Gate-dipper
Resonantiefrekwenties van LC-kringen in een wip bepaald
Bij het afregelen van afstemkringen in HF-schakelingen komt nogal wat dure apparatuur te pas. Niet ieder elektronicus kan zich dergelijke kostbaarheden veroorloven. Het kan echter ook eenvoudiger en goedkoper. Met een gate-dipper is dit klusje in een wip gebeurd. De gate-dipper is dan ook het apparaat dat zeker niet in het meetarsenaal van de elektronica-hobbyist mag ontbreken.
Een gate-dipper (in het buizentijdperk nog grid-dipper genoemd) is een handig apparaatje waarmee men op een eenvoudige wijze de resonantiefrekwentie van afstemkringen in HF-schakelingen kan bepalen zonder de noodzaak galvanische verbindingen te moeten aanbrengen. Het bepalen van de resonantiefrekwentie gaat als volgt:
De dipper beschikt over een spoel, welke deel uitmaakt van een in frekwentie regelbare oscillator. Deze spoel wordt in de buurt van de te meten LC-parallelkring gehouden (de schakeling waarin deze kring zich bevindt, staat tijdens de meting buiten werking). Ook LC-seriekringen kunnen gemeten worden. Deze dienen kortgesloten te worden zodat een parallelkring ontstaat. Tussen de spoel van de gate-dipper en die uit de kring bestaat een magnetische resonantiefrekwenties van LC-kringen in een wip bepaald koppeling. Naarmate de frekwentie van de dipper de resonantiefrekwentie van de passieve kring meer benadert, zal de oscillator meer belast (gedempt) worden. Een metertje wijst dit aan. Is de uitslag maximaal, dan bevindt de kring zich in de resonantietoestand en de frekwentie kan op een geijkte schaal afgelezen worden.
In de hier beschreven gate-dipper is gebruik gemaakt van een zogenaamde lambda-diode.
De lambda-diode
Velen onder u zullen nog nooit van een lambda-diode gehoord hebben; vandaar dat we deze komponent wat nader zullen bekijken. Misschien wel eens gehoord van een tunnel-diode? Het bijzondere aan deze diode is dat een bepaald gedeelte van zijn stroom-spanning-karakteristiek een negatieve wissel stroom-weerstand (differentiële weerstand) vertoont. Deze eigenschap werd reeds in 1957 ontdekt door Dr. Leo Esaki. Negatieve weerstand, een vreemd begrip misschien aangezien we normaliter alleen maar spreken over (positieve) weerstand. Positieve of "gewone" weerstand zorgt voor een evenredig verband tussen stroom en spanning. Verhoogt men de spanning over de weerstand, dan neemt de stroom toe. Een negatieve weerstand daarentegen resulteert in een omgekeerde evenredigheid tussen stroom en spanning; zakt de spanning dan neemt de stroom toe.
In figuur 1 is de karakteristiek van een tunnel-diode gegeven. In het gebied -r is de wisselstroom-weerstand van de tunnel-diode negatief. Dit is als volgt in te zien: Neem aan dat de diode ingesteld is in punt P. Verhogen we de spanning met de waarde ΔU, dan neemt de stroom met een waarde ΔI af, m.a.w. er wordt een negatieve waarde (- ΔI) aan de stroom toegevoegd.
Figuur 1. Een tunnel-diode vertoont een eigenaardige karakteristiek. In een bepaald gebied is de wisselstroomweerstand negatief. In dit gebied gedraagt de tunnel-diode zich als een aktief element.
De wisselstroom-weerstand is dan:
of:
De negatieve (differentiële) weerstand is minimaal in dat punt waar de karakteristiek het meest vertikaal loopt. In dit punt is het effekt van de negatieve weerstand dus het grootst.
De vraag is nu: Wat kunnen we met een negatieve weerstand doen? Goed beschouwd is zo'n negatieve weerstand het tegenovergestelde van een positieve weerstand en is dus een aktief element.
Men zou er een oscillator mee kunnen maken. En dat is ook het belangrijkste toepassingsgebied van de tunnel-diode. Figuur 2 toont een eenvoudig voorbeeld van een tunnel-diode-oscillator. De gemiddelde stroom door de tunnel-diode stelt zich automatisch zo in dat het effekt van de negatieve weerstand maximaal is (dus in het meest vertikale gedeelte van het negatieve weerstandsgebied). Positieve eigenschappen van tunnel-diode-oscillatoren zijn o.a. een geringe vermogenskonsumptie, een goede frekwentiestabiliteit en, last but not least, de eenvoudige opzet van de schakelingen. Door de opkomst van FET's zijn ontwerpen mogelijk geworden met nog betere resultaten; vandaar dat de tunnel-diode tegenwoordig vrijwel niet meer toegepast wordt. Deze ontwerpen zijn echter wel gekompliceerder van opzet. Voor vele ontwerpers reden genoeg om naar een eenvoudiger alternatief te zoeken. Het resultaat van dit streven naar perfektie is de lambda-d iode. Deze diode bestaat uit een N- en een P-channel-FET (zie figuur 3) en vertoont tussen de anode en de katode vrijwel dezelfde weerstandskarakteristiek als de tunnel-diode. Ook de lambda-diode kan dus als aktief element in oscillatoren toegepast worden. Een voorbeeld hiervan is de oscillator van de gate-dipper.
Figuur 2. Slechts enkele komponenten zijn nodig om een tunnel-diode-oscillator te konstrueren. De eenvoud van de schakeling is kenmerkend voor dit soort oscillatoren.
Figuur 3. Knoopt men een P- en een N-channel-FET op deze manier aan elkaar, dan ontstaat een zogenaamde lambda-diode. Deze diode vertoont een gelijke weerstandskarakteristiek als de tunnel-diode.
De gate-dipper
In figuur 4 is het schema van de gate-dipper te zien. Door toepassing van een spanningsstabilisator (IC1) kan de schakeling uit een 9 V-batterij gevoed worden, hetgeen in vergelijking met een netvoeding praktische voordelen biedt. De lambda-diode wordt gevormd door de FET T1 en de transistor T2. Weliswaar een iets andere konfiguratie dan die uit figuur 3, voor wisselstromen gezien toch hetzelfde. Aangezien de meeste P-channel-F ET's een relatief lage steilheid bezitten, is hier gebruik gemaakt van een transistor als vervanging. De oscillatorkring bestaat uit een vaste zelfinduktie Lx en een variabele kon- densator C3 waarmee de frekwentie geregeld kan worden. Met P1 wordt de lambda-diode ergens in het negatieve weerstandsgebied ingesteld. De dioden D1 en D2 zorgen voor een gunstige begrenzing van het regelgebied.
Figuur 4. Het komplete schema van de gate-dipper. De FET T1 en de transistor T2 vormen de lambda-diode. Op het eerste gezicht lijkt deze konfiguratie niet op die uit figuur 3. Voor wisselstroom gezien is de basis van T2 met de drain van T1 verbonden en de gate van T1 met de kollektor van T2. Het wisselstroomvervangingsschema stemt dus wel overeen met de konfiguratie van een lambda-diode, zij het dan dat in dit ontwerp een FET vervangen is door een transistor.
De kombinatie R1, D3 en C2 stelt een gelijkrichter voor. De oscillatorspanning wordt door de diode D3 gelijkgericht. Over D3 staat een negatieve gelijkspanning (Lx kan voor gelijkstroom als een kortsluiting beschouwd worden) die als regelspanning voor de lambda-diode dient (via de gate van T1). Via een afvlakcircuit R2-C4 wordt deze spanning naar de als source-volger geschakelde FET T3 gevoerd. De potmeter P2 is zo ingesteld dat de meter ongeveer op nul staat. Brengt men nu de spoel Lx in de buurt van de te meten passieve kring en varieert men met C3 de frekwentie, dan zal de negatieve spanning over D3 afnemen naarmate de demping, veroorzaakt door het energieverlies in de kring, toeneemt. Een afname van de negatieve spanning doet de source van T3 in potentiaal stijgen, waardoor de meter uitslaat. Is de uitslag maximaal, dan is de waarde van C3 een maat voor de resonantiefrekwentie van de kring. Het is dus zaak C3 zo in te stellen dat, in tegenstelling tot andere dippers, de meteruitslag maximaal is.
Met de gate-dipper kan men ook een oscillator op zijn werking kontroleren. Ook hierbij brengt men de spoel van de dipper in de buurt van de oscillatorkring. Tussen de frekwenties van beide oscillatoren ontstaat dan interferentie. Een juiste instelling van C3 levert hoorbare verschilfrekwenties op. Deze relatief lage frekwenties worden niet voldoende afgevlakt en verschijnen daardoor op de source van T3. Dit signaal wordt naar een eindversterker toegevoerd, welke is opgebouwd rondom T4 en T5. Via een koptelefoon kunnen de interferentietonen hoorbaar gemaakt worden. Potmeter P3 dient hierbij als volumeregelaar.
Bij het kontroleren van afgestemde kringen in ontvangers kan bij een juiste afregeling van de dipper-oscillator (op zero beat) zelfs het HF-signaal volgens het direkte konversie-principe gedemoduleerd worden. De lambda-diodeoscillator fungeert dan als zelfoscillerende mengtrap. Deze eigenschap maakt het mogelijk om zelf een preciese frekwentieschaal te maken (meer hierover bij de afregeling).
De bouw
| R1,R5 | 220 k |
| R2 | 100 k |
| R3 | 3k9 |
| R4 | 82 k |
| R6 | 330 Ω |
| R7 | 2k2 |
| P1 | 22 k lin. |
| P2 | 2k2 lin. |
| P3 | 47 k log. |
| C1,C5,C7,C13 | 22 n |
| C2 | 47 p |
| C3 | 200 p variabel |
| C4 | 100 p |
| C6,C8 | 1 µ/10 V |
| C9 | 10 µ/10 V tantaal |
| C10 | 100 p |
| C11 | 22 µ/6,3 V |
| C12 | 1 n |
| C14 | 10 µ/16V |
| T1 | BF 256B |
| T2 | BF451 |
| T3 | BF 256A |
| T4,T5 | BC 549C |
| IC1 | 78L05 |
| D1 ... D4 | DUS |
| Lx | zie tekst en tabel 1 |
| M1 | meter 225 µA (of gevoeliger) |
| S1 | aan/uit-schakelaar (100 mA =) |
| 8 plastic luidsprekerpluggen | |
| 1 chassisdeel voor luidsprekerplug | |
In figuur 5 is de lay-out en de komponentenopstelling van de print gegeven. De spoel Lx wordt niet op de print ondergebracht, maar via een plastic luidsprekerplug met de schakeling verbonden. Dit biedt de mogelijkheid om spoelen uit te wisselen, zodat diverse meetbereiken verkregen worden. In bijgaande tabel staan de wikkelgegevens van de spoelen en de daarbij behorende frekwentiebereiken (van het door ons opgebouwde ontwerp) gegeven.
Figuur 5. De lay-out en de komponentenopstelling van de print. De spoel Lx wordt niet op de print gemonteerd, maar via een plastic luidsprekerplug met de schakeling verbonden. Op deze wijze kan men verschillende spoelen in het chassisdeel van de luidsprekerplug prikken, waardoor andere meetbereiken verkregen worden.
De spoelen worden ieder op een plastic luidsprekerplug gewikkeld, zo ver mogelijk van de metalen aansluitpennen verwijderd (zie figuur 6). Bevindt zich namelijk metaal in de buurt van de spoel dan treden er ijzerverliezen op, die toenemen met de frekwentie. Het vervelende hiervan is dat dan steeds na verdraaiing van C3 de nulpuntinstelling van de meter verloopt. Nu is dat ook weer niet zo'n ramp omdat de meter slechts als indikator dient. Teveel verliezen doen de wijzer echter zo ver uitslaan dat geen dip gekonstateerd kan worden.
De uiteinden van de geëmailleerde wikkeldraad worden via de doorvoeropening van de plug intern aan de aansluitpennen gesoldeerd. Bij de spoel met 1 winding vervalt het plastic omhulsel van de plug. De winding wordt direkt op de aansluitpennen gesoldeerd. Het chassisdeel van de luidsprekerplug monteert men op het kastje van de gate-dipper. Via dikke korte draden wordt het chassisdeel met de print verbonden. Op deze wijze kunnen de verschillende spoelen makkelijk uitgewisseld worden indien men een ander meetbereik wenst. Ook de variabele afstemkondensator C3 wordt niet direkt maar via korte dikke draadjes met de print verbonden. Te lange draden maken metingen boven 80 MHz onmogelijk.
| Aantal wdgn | Cu-draad | Gemeten frekwentiebereik |
|---|---|---|
| 230 | 0,1 mm | 374 kHz ... 871 kHz |
| 110 | 0,1 mm | 701 kHz ... 1616 kHz |
| 47 | 0,2 mm | 1535 kHz ... 4326 kHz |
| 23 | 0,2 mm | 2712 kHz ... 7224 kHz |
| 12 | 0,6 mm | 6777 kHz ... 21,2 MHz |
| 5 | 0,6 mm | 12,6 MHz ... 45,6 MHz |
| 2 | 0,6 mm | 27 MHz ... 80 MHz |
| 1 | 1 mm | 50 MHz ... 150 MHz |
Figuur 6. In deze figuur is duidelijk te zien hoe de spoelen gewikkeld dienen te worden. Het is zaak de wikkeling zo ver mogelijk van de metalen aansluitpennen te houden om de verliezen binnen de perken te houden.
Kalibratie en gebruik
Alvorens men de gate-dipper van een gekalibreerde schaal kan voorzien, zal men eerst met dit meetinstrument moeten kunnen omgaan. Echte afregel-punten zijn er niet. De potmeters P1 en P2 dienen zo ingesteld te worden dat een dip, het duidelijkst waargenomen wordt. De meter dient hierbij duidelijk als indikator gezien te worden; niet de aanwijzing maar het gedrag van de meternaald is belangrijk! P2 dient dan ook niet zozeer voor het afregelen van het nulpunt maar om de naald binnen het aanwijsbereik van de meter te houden. Verloopt de aanwijzing te zeer (door bijv. energieverlies in metalen voorwerpen die zich in de buurt van de oppikspoel bevinden) dan kan dit gekorrigeerd worden.
Met potmeter P1 stelt men het werkpunt van de lambda-diode in. Deze instelling bepaalt de gevoeligheid van de dipper.
Een goede instelling kan als volgt bepaald worden:
Verdraai de loper van P1 naar de katode van D1. De oscillator is dan buiten werking en de meteruitslag is maximaal. Zorg dat de meternaald niet helemaal in de "hoek" zit (zonodig met P2 korrigeren). Verdraai nu de loper van P1 in de andere richting. Op een gegeven moment begint de meteruitslag af te nemen (de oscillator werkt dan). Verder verdraaien van P1 doet de meteruitslag tot een bepaald minimum afnemen (P2 eventueel bijregelen). Stel de meter met P2 nu tussen deze twee uitersten in. Na het verwisselen van Lx dient de stand van P2 weer aangepast te worden. Om wat handigheid in het afregelen te verkrijgen kan men het beste als oefening een kring dippen waarvan de resonantiefrekwentie bekend is. Hierbij kan dan met de stand van P1 geexperimenteerd worden om mogelijk de gevoeligheid te verhogen.
Hierna kan de schaal voor de variabele kondensator C3 gekalibreerd worden. N.e gaan de gate-dipper nu als AM-demodulator gebruiken. Een horizontaal of vertikaal gespannen draad van minimaal 10 meter dient als antenne (flatbewoners: 10 m "buiten het balkon"). Via een koppelwinding wordt deze magnetisch gekopp.id met de spoel van de dipper (zie figuur 7). Het andere uiteinde van de koppelwinding dient aan aarde (waterleiding of randaarde) te liggen. Kondensator C3 wordt nu verdraaid totdat via de koptelefoon een bekende AM-zender gehoord wordt. De oscillatorfrekwentie is dan gelijk aan de draaggolffrekwentie van die zender (zie daartoe de diverse omroepbladen etc.). Door op meerdere zenders af te stemmen verkrijgt men verscheidene ijkpunten voor de frekwentieschaal van de variabele kondensator. Voor het ijken van de hogere bereiken kan men eventueel gebruik maken van afgestemde kringen waarvan de resonantiefrekwentie bekend is.
Figuur 7. Door de gate-dipper als AM-demodulator te gebruiken (direkte konversie-systeem) kan men de frekwentieschaal nauwkeurig ijken. Een horizontale of vertikale, 10 meter lange draad dient hierbij als antenne.
De stand van P1 waarbij de ontvangststerkte maximaal is, geeft tevens de maximale gevoeligheid bij gebruik als dipper. Om gemakkelijk te kunnen afstemmen verdient het aanbeveling de variabele kondensator van een mechanische vertraging te voorzien.