Das Grid Dip Meter: Vergessenes Instrument

Früher war es für einen Hardware-Hacker ein wichtiger Übergangsritus, sich ein Oszilloskop anzuschaffen. Bis vor Kurzem waren neue Instrumente selten im Budget des Normalbürgers zu finden, daher haben Sie sich wahrscheinlich mit einem gebrauchten Zielfernrohr begnügt. Mittlerweile gibt es viele kostengünstige Optionen, insbesondere wenn man preisgünstige PC-Zielfernrohre und „Zielfernrohrmessgeräte“ einbezieht. Digitale Messgeräte sowie Signalgeneratoren, Frequenzzähler und sogar Logikanalysatoren sind mittlerweile ebenfalls preiswert (in manchen großen Geschäften oft kostenlos erhältlich).

Aber es gibt ein Teil der Testausrüstung, das man nicht mehr so ​​oft sieht wie früher, und das ist eine Schande, denn es ist ein sehr vielseitiges Teil der Ausrüstung. Zugegebenermaßen steht es vielleicht nicht ganz oben auf Ihrer Wunschliste, wenn Sie nicht drahtlos arbeiten, aber wenn Sie irgendetwas mit Funk machen, ist es nicht nur ein vielseitiges Werkzeug, sondern auch ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Wie heißt das? Das hängt davon ab. Historisch gesehen trugen sie den Namen „Grid Dip Oscillator“ oder GDO. Manchmal hört man es stattdessen auch „Grid Dip Meter“. Allerdings haben moderne Versionen keine Röhren (und daher kein Gitter), weshalb man sie manchmal auch als Dip-Meter oder vielleicht einfach als Dipper bezeichnet.

Unabhängig davon, wie Sie sie nennen, ist die Funktionstheorie dieselbe und ziemlich einfach. Das Instrument ist nichts weiter als ein sehr breitbandiger Oszillator mit einer Möglichkeit, den Ausgang an einen externen Schaltkreis zu koppeln. Es wird auch eine Möglichkeit geben, zu überwachen, wie viel Strom dem Oszillator entnommen wird. Dies geschieht am häufigsten anhand der Spitzenamplitude des Oszillators.

Der Grund für den Einbruch liegt im Verhalten von Induktivitäten und Kondensatoren bei unterschiedlichen Frequenzen. Nahezu jede Schaltung oder Komponente hat drei Impedanzquellen: den Widerstand, der sich je nach Frequenz nicht ändern sollte; die kapazitive Reaktanz, die natürlich auf die Kapazität zurückzuführen ist; und die induktive Reaktanz von induktiven Elementen. In manchen Fällen verfügen Sie nur über eine nennenswerte Menge davon. Beispielsweise sollte in einem Kohlewiderstand nicht viel von beiden Arten von Reaktanz vorhanden sein. Ein Kondensator sollte überwiegend eine kapazitive Reaktanz sein.

Für einen bestimmten Kondensator ist die Reaktanz bei niedrigen Frequenzen sehr hoch und bei hohen Frequenzen sehr niedrig. Bei der Induktivität ist das Gegenteil der Fall: Niedrige Frequenzen erzeugen eine geringere Reaktanz als höhere Frequenzen. Das kann man sich ziemlich leicht merken, wenn man sich einen Gleichstrom als Null-Hertz-Welle vorstellt. Eine Induktivität (eine Drahtspule) lässt eindeutig Gleichstrom durch (niedrige Reaktanz), und ein Kondensator (zwei parallele Platten) lässt eindeutig keinen Gleichstrom durch (hohe Reaktanz).

Auch wenn die Gesamtimpedanz der Schaltung von diesen drei Elementen abhängt, ist es nicht so einfach, die Werte einfach zu addieren. Das liegt daran, dass Widerstand und Reaktanz nicht die gleichen Größen sind. Wenn ein 1-V-Signal in eine 2-Ohm-Last mit 3 Ohm Reaktanz eingespeist wird, möchten Sie wissen, dass es sich genauso verhält wie ein 1-V-Signal in einen gewöhnlichen Widerstand. Wenn Widerstand und Reaktanz in Reihe geschaltet sind, ist der Wert dieses effektiven Widerstands die Impedanz und die Vektorsumme aus Widerstand und Reaktanz.

Im Beispiel also 22+32=13. Die Quadratwurzel aus 13 beträgt gerade einmal etwa 3,6, die Größe der Impedanz beträgt also 3,6 Ohm. Um die Sache noch komplizierter zu machen, neigen induktive Reaktanz und kapazitive Reaktanz dazu, sich gegenseitig aufzuheben. Es ist üblich, die kapazitive Reaktanz als negativ zu behandeln, obwohl es, da wir sie quadrieren werden, eigentlich keine Rolle spielt, welche Reaktanz Sie für diese spezielle Berechnung als negativ betrachten. Für Mathematiker: Sie behandeln den Widerstand tatsächlich als den Realteil und die Reaktanz als den Imaginärteil einer komplexen Zahl. Die Umrechnung in die Polarform ergibt den Betrag und den Phasenwinkel.

Parallel verhält es sich ähnlich, aber die Reaktanzen addieren sich genau wie parallel geschaltete Widerstände. Hier ist jedoch der Punkt: Bei einer bestimmten Frequenz sind die induktive Reaktanz und die kapazitive Reaktanz gleich. In einer Reihenschaltung bedeutet das, dass die Reaktanz auf Null geht und nur noch der Widerstand übrig bleibt. In einer Parallelschaltung landet die Null im Nenner eines Bruchs, sodass die effektive Reaktanz unendlich ist (und bei Parallelschaltung mit einem reinen Widerstand den Wert des Widerstands nicht ändert). In jedem Fall hebt sich die Reaktanz auf und es bleibt ein reiner Widerstand übrig.

Der Punkt, an dem sich die Reaktanzen gegenseitig aufheben, ist die Resonanz. Das Dip-Meter funktioniert, weil am Resonanzpunkt der Oszillator des Messgeräts am stärksten belastet wird (niedrigste Impedanz) und daher die Spannung abfällt (oder einbricht). Bei jeder anderen Frequenz verbleibt etwas Reaktanz und die Gesamtimpedanz des zu prüfenden Schaltkreises ist höher als bei Resonanz.

Die grundlegendste Funktion des Dip-Meters besteht eindeutig darin, die Resonanzfrequenz eines Stromkreises zu messen. Wenn das alles wäre, wäre es ziemlich nützlich. Aber mit etwas mehr Aufwand kann das Dip-Meter noch viel mehr.

Erstens können damit auch andere abgestimmte Schaltkreise gemessen werden, nicht nur Kondensatoren und Induktivitäten, die aus Bauteilen bestehen. Beispielsweise können Antennen, Kristalle und Übertragungsleitungen jeweils bestimmte Resonanzpunkte haben, die das Messgerät messen kann. Bei einem Kristall ist die Frequenz diejenige, mit der der Kristall schwingen sollte (mit einem kleinen Fehler, der auf der Ladekapazität und anderen Faktoren basiert). Antennen können bei mehr als einer Frequenz resonant sein, nicht nur bei der Frequenz, die Sie interessiert, daher ist ein gewisses Urteilsvermögen erforderlich. Alles, was keine Spule hat (wie eine Antenne oder ein Kristall), benötigt eine kleine Drahtschleife, um Energie vom Messgerät in den Stromkreis zu koppeln.

Bei Übertragungsleitungen können Sie messen, indem Sie eine kleine Schleife zum Koppeln des Dip-Meters herstellen (je kleiner, desto besser). Suchen Sie nach dem niedrigsten Einbruch, und dieser zeigt die 1/4-Wellenlängenfrequenz der Übertragungsleitung an. Wenn das Kabel beispielsweise bei 7,5 MHz (Wellenlänge 40 Meter) resonant ist, ist das Kabel etwa 10 Meter lang. Vergessen Sie jedoch nicht, den Geschwindigkeitsfaktor der Übertragungsleitung zu berücksichtigen. Das heißt, eine Viertelwellenübertragungsleitung mit einem Geschwindigkeitsfaktor von 0,66 ist kürzer als die theoretische Länge (in diesem Fall ist sie nur 66 % so lang).

Natürlich können Sie die Übertragungsleitungsbeziehung in beiden Fällen verwenden. Das heißt, Sie können die Resonanzfrequenz ermitteln, um das Kabel zu messen, oder Sie können die Frequenz einstellen und die Leitung auf einen Abfall trimmen. Tatsächlich ist es im Allgemeinen ein gutes Prinzip beim Grid-Dip-Meter, das zu nutzen, was man weiß, um das zu bekommen, was man nicht weiß. Möchten Sie einen unbekannten Kondensator messen? Bringen Sie es mit einem bekannten Induktor in Resonanz. Oder beginnen Sie mit einem bekannten Kondensator und ermitteln Sie den Wert einer unbekannten Spule.

Eines der Hauptprobleme besteht jedoch darin, die Frequenz genau genug abzulesen. Einige moderne Messgeräte verfügen über digitale Anzeigen (wie das rechts abgebildete DipIt). Bei den meisten gängigen Messgeräten ist dies jedoch nicht der Fall. Andererseits können Sie sie problemlos mit einem Frequenzzähler koppeln oder einen Empfänger verwenden, um die Frequenz genau zu bestimmen.

Wenn Ihnen eine kleine Schätzung nichts ausmacht, können Sie noch mehr Messungen durchführen. Spulen haben einen Q (Qualitätsfaktor), der angibt, wie viel Widerstand sie im Verhältnis zu ihrer Reaktanz haben. Bilden Sie mit einem guten Referenzkondensator einen Resonanzkreis und tauchen Sie das Messgerät ein. Beachten Sie die Häufigkeit. Stellen Sie dann den Dip-Meter nach unten, bis Sie die Frequenz finden, bei der das Messgerät etwa 30 % höher anzeigt als beim Dip. Drehen Sie nun den Dip-Meter erneut durch den Dip nach oben, bis Sie auf der anderen Seite wieder die 30 %-Marke finden. Das Q entspricht ungefähr der Einbruchsfrequenz dividiert durch die Differenz zwischen den beiden 30 %-Frequenzen.

Es mag offensichtlich sein, aber der Dipper kann auch einfach als Signalquelle verwendet werden. Um beispielsweise ein Radio zu reparieren, können Sie den Dip-Meter auf eine Frequenz einstellen, die das Radio hören und im Stromkreis verfolgen sollte. Viele Dip-Meter verfügen auch über einen Modus, in dem sie ihren Oszillator ausschalten und die Spule (und den Abstimmkondensator) zusammen mit einer Diode als Wellenmesser verwenden. Das Messgerät zeigt dann die Stärke der HF-Energie bei der eingestellten Frequenz an. Einige Messgeräte verfügen sogar über einen Kopfhöreranschluss, sodass Sie das Signal abhören können (was es fast wie ein Kristallradio macht).

Ein Grund dafür, dass viele Menschen heutzutage keine Dip-Meter mehr haben, ist, dass sie nicht mehr so ​​leicht verfügbar sind wie früher. Heathkit war ein sehr beliebter Lieferant für Dip-Meter und hatte mehrere Modelle. Andere beliebte ältere Modelle (häufig bei eBay zu finden) waren Eico, Millen, Boonton und Measurements Corporation (seien Sie jedoch vorsichtig; die Modelle mit Röhren sind wahrscheinlich kein gutes Geschäft, es sei denn, Sie sind Sammler). Eine Liste mit Bildern vieler GDOs finden Sie auf der Website von [n4xy] (die Bilder sind nur ein paar Klicks auf die Schaltfläche „Weiter“ von der Hauptseite entfernt). Links ist ein Bild eines meiner alten Mess-GDOs (und ja, es verwendet Röhren).

Sie können immer noch neue Dip-Meter von MFJ finden (sie verkaufen den rechts gezeigten MFJ-201, und Sie können auch einige ihrer Antennenanalysatoren in einen brauchbaren Dip-Meter umwandeln). Auch im Internet gibt es jede Menge Pläne. Wenn Sie ein echtes Röhrenmodell wollen (nicht empfohlen), hat [w4cwg] Pläne. Ein moderneres FET-Design mit einer neuartigen Brücke, die dazu beiträgt, den Einbruch tiefer zu machen, ist bei [SM0VPO] erhältlich.

Andererseits erscheint es schade, ein neues Gerät ohne Digitalanzeige zu bauen. Sie können natürlich eines hinzufügen oder sich für ein integriertes Gerät wie DipIt oder ELM entscheiden. Es gibt viele andere Projekte und sogar Bausätze. Umschauen. Der schwierigste Teil ist normalerweise das Wickeln der Spulen, obwohl einige variable Kondensatoren erfordern, die möglicherweise schwer zu passen sind. Tatsächlich funktioniert jedoch jeder Oszillator, der stabil gemacht werden kann. Tatsächlich habe ich zwei alte Heathkit-Dipper, die eine Tunneldiode mit negativem Widerstand als Oszillator verwenden (einer davon ist im Bild links).

Wenn Sie eine Videodemonstration zur Verwendung eines Dip-Meters wünschen, kann ich es nicht besser machen als [w2aew], daher finden Sie sein Video unten.