Was ist, was kann ein Dipper? 1; Einfacher Aufbau - vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
Die Preiswürdigkeit und die vielen Moglichkeiten des Experimentierens, Lernens und Verstehens, die ein Dipmeter bietet, sind nach wie vor faszinierend. Darum nimmt diese vierteilige Folge Dipmeter genauer unter die Lupe: Wie funktionieren sie, was kann man alles damit machen, wie kann man sie am besten selbst bauen?
Das Dipmeter war einst ein Standardmessgerät der Funkamateure. Es wurde von ihnen vielseitig im Frequenzbereich 100 kHz bis 150 MHz eingesetzt.
Heute scheint es ein wenig aus der Mode gekommen zu sein. Es gibt kaum noch Fertiggeräte zu kaufen. Zum Manuskriptzeitpunkt war keine Quelle bekannt, von der ein Dipmeter hätte bezogen werden können.
Anatomisches und Historisches
Dip kann man mit Durchhang oder eintauchen übersetzen. Dies bezieht sich auf die Reaktion des Zeigers eines Dipmeters, kurz Dipper genannt. Diese Reaktion tritt um eine bestimmte Frequenz herum ein. Das Messinstrument liefert hier also keinen Messwert, sondern dient nur als Indikator für einen bestimmten Zustand.
Dieser Zustand ist die prinzipielle Gleichheit zweier Frequenzen, nämlich der Resonanzfrequenzen des Schwingkreises im Dipper und des untersuchten Objekts.
Den Messwert entnimmt man der Skala des Dipmeters. Ganz Mar, dass dabei recht hübsche Toleranzen zu Stande kommen können. Eine Verbesserung lässt sich erzielen, wenn man die Frequenz des Dipper-Oszillators mit einem externen Zähler messen kann.
Ein Dipmeter ist also ein einfaches Gerät zur Messung von Frequenzen im HF- und/oder UKW-Bereich. Dazu besitzt es einen abstimmbaren Resonanzkreis, bestehend in aller Regel aus einer Luftspule und einem Drehkondensator. Dieser Schwingkreis ist Teil eines Oszillators, über dessen Ausgangsspannung oder Betriebsstrom das Messwerk einer Anzeigeschaltung informiert. Die Oszillatorfrequenz kann z. B. auf einer Skale um den Drehko-Betatigungsknopf abgelesen werden. Und natürlich benötigen wir eine Stromversorgung (Batterie). Bild 1 zeigt diesen Dipmeter-Grundaufbau. Da das Feld der Spule den unmittelbaren Raum erfüllt, kann der Kreis leicht lose an andere, nicht schwingende Kreise oder Kabel gekoppelt werden. Je nach Oszillatorfrequenz entziehen diese dem Oszillator Energie, so dass Ausgangsspannung und Betriebsstrom zurückgehen. Wie gesagt: Den entsprechenden Rückgang des Zeigerausschlags bezeichnet man als Dip. Er tritt auf, wenn der zu messende Kreis resonant ist oder das Kabel auf Grund seiner elektrischen Länge einen Kurzschluss far die Messfrequenz darstellt. Damit haben wir die Hauptanwendung des Dipmeters, nämlich seine aktive Arbeitsweise kennen gelernt.
Dipmeter nennt man darum übrigens auch Absorptions- oder Resonanzfrequenzmesser. (Absorbieren bedeutet absaugen.)
Dieses Messprinzip wurde schnell nach Erfindung des Oszillators durch Meißner entdeckt und angewandt. Die erste Dipper waren also Röhren-Dipmeter and warden Grid-Dip-Meter oder Grid-Dipper genannt, denn das Wort Grid bedeutet (Röhren-)Gitter. Dipmeter mit Transistoren nannte man zur Abgrenzung in der Anfangszeit Transdipper.
Ein wichtiges Kriterium jedes Dippers ist sein Messbereich. Baut man den Oszillator mit einer stark veränderbaren Kapazitat (Drehkondensator) und schalt- oder steckbaren Spulen auf, so kann ein sehr großer Frequenzbereich überstrichen werden. Aus rein praktischen Gründen sind Steckspulen üblich.
Die Notwendigkeit, Frequenzen zu messen
Resonanzmessungen sind oft eine Notwendigkeit: Optimale Leistungsübertragung, Selektion oder Anpassung werden meist erst dadurch möglich.
Wo ein Schwingkreis ist, da gibt es such eine Resonanzfrequenz, die sich aus den Nennwerten von Induktivität and Kapazität mehr oder weniger genau berechnen lässt. In der Praxis stehen Toleranzen and parasitäre Komponenten in aller Regel einem ausreichend präzisem Ergebnis im Wege. Oft kennt man die Induktivität nur ungefahr. Also messen!
Auch Kabel benehmen sich wie Schwingkreise: Sie verhalten sich bei bestimmten Frequenzen wie ein Isolator oder Kurzschluss. Man spricht auch hierbei von Resonanz, was genau genommen nicht ganz korrekt ist. Denn Resonanz bedeutet Gleichidang. Ein Kabel ist aber nicht "resonant", wean die Blindwiderstände seiner Induktivität und Kapazität wie beim Schwingkreis betragsgleich sind, sondern wenn auf Grund seiner Länge die reflektierte (rücklaufende) Welle in entsprechende Lage zur hinlaufenden Welle gerät. So konnen sich z. B. am Kabeleingang Spannung and Strom gegenseitig auslöschen.
Mit einer Berechnung trifft man auf Grund von Toleranzen die Kabellänge oft nicht genau. Also wieder messen!
Weitere Messobjekte sind Antennen. Hier spricht man meist (noch) von offenen Schwingkreisen. Ein überaus grobes Erklärugsmodell, denn ein Schwingkreis hat nur eine Resonanzfrequenz, während Drahtantennen viele aufweisen. Daher sollten sie besser als LC-Netzwerke beschrieben werden. Auch die Umgebung hat hier Einfluss auf die Resonanzstellen. Also auch hier messen!
Übrigens zeigen auch Spulen eine Eigenresonanz infolge der ihnen zwangslaufig innewohnenden Kapazität. Diese Frequenz sollte besonders bei Drosseln recht hoch sein. Der Hersteller gibt sie selten an. Also muss man sie messen!
Und wie ist es mit einem unbekannten Filter? Ob Quarz-, Keramik- oder LC-Filter: Ohne Durchlass- bzw. Sperrbereich zu kennen, kann man damit nichts anfangen. Also muss man such hier wieder messen!
Dies waren aber nur die wichtigsten Beispiele für Messmöglichkeiten im aktiven Betrieb eines Dipmeters. Im passiven Betrieb kann es z. B. noch die Schwingfrequenz eines Oszillators, also auch die Empfangsfrequenz eines Direktmisch- oder Rückkopplungsempfangers ermitteln.
Messen, aber wie?
Wer misst, misst Mist. Ein oft strapaziertes und wohl wahres Wort! Denn schnell kann es in der HF-Technik bei Unkenntnis des Zusammenwirkens des Messobjekts mit anderen Elementen oder Objekten zu Fehlinterpretationen kommen.
Um die Arbeitsweise eines Dipmeters besser verstehen zu können, sollen zunächst einige Möglichkeiten zur Bestimmung der Resonanzfrequenz näher erläutert werden.
Führt man einem Schwingkreis Energie zu, so wird im Resonanzfall die Spannung über ihm maximal (Parallelkreis) oder minimal (Reihenkreis). Man könnte also über eine Spannungsmessung zum Ziel kommen. Scheinbar einfach, aber nicht unproblematisch. Denn die Energie muss erstens hochohmig zugeführt werden. Und jede kapazitive oder induktive Koppelkomponente verschiebt zweitens die Resonanzfrequenz.
Das Dipmeter löst beide Probleme optimal. Es besitzt einen Verstärker und benötigt somit nur einen minimalen Energieanteil vom Messobjekt. Der Koppelgrad lasst sich einfachst und weitläufig über den Abstand zum Messobjekt variieren. Eine so lose Kopplung wie nur möglich, ist also problemlos zu erreichen.
Für die schnelle Messung ist der dosierte Energieentzug die einfachste Methode. Besitzt der Schwingkreis eine Zylinderspule, so reicht sein Magnetfeld ausreichend weft in den Raum. Ist das koppelnde Element des Messgeräts ebenfalls eine Zylinderspule, so wird optimale induktive Kopplung erzielt (Bild 2).
Bild 2: Der Abstand zum Messobjekt bestimmt den Kopplungsgrad.
Dippen - aktiv oder passiv
Dippen - so nennt man auch den Umgang mit dem Dipmeter. Wir haben bereits erfahren, wie und wo das hauptsächlich funktioniert.
Hier nun werden wir mit der zunächst verblüffenden Meinung konfrontiert, dass die Namen Dipmeter oder Dipper nicht ganz treffend sind. Sie deuten nämlich meist nur auf den aktiven Betrieb hin! Nur hier kommt es wirklich zu einem Dip.
Im passiven Betrieb ist vieles umgedreht: Der Prüfling pumpt nun Leistung in den Dipmeter-Schwingkreis. Der Oszillator des Dipmeters ist ausgeschaltet, meist ist die Batterie komplett abgeschaltet. Nähert man nun dem Schwingkreis des Messobjekts den des Messgeräts, so wird dieser Energie aufnehmen. Stimmen die Resonanzfrequenzen überein, so ist der Energieentzug maximal - die Spannung über dem Schwingkreis des Messgeräts steigt auf ein Maximum. Dies äußert sich dann als Peak, also als Spitze. Wean in der Literatur vom Betrieb als Absorptionsfrequenzmesser gesprochen wird, dann ist diese passive Arbeitsweise gemeint. Aber auch im aktiven Betrieb wird natürlich Energie absorbiert (in umgekehrter Richtung) und eine Frequenz gemessen. Manche Dipmeter sind so konstruiert, dass im passiven Betrieb der Strom verkehrt herum durch das Instrument fließt. Dann gibt es tatsächlich auch hier einen Dip.
Voraussetzungen für Dip bzw. Peak sind: Die Spulenachsen sollten möglichst identisch verlaufen, die Spulen also gewissermaßen in einer Reihe liegen. Der Spulenkörper darf keine Abschirmung besitzen, and das Messgerät muss genügend HF-Leistung erzeugen (aktiver Betrieb) bzw. empfindlich sein (passiver Betrieb).
In beiden Fällen kann die Kopplung verstimmen, auf möglichst lose Kopplung ist also stets zu achten.
Wenn wir uns vor Augen halten, dass ein aktiv betriebener Dipper im Prinzip einen Sender darstellt, dann lässt sich ein Einsatz als Prüfgenerator erkennen. Empfänger können damit abgeglichen oder z. B. auf ihre Spiegelfrequenzsicherheit hin überprüft werden.
Und übrigens: Einen Dipper kann man leicht so bauen, dass er auch als einfacher Monitor-Empfänger benutzt werden kann - natürlich im passiven Betrieb.
Auf die Kopplung kommt es an!
Betrachten wir das Dippen also mal ganz praktisch!
Wir wissen: Mit dem Dipmeter wird ein Energieentzug verursacht. Im aktiven Betrieb schwingt sein Oszillator, der stromlose Prüfling entzieht diesem Energie. Bei Resonanz tritt ein Dip auf. Im passiven Betrieb entzieht der Schwingkreis des Dipmeters dem Prüfling Energie. Daher muss das Messobjekt der Schwingkreis eines funktionierenden Oszillators sein. Resonanz äußert sich in einem Peak. Vorsicht bei Verstärkern, denn hier ermittelt das Dipmeter nur die Signalfrequenz, die sich von der Resonanzfrequenz des Kreises tunerscheiden kann!
Die Bilder 3 bis 5 zeigen einige Messmöglichkeiten. Hierbei können Resonanzmessungen sowohl aktiv als auch passiv erfolgen. Das kleine Kästchen mit der Spule symbolisiert das Dipmeter.
Bild 4: Spezielle Koppelmöglichkeiten (Quelle: DM2AUO).
Bild 5: Ungeeignete Kopplungen (Quelle: DM2AUO).
Zu Bild 3: Die Kopplung der unteren Variante ist optimal, die Spulenachsen liegen in einer Linie. In der Mitte ist eine Kopplung noch möglich, die Verstimmung aber groß. In der oberen Variante ist die Spule des Prülings größer als die Koppelspule des Dipmeters. Diese Option ist bei Senderspulen anwendbar.
Für Fälle, wo der Kreis des Prüflings von der Koppelspule des Dipmeters nicht erreichbar ist, sind in Bild 4 einige Lösungsvorschläge aufgezeigt.
In der unteren Variante werden zwei separate Koppelspulen Lk durch eine verdrillte Leitung miteinander verbunden. Man spricht dabei von Linkkopplung und Linkleitung. Es handelt sich um eine induktive Kopplung mit Leitung. Die Linkkopplung geschieht allgemein über zwei Koppelspulen, die jeweils auf das kalte Ende der zu verbindenden Schwingkreise gewickelt werden. Die Verbindung zwischen den Koppelspulen besteht entweder aus Koaxkabel oder einer verdrillten Zweidrahtleitung. Diese Kopplung ist strahlungs- und verlustarm and trennt natürlich galvanisch.
Jede der Koppelspulen hat maximal zwei Windungen, die Linkleitung wird aus zwei verdrillten Drähten gebildet, Länge 5-10 cm. Hierbei gilt zu beachten, dass jetzt zwei Kopplungen wirken.
Die mittlere Variante zeigt Resonanzmessungen an einem Ringkern. Im Normalfall ist die direkte Messung nicht möglich, da das Streufeld zu gering ist and eine Spulenachse wie bei der Zylinderspule fehlt.
In der obere dargestellten Situation wird am Antennenkabel gemessen. Hier soll es ein Koaxkabel sein. Schirm und Innenleiter werden an eine Koppelspule gelötet. Für eine Paralleldrahtleitung ist diese Kopplung auch möglich. Sollte am anderen Ende des Antennenkabels eine Antenne montiert sein, so kann es infolge einströmender HF zu Fehlmessungen kommen.
Einige Quellen offerieren übrigens such eine kapazitive Kopplung, indem die Spule des Dipmeters z. B. an eine Eindrahtleitung gehalten wird.
Bild 5 zeigt schließlich ungünstige oder falsche Koppelvarianten. Also nicht am Kondensator messen! Stehen die Spulenachsen senkrecht aufeinander, ist die Kopplung minimal und oft nicht ausreichend. Hieraus folgt aber ein wichtiger praktischer Tipp: Statt den Koppelgrad (mitunter umstandlich) über die Entfernung zu variieren, kann er auch (bequem) über den Winkel der Spulenachsen optimiert werden (Bild 6).
Bild 6: Optimierung des Koppelgrads über den Winkel der Spulenachsen (Quelle: Popular Electronics).
Nach Anschalten des Geräts stellt man den Zeigerausschlag auf etwa 80 % vom Skalenendwert. Oft muss man die Dipmeterspule bis auf wenige Millimeter an die Messspule heranbringen. Die Tiefe des Dips hängt von Koppelgrad und Betriebsgüte des gemessenen Kreises ab. Es sollte so gekoppelt werden, dass der Dip gerade noch wahrnehmbar ist. Dann ist die Messung am genausten. Bei zu starker Kopplung besteht iiberdies Gefahr, dass der Dipper-Oszillator vom Messobjekt "mitgezogen" wird. Das erkennt man daran, dass die Anzeige "springt".
Was noch alles moglich ist
Wenn der Schwingeinsatz einstellbar ist, so dass lediglich eine Potentiometerstellung, nicht aber ein Schalter die Betriebsweise bestimmt, hat das einen nicht zu unterschätzenden Vorteil im passiven Betrieb: Der Schwingkreis lässt sich entdämpfen, so dass Empfindlichkeit and Selelctivität betrachtlich steigen. Der Dipper arbeitet als Audion. Mit mindestens 1 m Antennendraht, über wenige Picofarad an den Hochpunkt gekoppelt, kann man dann z. B. abends Telegrafiesignale auf 80 m lesen.
Weiter: "Die Steckspulen des Dipmeters wirken im aktiven Betrieb stets als schwache HF-Signalquelle. Die Luftspule ist eine nahezu punktförmige Antenne, ideal geeignet für Test and Demonstration von Funkpeil-Empfangstechnik. Dazu betreibt man das Dipmeter auf einem Holztisch, mindestens 2 m entfemt von den Wänden, größeren Metallgegenstanden sowie Gas-, Wasser- and Lichtleitungen. Die Spulenachse stehe senkrecht zur Tischplatte. Mit dem Empfindlichkeitspoti wird bei einer Frequenz zwischen 5,5 and 3,6 MHz (Kontrollempfänger) ein mittlerer Ausschlag eingestellt.
In dieser Anordnung kann in wenigen Metern Entfernung die Systematik des Peilens demonstriert and die Bedienung des Geräts geübt werden."
Ich habe allerdings mit solchen praktisch punktförmigen Antennen schlechte Peilerfahrungen gemacht. Erfolgreiches Peilen mit Rahmen- oder Ferritantenne setzt ja vertikale Polarisation voraus.
Das Dipmeter kann auch gut als Injektionsoszillator dienen. Man benötigt einen AM-Empfänger, der das 40-m-Band erfasst. Die Oszillatorenergie des Dippers wird lose in den HF-Teil gekoppelt, entweder über wenige Picofarad in die Antennenbuchse oder, wenn eine Ferritantenne vorhanden ist, induktiv über eine kleine Koppelschleife. Man suche ein Telegrafiesignal zwischen 7 and 7,04 MHz, das man naturgemäß nur schwach wahrnimmt and vor allem an Clicks erkennt. "Das Dipmeter wird jetzt mit mittlerer Schwingamplitude betrieben and mit gesteckter 7-MHz-Spule dessen Abstimmung feinfühlig durchgedreht. Plötzlich stellt man einen unmodulierten Träger im Empfangskanal fest, and bei gefühlvoller Abstimmung kann man saubere CW-Signale aus dem Lautsprecher hören."
Weiter kann man mit dem Dipmeter auf Suche nach HF im Shack gehen. Hierbei ist eine Sonde nützlich, deren Grundaufbau Bild 9 zeigt. Man kann zwei Varianten bauen: eine flache Schleife, z. B. 4 × 20 cm, oder zwei kleine Windungen. Die Koax-Messleitung macht man etwa 20 cm lang. "Die kleine Feldsonde dient der Kopplung mit Schwingkreisen and kleinen aktiven HF-Baugruppen, wahren die größere Flachsonde mit Längsausdehnung für die Suche von HF auf Leitern verwendbar ist (z. B. Mantelwellen auf dem Koaxialkabel, HF auf der Netz-, Mikrofon- oder Tastleitung). Dazu legt man die Flachsonde der Länge nach auf den Leiter and misst während eines Dauerträgers. Das Dipmeter arbeitet auf der Sendefrequenz in der Betriebsart Absorptionsfrequenzmessung. Der Ausschlag muss beim Entfemen der Sonde vom Leiter verschwinden. Dann and nur dann entstammt die gefundene HF dem Messobjekt."
Zitate aus Dr. W Rohländer; Dipmeter für 1,8 bis 150 MHz, Funkamateur 10/90, S. 507, 508
Einsatzbeispiele ganz konkret
Auch abgeschirmte Spulen und Ringkernspulen kann man "ausdippen". Allerdings ist dazu entweder eine Koppelwicklung oder eine kapazitive Kopplung nötig. Man legt eine Koppelwickung an das kalte Ende (Masseverbindung). Kapazitive Kopplung realisiert man über einen Kondensator von 1,5-6,8 pF zwischen den Hochpunkten von Dipmeter- und Messkreis.
Zum Optimieren von horizontalen und vertikalen Antennen ist ein Dipmeter sehr gut geeignet. Seine Genauigkeit reicht hierbei in aller Regel aus. Die Kopplung an das Kabel kann gemäß Bild 7 sehr einfach erfolgen. Jedoch ist es oft auch möglich, das Dipmeter direkt am Speisepunkt anzuschließen. Auch dann verwendet man so eine Koppelwicklung.
Da Kabel, welche elektrisch eine Viertel Wellenlänge oder gerade Vielfache davon lang sind, einen Schwingkreis simulieren, lassen sich auch solche elektrischen Längen exakt herstellen bzw. überprfüen.
Die Induktivität von Spulen oder Kondensatoren wird durch Aufbau eines Parallelkreises mit einer gut bekannten Kapazität oder Indulctivität moglich. Die Formeln Tauten: L = 25.330 / (f2 × C) bzw. C = 25.330 / (f2 × L), wobei die Einheiten pF, and MHz zu verwenden sind.
Im passiven Betrieb and im VHF-Bereich kann ein KW-Oszillator auf parasitäre Selbsterregung gecheckt werden. Wenn ein Modulationsausgang vorhanden ist, kann man den Oszillator darüber hinaus auf Störmodulation überprüfen.
Auch einen Super kann man auf seine Spielgelfrequenz-Unterdrückung checken. Das Oszillatorsignal wird dazu über die Antenne oder den Antenneneingang recht stark eingekoppelt. Wahrend es auf der Empfangsfrequenz einen sehr starken Ton (mindestens S9) erzeugt, soll auf der Spiegelfrequenz kaum etwas zu hören sein.
Beim Abstimmen der Station schließlich kann der Dipper als Feldstärkeindikator (Relativ-Outputmeter) dienen. Man geht in den passiven Betrieb and sucht mit dem Drehkondensator den maximalen Ausschlag. Ist dabei die Leistung gering and kein Anzeigeverstärker aktiv, sollte man die Spule mit einer kleinen Dipolantenne versehen (Bild 8).
Bild 8: Dipmeter als Feldstärkeindikator (Quelle: Popular Electronics).
Zum Schluss noch einmal der Hinweis: Ein Dipmeter kann kein Präzisionsgerät sein. Es geht daher beim Dippen immer um das schnelle, meist netzunabhängige Bestimmen von Resonanzen oder den HF-Nachweis.
Bild 9: Prinzipaufbau einer Feldmesssonde.
Frank Sichla, DL7VFS.