Bi-polaire Transistor 40m VFO

VFO

Bi-polaire Transistor 40m VFO

VFO

Originele ontwerp: VU3NSH

 
Introductie

Dit project laat zien dat je niet altijd een kristal-, DDS- of PLL- gestabiliseerde VFO nodig hebt om een SSB set aan te sturen. VU3NSH, Harisankar, presenteert op zijn website een ontwerp van een stabiel 3-transistor VFO welke voor velerlei doelen ingezet kan worden.

Ik was verbaasd door de 1 Hz stabiliteit die Harisankar claimde, en besloot een afgeleide van dit ontwerp te bouwen met in plaats van een afstemcondensator, een multi-turn potmeter en varicap voor de afstemming. Met dit VFO kunnen dan SSB en digimode schakelingen aangestuurd worden om in deze modes te werken. Er is wel een beperking bij deze toepassing: de VFO moet minstens 15-30 minuten voor gebruik ingeschakeld worden om een stabiliteit van ongeveer 0.1Hz/s te kunnen bereiken.

Werking

De schakeling spreekt voor zichzelf. De eerste transistor is geschakeld als emittervolger en vormt als zodanig een lage capacitieve belasting van de LC kring (omdat de emitter en de basis in een emittervolger op nagenoeg dezelfde spanning staan; doorgaans ergens tussen de 0,3 en 0,5V verschil) De tweede en derde transistor zijn standaard emittervolger buffertrappen.

De voedingsspanning van de VFO is 8V DC. Het verder terugbrengen van de voedingsspanning naar bijvoorbeeld 5V zou de thermische drift nog wat kunnen beperken door het energieverbruik (en dus de warmte afgifte) van de actieve elementen en de rest van de VFO schakeling te verminderen. De VFO kan op dusdanig lage spanningen werken, dat deze maar weinig bijdraagt aan de warmteproductie. De omgevingstemperatuur en andere warmteproducerende delen van de set zullen de meeste invloed hebben op de thermische stabiliteit. Het afschermen van de schakeling kan de invloed van de omgevingstemperatuur nog verder beperken. Maar het verlagen van de voedingsspanning heeft ook een nadeel: een lagere uitgangsspanning betekent dat de ruisvloer dichterbij komt – en dus een lagere signaal-ruisverhouding.

De VFO met bipolaire transistors werd opgebouwd in "Manhattan Style" (een stuk printplaat waarop steuntjes van b.v. afgeknipte of gezaagd printplaat worden gelijmd voor de stevigheid). Voor de frequentiebepalende condensatoren werden styroflex typen gebruikt. Alle condensatoren werden met bisonkit op de koperen grondplaat gelijmd. L1 heeft 10 windingen en is van het type zoals op onderstaand plaatje staat. De diameter is 5mm en de spoel is voorzien van een ferrietkern. Alle weerstanden zijn 1/8W, 5% typen. In het originele ontwerp van VU3NSH zat een zenerdiode van 9,1V. In plaats daarvan gebruikte ik een voltage regulator van het type 7808. Ook heb ik het PI-filter aan de uitgang weggelaten. Voor de varicap is gekozen voor een BB529 (10…50pF). De hele VFO schakeling werd in een blikje ondergebracht om externe invloeden zoals elektro-magnetische velden, warmte en licht tot een minimum te beperken. In het blikje is een klein gaatje gemaakt om de ferrietkern van L1 te kunnen verstemmen. Naast het blikje zit de multi-turn 5k potmeter (100kHz/omw afstemming) en de 1-slag 200 Ohm potmeter (+/- 200Hz fijnafstemming). De regulator werd buiten het blikje gehouden om opwarming binnen het blik te voorkomen.

Ik regelde de kern van de spoel zo af, dat een deel van de 40m band bestreken wordt (7.0 – 7.1MHz). Door het verstellen van de kern kan het bereik van de VFO gevarieerd worden tussen 6 en 9 MHz. In het schema hieronder zit een foutje: tussen de loper van de 5k potmeter en de varicap moet nog een weerstand van 47k geplaatst worden. Deze staat niet op het schema.

VFO schema

     Schema van de VFO schakeling.

Componenten

Voorbeeld van spoel L1 en een styroflex condensator

rangestart rangestop

Begin van het VFO bereik          Eind van het VFO bereik

top view

Bovenaanzicht van de VFO in blik

LF frequentie analyse

Onderstaande foto's laten het gedrag van de VFO zien. Het oscillatorsignaal werd beluisterd op een Kenwood TS515 SSB ontvanger op 7.058kHz en het uitgangssignaal werd toegevoerd aan een PC die Digipan draaide welke over een LF spectum analyser beschikt. De watervalweergave laat de frequentie zien op de horizontale schaalverdeling. Vertikaal is de tijd uitgezet. Ik heb gekozen voor een waterval lengte van 100 seconden.

analysis1

Drift net na het inschakelen  ( ∆ƒ / ∆t ) ≈ (2590-1085)/87 ≈ 17 Hz/s 

analysis2

Drift na 11 minuten  ( ∆ƒ / ∆t ) ≈ (2790-2680)/100 ≈ 1.1 Hz/s

analysis3

Gedrag van de VFO’s op het waterfalldisplay 19 minuten na inschakelen (full screen is 100 seconden).  

Drift na 19 minuten  ( ∆ƒ / ∆t ) ≈ (20)/100 ≈ 0 .2 Hz/s

analysis4

In het midden van deze foto is te zien wat er gebeurt als de fijnafstemmingspotmeter volledig met de klok mee gedraaid wordt, daar een paar seconden blijft staan en vervolgens weer in de uitgangspositie geplaatst wordt. De frequentie stijgt ongeveer 250Hz.

Ruis

In het ideale geval blijft een VFO exact op frequentie staan. Maar VFO's zijn nooit ideaal: de output van de VFO varieert een beetje. En dus varieert de uitgang ook iets in amplitude. Deze amplitudevariatie komt weer in de mixer terecht waar deze gemengd wordt met het binnenkomende signaal. Als het inkomende signaal sterk genoeg is, manifesteert de afwijking zich als een verruwing van het signaal aan de uitgang van de middenfrequent. Als het inkomende signaal net boven de ruis zit, kan de VFO ruis het signaal zelfs volledig verzuipen. Dus, het eerste effect van een ruiserige VFO is een verslechtering van de ontvanger gevoeligheid.

Ruis (met een AM en/of FM component) kan nooit volledig onderdrukt worden. Maar: het ruisniveau van een VFO is een relatieve parameter. De signaal/ruisverhouding van de VFO van een ontvanger moet tenminste net zo goed zijn als de totale specificatie van de ontvanger. Er zijn twee manieren om dat te bereiken: de eerste is om de Q van de frequentiebepalende componenten zo groot mogelijk te maken, zoals b.v. met een kristal. De tweede manier is om eenvoudig meer signaal te produceren en tegelijkertijd de ruis zo laag mogelijk te houden. De LC-kring welke in het schema met de eerste in klasse-A geschakelde BC549C is verbonden, heeft een relatief hoge Q. De voedingsspanning is vrij hoog (8V), hoewel de thermische drift alleszins acceptabel is. Deze combinatie resulteert in een VFO signaal met lage ruis.

A good VFO is more about your radio craft than about particular oscillator
configuration. PLL is for wimps who can’t build well (just kidding) *)

Met dank aan Ashar *), Peter en Arv van het HnP-forum voor hun positieve commentaar.

Bron: http://www.hamradioindia.org/circuits/vfo.php?