80m QRP transceiver

80m_qrp_trx

80m_qrp_trxDe M.A.S., (Minimal Art Session) is een contest waarvoor de basis gelegd is door Dr. Harmut "Hal" Weber, DJ7ST (SK). Het idee achter de contest is om amateurs aan te moedigen om een set te bouwen en te gebruiken welke uit een minimum aan componenten bestaat.

 

Om precies te zijn: een zender mag uit niet meer dan 50 componenten bestaan (eenvoudig aan te voldoen) en een hele transceiver mag uit niet meer dan 100 componenten bestaan (een beetje lastiger aan te voldoen). Om het gebruik van een minimum aan onderdelen te stimuleren, worden er bonuspunten toegekend die weer afhangen van hoeveel procent minder onderdelen dan het toegestane maximum gebruikt worden. Gelukkig tellen zaken als knoppen, connectoren, hoofdtelefoons, seinsleutel en dat soort dingen niet mee als componenten. Daarnaast wordt het laagdoorlaatfilter in de eindtrap als 3 onderdelen geteld, ook als het er feitelijk meer zijn, om de spectrale reinheid van het uitgangssignaal te borgen. Je wilt toch niet dat amateurs om meer punten te scoren gaan bezuinigen op het uitgangsfilter…

Echter, als je IC’s wil gebruiken, dan telt het aantal geïntegreerde onderdelen in het IC mee. Het is onmogelijk om vast te stellen hoeveel weerstanden, transistoren en dioden (condensatoren worden meestal niet mee geïntegreerd, hoewel dat heel soms wel het geval is) er in een chip zitten, domweg omdat de fabrikant je dat niet vertelt en mocht er al een vereenvoudigd blokschema zijn van de chip, dan staan daar meestal niet alle onderdelen op. En kan je het aantal inwendige componenten van een chip wél vaststellen, dan loopt dat meestal al gauw in de tientallen. En daarmee is het gebruik van IC’s in een set die ontworpen is voor een MAS contest, eigenlijk zo goed als uitgesloten. Het niet kunnen gebruiken van op-amps, LF versterkers zoals de bekende LM386, mixers zoals de SA612 of CMOS logische poorten is beslist een handicap bij het ontwerpen van een eenvoudige, maar effectieve zendontvanger waarmee echt verbindingen te maken zijn.

Ondanks al deze beperkingen besloot KD1JV om het te proberen. In de loop der jaren zijn al eerder sets met een minimum aan componenten gerealiseerd, zoals de welbekende "Pixie". Het probleem met deze supereenvoudige ontwerpen is dat ze gewoon niet goed werken. De kans om met zo’n soort transceiver een verbinding te maken is minimaal tot nul. En dan is het een verspilling van tijd en materiaal. Wat heeft het voor zin om een set te maken met zo weinig componenten dat je er niet mee kunt werken? Als je nou toch aan een contest mee gaat doen, kan je beter zorgen dat je je tegenstation ook hoort als hij voor je terugkomt!!

Het ontwerp van KD1JV gebruikt 51 componenten voor de hele transceiver, waarmee hij een bonus van 50% verdiende. De zender levert ongeveer 2 Watt, met als enige meetbare harmonische de tweede harmonische op -50dB van de carrier en gebruikt slechts 16 componenten. De ontvanger is van het regeneratieve detector type, met een HF versterker en een twee-traps LF versterker met hoge versterking, bestaande uit in het totaal 35 componenten in zijn minimale uitvoering. De gevoeligheid is ongeveer 0.5 uV als je over goede oren beschikt. Omdat de MAS contest op 80 meter plaatsvindt, is de transceiver dan ook voor 80m ontworpen.

Optionele onderdelen: onderdelen die met een "*" gemarkeerd zijn in het schema, zijn optioneel. Dat zijn o.a. D3, een anti-hufter-diode en onderdelen voor eventuele fijnafstemming. Omdat de set van zichzelf geen sidetoon produceert, wordt er ook een sidetoon generator beschreven. Op de print is rekening gehouden met deze componenten om de set voor een zo breed mogelijk publiek geschikt te maken.

Het Schema:

Schema

De zender

De zender is een simpele kristaloscillator die gebruik maakt van een 3.579 MHz kristal (dat is de Amerikaanse color burst frequentie en die kristallen zijn vaak voor een habbekrats te koop). De gate van een 2N7000 MOSFET is direct verbonden met de uitgang van de oscillator en deze FET is meteen de eindtrap. Q3 wordt gebruikt om de oscillator en de eindtrap te sleutelen. Q4 wordt gebruikt als inverter zodat een gewone sleutel (of keyer) tegen massa kan worden gebruikt. Om op onderdelen te besparen is niet voorzien in het oppoetsen van de schakelflanken zodat het geheel wel wat keyclicks genereert. C7 zorgt voor terugkoppeling zodat de schakeling oscilleert. Normaal zou er een tweede condensator geplaatst worden tussen de emitter en massa, maar de gate capaciteit van de 2N7000 is zo groot dat deze als condensator fungeert. In plaats van een mooie sinus, zoals je zou verwachten van een kristaloscillator, produceert deze oscillator behoorlijk smalle pulsen. Dat verbetert de efficiëntie van de eindtrap (dat snap ik – dat is een complete klasse-D instelling) zodat ondanks dat de 2N7000 een plastic TO-92 behuizing heeft, hij toch niet alarmerend heet wordt bij 2 Watt output. Het is wel aan te raden om de antenne van tevoren op een redelijke SWR af te regelen voordat je gaat zenden, want de 2N7000 heeft een maximale drain-source spanning van 60V en een hoge SWR kan daar makkelijk overheen gaan waarmee je je eindtrap naar de eeuwige ruisvelden helpt. Het laagdoorlaatfilter aan de uitgang geeft enige aanpassing tussen de eindtor en de antennebelasting. C1 in combinatie met L2 vormen een sperfilter voor de tweede harmonische; anders zouden nog meer filtertrappen nodig zijn om aan de eisen van het AT te voldoen. In plaats van de enkele 1500 pf condensator C5 in het laagdoorlaatfilter kunnen ook twee 680 pf condensatoren gebruikt worden (rekentechnisch zelfs beter).

T1 is een bifilair gewikkelde transformator, wat betekent dat twee draden tegelijk gewikkeld worden (5 windingen). Gebruik een Ohmmeter om uit te vinden welke draden bij elkaar horen; A-B en C-D, en knoop dan de draden B en D aan elkaar, die vervolgens de middenaftakking van de transformator vormen, zoals in het schema aangegeven is.

De ontvanger

De ontvanger is van het regeneratieve type en is een iets gemodificeerde versie van de "Scout"  van QRPKITS, ontworpen door Charles Kitchen. Zie http://www.qrpkits.com

Q5 is de QSK schakeltransistor. Tijdens het zenden is deze transistor uitgeschakeld zodat hij de ontvangeringang isoleert van het laagdoorlaatfilter. Q8 is een HF voorversterker in gemeenschappelijke basisschakeling, die ervoor zorgt dat het signaal van de oscillerende detector niet op de antenne terecht komt en dat de antenne niet teveel invloed heeft op de detector. Het afgestemde circuit bestaande uit de secondaire wikkeling van T2 en condensator C16 bepalen de werkfrequentie van de ontvanger. In het ideale geval is de afstemcondensator C17 een luchttype met vertraging. Als je geen bezwaar hebt tegen een paar extra onderdelen kan je een fijnregeling met potmeter en varicap toevoegen. Een klein trimmertje (C27) helpt dan om het afstembereik in te stellen. Maak je C16 150 pf en gebruik je een 50 pf afstemcondensator (C28 vervangen door een doorverbinding) dan bestrijk je zowat de hele 80m band (die in Amerika van 3.5 – 4.0MHz loopt!), en dan is een vertraging wel een noodzaak omdat de afstemming anders nogal kritisch is. Het schema is getekend met polyvariabele afstemcondensator en varicap fijnafstemming. Polyvariabele afstemcondensatoren zijn eveneens te krijgen via qrpkits.com.

De stabiliteit van de ontvanger is direct afhankelijk van de stabiliteit van de componenten die de afstemming bepalen. NPO of C0G type condensatoren zijn daar aan te bevelen. Het gebruik van een poederijzerkern voor de spoel is in dat verband eigenlijk niet handig, maar een luchtspoel zou veel groter worden en lastiger stabiel op te stellen.

Wil je CW of SSB signalen kunnen ontvangen, dan moet de regeneratieve detector oscilleren. Een terugkoppelwinding van T2 maakt een oscillator van de detector. V1 in combinatie met C20 bepalen de hoeveelheid terugkoppeling. De polariteit van de terugkoppelwinding is belangrijk. Als je de detector niet aan het oscilleren krijgt, draai dan de aansluitingen van de terugkoppelwinding om. Bij het maken van T2 wikkel je eerst de 43 primaire windingen. Laat zoveel mogelijk ruimte als mogelijk tussen begin en eind van de wikkelingen, om de andere twee wikkelingen de ruimte te geven. Leg daarna de twee 6-winding wikkelingen erop, in dezelfde wikkelrichting als de grote spoel. Kies nu één uiteinde van de primaire 43 windingen als de "hete kant" en verbind die met de afstemcondensatoren. Het begin van de 6-windingen wikkeling naast het einde van de primaire 43 windingen gaat dan naar de j-fet en de andere kant naar de 5.1V voeding. De polariteit van de wikkeling die naar de HF voorversterker gaat doet er niet toe, dus die mag je naar eigen goeddunken aansluiten.

In het ideale geval wordt de terugkoppeling zo ingesteld dat de detector net begint te oscilleren. Dat punt levert de grootste selectiviteit en gevoeligheid op. Helaas verandert dit punt door het omschakelen tussen zenden en ontvangen, dus in de praktijk moet je de zaak zo instellen dat hij altijd blijft oscilleren.

R9 en C15 vormen een laagdoorlaatfilter waarmee HF signalen en de hoge kant van het LF signaal, zoals dat aanwezig is op R10, afgesneden worden. De drain en source aansluitingen van een J-FET mag je zonder problemen verwisselen. Daarom ziet het schema er anders uit dan het normaal getekend zou zijn. Q7 en Q9 vormen een darlington versterker met hoge versterking. Q6 versterkt het signaal verder en heeft de hoofdtelefoon in serie met zijn collector, en staat ingesteld als klasse A versterker. Deze oplossing bespaart een hoop onderdelen voor een versterker met lage uitgangsimpedantie. Let op: de buitenring van de hoofdtelefoonstekker ligt op voedingsspanningsniveau en moet geïsoleerd opgesteld worden als je een metalen frontplaat gebruikt!

Het sleutelen van de zender zonder demping van het laagfrequent resulteert in zeer luide klikken in de hoofdtelefoon. Dat was duidelijk niet acceptabel, dus moest er een dempingscircuit in. Dat resulteerde in de toevoeging van R11, C19, C14, Q11 en D2. Als de zender gesleuteld wordt, schakelt Q4 uit waardoor R3 de gate van Q3 hoog kan trekken, waardoor de zender opkomt. Via D2 wordt tevens de gate van Q11 hoog getrokken waardoor Q11 aan gaat en C14 naar massa schakelt, wat de basis van Q6 aan massa legt. Bij sleutel-op zorgt de RC-tijdconstante van R11 en C19 voor het vertraagd uitschakelen van Q11 wat spanningsveranderingen de tijd geeft om uit te slingeren en zo de klikken te dempen. Er is nog wel wat klikken te horen, maar op redelijk geluidsniveau en zeker niet hinderlijk.

De 5.1V zener D1 stabiliseert de spanning naar de HF voorversterker en de regeneratieve detector. Als geen anti-hufter-diode toegepast wordt, wees dan voorzichtig bij het aansluiten van de voedingsspanning. Voeding met een gestabiliseerde 13.8V voeding wordt aanbevolen, hoewel ook een 12V gel-accu toegepast kan worden. Dat laatste kan resulteren in chirp, omdat de voeding naar de oscillator niet gestabiliseerd wordt. De minimum werkspanning is ongeveer 10 volts, waarbij het uitgangsvermogen inzakt tot ongeveer 500 mw.

Hou in het achterhoofd dat een regeneratieve ontvanger eigenlijk een direct conversie ontvanger is, dus de signalen van beide zijbanden worden gedetecteerd.

Omdat de ontvanger meestal voor CW of SSB ontvangst gebruikt zal worden, zal in dat geval de detector oscilleren. Er staat genoeg HF signaal op R10 om een gevoelige frequentieteller aan te sturen als digitale uitlezing. Dat kan tevens handig zijn tijdens het afregelen om de ontvanger binnen het gewenste frequentiegebied te krijgen. Ook een tweede ontvanger kan helpen om de ontvanger af te regelen. KD1JV probeerde ook om de kristaloscillator als "Spot" oscillator te gebruiken om zo op je eigen zender af te stemmen, maar het signaal is dan zo sterk dat de ontvanger blokkeert. Een apart kristaloscillatortje kan deze functie natuurlijk wel vervullen.

Je kunt er ook een DSB transceiver van maken! Het is heel goed mogelijk om het signaal van de regeneratieve detector te bufferen en toe te voegen aan een balans modulator om zo DSB (Double Side Band) te maken. De uitgang van de balansmodulator moet dan versterkt worden door een lineaire versterker. Daarmee is een eenvoudig maar effectieve DSB phone transceiver te maken!

Side tone generator

Sidetoneoscillator

Met bovenstaande "Twin T" 600 Hz side tone oscillator is rekening gehouden op de print. Heeft je keyer zijn eigen side tone (de RAZ morse decoder/keyer!) dan zijn deze onderdelen niet nodig. De verbinding "side tone out" gaat naar het punt "ST IN" op het hoofdschema. C24 en C25 kunnen gecombineerd worden tot een enkele 0.047 uf condensator. C21 t/m C25 moeten bij voorkeur filmtypen zijn.
 
Wat foto’s van de opbouw in dode-kever-methode van het prototype (de onderdelen voor het dempen van de sleutelklikken zitten hier nog niet op, die zijn pas na de foto’s toegevoegd). Deze foto’s tonen maar weer eens aan dat het niet mooi hoeft te zijn om goed te werken! In deze versie zit een klein koelvinnetje op de eindtor zodat hij wat beter tegen lange periodes van zenden kan tijdens het afregelen en testen.

mas1

mas2

Print en onderdelenlijst

De layout van de print is HIER te downloaden. Het is een .pdf bestand en print als het goed is schaal 1:1. Het bestand kan zo op een overheadsheet o.i.d. geprint worden voor belichting.

Alternatieve onderdelen

KD1JV maakte gebruik van 2N4401 NPN transistoren. Andere NPN's zoals 2N3904 of PN2222A werken ook. De gebruikte J-FET is een 2N3819, maar andere N channel J-FETs zoals de J-310 kunnen ook gebruikt worden. Let erop dat de gate bij FETs vaak op een andere plaats zit. De gebruikte “varicap” diode voor de fijnafstemming is hier een 1N4001 op het schema. Ook een 1N4753B, een 47V zener diode, is bruikbaar. De 1N4001 heeft een wat kleiner afstembereik en daarvoor kan je C29 iets groter maken om dat de compenseren. Een rode LED doet het ook goed als varicap (hebben we ook in de Bitx toegepast). Het afstembereik is ongeveer 200 kHz, van 3.5 MHz tot 3.7 MHz. Wil je het bereik groter maken, maak C27 dan wat groter en compenseer dat met de trimmer om de afstemming weer in de band te brengen. De componentwaarden in de side tone oscillator moeten niet gewijzigd worden, omdat dat de oscillatorfrequentie verandert. Dat geldt ook voor de waarden van de onderdelen in het laagdoorlaatfilter van de zender.

Componentenopstelling

Voor degenen die een print gaan maken; zo ziet te transceiver eruit op een printje:

PCB-versie

 

Geef een reactie