AMadó első nap

Projekt kezdőlap

A mai napon kezdtem el ténylegesen foglalkozni a projekttel.

Először is, megnéztem egy AM rádiót, hogy mekkora frekvenciára kell áramkört tervezzek. A legtöbb itthon talált vevő AM sávban kb. a 600-1200 kHz-t fedi le. Középértéknek 1MHz-t választottam.

Az első feladat egy működő 1 MHz-s oszcillátor felépítése. Biztosan egyszerű, ha ért hozzá az ember…

oszcillátor

Az oszcillátoroknak utánaolvasva a működésük elég intuitív. Nem kell más, mint egy erősítő, aminek a kimenete vissza van kötve a bemenetére - egy megfelelő szűrőáramkörön keresztül. Az erősítő begerjed, és a szűrőűramkör biztosítja hogy ezt a megfelelő frekvencián tegye.

A szűrőáramköröket általában L és C elemekből (azaz tekercsekből és kondenzátorokból) építik fel. A két leggyakoribb típus a Hartley-féle és a Colpitts-féle.

Colpitts:

Hartley:

Az oszcillációnak itt két feltétele van, amelyek szintén intuitívak (Barkhausen stabilitási kritériumok vagy mik ezek):

• Az egész rendszerben az erősítés a célfrekvencián minimum egységnyi Azaz az erősítő ellensúlyozza a szűrőn és egyebeken létrejövő veszteségeket, így az oszcilláció stabil - illetve bekapcsolás után a cél amplitúdó fokozatos eléréséig nagyobb erősítés kell, nem csak a veszteségek pótlása.
• A teljes hurokban a célfrekvencián a fáziseltolódás erősítő interferenciát hoz létre. Azaz az erősített jel a már jelenlévő gyengébb jelhez hozzáadódva azt erősíti, nem gyengíti.

Ezek ha minden igaz, teljesülnek a Colpitts és Hartley-oszcillátoroknál - majd csinálok egy pontos levezetést.

(pontos levezetés lesz ide beillesztve ha csinálok egyet)

(fontos megjegyezni, hogy mind a két típus olyan erősítőt használ, ami eleve csinál egy 180°-os fázisfordítást, így a szűrőáramkör is 180°-ra van tervezve!)

Szóval kell akkor két dolog:

• erősítő
• visszacsatoló (szűrő) áramkör

szűrő

Az egyszerűbb talán a szűrő. Választhatunk a Colpitts és Hartley között. Mivel biztosak lehetünk benne hogy fix értékű alkatrészekből nem lesz pontos a frekvencia, így mindkettőbe kell valamilyen hangolható elem. Hartley-ba állítható tekercs, Colpitts-ba állítható kondenzátor illik. Előbbit nehéz készíteni (bár mintha lenne itthon pár darabom), így inkább a Colpitts mellett döntöttem - legalábbis egyenlőre.

A pontos értékek meghatározásához nem kell más mint a Thompson-képlet: f=(2*pi*sqrt(LC))^-1 (kéne Latex support a blogba!). ITt két független változónk van: L és C. Én utóbbit vettem fixnek - két 100nF-os kondit “sorbakötve” C=50nF lett. Innen megoldható az egyenlet, kiszámolható hogy L=500nH (körül-belül), és egy online számológép segítségéve már meg is tervezhető a tekercs - nem lesz túl nagy darab…

Kis kitérő: első körben két 500nF-os kondiból csináltam 250nF-ost, így L=100nH-t kaptam, így egy jóval kisebb tekercset készítettem. Nem működött (ez sem), így elsődlegesen a két kondit okoltam, mivel elektrolitok voltak, amik híresek arról hogy nagyobb frekvenciákon nem működnek jól.

erősítő

Akkor már csak az erősítőt kéne megtervezni. A legegyszerűbb talán egy egytranzisztoros erősítő lenne. Ezeknek 3 fő fajtája van:

• báziskapcsolású - nincs áramerősítés, de viszonylag nagy a feszültségerősítés
• kollektorkapcsolású (alias emitterkövető) - nincs feszültségerősítés (sőt, ~0.6V-ot le is vesz), de elég nagy az áramerősítés
• emitterkapcsolású - mind áram, mind feszültségerősítés van

Na de hogyan is működnek ezek?

tranzisztor

(figyelem! amit most írok, az mind az NPN típusú BJT tranzisztorokra vonatkozik, a többi típus létezését most figyelmen kívül hagyom!)

“A tranzisztor egy háromlábú állat” - azaz 3 kivezetése van neki. Ezek (nem feltétlen sorban) az emitter, a bázis és a kollektor. Áram folyhat (általában) a bázis-emitter és a kollektor-emitter irányban. Ha jól értem, két dolgot fontos tudni róla:

• a bázis-emitter egy dióda, az ahhoz tartozó szabályokkal együtt. Kb. 0.6-0.7 V feszültség esik rajta, típustól, terheléstől (és holdfázistól) függően.
• a kollektor-emitter-en a bázis-emitter áram egy bizonyos (nem feltétlen egész) számú (béta) többszöröse folyik.

Tehát a tranzisztor gyakorlatilag egy áramvezérelt ellenállás.

A béta-érték függ a tranzisztor típusától, a konkrét példánytól, a hőmérséklettől, az átfolyó áramtól, és a Merkúrnak a Jupiter holdjaival bezárt szögétől. Általában lehet B=200-al közelíteni, de ez elég durva közelítés…

erősítők osztályozása

Az erősítők 4 fő működési osztályba sorolhatók:

• A osztályú - a (periodikus) jel periódusának egész ideje alatt “nyitva van” a tranzisztor, azaz minimális torzítással átmegy az egész jel
• AB osztályú - A és B típus között van
• B osztályú - a jel periódusának pontosan felében van nyitva a tranzisztor, azaz a jelnek csak fele megy át, ami torzítást jelent
• C osztályú - a jel periódusának kevesebb mint felében van nyitva a tranzisztor

Hasraütésszerűen kiválasztottam az A osztályt, remélem be fog válni…

Az erősítő osztályát az egyenáramú beállítás határozza meg - azaz hogy az erősítő be és kimenete jel nélkül milyen egyenáramú szinten van - persze a jelhez és a tápfeszültséghez képest.

Erősítő kritériumok

A Wikipédia szerint az emitterkapcsolású erősítő erősítése az Rc/Re aránytól függ. Ezt én első körben 10-re választottam, ahol Rc=1k és Re=100 ohm - ezek hasraütésszerű értékek kombinálva a rendelkezésre álló alkatrészekkel. Az erősítőt A osztályban szeretném üzemeltetni, a lehető legnagyobb kimenő feszültséggel - azaz a jel nélkül a kimeneten a tápfeszültség fele legyen. Tápfeszültségként 9V-os elemet használva 8-9V-al számolhatok

Előfeszítés (biasing) - egyenáramú beállítás

A tranzisztor munkapontját kell tehát meghatározni - azaz a kimeneten alapból jelen levő egyenfeszültséget. Ez ugye az előbbiekben leírtak szerint 4-4.5 V kell hogy legyen.

A legegyszerűbb kiindulni Rc-ből. Tudjuk az értékét (1k), és a rá eső feszültséget(4V), így ki tudjuk számolni Ic-t - 4mA.

Mivel Ie=Ic+Ib és Ic>>Ib így jó közelítéssel Ic=Ie. Mivel ez pontosan az az áram, ami átfolyik Re-n, így szintén ismerjük az erre eső feszültséget. Ez hamarosan igen hasznos lesz…

Ha ismerjük a tranzisztor bétáját, akkor elég könnyedén meghatározhatunk egy Rb=(Utáp-Re*Ie-0.6)/Ib, ami beállítja a nyugalmi áramot:

Az egyetlen szépséghibája ennek az, hogy a tranzisztor bétája mindentől IS függ, beleértve a mexikói peso forintárfolyamát és a mérnök aktuális véralkoholszintjét, így eléggé nem stabil ez a beállítás - arról nem is beszélve hogy baromi nehéz két egyformát találni, tehát sorozatgyártásra sem éppen alkalmas ez az áramkör…

Egy jobb módszer Rb-t Re-vel sorbakötni, így valamelyest stabilizálja a rendszert:

De a legjobb módszer talán egy feszültségosztót használni:

Itt az R1-re eső feszültség ugyan akkora mint az Re-re eső plusz az Ube 0.6-0.7V-ja. Ha tudjuk a tervezett Ic alapján az Re-re eső feszültséget, akkor ahhoz a 0.6V-ot hozzáadva megkapjuk a feszültségosztó értékét. Ezt persze kerekíteni kell a ténylegesen rendelkezésre álló alkatrészek alapján, de mivel csak az Ube változik igazándiból, így ez egy elég stabil és béta-független beállítás. Hozzá kell még tenni hogy a feszültségosztót úgy kell megtervezni hogy a rajta folyó áramhoz képest Ib elég kicsi legyen, és ne befolyásolja így a beállított feszültséget.

Az első próbálkozásként én ezt az áramkört választottam, az osztót egy 10k-s és egy 1k-s ellenállásból felépítve. Ezek az értékek nem éppen ideálisak, mivel bőven nem a tervezett szintre állítják be az áramkört…

Összeszerelés

A teljes oszcillátor rajza így:

Első verzió:

A második verzió ugyan ez volt, csak 2x100nF-al és egy 500nH-s induktivitással

És a megépített áramkör “próbanyákra”:

(sajnos hamarabb szétszedtem mint lefotóztam volna)

Eredmény

Működni nem igazán működi, nem látok oszcillációt sehol az áramkörben.

További teendők - első kör:

• képeket beszúrni ide
• áttervezni az erősítőt kisebb erősítésre?
• képeket beszúrni ide
• áttervezni a munkapont-beállítást megfelelőre
• képeket beszúrni ide
• nagyjából ellenőrizni a tekercs induktivitását?
• új NYÁK tervezése, jobb elrendezéssel, amely minimalizálja a rövidzárak lehetőségét

Papíron már terveztem egy újabb erősítőt, 4.5V-ra: itt az osztó 2:5 arányú, Rc=2k, Re=1k, Au=2. Majd kipróbálom hogy működik-e…

Második kör - ha végre oszcillál:

• hangolhatóvá tenni - változtatható kondenzátor vagy tekercs beépítése (váltás Hartley-ra?)
• puffererősítőt tervezni (mondjuk emitterkövetőt), amely majd az antennát hajtja
• AM-modulátor áramkört tervezni