Ve druhé části desáté kapitoly je popsán způsob jak zvýšit napájecí napětí, abychom měli rezervu na jeho stabilizaci a také dva způsoby teplotní kompenzace oscilátoru. Jeden pomocí kondenzátorů s různým teplotním součinitelem a druhý pomocí termistoru.

CRYSTAL SETS TO SIDEBAND

© Frank W. Harris 2004, REV 09

Kapitola 10 (pokračování)

Zdvojovač napětí pro bateriové napájení

Pokud máš síťové napájení, bude právě popsaný stabilizátor fungovat bezvadně, s výjimkou výpadku proudu. Pokud však bude tvůj vysílač napájený z baterií, výstupní napětí rychle spadne, jestliže baterie klesne pod 12 voltů. Jedno řešení je provozovat VFO na stabilizovaném napětí 9 voltů. V tom případě bude stabilizátor stále dodávat stabilizovaných 9 voltů, i když napětí baterie klesne na 10V. Na druhou stranu, pokud tvé VFO používá k ladění varikap, možná potřebuješ alespoň 10 V na dosažení potřebného přeladění. Moje řešení tohoto problému je - nejdříve zdvojnásobit nestabilizované napětí z baterie. Začnu-li z dvojnásobného napětí baterie, moje VFO bude mít vždy alespoň 12 voltů. Tento zdvojovač napětí nemusí být příliš výkonný, protože VFO má spotřebu maximálně 10 – 20 mA.

Stejnosměrný zdvojovač napětí.

Generátor obdélníkového průběhu

Kdykoli chceš zvýšit stejnosměrné (DC) napětí, je nutné použít stávající stejnosměrný zdroj na generování střídavého (AC) napětí. Potom lze střídavé napětí, například pomocí transformátoru, zvýšit na hodnotu, jakou potřebuješ. A následně se může střídavé napětí usměrnit zpátky na stejnosměrné. Zdvojovač napětí, popsaný dále používá na zvýšení napětí místo transformátoru kapacitní nábojovou pumpu. Jak uvidíš, tato technika je speciální způsob usměrnění.

První úkol je konvertovat stejnosměrné napětí na obdélníkové pulsy. Je mnoho způsobů, jak generovat obdélník pomocí integrovaných obvodů. Například v 9.kapitole jsem použil operační zesilovač na generování teček v elektronickém klíči. Pokud chceš, můžeš použít integrovaný obvod, ale možná dáš přednost složitějšímu ale zajímavějšímu způsobu. Jako obvykle, pokud jsi v elektronice začátečník, naučíš se tak nové věci.

(Zde byl v původním textu na můj vkus trochu zmatený výklad funkce astabilního multivibrátoru. Proto jsem původní výklad nepřekládal a nahradil ho jiným, podle mého názoru srozumitelnějším)

Na obrázku výše je schéma astabilního multivibrátoru. (klopného obvodu). Jedná se v podstatě o dva tranzistorové zesilovače v zapojení se společným emitorem, kde je vždy výstup každého z nich veden přes kondenzátor do vstupu druhého.

V tomto obvodu je vždy jeden tranzistor sepnutý a druhý rozepnutý. Předpokládejme, že v počátečním stavu je levý tranzistor sepnutý (otevřený) a pravý rozepnutý (zavřený).
• Levý (otevřený) tranzistor drží spodní konec odporu R1 a levý vývod kondenzátoru C1 na nízké úrovni, blízké nulovému potenciálu napájení.

• Báze levého tranzistoru je přes odpor R3 připojena na napájecí napětí (12V), ale dioda báze-emitor nedovolí napětí aby stouplo přes asi 0,6 Voltu.

• Pravá strana C1 (a báze pravého tranzistoru) se pomalu nabíjejí přes odpor R2 na napětí blízké asi 0,6V.

• Pravá strana kondenzátoru C2 se přes odpor R4 nabíjí na napájecí napětí 12V. (pravý tranzistor je zavřený). Protože R4 je menší než R2, nabije se C2 dříve, než C1.

• Jakmile dosáhne napětí na bázi pravého tranzistoru asi 0,6V, tranzistor se začne (poměrně rychle) otvírat, a spustí se následný děj kladné zpětné vazby.

• Pravý tranzistor prudce přizemní pravý vývod kondenzátoru C2.

• Jelikož napětí na kondenzátoru se nemůže změnit okamžitě, objeví se na levém vývodu kondenzátoru C2 záporné napětí. (předtím tam bylo pouze asi 0,6V).

• Levý tranzistor se zavře, neboť má na bázi záporné napětí.

• Přes odpor R1 se nabíjí levá strana kondenzátoru C1, což se přenese na bázi pravého tranzistoru a to ještě více přispěje k úplnému otevření pravého tranzistoru. Napětí na bázi pravého tranzistoru se však zastaví asi na hodnotě 0,6 Voltu, které je dáno diodou přechodu báze-emitor v tomto tranzistoru.

• Nyní jsme v přesně opačném stavu než na začátku. Levý tranzistor je zavřený (rozepnutý) a pravý tranzistor otevřený (sepnutý).

• Přes odpor R1 je levá strana C1 nabita na napájecí napětí, zatímco levá strana C2 se přes odpor R3 mnohem pomaleji nabíjí na konečnou hodnotu 0,6 V. Jakmile jí dosáhne, cyklus se opakuje a obvod se zase překlopí do opačného stavu.

(opět původní text)

Bistabilní klopné obvody jsou v podstatě paměti RAM.

Následující text je malé odbočení od tématu.

Představ si, že bychom oba kondenzátory v obvodu výše nahradili odpory s poměrně vysokou hodnotou. Jelikož by v obvodu nebyla žádná kapacita, která by se mohla nabíjet, nebo vybíjet, obvod by zůstal trvale v jednom ze stavů, kdy jeden tranzistor by byl sepnutý a druhý rozepnutý. Tomu říkáme bistabilní klopný obvod. (má dva stabilní stavy). Přivedením krátkého pulsu do báze jednoho z tranzistorů můžeme obvod „překlopit“ do opačného stabilního stavu. Tomuto obvodu se také někdy říká „flip-flop“ klopný obvod.

Tyto bistabilní klopné obvody jsou základem statických RAM pamětí. (SRAM). Jeden klopný flip-flop obvod může uchovat jeden bit informace. Dokud bude připojeno napájecí napětí, obvod si bude „pamatovat“ tento jeden bit informace. Také může být dalším pulsem překlopen do opačného stavu. V integrovaných obvodech, které obsahují paměti SRAM jsou na čipu vytvořeny milióny těchto klopných obvodů a mohou tedy uchovávat informace v řádech megabitů.

Tvarování a zesílení vytvořeného střídavého napětí

Nyní máme střídavé napětí zhruba obdélníkového průběhu, avšak s pouze malým výkonem. Musíme ho zesílit, abychom mohli odebírat alespoň 30mA na napájení zdroje pro VFO. To provedeme jednoduchým oddělovacím zesilovačem. Strmé náběžné a sestupné hrany obdélníkového průběhu jsou rovněž důležité. Čím kratší dobu jsou tranzistory pootevřeny „napůl“, tím vyšší účinnost dosáhneme.

Tento tvarovač je v podstatě napěťový zesilovač s velkým ziskem. Během trvání náběžné nebo sestupné hrany obdélníku je toto napětí desetkrát až dvacetkrát zesíleno. Tím dosáhneme, že se čas náběhu nebo pádu sníží na zanedbatelnou hodnotu.

Diodový zdvojovač napětí.

Jak je možné zdvojnásobit stejnosměrné napětí s použitím diod? Princip je ten, že opakovaně nabíjíme kondenzátor (33uF) na 12 voltů, jako kdyby to byla baterie. Poté ho přepojíme k stávajícím 12ti voltům. Čili 12 V plus 12V je dohromady 24 Voltů. Tento pulzující 24V zdroj nabíjí velký (100uF) kondenzátor napravo. Za předpokladu, že odebíráme malý proud, je kondenzátor schopen udržet relativně konstantní napětí, blížící se 24 V.

Komplementární tranzistory v akci.

Pro přepínání jsou v tomto zdvojovači použity tranzistory a diody. Obdélníkový signál z tvarovače budí komplementární emitorový sledovač. V tomto obvodu jsme použili komplementární NPN a PNP tranzistory. Ve 4.kapitole jsem se zmínil, že je často výhodné mít tranzistory schopné pracovat v opačné polaritě. Budící signál jedné polarity jeden tranzistor otevře (sepne), zatímco stejný signál druhý (komplementární) tranzistor zavře (rozepne).

Výstupní signál je odebírán z jejich emitorů. Výsledkem je, že tranzistory střídavě přepojují výstup mezi zemí a přívodem napájecího napětí 12V. A to bez jakýchkoliv odporů, které by se hřály a tedy plýtvaly energií.

Mimochodem: Logické obvody ve tvém počítači jsou téměř výhradně integrované obvody vytvořené technologií komplementárních MOSFET tranzistorů s kanálem N a kanálem P. Tyto integrované obvody se označují jako CMOS. Tím, že se nepoužijí odpory v drainech FET tranzistorů se dosáhne minimálního zahřívání a maximální rychlosti.

Jak vidíme na obrázku výše, tak PNP a NPN tranzistory spolupracují a přepojují levý (33uF) kondenzátor nahoru a dolů. Pokud je sepnut PNP tranzistor, je spodní konec kondenzátoru připojen na zem. V tomto stavu se kondenzátor nabije přes levou diodu na napětí 12V. Ve chvíli, kdy se PNP tranzistor rozepne a naopak sepne NPN tranzistor se náhle kondenzátor „objeví nahoře“ a je připojen do série s napájecím napětím 12V. Jelikož jeho horní konec byl ale nabit na 12V, je zde najednou o 12V vyšší napětí než je napětí napájecí a levá dioda se zavře. Místo toho se otevře pravá dioda a přes ni se nabije pravý (100uF) kondenzátor. Tento kondenzátor se tedy postupně pulsy nabije na 24 Voltů, tedy napětí dvojnásobné oproti napájecímu.

Použij Schotkyho diody.

Nyní tedy máme k dispozici dostatečné napájecí napětí. I v případě, že je napájecí baterie téměř vyčerpaná budeme mít rezervu na precizní stabilizátor 12V. Tento obvod pracuje nejlépe, pokud jsou obě diody výkonové Schotkyho diody. Na každé z těchto usměrňovacích diod se ztrácí pouze asi 0,2V. Nevýhoda těchto diod je, že snesou obvykle pouze asi 30V, což je však dost pro naše použití. V zapojení, které je na obrázku níže jsem použil běžné křemíkové usměrňovací diody 1N4001. Na každé z těchto diod se v sepnutém stavu ztrácí asi 0,7V. Z tohoto důvodu poskytuje tento zdroj pouze asi 22V při vstupním napětí 12V.

Deska napájecího zdroje pro VFO. Vstupní kolísavé napětí z baterie, na výstupu perfektně stabilizované napětí 12V.

---

---

---

TEPLOTNÍ KOMPENZACE

Dá se předpokládat, že lze dobré VFO postavit bez teplotní kompenzace. Mě osobně se to nikdy nepodařilo, nechci však nikoho odrazovat. Dej se do toho a zkus to. Jen si prostě nech na desce místo, abys tam mohl kompenzační obvod přidat později.

Taktika kompenzace je v tom, že nahradíme C2 nebo C4 kondenzátorem, který má nastavitelný kladný teplotní koeficient. Téměř všechny součástky v LC obvodu mají běžně záporný teplotní koeficient. To znamená, že když teplota stoupá, kapacita klesá a kmitočet tedy stoupá. Pokud bychom tedy připojili paralelně kondenzátor se stejně velikým ale opačným – kladným teplotním součinitelem, změna kapacity by se vyrušila. Doporučuji ti začít s tímto způsobem teplotní kompenzace, protože je nejjednodušší.

Kapacitní kompenzace trimrem s kladným koeficientem.

Pokud se podíváš do katalogů firem Digi-Key, Mouser, nebo jiných, občas narazíš na kapacitní trimry s kladným teplotním koeficientem. To znamená trimry, které zvyšují svoji kapacitu s teplotou. Použil jsem trimry s kapacitou 20 až 40 pF, vyráběné firmou Sprague-Goodman, typ GCL. Nahradil jsem jimi některé pevné kondenzátory v kapacitním děliči. C2 a C4 dvěma trimry s kladným koeficientem paralelně. Největší problém je dosáhnout jak správný kladný koeficient, tak velikost kapacity, která má kladný teplotní koeficient. To je dosaženo použitím paralelně zapojeného trimru s podobným, ale záporným teplotním koeficientem. Správným vyvážením kladného a záporného koeficientu oběma trimry můžeš vytvořit výsledný kladný teplotní koeficient, který bude kompenzovat záporný koeficient ostatních součástek v LC obvodu.

Nastavení teplotní kompenzace VFO

Připoj na výstup svého VFO zátěž 500 ohmů. K zátěži připoj sondy osciloskopu a čítače. Zkontroluj, že napájecí zdroj pro VFO dává napětí jaké požaduješ, řekněme 12,000 Voltů. Mělo by být naprosto stabilní, v rozsahu jednoho nebo dvou milivoltů. Pokud používáš mechanický proměnný kondenzátor, nastav ho na největší kapacitu. Nyní nastav trimry s kladným i záporným koeficientem do poloviny rozsahu na spodním konci požadovaného rozsahu VFO. Například pro VFO 5 až 5,5 Mhz bys měl nastavit 5,000Mhz (nebo nepatrně níž). Zkontroluj, zda je možné ladicím kondenzátorem přeladit celé požadované pásmo. Pokud to nejde, budeš muset změnit C3, nebo si trochu pohrát s C2 nebo C4. Měj na paměti, že C2 také může být trimr s negativním, nebo pozitivním koeficientem.

Nyní zavři krabičku s VFO víčkem, ale nepřišroubuj ho. Na čítači sleduj pohyb kmitočtu. Téměř jistě se bude kmitočet pohybovat soustavně jedním směrem, nahoru, nebo dolů. Pokud kmitočet klesá, je to tím, že stoupá teplota v krabičce. Otoč s kladným trimrem na MENŠÍ kapacitu, a záporným trimrem nastav původní kmitočet. Toto opakuj znova a znova, dokud se nezmění směr pohybu kmitočtu. Teď by se měl kmitočet pohybovat soustavně nahoru. V tomto stavu uber nepatrně kapacity záporného trimru, až se drift zastaví. Pokud se ti to podaří správně vybalancovat, bude se kmitočet stále nepatně měnit, ale po chvíli se vždy zase vrátí na původní hodnotu. Čili nebude pochodovat vytrvale jedním směrem. Pokud jsi to dostal do tohoto stavu, udělal jsi maximum, co je možné s těmito součástkami. S trochou štěstí nebude kmitočet během kterékoliv minuty courat o více než 5 Hz.

Teplotní kompenzace s thermistorem

Možná zjistíš, že kapacitní trimr s kladným koeficientem nemá dostatečný kladný koeficient. Možná ti pomůže kompenzační obvod s thermistorem. Já jsem dosáhl dobrý výsledek s obvodem z ARRL příručky.

Odpory jsou obvykle konstruovány tak, aby se jejich hodnota měnila s teplotou co nejméně. Avšak thermistory jsou rezistory vyrobené z polovodiče s velkým teplotním koeficientem. Tento koeficient může být jak kladný, tak záporný a v obvodu na obrázku výše můžeme použít oba druhy. Jsou zapojeny v obvodu můstku s termistory na každé straně. Celý obvod je napájen precizně stabilizovaným napětím 5 až 10 Voltů. Pomocí odporových trimrů 5k nahoře a 500k uprostřed můžeme nastavit úroveň a směr kompenzace. Ladění trimru 500k doprava přidáváme kladnou kompenzaci, laděním doleva ubíráme kladnou nebo dokonce přidáváme zápornou kompenzaci. Pokud potřebuješ větší kapacitu, vždycky můžeš zapojit paralelně dva (nebo i více) varikapů.

Regulace teploty.

Jiný přístup k teplotní kompenzaci je udržovat konstantní teplotu tím, že ohříváme VFO a teplotu ovládáme termostatem. Postavil jsem takový obvod do kovového odlitku krabičky. Použil jsem odporové vytápění a zpětnovazební regulační systém s termistorem. Ta dobrá zpráva je, že to uregulovalo teplotu uvnitř krabičky v rozsahu 0,1 stupně Fahrenheita. Ta špatná zpráva je, že to trvalo minimálně 30 minut, než se teplota stabilizovala. A když jsem to instaloval do vysílače, snažil se regulátor vytopit celý vysílač a pravděpodobně celou místnost. Jinak řečeno, aby bylo vytápěné VFO prakticky použitelné, potřebovalo by kvalitní teplotní izolaci. Já jsem tuto cestu opustil.

---

---

---

Takže na závěr:

Pomocí precizní stabilizace napětí, teplotní kompenzace a pečlivého nastavení lze doma postavit VFO, které není tak nestabilní jako VFO doma postavené. Pokud se objevíš v éteru a popíšeš své zařízení jako „kompletně doma postavené“, stanice s kterými budeš pracovat tě obvykle zahrnou samou chválou. Užij si to. Pokud jsi potřeboval na vyvinutí slušně fungujícího VFO tolik prototypů jako já, rozhodně si všechny ty pochvaly zasloužíš. Nakonec, největší kompliment pro mne bylo, když jsem hodinu klábosil s přáteli, a to bez jediné zmínky o tom, že bych ujížděl. Zvláště pokud se mi podařilo vyhnout se diskusi o mém pochybném home-made vysílači. Pro ně jsem používal kvalitní moderní transceiver.