Buizenontvanger voor 80m

Buizenontvanger voor 80m

De Bitx is voor een aantal van ons nog niet eens af, maar wij denken al weer vooruit aan het volgende projectje wat we de komende winter willen gaan bouwen. Op verzoek iets met buizen. Aangezien niet iedereen over veel bouwervaring beschikt, was de overweging dat we bij voorkeur niet met de bij buizen gebruikelijke hoge spanningen (250VDC) wilden werken. Gelukkig is dat ook niet nodig.

 

Aangezien niet iedereen weet hoe een buis werkt, is enige uitleg wellicht op zijn plaats. Een buis bestaat uit tenminste twee elektroden: de Kathode en de Anode. Deze kreten kennen we vast nog wel uit het leerboek van de radioamateur. Bij buizen wordt onderscheid gemaakt tussen de direct en de indirect verhitte kathode. Bij de direct verhitte kathode bestaat deze vaak uit de gloeidraad zelf. Dit betekent dan ook dat de gloeidraad met gelijkstroom gevoed moet worden om brom te voorkomen. Direct verhitte kathodes vind je dan ook meestal bij batterijbuisjes.

Bij de indirect verhitte kathode is de kathode als cilinder om de gloeidraad heen uitgevoerd en wordt door de gloeidraad verhit. Daardoor kan de gloeidraad ook met wisselstroom gevoed worden. In dit geval heb je dan 4 aansluitingen aan de buis: twee voor de gloeidraad, een voor de kathode en een voor de anode.

Door het verhitten van de kathode worden elektronen losgeslagen uit hun baan om de atoomkern waar ze normaal hun rondjes draaien. Zoals je waarschijnlijk nog wel weet, zijn elektronen negatief geladen. Om de kathode heen bevindt zich dus een wolk van elektronen die negatief geladen is. Brengen we nu een spanning aan tussen de anode en de kathode en wel zodanig dat de anode positief is ten opzichte van de kathode, dan zal de negatieve elektronenwolk aangetrokken worden door de positieve anode en zich naar de anode toe bewegen. Er gaat nu een stroom lopen.

Sluit je de spanning andersom aan, dus met de min op de anode en de plus op de kathode, dan zal de negatieve anode de eveneens negatieve elektronenwolk afstoten. De elektronen kunnen niet terug de kathode in, want daar worden ze door de hitte net zo hard weer uit geschopt. Er kan nu dus geen stroom lopen. De buis werkt op deze manier dus als diode!

Brengen we nu tussen de kathode en de anode een spiraal van dun draad aan waarvan we de aansluiting naar buiten uitvoeren, dan moeten de elektronen op weg van kathode naar anode die draad passeren. Zetten we nu een spanning op die spiraal van draad en wel zodanig dat de spanning negatief is ten opzichte van de kathode, dan worden de elektronen op weg naar de anode afgestoten door de negatieve spanning. Alleen de hele snelle jongens komen er nog doorheen. Maar hoe negatiever de spanning, hoe moeilijker het wordt voor de elektronen om de draad te passeren. Die draad wordt over het algemeen "rooster" genoemd. Door de spanning op het rooster te variëren, verandert dus ook de stroom tussen kathode en anode. Er loopt geen stroom in het rooster zolang deze negatief is ten opzichte van de kathode: de impedantie is dan ook vrijwel oneindig hoog. Net als bij een FET, en daarom wordt de buis daar ook vaak mee vergeleken. De mate waarin de stroom varieert onder invloed van de spanning, wordt de steilheid van de buis genoemd, uitgedrukt in mA/V. Het geeft dus eigenlijk de versterking van de buis weer. Hoe groter de steilheid, hoe groter de versterking. Een buis die uitgevoerd is met een anode, kathode en (stuur)rooster wordt triode genoemd.

Voor de zwaardere buizen wordt buiten het stuurrooster nog een extra draad aangebracht tussen stuurrooster en anode. Deze dient om de – door het stuurrooster afgeremde – elektronen weer een beetje snelheid te geven. Dit rooster ligt daarom weer op een hoge spanning ten opzichte van de kathode: tot de anodespanning aan toe. Het stuurrooster wordt altijd g1 genoemd, en dit versnellingsrooster g2.

Na het versnellingsrooster wordt dan vaak nog een derde draadspiraal aangebracht: het remrooster of g3. Dit rooster ligt dan weer op massapotentiaal. Door de grote snelheid van de elektronen die bij de anode aankomen, worden vaak weer elektronen losgeslagen uit het anodemateriaal. Deze elektronen geven, als ze weer terugvallen op de anode, vervorming van het oorspronkelijke signaal. Ze waren immers niet op pad gestuurd door de kathode, maar maken wel deel uit van de anodestroom. Dit verschijnsel waarbij elektronen losgeslagen worden uit de anode, wordt secundaire emissie genoemd. Het remrooster vangt deze losgeslagen elektronen op.  Een buis met anode, kathode, g1, g2 en g3 wordt penthode genoemd.

Tot zover een stukje theorie. Ik heb al eerder verteld dat we een superregeneratieve ontvanger gaan maken: ik gaf als voorbeeld de een-transistor ontvanger. Bij een superregeneratieve ontvanger wordt een stukje van het signaal dat door de eerste trap versterkt is, teruggevoerd naar de afgestemde kring. Daardoor wordt de onvermijdelijke demping van de afstemkring gecompenseerd en dat heeft tot gevolg dat de kring een schijnbaar heel hoge Q krijgt waardoor de selectiviteit toeneemt, en uiteraard neemt de versterking toe. Dit bereik je door een variabele terugkoppeling. Maar voor CW en SSB ontvangst is een BFO nodig. Door de terugkoppeling zó ver op te voeren dat de schakeling zachtjes begint te oscilleren, maak je daarmee de BFO die je nodig hebt voor het detecteren van CW of SSB. De basisschakeling ziet er als volgt uit:

In het ontwerp zijn twee buizen toegepast: de EF80 is een hoogfrequent penthode met 6,3V gloeidraadvoeding, en de ECL80 is een buis met een triode en een laagfrequent penthode in één behuizing en heeft eveneens 6,3V gloeispanning nodig. Hoewel in het schema de triode en de penthode van de ECL80 met elk een eigen kathode staan getekend, delen ze in de praktijk de kathode. Zoals je ziet, loopt de schakeling op 12V en dat is een normale spanning waar wij in de transistortechniek ook mee werken. In de anodeleiding van de penthode is een uitgangstransformator opgenomen om de luidspreker aan te sturen. Dat komt omdat ook de uitgangsimpedantie van een buis behoorlijk hoog is. Deze wordt vaak berekend door de anodespanning te delen door de anodestroom. Bij een anodestroom van 2mA en een spanning van 12V is de uitgangsimpedantie 12/0,002=6000 Ohm. Nou zijn luidsprekertransformatoren bij de standaard elektronicatoko niet echt meer gemeengoed, maar gelukkig is daar een truc voor. Om een 8 Ohm luidspreker aan te kunnen sturen, is een impedantietransformatie nodig van 6000/8=750. Zoals we weten, vindt impedantietransformatie plaats met het kwadraat van het aantal windingen. De windingsverhouding moet dus wortel uit 750 zijn en dat is ongeveer 27. Nemen we nou een nettransformator met primair 230V, dan moet deze dus secundair een spanning leveren van 230/27 en dat is ongeveer 9. Dus een gewoon voedingstransformatortje van 230/9V werkt prima als uitgangstransformator! Het vermogen is door de lage spanning echter beperkt. Dus hebben we naar een tweede ontwerpje gekeken die op het eerste voortborduurt:

Hier zie je dat een anodespanning van om en nabij de 50V wordt gebruikt en dat valt nog net onder de definitie Laagspanning. De luidsprekertransformator is in dit schema vervangen door een anodeweerstand en met een condensator wordt het laagfrequent voor een hoofdtelefoon afgenomen. De schakeling wordt gevoed door een transformator met twee windingen en dat is weer een lastig of duur component. Verder is de afstemspoel anders uitgevoerd: in Fig.1 werd de kathode op een aftakking aangesloten waardoor de vereiste terugkoppeling ontstaat, en in Fig.2 is de terugkoppeling uitgevoerd met een separate winding. Vooral de voeding stond me tegen in dit ontwerp. Daarom is dat anders opgelost, en wel met een spanningsverdrievoudiger:

Deze wordt met de 12V wisselspanning gevoed, die, zoals we weten, een topspanning heeft die wortel 2 hoger ligt, dus rond de 16V. Tijdens de positieve helft van de sinus wordt de eerste condensator geladen tot de topwaarde, dus die 16V. Bij de daaropvolgende negatieve helft van de sinus spert de eerste diode, en komt de eerste elco in serie te staan met de aangeboden spanning. Deze 16+16V komt via de tweede diode in de tweede (horizontaal getekende) elco terecht. En de lading van deze elco, inmiddels 32V, komt bij de volgende positieve periode van de sinus weer in serie te staan met de ingangsspanning en wordt via de derde diode in de derde elco gepompt. Daarmee staat 48V aan de uitgang en kunnen we met één 12V transformator zowel de twee gloeidraden in serie (2×6,3V) voeden als de anodespanning van 48V maken.

Hugo PA2HW en ik besloten om het beste van twee werelden te combineren. De laagfrequent eindtrap wordt weer voorzien van een luidsprekertransformator om een echte luidspreker te kunnen voeden. Om voldoende vermogen te kunnen maken moet de ECL80 daarvoor wel op 45V staan. Dat kan dus. Verder hebben we afgesproken dat Hugo de ontvanger volgens Fig.2 bouwt, met de extra terugkoppelwikkeling. Ik vind het voor onervaren bouwers prettiger een enkele spoel te hebben met hooguit een aftakking. Dus bouw ik de ontvanger op volgens Fig.1 en daarna vergelijken we de resultaten.

Verder moeten we nog kijken naar de afstemming, want met een afstemcondensator van 320pF (Fig.1) of 500pF (Fig.2) is het afstembereik veel te groot. Als je de spoel wikkelt met 15 windingen op een 32mm spoelvorm (stuk afvoerpijp) dan heb je 10uH. De afstemcondensator moet dan lopen van 175pF tot 206pF om de hele 80m band te bestrijken van 3500-3800kHz. Ik zet er dus een vaste C overheen van 150pF en een trimmer van 30pF om de onderste bandgrens in te kunnen stellen. De afstem-C hoeft dan maar een bereik van 30pF te hebben.

Mijn ontwerp in kartonnen doos hebben jullie al kunnen zien. Inmiddels haalde ik bij de Pelgrimshoeve aan de Wattstraat (What's in a name) 21 in Zoetermeer, een tweedehandswinkel die elke dinsdag van 18.00 – 21.00 open is, voor €0,75 een tweedehands cakeblik. Daar ben ik nu de ontvanger in aan het opbouwen. Hugo werkt nog op een plankje, zoals je de laatste clubavond hebt kunnen zien. Maar zijn ontvanger werkt inmiddels, en de mijne nog niet… Hugo heeft een 500pF afstem-C en die is inderdaad veeeeeeel te gevoelig bij het afstemmen op SSB. Hugo heeft al wel 3630 ontvangen! Het principe werkt dus, nu nog bijwerken zodat het na te bouwen is voor de liefhebbers. Foto's:

Zo na de zomer zullen we via een oproep op de website inventariseren wie er allemaal mee willen bouwen aan een buizenontvangertje voor 80. Het idee is om er daarna nog een AM-buizenzendertje bij te bouwen voor de liefhebbers. Daar zal wél wat hoogspanning op moeten… Hopelijk is het enthousiasme gewekt met deze publicatie.