HO001 – Circuiti di oscillatori RF
Per generare un segnale a frequenza superiore a quella ultrasonica, i classici sistemi RC a transitor (o circuiti integrati) basati sulla costante di carica o al raggiungimento di una tensione di soglia o rete risonante, non funzionano più, quindi devono essere abbandonati per lasciare il posto a circuiti risonanti LC o a quarzi.
Con questi componenti è possibile realizzare oscillatori capaci di funzionare dalla banda delle onde lunghe alle UHF, scegliendo opportune induttanze, capacità e transistor dedicati a quella precisa banda.
In un circuito induttanza capacità parallela, la frequenza di risonanza è quel punto esatto in cui la reattanza capacitiva è uguale a quella induttiva e lo sfasamento è nullo, in questo preciso istante l’ energia capacitiva accumulata dal condensatore si riversa sulla bobina, la quale immagazzina energia induttiva per riversarla nuovamente sul condensatore, ciclo che si ripete all’ infinito, naturalmente per dare inizio a tutto, serve un impulso elettrico e un sistema che amplifica il segnale risonante per riportarlo nuovamente al circuito LC sotto forma si nuovo impulso di partenza, per fare questo, ci vuole un amplificatore controreazionato come raffigurato
Il sistema più semplice per costruire un oscillatore RF è quello formato da un transistor (o fet) e dai pochi componenti necessari per avere la giusta polarizzazione.
Come visibile nel disegno, il transistor Q1 grazie alla polarizzazione ottenuta attraverso R1, R2 e R3, si trova in “zona attiva” cioè anche a oscillatore spento, sul collettore circola una corrente di polarizzazione (o BIAS).
Tutti sanno che i transistor hanno al loro interno delle capacità parassita dovuta alla giunzione base collettore e base emettitore e una finale (quella che interessa più a noi) tra collettore e emettitore.
Inserendo un circuito risonante, la corrente di collettore fornisce l’ impulso di partenza per l’ oscillatore, la capacità intrinseca tra collettore e emettitore, riporta parte del segnale presente sul collettore (ovvero la sinusoide relativa alla risonanza LC) verso l’ emettitore, lo stesso transistor configurato come amplificatore a base comune, riamplifica il segnale stesso, reinviandolo in fase al circuito risonante e il ciclo si ripete.
Il condensatore CB, serve a migliorare il funzionamento dell’ oscillatore stesso.
Questo tipo di circuito permette di raggiungere valori di frequenze molto ma è influenzabile dal carico, perché ogni piccola variazione potrebbe anche farlo spegnere.
Altro tipo di oscillatore è quello qui raffigurato, dove il transistor oscillatore lavora come amplificatore a emettitore comune, questo tipo di oscillatore, rispetto a quello descritto precedentemente, è meno critico sul tipo di transistor da usare, perché la capacità intrinseca tra collettore e emettitore influisce poco sul funzionamento (ma solo sulla frequenza), perché a innescare la reazione che produce il funzionamento è il condensatore CB, che riporta il segnale RF sulla base sfasato di 180°.
A differenza dello schema precedente, questo richiede una bobina oscillatrice a presa centrale, ma può funzionare tranquillamente con una più vasta serie di transistor.
Questi due circuiti appena descritti permettono di raggiungere valori di frequenze elevati, rispetto a quello che stiamo per andare a vedere, nello stesso tempo è più stabile di quello a base comune, perché ogni minima variazione del carico influisce sulla frequenza e potrebbe anche farlo spegnere.
Nella configurazione a collettore comune, il transistor ha un elevato guadagno in corrente, ma un guadagno in tensione nullo, questo significa che il segnale di uscita sull’ emettitore, ha la stessa ampiezza di quello presente sulla base, cioè la stessa del circuito risonante.
Parte del segnale di uscita, viene riportato al circuito risonante attraverso RX e CX, questo tipo di oscillatore, presenta una migliore stabilità rispetto a quello precedentemente descritto, ma ha un limite sulla massima frequenza raggiungibile, a causa delle induttanze e capacità parasite, noi ne sconsigliamo l’ uso per frequenze superiori a 80Mhz.
A differenza dei precedenti, questo tipo di oscillatore presenta un uscita a bassa impedenza, quindi meno influenzabile dal carico. Il segnale prelevabile sull’ uscita, può essere usato direttamente senza bisogno di buffer adattatori di impedenza.
Per adattare l’ alta impedenza di uscita degli oscillatori e avere un circuito a bassa impedenza idoneo per pilotare qualsiasi circuito (miscelatore o trasmettitore), conviene montare un buffer inseguitore come quello rappresentato, così facendo migliora anche la stabilità in frequenza.
Questa operazione può essere fatta da un normalissimo transistor RF, un mosfet oppure da un fet, nel disegno sopra raffigurato, si vedono le varie configurazioni.
Naturalmente gli stessi oscillatori possono essere fatti anche con transistor PNP, basta invertire le polarità, l’ importante è ricordarsi che un oscillatore giusto, deve essere in grado di lavorare anche dimezzando la tensione di alimentazione, se dovesse spegnersi anche solo riducendo quest’ ultima del 30%, meglio scartarlo.
I nostri circuiti funzionanti a 12V, lavorano perfettamente anche a 9V senza alcun problema.
Controllo di sintonia mediante condensatore variabile
La frequenza di risonanza dei vari oscillatori può essere variata in due modi, variando il valore induttivo (attraverso un nucleo ferromagnetico) o variando la capacita oscillatrice, attraverso opportuni condensatori variabili, soluzione questa preferibile rispetto alla variazione induttiva.
Usando i condensatori variabili nei nostri schemi, otterremo degli oscillatori facilmente sintonizzabili su varie frequenze, basta solo sostituire il condensatore Cx fisso con un CX variabile delle caratteristiche desiderate.
Esistono dei condensatori variabili la cui capacità è dell’ ordine delle centinaia di pF per le onde lunghe e medie, altri invece dell’ ordine delle decine di pF per la banda HF e di pochi pF per la VHF.
Oscillatori controllati in tensione
Questi tipi di oscillatori chiamati anche VFO (voltage frequency oscillator) hanno la possibilità di controllare la frequenza di lavoro attraverso una tensione continua necessaria per polarizzare dei diodi varicap in sostituzione del condensatore variabile.
Questi diodi se polarizzati direttamente sono come dei normalissimi 1N4148, ma se polarizzati inversamente creano un campo elettrico all’ interno della giunzione (come nei fet e mosfet), questo va si che la capacità intrinseca tra anodo e catodo diminuisce all’ aumentare della tensione.
Sul mercato si trovano diodi varicap con caratteristiche diverse in funzione della banda di frequenze sulla quale devono operare, per esempio sulle OL, OM e parte delle OC, si usano diodi che vanno da 500-600pF a 0V fino a 30-35pF a 12 o 30V, mentre sulle HF (banda 6 metri) e VHF banda bassa, sono preferibili diodi la cui capacità intrinseca va da 40-50pF a 0V fino a 10-15pF a 5 o 12V, mentre sulla banda alta VHF e UHF, ci sono diodi da 15-20pF a 0V fino a 5-6pF a 5, 12 o 30V e infine nelle SHF si usano diodi da 7-8pF a 0V fino a 0,3-0,5pF.
Sostituendo i condensatori risonanti con diodi varicap, si ottengono circuiti come quelli rappresentati qui sotto.
Nel primo schema, abbiamo riportato un VFO realizzato con circuiti C/MOS, questo circuito a differenza di quelli normali a transistor, fornisce in uscita solo unde quadre a livello logico C/MOS, variando la tensione sui diodi varicap, varia di conseguenza la frequenza dell’ oscillatore; nel secondo schema, i diodi sono invertiti, perché ai capi della bobina oscillatrice si trova la tensione di alimentazione, positiva rispetto a massa, in questo caso la frequenza è minima con V SINT = Vcc e massima con V SINT a massa.
Nel terzo schema è tutto come nel secondo, solo a polarità invertite, perché quest’ ultimo lavora con una tensione di alimentazione negativa rispetto a massa.
Oscillatori a integrati C/MOS
Questi insoliti VFO sono speso usati nei laboratori come circuiti sperimentali, dal momento che i C/MOS sono meno critici dei transistor e hanno un costo molto basso, in più forniscono in uscita un segnale di ampiezza elevata (dal momento che lo “0” corrisponde a 0V e l’ “1” al valore della tensione di alimentazione pari a +Vcc) possono pilotare facilmente qualsiasi stadio RF, o divisori digitali per frequenzimetri o PLL.
Per l realizzazione di questi circuiti è molto importante il tipo di integrato da usare, per i C/MOS serie 4000, bisogna ricordare che usando quelli della serie CD o MC, la massima frequenza ottenibile è di soli 3Mhz se alimentati a 12V e 2,5Mhz se alimentati a 5V, usando invece quelli della serie HCF, la frequenza massima di lavoro può raggiungere i 12Mhz, mentre per gli HEF arriva anche a 22Mhz, volendo usarli a frequenze maggiori, bisogna passare alla serie 74HC e 74HC4000.
Queste serie di C/MOS sono compatibili con la serie TTL (in particolare la serie 74HCT) condividendo la stessa tensione di lavoro di 5V, però sono in grado di lavorare a una frequenza molto elevata, superiore ai TTL classici, potendo lavorare anche a 60Mhz (in alcuni casi 80Mhz).
La serie 74HC e 74HCT sono dei C/MOS molto veloci con le stesse sigle e connessioni dei TTL, un 74HC00 internamente è formato da C/MOS sulla falsariga di un CD4011, ma ha la stessa pedinatura di un SN7400, mentre la serie 74HC4000 è come la serie 74HC norlame ma con le pedinatore della serie CD4000, per esempio un 74HC4060, ha la stessa pedinatura di un CD 4060, MC14060, HCF4060 o HEF4060, solo che lavora solo a 5V e fino a una frequenza di 65Mhz, a differenza degli altri che lavorano fino a 15V a frequenze rispettivamente di 3,5Mhz, 12Mhz e 22Mhz.
Bobine e condensatori da usare
I condensatori da noi usati in questi circuiti sono tutti di tipo ceramico a disco (una volta c’ erano anche ceramici a tubetto), perché più idonei alle RF rispetto a quelli al poliestere, unico problema è la sensibilità alle variazioni di temperatura e la bassa tensione di lavoro, noi consigliamo di usare sempre valori di tensione almeno 1,5 volte superiori se si tratta di condensatori filtro (come quelli da 100nF montati sull’ alimentazione) quindi se il circuito lavora a 5V, il condensatore filtro dovrà essere almeno da 10V, mentre con tensioni di alimentazione fino a 15V, bisognerà usare condensatori da 25V.
Per quelli montati sugli stadi oscillatori, meglio scegliere valori di 25V o 35V, anche se nei trasmettitori di potenza sono presenti condensatori ceramici di 1KV, normalmente i condensatori a disco sono tutto di bassa tensione, difficile trovarne sopra i 40V.
Per la sensibilità alla temperatura, va ricordato che quelli scelti per gli oscillatori devono essere del tipo insensibile, cioè NP0, questa caratteristica è facile da trovare, perché gli NP0 hanno una macchia nera nella parte alta, montando uno non NP0, si otterrà che al variare della temperatura, varia anche la sua capacità, modificando la frequenza di risonanza del circuito.
Per le bobine, queste sono i vero componenti critici, alcuni circuiti necessitano di bobine fise, queste a volte si possono trovare sul mercato, esse sono contenute in un contenitore plastico simile a un condensatore al poliestere con stampigliato sopra il valore in uH o mH, oppure se ne trovano con involucro ceramico a forma di goccia con dei colori sopra indicando il valore in uH attraverso il codice dei colori.
Se invece il valore richiesto risultasse molto basso, inferiore a 1uH, bisogna armarsi di pazienza e costruirsi la propria bobina usando del filo di rame smaltato o rame argentato a seconda de tipo di bobina da fare.
Se una bobina una volta montata necessita di taratura, si ricorre al supporto con nucleo ferromagnetico, questi supporti in plastica, posseggono un nucleo a forma di vite che entrando più o meno all’ interno della bobina stessa, permette un escursione di valori fino quasi al doppio rispetto a una bobina sprovvista, ricordiamo che il nucleo ferromagnetico deve essere inserito sempre dal “lato freddo” della bobina, ovvero dal lato il cui capo del filo è saldato a massa o all’ alimentazione, ma non al collettore del transistor.
Transistor da usare:
I transistor usati per questi circuiti devono essere di tipo RF-VHF o UHF a seconda della frequenza di lavoro, non vanno bene tutti i transistor BF come BC237, BC337, BC328, BC548, BC558, anche se stranamente i BD135 e BD137, pur essendo transistor di BF hanno una capacità intrinseca tra collettore e emettitore molto bassa e una frequenza di taglio intorno a 200Mhz, che li rendono buoni anche come finali di potenza RF senza acquistare dei transistor dedicati dal costo elevato.
Per gli oscillatori noi consigliamo dei transistor in grado di lavorare a valori superiori rispetto alla frequenza dell’ oscillatore, tra questi ne elenchiamo alcuno come il 2N706, 2N708, 2N2221, 2N2222, BSX26, per la banda CB si possono usare anche il 2N1613, 2N1711, BFY51, mentre in banda VHF meglio usare il BF450, BF540, BF199, BF241, BFR99, BFR90, BFW92, BFR36.
Come mosfet in banda OC. HF può andare benissimo l’ IRFD110 e l’ IRFD1Z3, mentre come fet vanno bene il J300, J310, 2SK49, 2N3819, BF244 e BF245.
Alcuni schemi pratici:
Oscillatore RF con MF da 455Khz, 5,5Mhz e 10,7Mhz
Questi oscillatori sfruttano le caratteristiche di alcuni integrati digitali C/MOS e dei gruppi a media frequenza per ricevitori.
Questi gruppi MF a forma di cubetto metallico, sono dei circuiti risonanti parallelo e contengono al loro interno un avvolgimento principale e uno secondario per pilotare gli stadi successivi.
Per le prime abbiamo usato dei comuni C/MOS serie 4000 alimentati a 12V, mentre per le seconde abbiamo preferito i C/MOS serie 74HC, alimentati a +5V.
Questi oscillatori forniscono in uscita un segnale a onda quadra.
Inserendo dei diodi varicap si possono realizzare dei VFO.
Elenco componenti oscillatori MF:
Circuiti a 455Khz:
RP1 = 1MΩ 0,25W
RP2 = 1MΩ 0,25W
RU = 22KΩ 0,25W
CI = 33pF 35V ceramico NP0
CU = 15pF 35V ceramico NP0
CF = 100nF 24V ceramico (da mettere tra i pin 14 e massa di U1, U2, U3)
MF = media frequenza 455Khz nucleo giallo (bianco o nero)
U1 = CD4069, MC14069, HCF4069
U2 = CD4001, MC14001, HCF4001
U3 = CD4011, MC14011, HCF4011
Alimentazione a 12V
Circuiti a 5,5Mhz
RP1 = 1MΩ 0,25W
RP2 = 1MΩ 0,25W
RU = 22KΩ 0,25W
CI = 33pF 35V ceramico NP0
CU = 15pF 35V ceramico NP0
CF = 100nF 24V ceramico (da mettere tra i pin 14 e massa di U1, U2, U3)
MF = media frequenza 5,5Mhz
U1 = HEF4069
U2 = HEF4001
U3 = HEF4011
Alimentazione a 12V
Circuiti a 10,7Mhz
RP1 = 560KΩ 0,25W
RP2 = 560KΩ 0,25W
RU = 10KΩ 0,25W
CI = 27pF 35V ceramico NP0
CU = 12pF 35V ceramico NP0
CF = 100nF 24V ceramico (da mettere tra i pin 14 e massa di U1, U2, U3)
MF = media frequenza 10,7Mhz verde (arancio, o rosa con C in parallelo da 47pF)
U1 = 74HC04, 74HC4069
U2 = 74HC02
U3 = 74HC00
Alimentazione a 5V
Generatore MF 10,7Mhz modulato in FM
Questo generatore di MF modulato in FM, di facile uso, impiega come rete risonante una media frequenza del tipo montato nelle radioline portatili e permette di tarare gli stadi MF dei ricevitori.
R1 = 2,2KΩ 0,25W
R2 = 2,2KΩ 0,25W
R3 = 330KΩ 0,25W
R4 = 3,9KΩ 0,25W
R5 = 22KΩ potenziometro lineare
R6 = 100Ω 0,25W
R7 = 47KΩ 0,25W
R8 = 47KΩ 0,25W
R9 = 120KΩ 0,25W
R10 = 470Ω 0,25W
R11 = 47KΩ 0,25W
R12 = 47KΩ 0,25W
R13 = 680Ω 0,25W
R14 = 10KΩ 0,25W
R15 = 10KΩ 0,25W
R16 = 390Ω 0,25W
R17 = 270Ω 0,25W
C1 = 10nF 25V ceramico
C2 = 10nF 25V ceramico
C3 = 10nF 25V ceramico
C4 = 47uF 16V elettrolitico
C5 = 10uF 16V elettrolitico
C6 = 4,7uF 16V elettrolitico
C7 = 4,7nF 25V ceramico
C8 = 100uF 16V elettrolitico
C9 = 10nF 25V ceramico
C10 = 100nF 25V ceramico
C11 = 1nF 25V ceramico
C12 = 100nF 25V ceramico
C13 = 22nF 25V ceramico
MF1 = media frequenza 10,7Mhz nucleo verde
DV1 = diodo varicap tipo BB204
Q1 = transistor NPN tipo BC549
Q2 = Q3 = transistor NPN tipo BF199
Microtrasmettitore FM 88-108Mhz
Se volete farvi sentire attraverso la radio, allora potete costruire questo piccolo TX VHF
R1 = 10KΩ 0,25W
R2 = 1KΩ 0,25W
R3 = 150KΩ 0,25W
R4 = 150KΩ 0,25W
R5 = 10KΩ 0,25W
R6 = 330KΩ 0,25W
R7 = 3,3KΩ 0,25W
R8 = 47KΩ 0,25W
R9 = 22KΩ 0,25W
R10 = 100Ω 0,25W
C1 = 22uF 16V elettrolitico
C2 = 470nF 50V poliestere
C3 = 10uF 16V elettrolitico
C4 = 100nF 25V ceramico
C5 = 10pF 35V ceramico NP0
C6 = 47uF 16V elettrolitico
C7 = 1nF 25V ceramico NP0
C8 = 56pF 25V ceramico NP0
C9 = 6,8pF 25V ceramico NP0
C10 = 1nF 25V ceramico NP0
C11 = 10pF 35V ceramico NP0
C12 = 6-30pF compensatore
C13 = 100nF 25V ceramico
DV1 = diodi varicap tipo BB122
Q1 = transistor NPN tipo 2N2222
U1 = integrato tipo TL081
M1 = capsula microfonica electrete
L1 = 5 spire su nucleo ferrite toroidale da 15mm filo smaltato da 0,5mm
L2 = 3 spire intercalate su L1 partendo dal lato freddo
Trasmettitore QRP banda CB
Per inviare segnali in banda CB o 10 metri, allora vi consigliamo questo circuito, dotato di modulatore AM-FM
R1 = 100KΩ 0,25W
R2 = 100KΩ 0,25W
R3 = 22KΩ 0,25W
R4 = 22KΩ 0,25W
R5 = 10KΩ 0,25W
R6 = 10KΩ 0,25W
R7 = 270KΩ 0,25W
R8 = 220KΩ 0,25W
R9 = 10KΩ potenziometro lineare a 10 giri
R10 = 3,3KΩ 0,25W
R11 = 120KΩ 0,25W
R12 = 1,8KΩ 0,25W
R13 = 470Ω 0,25W
R14 = 100KΩ 0,25W
R15 = 47KΩ 0,25W
R16 = 47KΩ 0,25W
R17 = 10KΩ 0,25W
R18 = 3,3KΩ 0,25W
R19 = 33Ω 0,5W
C1 = 220uF 16V elettrolitico
C2 = 10uF 16V elettrolitico
C3 = 10uF 16V elettrolitico
C4 = 22uF 16V elettrolitico
C5 = 47pF 25V ceramico
C6 = 22pF 25V ceramico
C7 = 100nF 25V ceramico
C8 = 1nF 25V ceramico
C9 = 10nF 25V ceramico
C10 = 3,3pF 35V ceramico NP0
C11 = 150pF 35V ceramico NP0
C12 = 12pF 35V ceramico NP0
C13 = 39pF 35V ceramico NP0
C14 = 680pF 35V ceramico NP0
C15 = 10nF 25V ceramico
C16 = 1nF 25V ceramico
C17 = 10nF 25V ceramico
C18 = 100nF 25V ceramico
C19 = 120pF 35V ceramico NP0
DV1 = diodo varicap tipo BB122
DV2 = diodo varicap tipo BB122
Q1 = transistor NPN tipo 2N2222
Q2 = transistor NPN tipo 2N2219
U1 = integrato operazionale tipo TL082
JAF1 = impedenza AF tipo VK200
L1 = 14 spire unite con presa centrale su supporto da 5mm con nucleo regolabile, filo da 0,4mm smaltato
L2 = 6 spire unite con filo da 0,4mm avvolte su L1 lato freddo
L3 = L4 = 7 spire bifilari su nucleo ferrite toroidale da 15mm filo smaltato da 0,5mm
Bobine RF per misuratore di campo e grid dip
Qualche lettore ci ha scritto per sapere come costruire le bobine per il grid gip RT004, Purtroppo non esistono componenti simili in commercio, quindi bisogna per forza autocostruirsele, noi oggi vi diamo alcune istruzioni su come fare e cosa usare.
Come prima cosa bisogna munirsi del materiale di base ovvero, filo di rame smaltato da 0,35mm, 0,40 e 0,50mm e rame argentato da 1mm, due tubetti in plastica con diametro esterno da 10mm e 12mm, dei connettori strip line con passo DIL da 2,54mm maschi e femmine.
Si inizia col tagliare gli spessori del tubetto in plastica nelle dimensioni indicate nel disegno per ottenere i nuclei delle bobine L1, L2, L3, L4 e L5, poi si tagliano le strip maschi in piccoli spessori da 5 pin e con delicatezza, saranno eliminati e 3 centrali, mentre uno spezzone femmina sempre da 5mm dovrà essere montata sul PCB.
In assenza del tubetto plastico, vanno bene materiali come legno, cartone e sughero.
Si montano così le bobine seguendo i dati riportati:
L1 = banda 2,5-6Mhz: 100 spire unite con filo smaltato da 0,35 su nucleo da 12mm
L2 = banda 6-13Mhz: 30 spire unite con filo smaltato da 0,35 su nucleo da 12mm
L3 = banda 13-25Mhz: 18 spire unite con filo smaltato da 0,40 su nucleo da 10mm
L4 = banda 25-50Mhz: 8 spire unite con filo smaltato da 0,40 su nucleo da 10mm
L5 = banda 50-80Mhz: 5 spire unite con filo smaltato da 0,75 su nucleo da 10mm
L6 = banda 80-140Mhz: 1 spira a U larga 1cm e lunga 6cm con filo argentato da 1
Una volta montate dovranno essere come quelle del disegno, ora non resta altro da fare che collegare un frequenzimetro sulla presa predisposta, inserire la bobina interessata e iniziare a usare il grid gip
Le bobine una volta montate devono essere incapsulate con del termorestringente, per fissare lo zoccolo strip line al nucleo, sconsigliamo colle cianoacriliche o bostik, meglio usare delle colle riempitive, colla a caldo o silicone
