ディップメータの製作                                               戻る

◆はじめに(12/8/11)
デリカ(三田無線)のHAM用ディップメータ(@8000)が欲しくても買えなかった1960年代。そしてFETというものが世に出回り始めた1970年に製作したディップメータは、三菱のMK10(当時@280?)という市販第1号のFETを使って作りました。周波数カウンタを持っていなかった当時、一番の課題は目盛り作りでしたが、身の回りにある中波ラジオ、短波ラジオ、FMラジオ、テレビを受信しながら混信妨害を与えて周波数を目盛り、更に高調波を使いながらと、アマチュア精神を発揮して作ったものでした。しかし製作して40年以上も経つと、落っことしてコイルのボビンが割れたりと各所に劣化が目立つため、1号機はADQ博物館(?)に収め、2号機を製作しようと思います。

 
(左)1970年に製作した1号機  (右)42年ぶりに作り直した2号機

ところでディップメータとは(12/08/11
コイルとコンデンサを組み合わせて自励発振回路を作り、測定しようとする共振回路に近づけてダイヤルを回すと、発振エネルギーが吸い取られて弱まる箇所があります。そのときの出力をメータで見ているとピクッと下がる(ディップする)ため、その周波数をダイヤルで読めば共振回路の周波数が分かります。この原理でアンテナの共振周波数を測定することも出来ます。また単に発振器として受信機の調整に使ったり、吸収型周波数形として発振周波数の測定に使ったりとその応用範囲は広いものです。扱う周波数の範囲は広く、中波〜超短波までを数個のコイルをプラグイン式に交換してカバーします。

回路について(12/08/13)
コルピッツ発振回路を使った基本的な回路です。回路としては簡単なのですが、実装時の注意点としては高周波が通る部分は配線を出来るだけ短くすることがポイントです。なお回路とケースとの間で共振回路が出来てしまうと、高い周波数ではダイヤルまわすだけでディップ点があちこちに現れるという問題があり、これだけは作ってみないとわかリません。

  1. コイルは交換しやすいようプラグイン式になっており、2連バリコンとで同調回路を構成します。
  2. 発振素子は2SK439のほうが2SK241よりもVHF帯での発振出力が強いため採用しました。
  3. 2SK439のゲートには振幅制限のためショットキーバリヤダイオードD1を入れ、周波数が変化しても発振出力を一定にしようと動作します。
  4. VR1で2SK439のドレイン電圧を増減し、適度な発振出力になるよう調整します。
  5. 2SK439のソース抵抗は少ないほど発振出力は強くなりますが、VR1を回すと急にメータが振り切れたりするため、動作をマイルドにしようと330Ωに落ち着きました。
  6. 高周波チョーク(RFC1,2,3)は広い周波数に対応できるよう3個使いました。
  7. 検波部分は倍電圧回路を使ってメータを振らせます。
  8. TP1には周波数カウンタを接続し、目盛りを打つときに使います。
  9. パイロットランプは消費電流を少なくするため高輝度LEDを使い、電流は1mAほどで済ませています。
  10. 電源は006Pタイプの8.4Vニッケル水素充電池を使用し、充電用の端子を付けています。

 回路の実験風景

ダイオードによる振幅制限の効果(12/08/14)
2SK439のゲートには振幅制限のためショットキーバリヤダイオードD1を入れており、その効果を確認しました。発振周波数を変化させながらTP2の電圧を記録した結果が下のグラフです。ダイオードを入れることで、ある程度振幅を抑える効果はありますが、かといって出力がフラットになるわけではありませんでした。

RFC直列3個の効果は(12/08/15)
1つのコイルで広い周波数をカバーしようとすると、上のグラフのように出力は一定ではありません。まして1つの発振回路で400kHz〜150MHzまで動作させるのは中々大変です。FCは高周波に対して抵抗として働き、その値は「2πfL」という式で表現されます。ここでは値の違うRFCを3個直列につなぎ、それぞれにQダンプ用の10KΩを接続しています。回路実験中にこの3連RFC+抵抗を外し、1mHのRFC1個に交換してみました。HF帯は問題なく動作するものの、VHF帯になると高調波が増え動作が不安定になりました。


製作編

◆ケースの製作(12/08/15)
自作のケースを作るときは、ダイヤルなど外部の使い勝手と、内部の部品の納まりと、購入したアルミ板に無駄が出ないような寸法を考えて決めています。今回はエアーバリコンを収めることから幅82×高さ150×奥行68mmとなり、真空管式のディップメータかと思えるようなサイズになりました。ポリバリを使えばもっと小型化が可能でしょう。

 1mmのアルミ板で作ったケース

バリコンについて(12/08/25)
機械的にがっちりしていることもあり、数十年前に購入したAM2連+FM3連のエアーバリコンを使いました。AM部はおそらく300PF程度のものと思います。エアバリは購入が難しいと思いますが、入手できない場合はポリバリや1SV149などのバリキャップを使用することは出来るでしょう。

ケースに部品を収める(12/08/18)
発振部は5Pの平ラグ板に組みました。ケースが大きいので内部の配線はゆったりしています。

 

 バリコンのネジ穴を利用して5Pラグ板に組んだ発振部を取り付けました。

◆コイルをどのように作るか(12/08/12)
ボビンは東急ハンズで買った外径φ11×内径φ10のグラスファイバのパイプを70mmに切って使用することにしました。高周波的に良好で、肉厚が薄く、強度がありそうと言うのが選択理由です。入手しにくい場合はホームセンターで売っているアクリルパイプや塩ビパイプが使えますが、外径が少し大きくなるので巻き数の調整が必要です。コネクタはRCAプラグを使用し、外径をヤスリで若干削って合わせ、接着剤を塗りボビンを被せます。なお実質的にボビンに巻いたのはL3とL4であり、あとはマイクロインダクタを直接つないだり、小径のコイルを巻いてその上にパイプを被せています。

 

◆コイルのインダクタンスを大雑把に探り、巻き数を決める(12/08/25)
コイルのインダクタンスや巻き数は計算で求められますが、手持ちのマイクロインダクタを動員して大雑把に周波数をつかむ方が実用的でしょう。これで必要なインダクタンスを決めてから空芯コイル式で巻き数を決めます。

単層空心コイルのインダクタンス=0.03948*K*R^2*N^2/L (μH)

N=コイルの巻き数、R=コイルの半径(cm)、L=コイルの全長(cm),Kは 2R/L で決まる定数であり、抜粋ですが下表のようになります。

2R/L

K

0.3

0.88

0.4

0.85

0.5

0.82

1.0

0.69

1.5

0.60

2.0

0.54

 

周波数を目盛る(12/09/01)
周波数を目盛るには周波数カウンタを使うのが一番簡単ですが、最近のトランシーバーにはゼネカバ受信機能がついていますので、それを使うのも1つの方法です。目盛りの外周に2度単位の印をつけ、測定した周波数が何度の角度になるかを記録し、CADを使って目盛りを作り、インクジェットプリンタでフォトペーパーに印刷するときれいに作れます。周波数目盛りをはさみやカッターを使って切り出し、その上から3mmのアクリル板で押さえ、ネジでケースに取り付けました。

 
(左)周波数目盛りをフォトペーパーに印刷 (右)ゼネカバ受信機で周波数を計測

 目盛りをアクリル板で押さえ、ネジでケースに固定する。

指針の製作(12/09/08)
画像のように2mmのアクリル板をアクリルカッターで切り出し、中央に1本線を罫書き、その溝に赤色の水性エナメル塗料を針の先に付けて流し込み、あふれた塗料は素早くティッシュペーパーでふき取りました。そのアクリル板を接着剤でツマミに取り付け出来上がりです。

内部共振について(12/09/15)
「内部共振」という表現が適切かどうか判りませんが、測定対象のコイルを近づけていないのにダイヤルを回すと勝手にディップしてしまう現象が起きました。おそらくケース内部のどこかで共振回路が形成され、それにディップメータが反応したものと思われます。周波数は19MHz、100MHz、120MHzの3箇所にありました。発振回路周辺に金属片を近づけてディップ点が変わらないか調べてみましたが、何が原因で共振しているのかは判りませんでした。


ディップメータの使い方

ディップメータには様々な使い方があり、ここではその代表的な例を紹介します。

  1. コイルの共振周波数を測定する。
  2. 発振機の周波数を測定する。
  3. テストオシレータとして受信機の調整に使用する。
  4. アンテナの共振周波数を測定する。
  5. 水晶発振器として使う。
  6. VXOに使うコイルの巻き数を決める
  7. Lの値を測定する
  8. Cの値を測定する
  9. コイルのQを測定する
  10. 同軸の短縮率を測定する

1.コイルの共振周波数を測定する(12/09/15)

  1. ディップメータ(以下 DM)のスイッチをONにし、メータの振れが6割くらいになるようボリュームを調整します。
  2. DMのコイルを測定対象のコイルに近づけ、ダイヤルを回してメータがピクリと下がる(ディップする)ところを探します。
  3. そのときの周波数を読めば、共振周波数がわかります。
  4. シールドケースに入ったコイルの場合は2次側にビニール線を接続し、ビニール線をDMのコイルに数回巻きつけて、1〜3の要領で測定します。

 

2.発信機の周波数を測定する(12/09/15)

  1. DMのスイッチはOFFにしておきます。
  2. DMのコイルを発振器のコイルに近づけ、メータの張りが大きく振れる位置の周波数を読み取る。
  3. コイルがシールドケースに入っている場合は2次側にビニール線を接続し、ビニール線をDMのコイルに数回巻きつけて測定します。

3.テストオシレータとして受信機の調整に使用する(12/09/22)
  DMの周波数安定度がよくないので、AMやFMのように帯域の広い受信機の調整には適しますが、SSBやCWのような帯域の狭いモードには向きません。

  1. DMのスイッチをONにする。
  2. AMの場合は、DMのダイヤルを回しながらスピーカから「ボコッ」と言う音が聞こえればそのときの周波数を読みます。
  3. FMの場合は常にザーというノイズが聞こえていますが、DMのダイヤルを回したとき、そのノイズが止まった周波数を読みます。
  4. 信号が強すぎたり弱すぎたりした場合は、DMのボリュームを回すかDMと受信機の距離を変え、適当なレベルに調整してください。

4.アンテナの共振周波数を測定する(12/09/22)

  1. DMのコイルにアンテナ線を1,2回巻きつける。
  2. DMのスイッチをONにして、メータがディップする周波数を読み取る。

試しに12mのビニール線があったので、巻きつけて測定してみたところ12.5MHzでディップしました。 波長=300/12.5=24m、その1/2波長が12mです。

5.水晶発振器として使う(12/09/22)
SSBやCW受信機の調整にテストオシレータとして使うには周波数安定度が悪いと書きましたが、プラグインコイルの代わりに水晶をつなげば安定した発振周波数を得ることが出来ます。また水晶自体がちゃんと発振するかのチェックにも使えます。

  1. RCAプラグにミノムシクリップを接続したものを作っておく。
  2. コイルの代わりに水晶を接続する。
  3. DMのダイヤルは右向き(バリコンの羽が抜ける方向)に回しきっておく。
  4. DMのスイッチをONにし、レベルを上げメータが振れれば水晶の発振を確認できます。

6.VXOに使うコイルの巻き数を決める(12/09/22)
VXOに使うコイルの巻き数は製作記事を参考にしたり、あるいは経験的に決めることが多いですが、下記の方法でも確認できます。

  1. VXOコイルと水晶を並列接続する。
  2. VXOコイルにDMのコイルを近づけ、水晶の発振周波数(画像では14.318MHz)でディップするようコアを回して調整します。
  3. 発振周波数より上側でディップすれば巻き数が不足し、下側であれば多すぎるので巻きなおしましょう。

7.Lの値を測定する(12/09/29)
値のわかっているコンデンサに測定したいコイルを接続しディップメータで共振周波数を測定してから、下の式に当てはめL(インダクタンス)を計算します。

L=1/(2πf)^2/C

(計算例) 空芯コイルに47Pのコンデンサを接続し、29MHzでディップした場合  1/(2*3.14*29)^2/47=0.64μH となります。

8.Cの値を測定する(12/09/29)
コンデンサの値も既知のインダクタンスを使えば同じように測定できますが、コンデンサの自作はほとんど無いため余り使わないでしょう。ただバリコンの場合、最大容量がケースに書いてあることはほとんど無いため、その目的で使うことは出来るでしょう。

C=1/(2πf)^2/L

(計算例) 100μHのコイルに容量のわからないポリバリコンを接続し、1MHzでディップした場合  1/(2*3.14*1)^2/100=253PF となります。

9.コイルのQを測定する(12/09/29)

  1. コイルの良否を判定する指標として「Q」があり、コイルがシャープな選択度を持っていればQは高くなります。
  2. コイルが同調したときの周波数をF1とし、コイルの両端に発生した高周波電圧を1とします。
  3. そこから同調をずらして−3dB(0.707倍)下がった周波数の高い側をF2、低い側をF3とします。
  4. Q=F1/(F2−F3)で示されます。

 

では実際に測定してみましょう。φ1.6のウレタン線を 内径=27mm、巻き数=6、長さ=22mm に巻いたコイルに47PFのコンデンサを接続したものを作り、コイルの両端に高周波電圧計を接続し、DMには周波数カウンタを接続します。上の要領で測定した結果

Q=24/(24.1−23.9)=120 となります。

10.同軸の波長短縮率(速度係数)を測定する(12/10/06)
50MHzの1/4λアンテナとして1.5mの電線を使うことがあります。L=300/50=6m それの1/4で1.5mとなり、電線の短縮率≒0.98をかけたあたりで共振してくれます。では同軸ではどうなるでしょう。1.5mに切った3D2Vの片側は開放、片側にワンターンコイルを付け、ディップメータで共振周波数を測ってみると32MHzでディップしました。

その結果同軸の波長短縮率は 32/50=0.64 となります。しかしメーカーが発表している3D2Vの波長短縮率は約0.67とあり、測定誤差が出てしまったようです。

同軸を給電線として使う場合は扱う周波数の1/2波長に波長短縮率をかけた長さで切っておくとSWRの調整時に有利です。50MHzの場合は3m×0.67=2.01mとなるため、2.01の整数倍に切って使います。

波長短縮率の値は同軸内部の絶縁体の特性により、5DFBなどFB系の同軸の短縮率は0.8ほどになります。

<完了>