Bo po co być młotem ...: sierpnia 2022

Sonda wielkiej częstotliwości — zwykła/jednodiodowa czy zacznie czulsza dwudiodowa/podwajaczowa — to fenomenalne i banalnie proste urządzenie wskaźnikowe/pomiarowe, podłączane do zwykłego miernika uniwersalnego (wskazówkowego/analogowego/wychyłowego lub cyfrowego, czyli po prostu do woltomierza prądu stałego DC), ułatwiające życie wszelkiej maści "radiowariatom", "radiolutowaczom", radioamatorom, krótkofalowcom, piratom oraz tym bardziej „zwykłym“ elektronikom.

Przykład sondy wpakowanej do aluminiowej fioleczki.
Jej zewnętrzna warstwa jest eloksowana fabrycznie, więc nie przewodzi „zwykłego” prądu stałego, czyli branie do łapy czy dotykanie paluchami nie wpływa na działanie sondy.

Sondą wielkiej częstotliwości można wskazać/zmierzyć przybliżony lub dokładny poziom napięcia (przemiennego) wielkiej częstotliwości (np. skutecznego/RMS, szczytowego Vp/Um lub międzyszczytowego/peak—peak) w zakresie od dziesiątek miliwoltów (z nieco mniejszą dokładnością) do nawet kilkudziesięciu woltów (z całkiem miarodajnym/dokładnym wynikiem) oraz o częstotliwościach do kilkudziesięciu (rzadziej kilkuset) megaherców (MHz). Napięcie wielkiej częstotliwości to jest coś, co elektrycznie/elektromagnetycznie oscyluje/drga z częstotliwością ponadakustyczną (lub wyższą), czyli zazwyczaj powyżej około kilkunastu czy 20 kHz, a zetknąć się z tym czymś możemy na zaciskach antenowych nadajników, wyjściach generatorów wielkiej częstotliwości/heterodyn (VFO, VXO, VCO, BFO itp.) oraz wszelkiej maści przetwornic napięcia, wibratorów (także ultradźwiękowych). Możliwy jest nawet pomiar wartości napięcia przemiennego dla oscylacji akustycznych (czyli zazwyczaj „grubo” poniżej około 20 kHz). Parametry sondy zależą od jej konstrukcji (jednodiodowa/dwudiodowa), precyzji wykonania (im krótsze połączenia między elementami oraz skuteczniejsze ekranowanie układu, tym lepiej) oraz przede wszystkim od typu użytych diodek (zwykłe „krzemówki“ umożliwią pomiary znacznie wyższych napięć/mocy, ale ograniczą częstotliwość maksymalną i są, podobno, bardziej nieliniowe, podczas gdy superszybkie diody Schottky przeniosą nas nawet w świat VHF/UHF (= setki MHz), a stare dobre „germanówki” będą idealnym kompromisem zapewniającym rozsądną czułość oraz względnie pojętą częściową przewidywalność/pseudoliniowość w pasmach KF/HF, wzgl. ciut wyżej (np. nawet do około 100 MHz).

źródło grafiki: circuitdigest.com

Vp (zwane również Um, czyli napięciem szczytowym) to połowa Vpp, czyli połowa napięcia międzyszczytowego (V peak-peak, czyli Vpp). Takie napięcie (= Vp) „pokazują” sondy wielkiej częstotliwości bez podwajacza, czyli jednodiodowe (określane w starszej literaturze mianem sond diodowych szczytowych lub woltomierzy szczytowych). Słowo „pokazują” umieściłem w cudzysłowie, bo to „pokazywanie” (w sensie „jako takiej” liniowości) odbywa się tylko na pewnym odcinku mierzonego zakresu. Sonda jednodiodowa, jak każda sonda wysokiej częstotliwości, wymaga dokładnej kalibracji (najlepiej w postaci stosownego nomogramu/wykresu cechowanego wielopunktowo).

Vpp, czyli napięcie międzyszczytowe (peak-peak) jest podwojeniem Vp (czyli Um razy dwa). Vpp zazwyczaj daje się zmierzyć (i zobrazować) oscyloskopem czy jakże modnym ostatnio analizatorem wektorowym (tzw. „antenowym”). Sondy wielkiej częstotliwości z podwajaczem napięcia, czyli dwudiodowe, „pokazują” właśnie Vpp. Słowo „pokazują” umieściłem w cudzysłowie, bo to „pokazywanie” (w sensie „jako takiej” liniowości) odbywa się tylko na pewnym odcinku mierzonego zakresu. Sonda podwajaczowa, jak każda sonda wysokiej częstotliwości, wymaga dokładnej kalibracji (najlepiej w postaci stosownego nomogramu/wykresu cechowanego wielopunktowo).

Vrms (zwane również napięciem skutecznym Vsk) to połowa z pierwiastka kwadratowego z dwóch (czyli około 0.707) „wyciągnięta” z Vp (czyli z połowy Vpp). Każda sonda wielkiej częstotliwości (czyli jednodiodowa lub dwudiodowa) może zostać wycechowana dla napięcia skutecznego, jednak osobiście sugeruję przeliczanie sobie Vpp na Vrms (wzgl. Vp na Vrms) przy pomocy odpowiednich wzorów lub, co znacznie lepsze, wykonanie odrębnego nomogramu czy tabeli. Po co to czynić? Ano po to, aby w razie konieczności móc szybko sobie przeliczyć odpowiednie wartości, ponieważ część danych katalogowych, specyfikacji technicznych, książek, czasopism podaje wartość napięcia wielkiej częstotliwości właśnie jako Vrms (= Vsk). Ba, istnieją nawet specjalistyczne fabryczne przyrządy pomiarowe wyskalowane właśnie w „woltach skutecznych”.

Sonda wielkiej częstotliwości „konwertuje“ więc (przemienne/szybkozmienne) napięcie wielkiej częstotliwości, które „pobiera“ galwanicznie/fizycznie, tzn. przez mechaniczne przytknięcie igły do badanego metalicznego/przewodzącego punktu układu aktualnie mierzonego, na to bardziej „ludzkie“ i „normalne“, czyli stałe, czyli DC, czyli takie, jakie bez problemu możemy „zmierzyć“ zwykłym tanim cyfrowym multimetrem dostępnym w większości marketów już za kilkadziesiąt złotych polskich (PLN). Jak pewnie wielu zauważyło słowo „zmierzyć“ umieściłem w cudzysłowie, bo sondy wielkiej częstotliwości przekazują miernikowi uniwersalnemu wartości w układzie mocno nieliniowym, tzn. że „pobrany igłą“ jeden wolt np. peak—peak wcale nie musi odpowiadać jednemu woltowi DC (= na multimetrze), bo mogą to być na przykład aż dwa wolty DC, a trzy wolty peak—peak „na igle“ mogą zostać przez multimetr odczytane jako aż pięć woltów DC.

Częściowa liniowość/nieliniowość może być różna dla różnych zakresów/poziomów napięć i zależy od kilku czynników, np. od typu użytych diodek (im bardziej specjalistyczne, tym szerszy zakres „jako takiej” liniowości w pewnych, raczej dość wąskich, zakresach) oraz od oporności wejściowej naszego miernika uniwersalnego (zasadniczo wiele megaomów dla współczesnych multimetrów cyfrowych będzie lepsze od dziesiątek kiloomów typowych dla starszych analogowych mierników „wskazówkowych“ typu Lavo 21 czy UM-200). Sondę wielkiej częstotliwości najpierw się więc "robi" i korzysta się z niej od razu jako z orientacyjnego przyrządu wskaźnikowego (wystarczającego np. do zestrojenia nadajnika zdalnego sterowania 27 MHz lub radiopierdziawki/pluskwy UKF OIRT/CCIR na rzeczywiste maksimum sygnału podstawowego, łatwo odróżnialne, właśnie dzięki sondzie, od nieprawdziwych „fałszywych“ słabszych wyższych częstotliwości lustrzanych/pasożytniczych/harmonicznych) lub idzie się krok dalej dokonując kalibracji takiej sondy przy pomocy jakiegoś źródła sygnału wielkiej częstotliwości (np. generatora VFO, VXO itp.) o znanym poziomie napięcia wyjściowego na zasadzie wykonania nomogramu skalibrowanego wielopunktowo (im więcej punktów kalibracyjnych, tym lepszy i dokładniejszy będzie nasz przyrząd pomiarowy, a liczne punkty kalibracyjne możemy "uzyskać" podpinając np. różne rezystorowe dzielniki napięcia o stopniu pomniejszenia np. 1:2, 1:4, 1:10, 1:50, 1:100 itp.). Mając (jako tako skalibrowaną) sondę wielkiej częstotliwości możemy więc dość dokładnie zmierzyć nie tylko wartość napięcia „radiowego“ (np. jako skuteczne/RMS, szczytowe czy peak—peak), ale także sprawdzać działanie najróżnorodniejszej aparatury radiowej (np. generatorów, wzmacniaczy, filtrów, sprzęgaczy, nadajników, odbiorników, transwerterów, konwerterów itd.), mierzyć moc wyjściową nadajnika (zazwyczaj na sztucznym obciążeniu w postaci standardowego opornika bezindukcyjnego/niedrutowego/węglowego/mokrego o wartości 50 omów), określać pojemność nieznanego kondensatora (przy pomocy dołączanego kilkusetkilohercowego generatora pomocniczego i zazwyczaj w zakresie od pojedynczych pikofaradów do kilku nanofaradów), a nawet stroić anteny „na najniższy możliwy SWR“ poprzez bardzo nietypowe i mało znane wykorzystanie sondy jako wskaźnika intensywności pola RF (masy sondy oraz nadajnika/anteny łączymy ze sobą, a igła pomiarowa nie dotyka fizycznie anteny, bo znajduje się np. w — raczej bardzo pobliskim — polu działania emitowanej wiązki elektromagnetycznej, jaką nasza antena wypluwa w eter).

Schemat typowej, bardzo w Polsce popularnej „ziomalskiej”, „samorobnej” (= DIY) i całkiem niezłej (podwajaczowej, czyli czulszej) sondy wielkiej częstotliwości przedstawia poniższy rysuneczek:

źródło: EdW 3/96, opracowanie: Andrzej Janeczek (SP5AHT), dopiski na dole moje

Sonda taka (z diodami germanowymi serii AAP152) pozwala mierzyć napięcia skuteczne do 10 woltów (Vsk = Vrms), czyli do (prawie) około 30 woltów peak—peak (Vpp), co oznacza że korzystając ze standardowego sztucznego obciążenia w postaci opornika bezindukcyjnego 50 Ω będziemy w stanie mierzyć moc nadajnika radiowego do wartości 2 W (PEP). Jeśli zapragniemy mierzyć większe moce (= napięcia), to trzeba będzie między mierzonym punktem a igłą sondy podpiąć klasyczny rezystorowy dzielnik napięcia, zmniejszający jego wartość np. dziesięciokrotnie, co w przybliżeniu łatwo osiągnąć przy pomocy dwóch oporników, „górnego” o wartości 1 kilooma, a „dolnego” o wartości 100 omów (fachowcy pewnie chcieliby „zapiąć” tamże profesjonalny tłumik sygnału lub sprzęgacz z tłumikiem, ale nie dajmy się do końca zwariować „aptekarskością”).

Częstotliwość graniczna dla diodek AAP152 to zazwyczaj 90 MHz (ale i przy 100 MHz, wzgl. bardzo nieznacznie powyżej, osiągniemy także nadal miarodajne odczyty). Budując swoją sondę można oczywiście sięgnąć po bardziej „odporne napięciowo” germanówki typu DOG-58 (pomiary do 70 Vsk, zakres KF) czy jeszcze bardziej wysokoczęstotliwościowe (niektóre nawet do wielu setek MHz) diody typu Schottky (np. BAT41 czy BAT46, obie także do 70 Vsk) i wtedy będziemy mogli mierzyć (bez „zapinania” dzielnika rezystorowego) napięcia/moce nawet kilkukrotnie wyższe (oczywiście w zależności od typu użytej diody). Nadmieniam również, że zwykła tania pospolita „niespecjalistyczna” krzemowa impulsówka 1N4148 spisuje się w takich układach zadziwiająco dzielnie (również do prawie 100 MHz i również do 70 Vsk).

Jeśli zamierzasz swoją sondą mierzyć wyższe napięcia i moce, to zastosuj również odpowiednie kondensatory (czyli takie o wyższej odporności napięciowej na przebicia, np. stuwoltowe zamiast dość standardowych „ceramików” pięćdziesięciowoltowych lub jeszcze lepsze na jeszcze wyższe napięcie).

opracowanie: Zbigniew Faust „Konstruowanie i montaż układów radioamatorskich” (1972)

źródło: „Poradnik radioamatora”, tom pierwszy, praca zbiorowa (1984)

Po podłączeniu naszej sondy do jakiegoś generatora wielkiej częstotliwości (np. do VFO w naszej „samorobnej” homodynie KF/HF czy nawet do heterodyny w klasycznym fabrycznym odbiorniku radiowym) potencjometr wstępnej kalibracji należy ustawić na najwyższą wartość, czyli na maksimum napięcia DC na wyjściu sondy. Robimy tak tylko, jeśli nie znamy rzeczywistej wartości napięcia wielkiej częstotliwości. Jeśli je znamy, czyli np. wiemy, że nasz generator wypluwa przykładowo 500 mV peak-peak, to tak kręcimy potencjometrem, aby miernik uniwersalny pokazał właśnie 500 mV (czyli 0.5 V). Sonda powinna być zaekranowana, czyli umieszczona w jakiejś metalowej obudowie, przy czym obudowę tę łączymy galwanicznie (np. poprzez „śrubunek” czy lutowanie) z masą sondy. Kabelek prowadzący do sondy powinien być, przynajmniej na większości swojej długości, przewodem ekranowanym. Jako igły pomiarowej możemy użyć dowolnego szpiczastego kawałka sztywnego hartowanego drutu/pręcika (osobiście korzystam z igły do robienia zastrzyków, której ostry i niebezpieczny koniec zeszlifowałem, aby się przypadkowo nie zakłuć/nie zranić).

Osoby chcące zbudować nieco mniej czułą sondę jednodiodową korzystają z czegoś oto takiego:

źródło: mój kajecik, a odrysowane z pewnej stronki „republikowej”, która już nie istnieje

Kalibracja sondy (niezależnie od jej typu) to podłączenie jej do źródła sygnału wielkiej częstotliwości o znanym, stabilnym i powtarzalnym napięciu wyjściowym, np. do VFO zgodnego z „Bartkiem Zero” (Andrzej Janeczek, MT 2/1992) czy do próbnika kwarców Pana Bartkowiaka (PE 11/1996), które to oba produkują na wyjściu napięcia w.cz. o znanej wartości.

Oto przykładowe VFO (3.5 ... 3.8 MHz) z przewidywalnymi (= podanymi przez autora układu) napięciami w.cz. na wyjściach (tu akurat 50 mVpp oraz 500 mVpp):

źródło: „Młody Technik” 2/1992 (autor: Andrzej Janeczek SP5AHT)

A tutu próbnik kwarców, który przy „podpięciu” fundamentalnego rezonatora 48 MHz produkuje napięcie w.cz. 700 mVpp (przy fundamentalnym współczesnym chińskim „niskim” kwarcu 27.145 MHz będzie około 650 mVpp):

źródło: „Praktyczny Elektronik” 11/1996 (autor: Maciej Bartkowiak)

Mając już pierwszy punkt kalibracyjny przy pomocy rezystorowych dzielników napięcia będziemy w stanie wyznaczyć pozostałe (niższe) i sporządzić tabelę, wykres czy nomogram (lub przynajmniej jego część adekwatną do nieco niższych napięć wielkiej częstotliwości). Trochę większy problem jest z punktami o wyższym napięciu, ale na szczęście dla sond o znanej konstrukcji i bazujących na konkretnie nazwanych typach diod i przy stosowaniu ściśle określonego woltomierza/multimetru o znanej oporności wejściowej autorzy opracowali gotowe stosowne nomogramy (np. „Młody Technik 7/1991), co dla zwykłych „radiolutowaczy” jest istnym błogosławieństwem.

Osobiście zbudowałem sondę podwajaczową według koncepcji Andrzeja Janeczka SP5AHT, opisaną w czasopiśmie EdW 3/1996, identyczną konstrukcyjnie z tą przedstawioną przez tego samego autora we wspomnianym już „Młodym Techniku” 7/1991, więc sporządzenie jako tako miarodajnego nomogramu (dla mierników „wskazówkowych”) nie było zbyt dużym wyzwaniem.

opracowanie: Marcin Perliński (SP6MAJ), Dzierżoniów 2017

Porady końcowe

Sonda wielkiej częstotliwości (nawet taka bez kalibracji wielopunktowej) jest znakomitym przyrządem/wskaźnikiem warsztatowym.
Przy pomocy sondy stwierdzamy, czy układ (np. generator w.cz.) pracuje poprawnie lub czy i jak wzmacniacz w.cz. wzmacnia sygnał, bo wystarczy zmierzyć (nawet szacunkową) wartość napięcia w.cz. na jego wejściu i wyjściu (i przy okazji stwierdzić, czy np. tranzystor w nim pracujący jest czy nie jest tzw. podróbą/malowanką).
Sonda pozwala na precyzyjne zestrojenie nadajnika radiowego na maksimum sygnału.
Sonda w.cz. może być wykorzystana jako FSM (miernik natężenia pola), co przy odrobinie sprytu może posłużyć nawet „niemal bezkontaktowo” do zestrojenia anteny na maksimum sygnału, czyli zazwyczaj na najmniejszy możliwy (= najniższy) współczynnik fali stojącej SWR.
Przy pomocy sondy możemy mierzyć pojemności kondensatorów od pojedynczych pikofaradów do nawet kilku nanofaradów. Przykładowo osobiście korzystam z generatora w.cz. na 74HCT00, kondziorku 5 pF i rezystorze 100 kiloomów, który przy zasilaniu 5 V dostarcza sygnału w.cz. 590 kHz o napięciu 3 Vpp, który to sygnał podłączam do jednej nóżki badanego kondensatora, a na drugiej nóżce mierzę sondą i określam (na podstawie sporządzonego wcześniej nomogramu) pojemność. Umożliwia mi to wykonywanie pomiarów pojemności w zakresie od 1 pF do 1.5 nF.