frekvencijski oscilator (VFO) čija se frekvencija kontrolira kotačem birača na prednjoj ploči mjerača,
- Kristalni oscilator koji operateru služi za provjeru točnosti frekvencije promjenjivog oscilatora,
- Mikser ili detektor koji detektira razliku između dvije frekvencije koju proizvode dva oscilatora (u daljnjem tekstu BEAT frekvencija),
- Audio pojačalo koje pojačava signal razlike, odnosno BEAT signal te dvije frekvencije (jedne koju proizvodi VFO i druge koju proizvodi kristalni oscilator ili vanjski testirani uređaj čiji je RF signal doveden na antenu mjerača).
U krugu promjenjivog frekvencijskog oscilatora (u daljnjem tekstu VFO) koristi se pentoda VT-116-B (6SJ7Y). Kristalni oscilator i detektor dijele elektronsku cijev VT-167 (6K8) i to kristalni oscilator sekciju triode, a detektor sekciju heksode. Audio pojačalo bazira se na pentodi VT-116 (6SJ7) koja je u krugu spojena kao trioda. Unutar kućišta uređaja nalazi se za svaku od tri elektronke i jedna pričuvna, a predviđeno je mjesto i za pričuvni kristal.
Promjenjivi kondenzator birača frekvencije dizajniran je da bude stabilan i precizan. U tu svrhu osovina se okreće preko pužnog prijenosa i može biti blokirana u bilo kojoj poziciji preko vanjskog gumba birača. Mehanizam blokiranja dizajniran je tako da ne uzrokuje pomak osovine veći od 0,03 kHz na 4000 kHz prilikom njegove aktivacije.
Za svaki frekvencijski opseg (LOW i HIGH) ugrađena je po jedna zavojnica, a na promjenjivi kondenzator preklapaju se preko kontrole FREQ. BAND. Zavojnice sa promjenjivim kondenzatorom čine titrajni krug i određuju frekvenciju VFO-a. Titrajni krug je kritičan element mjerača te je posebna pažnja posvećena mehaničkoj i električkoj izvedbi kako bi se što više smanjili vanjski utjecaji na stabilnost frekvencije titrajnog kruga (promjena temperature uslijed zagrijavanja cijevi i drugih komponenti mjerača, promjena napona napajanja uslijed trošenja baterija, promjene vanjske temperature i vlažnosti zraka). Stoga su zavojnice 14 (36,5 uH) i 15 (10,4 mH) motane na keramičko tijelo i zalivene specijalnim voskom. Također, kod sklopke FREQ. BAND koja se sastoji se od šest povezanih preklopnika, tri seta kontakta iskorištena su za kratko spajanje zavojnice koja nije u upotrebi kako bi se spriječila interakcija aktivne zavojnice sa onom koja nije u upotrebi. Osim kvalitetne mehaničke izvedbe sklopke svi kontakti montirani su na keramička postolja, a izvedeni su kao najmanji mogući kako bi se spriječila pojava neželjenih kapaciteta.
Promjenjivi kondenzatori za podešavanje (trimeri) vezani paralelno titrajnom krugu služe za precizno namještanje ukupne vrijednosti glavnog promjenjivog kondenzatora, za dobivanje potrebne linearnosti skale preko cijelih opsega, te za korekciju frekvencije VFO-a tijekom kalibracije (kontrola CORRECTOR).
Točnost mjerača frekvencije BC-221-AC definirana je najvećim teoretskim odstupanjem podešene frekvencije, a ona na 4000 kHz iznosi +- 1,335 kHz, odnosno 0,034%. Ove pogreške u mjerenju mogu nastati zbog mehaničkih uzroka (pritisci na uređaj i kontrole uzrokovani rukovanjem, mehanika zaključavanja glavnog kotača birača i sl.), zbog promjene temperature (zagrijavanje unutrašnjosti koje uzrokuju elektronske cijevi uređaja, promjena vanjske temperature zraka), zbog promjena napona baterije (uslijed trošenja), zbog promjene parametara antene uređaja, zbog odstupanja u kalibraciji ili toleranciji frekvencije kristala. Najveće teoretske moguće greške za druge frekvencije su primjerice 0,985 kHz na 2000 kHz i 0,180 kHz na 125 kHz, ali u praksi one uglavnom ne prelaze 50% od najvećih deklariranih. Kontrola CORRECTOR na prednjoj ploči mjerača služi za kompenzaciju navedenih pogrešaka tijekom postupka kalibracije ugrađenim kristalnim oscilatorom.
OPIS SHEME
PROMJENJIVI FREKVENCIJSKI OSCILATOR (VFO)
Ispravni radni (negativni) prednapon na prvoj rešetki oscilatorske cijevi VT-116-B (6SJ7Y) osigurava se preko otpornika 23 (150k), odnosno tzv. „grid leak“ otpornika koji se uobičajeno drugim krajem spaja izravno na masu. U ovom slučaju je grid leak otpornik vezan paralelno sa kondenzatorom 40 (100 pF), a zatim na masu preko posebnog izvoda na zavojnici titrajnog kruga. Ovdje frekvencija titrajnog kruga nema značajan utjecaj na rad elektronske cijevi sve dok je spoj sa zavojnicom dovoljno udaljen od visokog potencijala na vrućem kraju iste. Grid leak otpornik je na zavojnicu vezan preko otpornika 37 (7k5) i 38 (100E) koji osiguravaju stabilan rad oscilatora prigušivanjem nepoželjnih oscilacija. Drugi izvod zavojnice (bliži kraju zavojnice koji je vezan na masu) spaja se na katodu oscilatorske cijevi preko drugog seta sklopki kontrole FREQ. BAND za osiguranje povratne sprege oscilatoskog kruga. Otpornik 46 (4k) koji se nalazi samo na izvodu zavojnice za LOW područje osigurava potreban prednapon na katodi kada je VFO prebačen u LOW frekvencijsko područje. Otpornik 19 (56k) je anodni radni otpor, a napon na njemu dovodi se na detektorsku cijev preko kondenzatora 5-2 ili na antenu preko serijskog spoja kondenzatora 5-2 i 5-1 (25 pF). Otpornikom 22 (9k1) osigurava se prednapon na drugoj rešetki koja omogućuje pojačavanje signala visokih frekvencija bez ulaska u samooscilacije, a kondenzator 43-1A (100 nF) je bypass kondenzator druge rešetke vezan na masu. Sklopka vrste rada u poziciji XTAL CHECK spaja izlaz VFO-a na treću rešetku heksode detektora gdje se miješa sa izlaznom frekvencijom kristalnog oscilatora. Rezultat miješanja je frekvencija razlike tih dviju frekvencija, a koja dalje služi kao indikator za korekciju frekvencije VFO-a. Kad se sklopka prebaci na vrstu rada HET. OSC. tada radi samo VFO, a kristalni oscilator je isključen. Sa priključenom antenom mjerač frekvencije se u tom modu može koristiti za prijem ili predaju bilo koje frekvencije u svom opsegu, odnosno, može se koristiti kao radio prijemnik ili radio predajnik.
KRISTALNI OSCILATOR
Kristalni oscilator istu elektronsku cijev VT-167 (6K8) dijeli sa detektorskim stupnjem ali može biti uključen i isključen iz napajanja bez utjecaja na ostale stupnjeve mjerača. Naime, spomenuta cijev u svom kućištu objedinjuje jednu triodu koju koristi kristalni oscilator i jednu heksodu koju koristi detektorski stupanj.
Kao što smo već rekli, kristalni oscilator radi na osnovnoj frekvenciji od 1000 kHz i dizajniran je tako da ostane stabilan u predviđenim temperaturnim i električkim uvjetima, kako na osnovnoj tako i na svim harmoničkim frekvencijama (2000 kHz, 3000 kHz, 4000 kHz, …) kako bi se iste također mogle koristiti kao referentne frekvencije za kalibraciju VFO-a preko cijelih opsega. Kristal cijevnog oscilatora ugrađen je u posebno kućište koje ga štiti od mehaničkih i toplinskih utjecaja te izgleda poput elektronske cijevi.
Funkcija kristalnog oscilatora je dvojaka: proizvodi referentne frekvencije za kalibraciju internog VFO-a mjerača, ali te radio frekvencije moguće je također i odašiljati preko antene mjerača za neke vanjske instrumente. Za biranje načina rada kristalnog oscilatora služi preklopnik: HET. OSC. (kristalni oscilator isključen, ostali stupnjevi uključeni); XTAL CHECK (svi stupnjevi uključeni); XTAL ONLY (VFO isključen, ostali stupnjevi uključeni).
Zavojnica 16 (844 uH) u izlaznom krugu anode služi za dobivanje potrebne izlazne impedancije. Trimer kondenzator 42 (12 pF) paralelno sa kristalom služi za namještanje frekvencije kristala što bliže točnoj s obzirom na toleranciju kristala tijekom proizvodnje, tako da se postigne točnost od +- 0,005 kHz na 1000 kHz pri temperaturi 20°C. Stalni kondenzator 44 (5 pF) paralelno kvarcu minimalizira promjene temeljne frekvencije kristala uslijed malih promjena unutarnjeg kapaciteta kristala. Otpornik za uzemljenje (grid leak) 20-2 (1 M) na prvoj rešetki i 21 (150 E) na katodi cijevi oscilatora služi za osiguranje prednapona za njegov ispravan rad. Izlaz kristalnog oscilatora je doveden na antenu preko treće rešetke heksode elektronske cijevi i kondenzatora 5-1 (25 pF).
DETEKTOR
Za rad detektora koristi se sekcija heksode unutar cijevi VT-167 (6K8). Već smo opisali da sekciju triode koristi kristalni oscilator, a prva rešetka je zajednička sa sekciju triode i heksode. Heksode su primarno dizajnirane za mješače frekvencija te su druga i četvrta rešetka uglavnom spojene već u samoj cijevi. Otpornici 20-1 (1M) i 24-1 (15k) osiguravaju potrebne prednapone na rešetkama heksode. Kondenzator 43-2B (100 nF) je bypass kondenzator druge i četvrte rešetke vezan na masu. Antenski konektor je preko otpornika 18 (5k6) vezan na masu. RF napon VFO-a preko radnog otpornika 19 (56k) dovodi se na treću rešetku heksode preko kondenzatora 5-2 (25 pF), a na tu rešetku vezana je i antena preko kondenzatora 5-1 (25 pF). U takvom spoju detektor miješa izlaznu frekvenciju VFO-a sa temeljnom frekvencijom i pripadajućim harmonicima kristalnog oscilatora (u vrsti rada XTAL CHECK), odnosno sa frekvencijom radio odašiljača kojeg ispitujemo (u vrsti rada HET. OSC.). Antenski konektor također je vezan na VFO preko serijskog spoja kondenzatora 5-2 i 5-1 (25 pF). Na taj način antenski konektor ima dvojaku ulogu: kao ulazni terminal za RF signale kod ispitivanja vanjskih radio predajnika, odnosno kao izlazni RF terminal signala iz VFO-a kod ispitivanja vanjskih radio prijemnika pri čemu je izlazna RF energija između antenskog konektora i mase minimalno 2 mV na čitavom radnom opsegu mjerača.
AUDIO POJAČALO
Audio pojačalo temelji se na pentodi VT-116 (6SJ7). Na anodu detektorske cijevi spojena je audio frekvencijska zavojnica 30 (450H) u paraleli sa kondenzatorom 8 (1 nF) u cilju reduciranja visokih frekvencija. Audio frekvencijska zavojnica je zapravo prigušnica za audio frekvencije prema pozitivnom polu napajanja anode, te stoga mora biti velikog induktiviteta. Napon BEAT frekvencije dalje se preko kondenzatora 9 (20 nF) i potenciometra za glasnoću (GAIN) vrijednosti 500k dovodi na prvu rešetku pentode koja je ovdje spojena da radi kao trioda (druga i treća rešetka su spojene). Iz sheme je vidljivo da je prva rešetka spojena na masu preko potenciometra, a neophodni prednapon za katodu dovodi se preko otpornika 41 (300E). Anoda koja je spojena sa drugom i trećom rešetkom dovodi se na pozitivni prednapon preko radnog otpornika 24-2 (15k). Izlaz anode dovodi se na ulazni konektor za slušalice preko kondenzatora 10 (500 nF) koji na iste ne propušta istosmjerni anodni napon.
Mjerač frekvencije BC-221-AC predviđen je za rad sa naglavnim slušalicama HS-30 (može raditi i sa starijim modelima P-18, odnosno P-20). Ove slušalice imaju impedanciju od 256 ohma, te se ne mogu izravno spojiti na visoku impedanciju izlaznog kruga audio pojačala mjerača frekvencije. Prilagodni transformator impedancije (CD-604 ili CD-605) ima omjer transformacije 256:8000 i izveden je kao vanjska jedinica preko koje se slušalice spajaju na audio izlaz mjerača.
Mjerač ima dvije utičnice za priključak slušalica tako da se ovaj uređaj može koristiti za obuku (istovremeno mogu biti spojeni instruktor i učenik). Za rad uređaja slušalice moraju biti obavezno spojene na pripadajuću utičnicu jer inače neće raditi grijanje elektronskih cijevi. Naime, tek ukapčanjem slušalica u pripadajuće gnijezdo uključuje se sklopka serijski spojena u krug grijanja cijevi, a koja je ovdje postavljanja radi zaštite baterija i cijevi od nepotrebnog trošenja ukoliko je glavna sklopka POWER ON-OFF ostala uključena. Kontrola GAIN služi da podešavanje jačine audio signala u slušalicama.
Slike daju pogled na šasiju sa donje strane i montanžnu shemu mjerača frekvencije BC-221-AC. Osim kristala u svojem posebnom valjkastom kućištu nalij elektronskoj cijevi, istiće se i audio zavojnica na prijelazu iz stupnja detektora na stupanj audio pojačala (u crnom plastičnom kućištu desno od kvarca. Srebrni metalni i smeđi bakelitni kvadri su kondenzatori.
Na kraju koja riječ o anteni. Ovisno o frekvenciji koja se mjeri, na mjerač frekvencije može se spojiti više tipova adekvatnih antena. Najjednostavnije je koristiti oko pola metra čvrste ali dovoljno savitljive žice (npr. bakrena žica debljine 2 mm) spojene na antenski ulaz mjerača frekvencije koja se zatim podesno savije prema anteni prijemnika ili predajnika kojeg ispitujemo. Za ispitivanje prijemnika može se umjesto njegove originalne antene na njegov antenski ulaz spojiti žica čiji se drugi kraj savije u nekoliko izoliranih namota oko antene mjerača, a kod ispitivanja predajnika važno je samo da se izravno ne spoji njegova antena s antenom mjerača jer jaki RF signal može uništiti ulazne krugove mjerača frekvencije. Ukratko, kakvi god komad žice upotrijebimo za antenu, treba voditi računa da bude izolirana od izravnog doticaja sa drugim antenama i uređajima, te ne treba zaboraviti da je prije mjerenja za svaku antenu potrebno izvršiti kalibraciju uređaja ugrađenim kristalnim oscilatorom.
Za ispitivanje ispravnosti ovog uređaja potrebno je osigurati prilagođeni audio izlaz, te najbolje analizator spektra i generator RF signala koji pokrivaju frekvencijski opseg ovog mjerača. No, nakon ove početne faze, to je samo još jedan projekt koji će morati pričekati svoje vrijeme za realizaciju. Odnosno, to je samo još jedan davno umirovljeni uređaj koji sada još čeka odlazak u mirovinu i svojeg vlasika, ne bi li barem tada pronašli malo više vremena jedan za drugoga 🙂