INTRODUZIONE
Questo
trasmettitore a 27 MHz è composto da tre moduli; il modulo di potenza a
RF (nell'immagine a destra) il modulo PLL (nell'immagine al centro) e
il modulo Arduino (nell'immagine a sinistra). Questo progetto,
apparentemente banale, mi ha portato via diverso tempo soprattutto per
la scelta delle induttanze presenti sul modulo di potenza a RF, questi
componenti, apparentemente innocui e graziosi, nascondono insidie
che possono pregiudicare il funzionamento di tutto
in sistema andando a disturbare non solo lo stadio finale dove si
trovano a lavorare ma anche il PLL che lo precede rendendo la ricerca
del problema un'impresa tutt'altro che semplice.
PANORAMICA SUL FUNZIONAMENTO
Sul modulo di potenza RF, oltre al finale e al DC-DC, è presente un oscillatore controllato da un varicap,
parte del segnale generato dall'oscillatore viene prelevato dal modulo
PLL che invia al varicap una tensione continua
corrispondente alla frequenza del canale prescelto tramite il modulo
Arduino.
MODULO DI POTENZA RF
Il
data scheet del finale di potenza BLY33 riporta la massima
potenza che può erogare il transistor: 2 watt in AM con 13.8V di
alimentazione. Questi valori
assicurano che il transistor non superi mai i limiti di corrente
(1.5A) e di tensione (66V) che può sopportare in presenza
di una modulazione al 100%,
dato che nel mio progetto esso è alimentato a 12V se gli facessi
erogare quella potenza gli farei superare la massima corrente ammessa, ho
dovuto quindi accontentarmi di fargli erogare 1.5 watt su
50 ohm, in queste condizioni, come vedremo nella sezione delle misure,
tutti i parametri del BLY33 rimangono confinati nei limiti ammessi.
Per avere una potenza di 1.5 watt basta far vedere al transistor la seguente resistenza (assumendo una tensione di saturazione di 2V che il data scheet non riporta):
Pout = (VCC - VCEsat)^2 / (2 * Pout) = (12 - 10)^2 / (2 * 1.5) = 33 ohm
Tenendo conto di tutte le perdite intrinseche del transistor, della non infinita induttanza della RFC e della perdita nell'induttore (e anche in base alla esperienza) scelgo di far vedere al bjt circa metà resistenza di quella calcolata ovvero 15 ohm, tanto ci sarà sempre tempo per modificare l'adattatore o pilotare il finale con livelli di segnale più bassi (sempre tenendo d'occhio i limiti del bjt e il rendimento).
I componenti che permettono di trasformare i 50 ohm del carico nei 15 ohm che deve vedere il bjt sono C13, C11 e L2, i valori di questi componenti sono stati calcolati con il digramma di Smith come nella seguente figura.
Qui bisogna approfondire il tema.
La selettività dell'adattatore deve essere scelta con un compromesso; ne troppo bassa per evitare che il segnale in uscita si discosti eccessivamente dalla forma d'onda sinusoidale, ne troppo alta per non avere attenuazione eccessiva agli estremi della banda CB.
Dato che non siamo a conoscenza della impedenza di uscita del transistor non possiamo scegliere a priori un Q dell'adattatore per determinarne in anticipo la selettività, occorre quindi progettarne uno con il più alto Q possibile nei limiti dei valori fattibili delle capacità C13 e C11 (alti Q richiedono capacità piccole in questo tipo di adattatore), in fase sperimentale si verificherà poi se il Q ottenuto andrà bene per i nostri scopi.
Bisogna anche tenere conto che ci saranno delle derive tra i valori calcolati e quelli messi in opera soprattutto perché l'impedenza di uscita del transistor non è una pura resistenza (in genere a queste frequenze ha una componente capacitiva), questo mi ha portato a togliere alcune spire alla bobina e aumentare i valori dei condensatori in fase di collaudo.
Come Q di partenza ho scelto 20, nella messa in opera il Q è sceso a 14 il che comunque va bene dato che ho misurato una attenuazione di solo -1dB ai lati della banda CB e la forma d'onda è abbastanza sinusoidale (vedi foto sotto).
Per avere una potenza di 1.5 watt basta far vedere al transistor la seguente resistenza (assumendo una tensione di saturazione di 2V che il data scheet non riporta):
Pout = (VCC - VCEsat)^2 / (2 * Pout) = (12 - 10)^2 / (2 * 1.5) = 33 ohm
Tenendo conto di tutte le perdite intrinseche del transistor, della non infinita induttanza della RFC e della perdita nell'induttore (e anche in base alla esperienza) scelgo di far vedere al bjt circa metà resistenza di quella calcolata ovvero 15 ohm, tanto ci sarà sempre tempo per modificare l'adattatore o pilotare il finale con livelli di segnale più bassi (sempre tenendo d'occhio i limiti del bjt e il rendimento).
I componenti che permettono di trasformare i 50 ohm del carico nei 15 ohm che deve vedere il bjt sono C13, C11 e L2, i valori di questi componenti sono stati calcolati con il digramma di Smith come nella seguente figura.
Qui bisogna approfondire il tema.
La selettività dell'adattatore deve essere scelta con un compromesso; ne troppo bassa per evitare che il segnale in uscita si discosti eccessivamente dalla forma d'onda sinusoidale, ne troppo alta per non avere attenuazione eccessiva agli estremi della banda CB.
Dato che non siamo a conoscenza della impedenza di uscita del transistor non possiamo scegliere a priori un Q dell'adattatore per determinarne in anticipo la selettività, occorre quindi progettarne uno con il più alto Q possibile nei limiti dei valori fattibili delle capacità C13 e C11 (alti Q richiedono capacità piccole in questo tipo di adattatore), in fase sperimentale si verificherà poi se il Q ottenuto andrà bene per i nostri scopi.
Bisogna anche tenere conto che ci saranno delle derive tra i valori calcolati e quelli messi in opera soprattutto perché l'impedenza di uscita del transistor non è una pura resistenza (in genere a queste frequenze ha una componente capacitiva), questo mi ha portato a togliere alcune spire alla bobina e aumentare i valori dei condensatori in fase di collaudo.
Come Q di partenza ho scelto 20, nella messa in opera il Q è sceso a 14 il che comunque va bene dato che ho misurato una attenuazione di solo -1dB ai lati della banda CB e la forma d'onda è abbastanza sinusoidale (vedi foto sotto).
MISURE SUGLI INDUTTORI
Gli
induttori sono il cuore di un sistema a radio frequenza, essi posso
decidere l'andamento dei risultati, quindi devono essere selezionati,
misurandone le caratteristiche elettriche, prima di montarli nel
circuito.
Nella foto sottostante è rappresentata la misura sull'induttore dell'adattatore tramite NanoVna.
Originalmente questo induttore aveva più spire e presentava una induttanza di 2.7uH, poi, come ho scritto sopra, le ho dovute diminuire e attualmente è montato sulla scheda con un valore di 2.38uH e con una ESR di 0.98 ohm. Questa resistenza è dovuta sia all'effetto pelle che a quello di prossimità (ovviamente anche dal tipo e dalla qualità del materiale usato, in questo caso banale rame smaltato commerciale). Un'altra cosa che bisogna verificare è l'auto risonanza della bobina che deve essere il più possibile lontana dalla frequenza di funzionamento, in questo caso essa è di 75 MHz.
Adesso occorre fare qualche considerazione sul diametro del filo anche se in questo contesto, dato che la potenza in uscita è bassa, non servirebbe. Può comunque risultare utile conoscere la massima corrente che può sopportare un filo di un certo diametro a certe frequenze dove l'effetto pelle e di prossimità si fa sentire (come in questo caso).
Bisogna innanzi tutto conoscere la massima corrente che circola nell'induttore quando il circuito adattatore è accordato. Nella figura seguente c'è lo schema elettrico rappresentativo della sola sezione di uscita.
Per conoscere la corrente che circola nella induttanza occorre sapere il valore della impedenza composta dal gruppo C11, C13 e LOAD. Per fare questo ci sono due metodi, uno con i numeri complessi e l'altro con il Q resistenza-capacità. Il secondo è di gran lunga più semplice da eseguire anche perché ci sono programmi on line che permettono di fare i calcoli in modo semplice e veloce tipo quello al seguente indirizzo:
http://wcalc.sourceforge.net/cgi-bin/parallel_rc.cgi
Bisogna prima convertire la serie C13-LOAD in parallelo RC come nella seguente figura.
Si sommano poi le due capacità in parallelo e si converte il parallelo RC ottenuto in serie RC.
Ora la corrente che circola in R è la stessa che circola in L2, dato che tutta la potenza erogata dal finale deve essere dissipata in R con la seguente formula si determina il valore di questa corrente:
I = sqrt(Pout / LOAD) = sqrt(1.5 / 14.2) = 0.325A
La bobina L2 è composta da un filo AWG 18 lungo 0.66 mt e presenta, per questa lunghezza, una resistenza di 0.98 ohm che al metro lineare risulta essere:
RB = 0.98 / 0.66 = 1.48 ohm / metro
La potenza dissipata dal filo di rame per un metro lineare è:
Pdiss = RB * I^2 = 0.98 * 0.325^2 = 0.105 watt
Nelle tabelle dei fili commerciali l'AWG 18 presenta una resistenza di RF = 0.0209 ohm / metro e può portare una corrente IF da 16A (chassis wiring) a 2.3A (power transmission) a 30 C° TA . Ovviamente non esiste una tabella che tenga conto di tutti i fattori che influenzano la massima portata del filo (tipo materiale, tipo isolamento, aumento temperatura ambiente, distanza tra le spire...) Comunque anche considerando la classica portata di 500 CM per A che corrisponde ad una corrente di 3.24A, la potenza che può dissipare l'AWG18 è maggiore di quella dissipata dalla nostra bobina:
Pd = RF * IF^2 = 0.0209 * 3.24^2 = 0.219 watt
e si può stare quindi tranquilli.
Un altro elemento importante è la RFC, essa dovrebbe essere infinita per il segnale e dovrebbe permettere il passaggio della sola corrente continua con la minima caduta di tensione. Qui di seguito alcune misure sulla RFC commerciale che ho usato:
Il suo valore è 10uH e la massima corrente è 4A (dato costruttore).
Tanta pazienza ci è voluta per il trasformatore TR1, esso è molto critico e inoltre basta muoverlo da una posizione, che vedremo essere ideale per il buon funzionamento, per fare impazzire il PLL. La colpa di questo è mia perché nella scheda finale ho dimenticato di inserire tra l'oscillatore e l'ingresso della porta che si trova sul modulo PLL un buffer, chiedo scusa. Comunque il sistema funziona bene ugualmente se si fa aderire il trasfomatorino alla scheda, però non ho capito perché.
Le spire primarie devono essere 10, le secondarie conviene aumentarle una alla volta partendo da 5 fino ad ottenere 1.5 watt in uscita. Il numero delle spire secondarie dipende anche dalla posizione del trasformatore, conviene quindi sollevarlo fare un giro di spira riabbassarlo e misurare la potenza in uscita.
INSEGUITORE AUDIONella foto sottostante è rappresentata la misura sull'induttore dell'adattatore tramite NanoVna.
Originalmente questo induttore aveva più spire e presentava una induttanza di 2.7uH, poi, come ho scritto sopra, le ho dovute diminuire e attualmente è montato sulla scheda con un valore di 2.38uH e con una ESR di 0.98 ohm. Questa resistenza è dovuta sia all'effetto pelle che a quello di prossimità (ovviamente anche dal tipo e dalla qualità del materiale usato, in questo caso banale rame smaltato commerciale). Un'altra cosa che bisogna verificare è l'auto risonanza della bobina che deve essere il più possibile lontana dalla frequenza di funzionamento, in questo caso essa è di 75 MHz.
Adesso occorre fare qualche considerazione sul diametro del filo anche se in questo contesto, dato che la potenza in uscita è bassa, non servirebbe. Può comunque risultare utile conoscere la massima corrente che può sopportare un filo di un certo diametro a certe frequenze dove l'effetto pelle e di prossimità si fa sentire (come in questo caso).
Bisogna innanzi tutto conoscere la massima corrente che circola nell'induttore quando il circuito adattatore è accordato. Nella figura seguente c'è lo schema elettrico rappresentativo della sola sezione di uscita.
Per conoscere la corrente che circola nella induttanza occorre sapere il valore della impedenza composta dal gruppo C11, C13 e LOAD. Per fare questo ci sono due metodi, uno con i numeri complessi e l'altro con il Q resistenza-capacità. Il secondo è di gran lunga più semplice da eseguire anche perché ci sono programmi on line che permettono di fare i calcoli in modo semplice e veloce tipo quello al seguente indirizzo:
http://wcalc.sourceforge.net/cgi-bin/parallel_rc.cgi
Bisogna prima convertire la serie C13-LOAD in parallelo RC come nella seguente figura.
Si sommano poi le due capacità in parallelo e si converte il parallelo RC ottenuto in serie RC.
Ora la corrente che circola in R è la stessa che circola in L2, dato che tutta la potenza erogata dal finale deve essere dissipata in R con la seguente formula si determina il valore di questa corrente:
I = sqrt(Pout / LOAD) = sqrt(1.5 / 14.2) = 0.325A
La bobina L2 è composta da un filo AWG 18 lungo 0.66 mt e presenta, per questa lunghezza, una resistenza di 0.98 ohm che al metro lineare risulta essere:
RB = 0.98 / 0.66 = 1.48 ohm / metro
La potenza dissipata dal filo di rame per un metro lineare è:
Pdiss = RB * I^2 = 0.98 * 0.325^2 = 0.105 watt
Nelle tabelle dei fili commerciali l'AWG 18 presenta una resistenza di RF = 0.0209 ohm / metro e può portare una corrente IF da 16A (chassis wiring) a 2.3A (power transmission) a 30 C° TA . Ovviamente non esiste una tabella che tenga conto di tutti i fattori che influenzano la massima portata del filo (tipo materiale, tipo isolamento, aumento temperatura ambiente, distanza tra le spire...) Comunque anche considerando la classica portata di 500 CM per A che corrisponde ad una corrente di 3.24A, la potenza che può dissipare l'AWG18 è maggiore di quella dissipata dalla nostra bobina:
Pd = RF * IF^2 = 0.0209 * 3.24^2 = 0.219 watt
e si può stare quindi tranquilli.
Un altro elemento importante è la RFC, essa dovrebbe essere infinita per il segnale e dovrebbe permettere il passaggio della sola corrente continua con la minima caduta di tensione. Qui di seguito alcune misure sulla RFC commerciale che ho usato:
Il suo valore è 10uH e la massima corrente è 4A (dato costruttore).
Tanta pazienza ci è voluta per il trasformatore TR1, esso è molto critico e inoltre basta muoverlo da una posizione, che vedremo essere ideale per il buon funzionamento, per fare impazzire il PLL. La colpa di questo è mia perché nella scheda finale ho dimenticato di inserire tra l'oscillatore e l'ingresso della porta che si trova sul modulo PLL un buffer, chiedo scusa. Comunque il sistema funziona bene ugualmente se si fa aderire il trasfomatorino alla scheda, però non ho capito perché.
Le spire primarie devono essere 10, le secondarie conviene aumentarle una alla volta partendo da 5 fino ad ottenere 1.5 watt in uscita. Il numero delle spire secondarie dipende anche dalla posizione del trasformatore, conviene quindi sollevarlo fare un giro di spira riabbassarlo e misurare la potenza in uscita.
OSCILLATORE
Sull'oscillatore
c'è poco da dire, è un Colpitts dove sul suo collettore, anziché
sull'emettitore, ho prelevato il segnale. La progettazione
dell'oscillatore è stata fatta sperimentalmente per tentativi
sostituendo i vari componenti a rotazione fino ad ottenere un innesco
veloce e un buon livello di segnale.
MISURE SUL FINALE
Livello di tensione su collettore senza modulazione = 25V, con modulazione = 50V @ 1.5 watt.
Picco negativo tensione VBE = -1V.
Rendimento = 70%
Corrente di picco = 1.45A
Corrente continua circolante nella RFC @ 12V = 0.178A
Picco negativo tensione VBE = -1V.
Rendimento = 70%
Corrente di picco = 1.45A
Corrente continua circolante nella RFC @ 12V = 0.178A
Per
la modulazione ho usato quella di collettore, un transistor emitter
follower (BD675) alimenta il collettore del BY33 tramite la RFC
L3. La sua funzione è duplice, fornire 12V al finale di potenza e
modularlo con l'audio proveniente dal test point TP5.
Le resistenze R7 e R8 servono per polarizzare T3, i condensatori C24, C8, C12 e le resistenze R6, R9 agiscono come filtro e servono per evitare che la RF vada a fare una passeggiata fuori della scheda, il condensatore C15 è di disaccoppiamento.
Il transistor dissipa una potenza di 2.14 watt, occorre quindi montare su di esso un piccolo dissipatore.
Il generatore audio deve presentare le seguenti caratteristiche:
Fornire, per modulare il BY33 al 90%, (di più non si può a causa della saturazione del transistor) una tensione di 24Vpp. Essere in grado di erogare, sempre per modulare il finale al 90%, una corrente efficace di 10mA.
Nella seguente figura è rappresentato il segnale modulato a circa il 50%.
C'è un po' di compressione alla sommità del segnale costante per tutti gli indici di modulazione che non sono riuscito ad eliminare, se qualche lettore ha in mente qualcosa per risolvere il problema me lo faccia sapere, grazie.
Le resistenze R7 e R8 servono per polarizzare T3, i condensatori C24, C8, C12 e le resistenze R6, R9 agiscono come filtro e servono per evitare che la RF vada a fare una passeggiata fuori della scheda, il condensatore C15 è di disaccoppiamento.
Il transistor dissipa una potenza di 2.14 watt, occorre quindi montare su di esso un piccolo dissipatore.
Il generatore audio deve presentare le seguenti caratteristiche:
Fornire, per modulare il BY33 al 90%, (di più non si può a causa della saturazione del transistor) una tensione di 24Vpp. Essere in grado di erogare, sempre per modulare il finale al 90%, una corrente efficace di 10mA.
Nella seguente figura è rappresentato il segnale modulato a circa il 50%.
C'è un po' di compressione alla sommità del segnale costante per tutti gli indici di modulazione che non sono riuscito ad eliminare, se qualche lettore ha in mente qualcosa per risolvere il problema me lo faccia sapere, grazie.
ALIMENTAZIONE
Volevo
far funzionare il sistema con una certa variabilità di tensione, per
raggiungere questo scopo ho usato un DC-DC che accetta tensioni da 9V a
18V le corrispondenti correnti sono:
9V 0.62A
18V 0.33A
9V 0.62A
18V 0.33A
SCHEMA MODULO DI POTENZA
MODULO PLL
MODULO PLL
Per la teoria del modulo PLL si rimanda il lettore alla seguente pagina:
https://digilander.libero.it/el840/Sintetizzatore%20a%20pll%20frequenze%20CB.html
Per un corretto funzionamento occorre ponticellare il centrale (2 con 2) del test point TP3.
https://digilander.libero.it/el840/Sintetizzatore%20a%20pll%20frequenze%20CB.html
Per un corretto funzionamento occorre ponticellare il centrale (2 con 2) del test point TP3.
ARDUINO
Un
programma più semplice di così non poteva essere fatto. Il programma
legge il tasto e quando questo è premuto incrementa il canale inviando
al PLL il codice corrispondente alla frequenza di quel canale, inoltre visualizza sul display sia il numero del canale che la frequenza.
COLLEGAMENTI
Tutti i file necessari alla realizzazione, le immagini sono con risoluzione 600 d.p.i., ricordarsi di fare i ponticelli sul lato componenti.
Fabio
TARATURA
Misurare
con tester la tensione sul centrale di TP3 che si trova sulla scheda
PLL, impostare il canale 19, stringere o allungare L1, che si trova
sulla scheda di potenza, fino a leggere sullo strumento 2.5V.
Tutti i file necessari alla realizzazione, le immagini sono con risoluzione 600 d.p.i., ricordarsi di fare i ponticelli sul lato componenti.
Fabio