Сайт Тамбовских радиолюбителей

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

ГИР на аналоге λ-диода

Lloyd Butler, VK5BR
Amateur Radio, January 1997

Введение

В ноябрьском номере журнала Amateur Radio за 1995 год я описал, как явление, отрицательное сопротивление и схемы генераторов, основанных на его использовании. В одной из рассмотренных схем использовался туннельный диод и, как пример практического использования, многие радиолюбители помнят набор для самостоятельной сборки гетеродинного индикатора резонанса (ГИР) на туннельном диоде, подготовленный фирмой HEATH.

В настоящее время туннельные диоды довольно трудно найти, однако альтернативную схему, - схему аналога туннельного диода, довольно легко можно собрать, соединив определённым образом два полевых (ПТ) транзистора: с n – переходом и с p – переходом. Такая схема имеет характеристику похожую на греческую букву (лямбда), а потому так и называется.

В своё время, в журнале Amateur Radio и в радиолюбительских справочниках был опубликован ряд ГИР, но в последнее время таких публикаций в журнале не было, поэтому я решил восполнить пробел и, одновременно, использовать принцип получения отрицательного сопротивления, присущий схеме с λ-диодом (здесь: схеме с аналогом λ-диода). Преимуществом такой (перед, например, схемой Hartley) схемы является достаточность всего двух выводов катушки контура.

Вначале, я остановлюсь на работе схемы с отрицательным сопротивлением, а уж затем, перейду непосредственно к описанию ГИРа. Прибор, при наличии шести катушек, перекрывает диапазон от 1,6 Мгц до 150 МГц и может работать как абсорбционный резонансный волномер.

λ –схема с отрицательным сопротивлением

ПТ подразделяются на два типа, работающие в режиме с “открыванием” и в режиме с “запиранием”. “Открывание” означает больше то, что ПТ требует подачи смещения для его использования в режиме усиления (как у биполярного транзистора), а “запирание” - то, что ПТ, наоборот, следует призакрыть, для смещения рабочей точки на характеристике, подобно ламповым усилителям. ПТ с переходом работает в режиме “запирания” и, чтобы подать отрицательное смещение, в каскаде с ПТ достаточно включить в цепь истока резистор (подобрав величину его сопротивления), подобно эффекту от включения резистора в цепь катода в ламповом усилителе.

На Рис. 1 показаны ПТ с n - и p – переходами, каждый из которых имеет резистивную нагрузку в цепи истока – Rs. Разница в двух схемах включения ПТ - лишь полярность подключения источника питания. Напряжения, падающие на резисторах Rs, прикладывается в противоположной (или “запирающей”) полярности к переходу затвор – исток ПТ. Из-за возникающей отрицательной обратной связи, напряжение смещения ещё и стабилизируется на уровне, определяемом резистором Rs.

Рис. 1. Автоматическое смещение у ПТ с n – и p – переходами

Теперь заменим резисторы Rs в цепях истоков транзисторов с n - переходом на исток и сток ПТ с p – переходом и наоборот: заменим резисторы Rs в цепях истоков транзисторов с p - переходом на исток и сток ПТ с n – переходом. Мы получим, в результате, схему, представленную на Рис. 2, - нашу схему с λ- характеристикой. Включая таким, несколько странным образом, два ПТ, которые взаимодействуют друг с другом, мы получаем устройство, обладающее интересной характеристикой.

Рис. 2. Схема включения ПТ с отрицательным сопротивлением

Кривая на Рис. 3 показывает зависимость тока стока в зависимости от напряжения сток-исток, которую я начертил для полевого транзистора с n- переходом MPF102 и ПТ с p - переходом 2N4342, включенных по схеме Рис. 2.

До точки А ток стока растёт, поскольку растёт напряжения, за точкой А наблюдается уменьшение тока, хотя напряжение продолжает расти, образуя ветвь отрицательного сопротивления - АС. Значение этого сопротивления может быть снято как отношение изменения напряжения к изменению тока на участке АС, что составляет примерно минус 1700 Ом.

Чтобы построить генератор на основе схемы с отрицательным сопротивлением, необходимо лишь включить последовательно в эту схему настроенную (частотоопределяющую) цепь, подать питание сток - исток ПТ и установить питающее напряжение, например, в точке В, равным 4 вольтам. Достижимое при параллельном резонансе настроенной цепи сопротивление превышает 1700 Ом, схема начинает генерировать колебания и может быть, таким образом, быть использованной в схеме нашего, описываемого ниже, ГИРа.

Рис. 3. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток для схемы с отрицательным сопротивлением (для ПТ MPF102 и 2N4342) Drain Current (mA) – ток стока; Source to Drain Voltage – напряжение исток – сток; Negative Resistance Region – участок отрицательного сопротивления

 

Принципиально, схема описываемого ГИРа эквивалентна таковому, выполненному на туннельном диоде, разница лишь в напряжении питания, которая в схеме с диодом меньше 1 В. Информации о схемах с отрицательным сопротивлением можно “подсмотреть” в моей предыдущей статье в [ 1 ].

ГИР. Схема

Схема ГИРа показана на Рис. 4. Для прибора я использовал полевые транзисторы с разными типами переходов MPF102 и 2N4342 и рассчитывал на то, что проектируемый ГИР будет работать не только на КВ, но и на УКВ. Конечно же, вместо MPF102, можно применить и другие ПТ с n-переходом. Я применил вышеназванный, просто потому, что таковые у меня были. 2N4342 – транзисторы более редко встречающиеся, я нашёл лишь единственный подходящий в каталогах аукционов - ярмарок!

Я был немного озадачен, когда столкнулся с транзистором 2N4342, так как, в имеющихся у меня, технических данных на этот ПТ значилось только, что этот транзистор предназначен для общего пользования и было неизвестно, как поведёт он себя на РЧ. Делать было нечего, выбора не было, я купил несколько экземпляров 2N4342 и решил опробовать их в схеме генератора с отрицательным сопротивлением. Как оказалось, транзисторы работали до 200 МГц.

Чтобы перекрыть диапазон частот, определяемый набором сменных катушек, пришлось применить конденсатор переменной ёмкости с максимальной ёмкостью 100 пФ. Единственное ограничение: на верхнем по частоте диапазоне УКВ, ёмкость КПЕ не должна превышать 45 пФ, при большей ёмкости, происходит срыв колебаний генератора (включить последовательно с КПЕ ёмкость порядка 75…82 пФ).

ГИР питается от источника напряжением 9 В, при этом напряжение питания схемы с отрицательным сопротивлением стабилизировано на уровне 5,1 В стабилитроном ZD1. Чтобы установить правильную рабочую точку генератора, напряжение с помощью подстроечного резистора RV1 выставляется равным 4 В. Выключатель SW1 используется для отключения питания от генератора – переключения режимов ГИР / резонансный волномер. Элементы С1, SW1, V1,V2 и С2, относящиеся к генератору, должны соединяться с помощью коротких выводов между собой и с общим проводом, так как генератор работает и на УКВ.

Рис. 4. ГИР на аналоге λ-диода. Схема принципиальная электрическая. А – схема индикации на микроамперметре (50…100 мкА); В - схема индикации на миллиамперметре (1…2 мА) NOTES: SK1 and PL1 are RCA type concentric plug and socket.The trimpot RV1 is set to 4V. Примечания: SK1 и PL1 – типа RCA - концентрические (коаксиальные) штеккер и розетка. Подстроечным резистором RV1 устанавливается напряжение 4 В.

 

Комплексное соединение двух ПТ в генераторе осуществляется очень просто, разверните на 180° корпус одного ПТ относительно другого и спаяйте выводы между собой.

Идея применения ГИР в измерительной технике основана на следующем принципе: при размещении прибора в непосредственной близости от резонансных цепей, они начинают поглощать часть энергии генератора ГИР, тем большую, чем ближе частота генератора к резонансной частоте тестируемой цепи и чем ближе к этой цепи расположен прибор. При совпадении резонансной частоты тестируемого контура с частотой генератора ГИР, стрелка измерительной головки покажет минимум напряжения генератора (“провал” показаний). Использование измерения постоянного тока в нагрузке для регистрации этого “провала” часто используется в генераторах, работающих в классе С. Однако, лямбда диод, а, равно и его аналог, изначально предназначены для работы в классе А, поэтому его ток, в зависимости от нагрузки генератора по РЧ (уровня генерируемого напряжения РЧ), меняется мало. Чтобы, всё-таки, обнаруживать “провал” выходного напряжения генератора, при его “отсосе” резонансными цепями, часть напряжения генератора ГИРа, через небольшую ёмкость подаётся на детектор, выпрямляется и фильтруется, после чего измеряется простым микро/милливольтметром. Чтобы предотвратить сильную нагрузку генератора, детектор подключен к нему через дополнительный каскад – истоковый повторитель, в качестве которого также используется ПТ MPF102 (V3).

На Рис. 4 показаны два типа детекторов. При наличие измерительных головок на токи 50…100 мкА, следует применять схему детектора А, при наличие головок на токи до 1...2 мА, - В, с использованием дополнительного усилителя на биполярном транзисторе V4. В обоих случаях РЧ напряжение генератора ГИР выпрямляется с удвоением диодами D1, D2. После, следуют фильтрующие конденсаторы С6. В качестве V4 можно использовать любой кремниевый маломощный n – p – n транзистор.

Напряжение, развиваемое на диоде D3, служит для прямого смещения базы транзистора V4 (схема В Рис. 4) для устранения “ступеньки” на его характеристике усиления, определяемой его переходом база-эмиттер (для выведения в линейный участок). Переменный резистор RV2 служит для регулировки чувствительности стрелочного индикатора, для возможности установки наиболее благоприятного режима для наблюдения резонансного “провала”.

Потребляемый прибором ток от батареи напряжением 9 В составляет примерно 14 мА.

“Провал”

Как было замечено ранее, генератор будет работать, лишь в том случае, когда параллельное сопротивление резонансного контура будет больше, чем значение отрицательного сопротивления в 1700 Ом. Резонансные системы (контуры) даже с довольно низким значением величины добротности Q имеют значительно большее сопротивление, поэтому, практически, любая индуктивность в схеме генератора позволит ему генерировать. Действительно, обратная связь в генераторе больше, чем это необходимо, но развиваемое переменное напряжение управляемо, поскольку размах напряжения ограничен экстремумами А и С на кривой характеристики (Рис. 3).

Если для генератора как источника это хорошо, то, для наблюдения “провала” (при “отсосе” энергии в измеряемую цепь) в показаниях измерительного прибора ГИРа, это не совсем хорошо (стабилизация выходного напряжения генератора, при действии нагрузки - резонансной цепи, связанной с катушкой генератора, действует маскирующе – UA9LAQ). При такой обратной связи, генератор в состоянии давать полный размах вырабатываемого напряжения и, отсюда, “провал” едва различим.

Чтобы сделать “провал” ощутимым, необходимо снизить параллельное сопротивление резонансной схемы (контура) до значения чуть большего, чем это необходимо для возникновения генерации в генераторе (другими словами, необходимо снизить добротность резонансного контура генератора, что сильно ослабляет требования и к самим катушкам индуктивности генератора ГИРа – UA9LAQ). Для достижения этого, необходимо включить параллельно контуру дополнительный резистор. Так как значение сопротивления шунтирующего резистора для каждого диапазона индивидуально, то резистор с подобранным сопротивлением располагается непосредственно на съёмной сменной катушке ГИР (у основания съёмного модуля). Значение сопротивления шунтирующего резистора в зависимости от поддиапазона изменяется в пределах 1,6 кОм до 4,7 кОм, для “верхнего” УКВ диапазона шунтирующий резистор не используется (добротность катушки оказывается достаточно низкой – UA9LAQ).

Катушки

В разработке сменных катушек я применил технику, которая использовалась фирмой Heath, при изготовлении ГИР (см. фото выше). Для каркасов катушек использованы отрезки трубок из диэлектрика, с одного конца трубки закрепляется коаксиальный штеккер типа RCA, ответное гнездо RCA укрепляется на корпусе ГИРа. На другом конце трубки намотана катушка, выводы которой протянуты в сторону штеккера и распаяны на нём. Длинная трубчатая форма сменного модуля удобна при проведении измерений, расположения его в труднодоступных местах, вблизи настраиваемых контуров.

Найти источник тонких трубок, необходимых для намотки катушек довольно трудно. Я воспользовался наличием полистироловых трубок диаметром полдюйма (12,7 мм) в магазине, где торгуют материалами для любителей строить модели (поездов). Такая трубка оказалась идеальной для ГИРа. Для четырёх катушек, перекрывающих диапазон 1,6…34 Мгц, я нарезал четыре каркаса длиной по 57 мм. Для поддиапазона 32…85 МГц, где длина выводов оказывается значительной частью самой катушки, длину каркаса пришлось уменьшить до 46 мм. Для самого “верхнего” поддиапазона УКВ, трубка не применялась вовсе, катушка представляет собой простую проволочную петлю.

Катушки наматываются на концах трубки в 3 мм от её края, активной (незаземлённой) частью наружу. Намоточные данные приведены в Таблице 1. Выводы катушек проходят внутрь трубок, через просверленные для этого в трубках отверстия. Витки катушек закреплены небольшим количеством быстро затвердевающего герметика, клея и т. п.

Подчёркиваю: небольшим количеством герметика, так как мои попытки полной заливки катушек привели к значительному увеличению паразитных емкостей и значительному смещению поддиапазонов и уменьшению перекрытия по частоте.

Таблица 1

Намоточные данные катушек ГИРа

Поддиапазон

Данные катушек

Шунтирующий резистор

1. 1,6…3,6 МГц

110 витков, виток к витку, провод 0,1 мм

1700 Ом

2. 3,0…7,0 МГц

68 витков, виток к витку, провод 0,35 мм

1600 Ом

3. 6,6…15,5 МГц

21 виток, виток к витку, провод 0,35 мм

2000 Ом

4. 14,3…35,0 МГц

8,5 витков, виток к витку, провод 0,35

2000 Ом

5. 32,3…86,0 МГц

3,5 витка, длина намотки 8 мм, провод 0,7 мм

4700 Ом

6. 70,0…155 МГц

Петля провода 0,9 мм, длина от выводов штеккера 45 мм, ширина 6 мм

Нет

Пластиковая ручка штеккера RCA удаляется, и резистор припаивается непосредственно к выводам штеккера. Выводы катушек обрезаются с небольшим запасом, зачищаются, облуживаются и припаиваются также к выводам штеккера, дальний от штеккера конец катушки припаивается к центральному проводнику, ближний – к внешнему кольцу штеккера. Штеккер вставляется в трубку настолько, насколько он туда войдёт, так чтобы не закрыть контактную поверхность (трубка – каркас катушки заменяет снятую пластиковую ручку штеккера – UA9LAQ). Если необходимо, то внутренность основания трубки заполняется вяжущим герметиком для обеспечения жёсткости крепления трубки к штекеру. Имеющийся у меня штеккер RCA старой конструкции подошёл к трубке без проблем, но новые, - меньшие по диаметру хвостовика, - требуют заливки-уплотнения.

ГИР в режиме абсорбционного резонансного волномера

При отсутствии шунтирующих резисторов, прибор очень чувствителен и может с успехом быть использован в режиме абсорбционного (поглощающего) резонансного волномера. К сожалению, необходимость применения шунтирующих резисторов, снижает возможности прибора в этом режиме: уменьшает чувствительность и “расширяет” настройку. Эффект особенно заметен на двух нижних поддиапазонах. Конечно, это бесспорный недостаток, но его можно обойти, применив дополнительные катушки без шунтирующих резисторов (под них, возможно, придётся сделать отдельные шкалы, так как изготовить строго идентичные катушки сложно. Можно применить другой (многоштырьковый без фиксатора) разъём на катушках, поворачивая модуль катушки и вставляя его в другие отверстия можно включать катушку, как с шунтирующим резистором, так и без него – UA9LAQ).

Для того, чтобы повысить чувствительность прибора в режиме волномера, я экспериментировал и с другой схемой. Идея здесь заключается в оставлении схемы с аналогом λ-диода в схеме на месте и включении дополнительного шунтирующего резистора для срыва генерации (без снятия питания с генератора – UA9LAQ). В этом случае, схема работает как регенеративный усилитель, повышая чувствительность прибора и увеличивая эффективную добротность контура - Q, для обеспечения остроты настройки. На КВ сопротивление дополнительного резистора должно составлять 2700 Ом, для срыва генерации на УКВ потребуется сопротивление в 1800 Ом (поскольку на УКВ, шунтирующий резистор в исходной схеме не применяется, то возможно комбинированное включение: волномер с выключенным питанием генератора на УКВ и волномер с дополнительным шунтирующим резистором одного номинала с включенным питанием генератора - на КВ – UA9LAQ).

Идея хорошо работает на КВ, а, вот, на УКВ это условие вносит проблему использования прибора в режиме ГИРа. Эта проблема вносится выключателем, который отключает дополнительный резистор в режиме ГИРа, - несколько пФ паразитной ёмкости выключателя “скажут своё слово” на УКВ, фактически на этом поддиапазоне шунтирующий резистор (из за паразитной ёмкости контактов выключателя) не выключается, что сказывается на генерации на УКВ. Выходом из положения может быть применение штекерной “замыкалки” (джампера) с малой ёмкостью контактов или применение раздельных ГИРов-волномеров на КВ и УКВ.

Детали и конструкция

       

Детали схемы, выполненной на транзисторах, размещаются на небольшом куске стандартной макетной платы, имеющей металлизированные отверстия с пятачками вокруг них. Соединения между пятачками осуществляются жёстким монтажным проводом. Соединения в генераторе должны быть выполнены кратчайшим путём. Короткие провода от генератора припаяны непосредственно к выводам розетки RCA, установленной на корпусе ГИРа.

На УКВ общий провод может оказаться комплексным. Я припаял земляной вывод генератора непосредственно на розетку RCA. Соединение с корпусом прибора также происходит через корпус конденсатора переменной ёмкости (КПЕ). При экспериментах я обратил внимание на какой-то резонанс в середине поддиапазона 32…85 МГц. Добавил дополнительный общий провод отрицательного вывода батареи с платы на корпус, и проблема исчезла. На КВ таких проблем, обычно, не возникает, но, при увеличении частоты, каждый лишний отрезок провода создаёт дополнительную паразитную индуктивность и свою проблему, - об этом нужно не забывать.

Большинство из деталей ГИРа у меня были в наличии. Небольшая алюминиевая коробка размерами 134 х 75 х 55 мм была освобождена от деталей предыдущего проекта, миниатюрный КПЕ (4…100 пФ) и измерительная головка тоже были “вытащены” из старых конструкций. Измерительная головка была старой конструкции, квадратная по форме со стороной 56 мм с током полного отклонения стрелки 2 мА со шкалой проградуированной для РЧ усилителя. Была у меня и прекрасная измерительная головка на 50 мкА, но размер у неё был весьма внушительным, - не влезал в корпус, так что, я применил малогабаритную головку, собрав индикаторную часть по схеме В (Рис. 4). Измеритель является только индикатором наличия и изменения напряжения генератора ГИРа, его точная величина не имеет значения.

Найденные мной у себя в хозяйстве компоненты можно найти в каталогах торговли, что-то изготовить самостоятельно. Проблемным может оказаться только приобретение КПЕ с максимальной ёмкостью 100 пФ, обычно их “берут” от старой, отслужившей своё, аппаратуры. Значение сопротивления шунтирующего каждую катушку резистора указано в Таблице 1, однако, в зависимости от параметров применённых в генераторе ПТ, возможно, потребуется подбор сопротивлений резисторов в небольших пределах. Подбор потребуется и в случае, если Вы измените конструкцию катушек, что скажется на их добротности. Малый уровень напряжения от генератора или отсутствие оного говорит о том, что сопротивление шунтирующего резистора выбрано малым. Малая величина “провала”, при измерениях указывает на большую величину сопротивления этого резистора.

Калибровка

Чтобы прибор был полезен, необходимо произвести его тщательную калибровку от источника калиброванных по частоте сигналов или с помощью калиброванного (или цифрового) частотомера. Источником таких сигналов может быть ГСС или, в крайнем случае, другой калиброванный ГИР. В роли частотомера может проходить и широкодиапазонный приёмник.

При использовании частотомера, удобнее всего включить на его вход одновитковую петлю, расположить катушку ГИРа внутри этой петли или в непосредственной близости от неё и считывать показания с дисплея частотомера. При использовании приёмника, достаточно, просто найти сигнал ГИРа. Если такая калибровка Вас почему-то не устраивает или кажется ненадёжной, возьмите калиброванный ГСС, в качестве контрольного примените приёмник, где, сравнивая сигналы ГСС и ГИР, можно прийти к правильному выводу и установке калибрационных точек на шкале ГСС. Существует и ещё ряд альтернативных способов калибровки ГИР.

С ручкой настройки, каким-либо образом (через верньер или напрямую), следует сблокировать шкалу настройки (или визир шкалы), на которой произвести разметку с указанием частот и поддиапазона. На том корпусе, что я применил, всё разместить невозможно, поэтому я нанёс на шкалу деления от 0 до 10, затем, на боковые стенки с одной и другой стороны корпуса ГИР наклеил градуировочные таблицы, содержащие по 3 поддиапазона в каждой. Можно нанести изменение частоты и графически.

Заключение

В статье описан генератор на аналоге λ-диода, обладающего отрицательным сопротивлением, и его применение в схеме ГИР. При применении ПТ MPF102 и 2N4342, достигнута устойчивая работа прибора в диапазоне 1,6…150 МГц. Схема генерирует, практически, с любой подключаемой катушкой, однако, для получения явного “провала” показаний, при настройке в резонанс с настраиваемой цепью, необходимо нагружать контур ГИР резистором (уменьшать его добротность), сопротивление резистора следует тщательно подобрать. (Такое явление, как слабая чувствительность к нагрузке контура генератора на аналоге λ-диода можно использовать на практике).

Нагрузочный резистор снижает чувствительность прибора и расширяет его резонансную характеристику, при использовании прибора в качестве абсорбционного резонансного волномера. Хоть этот режим - второстепенный, уменьшение чувствительности прибора, определённо, является недостатком. Чувствительность волномера можно повысить применением отдельных сменных не шунтированных катушек, или работой прибора в режиме ГИРа, увеличивая шунтирование контура генератора до срыва генерации.

Для измерения выходного напряжения генератора применено две схемы детектирования: одна рассчитана на измерительную головку с током полного отклонения стрелки 50…100 мкА, другая (с дополнительным усилителем) – на 1…2 мА.

ГИР является одним из полезнейших приборов в лаборатории радиолюбителя. Особенно он полезен тем, кто занимается конструированием приёмо-передающей аппаратуры. Многочисленные примеры применения ГИРа в радиолюбительской практике хорошо описаны в соответствующей литературе и здесь не приводятся.

Примечание

Пара ПТ MPF102 / 2N4342 была найдена методом отбора, другие пары, хотя и имеют участок отрицательного сопротивления, работают совершенно по-другому, характеристика существенно отличается от приведённой на Рис. 3. Одна пара, например, имела в точке А ток стока менее 1 мА и никак не хотела возбуждаться в схеме генератора. Знаю, что говорю, подобранная мной пара “пошла” сразу и работала исключительно хорошо при экспериментах и в схеме ГИРа. Если генератор не будет работать, то следует заменить один из ПТ или всю пару. Также, имея АВО-метр или мультиметр, нетрудно составить опытную цепь, приведённую на Рис. 2 и посмотреть на получающуюся характеристику, подобрать ПТ для работы в паре.

Литература:

1. Lloyd Butler VK5BR - Negative Resistance Revived - Amateur Radio, November 1995.
2. Samuel Dick. - Exploring Negative Resistance: The Lambda Diode - Elektor Electronics, January, 1992.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ)
г. Тюмень октябрь, 2008 г

Возврат