di Giovanni “John” Paternostro i0XJ – (nominativo)_john(chiocciola)yahoo(punto)it
Oggi si possono acquistare circuitini cinesi o kit indiani low-cost, l’autocostruzione non è più conveniente come una volta, se non proprio per imparare “dal vivo” e per la sperimentazione. Uno dei problemi dei nostri tempi è la scarsa disponibilità di tempo libero, però si possono costruire e provare singoli circuiti semplici (chiamiamoli pure “kiss”- keep it simple, stupid) , diciamo nel week-end, da provare con strumenti altrettanto semplici (alcuni esempi sono presenti nel nostro sito AriRoma).
In un altro articolo avevo definito “mezzi OM” quelli che un OM dotato di tester e saldatore avrebbe potuto costruire in in paio di week-end, oppure economici, come appunto il tester e ultimamente anche i frequenzimetri digitali, grazie ai cinesi. (Attenzione però alle “flegatule”, il controllo di qualità di quei prodotti low cost si fa ancora desiderare).
Mettendo insieme vari circuiti “kiss” si può fare un RTX qrp (ma con un PA dietro anche un Tx più potente), e con “n” circuiti anche un RX di discrete prestazioni, usandoli come mattoncini, come ho fatto anch’io sperimentando i singoli circuiti.
L’oscillatore Pierce
George W. Pierce, professore americano (nella foto 1), nel 1923 descrisse e brevettò il suo oscillatore quarzato per la taratura degli ondametri (di allora), che aveva il vantaggio di usare una sola valvola, mentre i dispositivi esistenti ne usavano più di una.
Anche la versione transistorizzata ha un circuito molto semplice ed una buona stabilità a breve termine. Ho usato uno di questi circuiti anche in campo professionale, pilotando un quadruplicatore (anch’esso di derivazione radiantistica) per misure di fase su fibre ottiche, in attesa che arrivasse l’opzione “alta stabilità” per un generatore sintetizzato, costato decine di milioni di allora. Quando poi arrivò i tecnici preferivano usare il mio dispositivo, e mi chiesero se potevano trattenerlo, quando lo recuperai.
Per altro tra gli svantaggi c’è che il quarzo non ha un capo a massa e l’uscita non è molto elevata (quando serve occorre uno stadio buffer) .
Calibratore /Generatore HF
Una piccola premessa: in Italiano la traduzione dell’Inglese “Calibration” è Taratura. In termini metrologici in Italia non si usa la parola “calibrazione”, ma si può usare il termine calibratore per il dispositivo che consente di fare la taratura.
Nel mio articolo sulla microvolpe (microfox) avevo aggiunto che quel dispositivo, sempre un circuito Pierce, ma realizzato con un IC c-mos, poteva essere usato anche come calibratore per gli RX, sfruttando le armoniche. Infatti quel dispositivo era adatto a frequenze intorno ai 3,5 MHz, per la limitazione in frequenza dei c-mos.
Negli anni ’60 avevo bisogno di un calibratore per le scale del mio secondo ricevitore a copertura continua. (Per il primo, con la fortuna dei principianti, avevo trovato subito le gamme dei 20 e 40 m, ascoltando QSO locali).
Lo schema di fig.2 è derivato da Elettronica Mese n. 2 -1964 – pag. 76 (fig. 3) e impiegava un transistor OC45 (uno dei primi per RF). Il suo “fratello maggiore” OC44 (fino a 30MHz) fu il mio primo transistor RF e allora costava una cifra elevata per un ragazzo. Ricordo che era imballato (come le valvole) in una scatolina di cartone rettangolare di colore giallo.
E’ interessante il fatto che con i transistor al germanio il circuito funziona a 1,5 V di alimentazione. Avendone uno nel cassetto per RF (anche OC170, AF116 e simili) si può sperimentare nel circuito originale, con polarità invertita se PNP come quelli citati.
Con l’avvento dei transistor al silicio, portai la tensione di alimentazione a 9 V (invertendo la polarità) con transistor NPN quali 2N708, 2N2369 e 2N2222 e ritoccando, se occorre, leggermente le resistenze di polarizzazione e di carico. Per la resistenza di collettore ho sperimentato anche 5,1 e 2,7 kiloOhm. Con i 2N2222, che hanno un guadagno di corrente Hfe misurato superiore a 150, non c’è bisogno di ritoccare la resistenza di base; per i primi due transistor (Hfe = 40-:-80) nel caso si puo ridurre anche a 220-:-100 kOhm.
Il condensatore di accoppiamento in uscita viene aggiunto sul collettore e va da 82 a 150 pF, nella mia realizzazione. E’ opportuno anche aggiungere un condensatore da 100nF tra alimentazione e massa, in particolare se il circuito non è indipendente con la propria batteria.
La tensione RF (a seconda del quarzo ) in uscita è circa 1,5 Vefficaci con carico di 10 kOhm e scende a 200-:-300 mV efficaci con carichi di circa 200 ohm . La corrente assorbita a 9 V è circa 1 mA e aumenta a 1,5 mA con la resistenza di collettore da 2,7 kOhm, ma la tensione d’uscita non aumenta di molto.
Ho ricavato anche un circuito stampato riprodotto in fig.4A (lato rame) e 4B (lato componenti).
Le dimensioni della piastrina sono circa 50x35mm. Se serve ho disponibili anche i file .pdf a grandezza naturale.
La realizzazione si può vedere nella foto 5.
L’oscillatore transistorizzato sopra illustrato funziona con tutti i quarzi tra 2 e 20 MHz, e oltre alla taratura della scala analogica degli RX (funzione oggi in parte superata dalla disponibiltà di frequenzimetri low-cost), può essere utilizzato anche come generatore per la taratura dei circuiti accordati nella gamma HF e delle medie frequenze (es. 9 MHz, 2,475 MHz, etc.).
Malgrado la polarizzazione semplificata, con un semplice resistore sulla base, la stabilità in frequenza in funzione della tensione è accettabile. Ad es. a 4,8 V di alimentazione ho misurato 3,5016 MHz e a 12 V 3,5017 MHz (circa 100 Hz per 7 V di differenza).
Il circuito può essere alimentato direttamente con una batteria da 9 V, (anche senza diodo zener regolatore), la stabilità a breve termine a 9 MHz (quarzo commerciale nuovo) è sull’ultima cifra del frequenzimetro (+/-1Hz con quello cinese a 8 cifre).
Con alcuni quarzi miniatura in terza overtone, che in questo circuito oscillano in fondamentale, ho riscontrato instabilità a 9V, che si elimina portando l’alimentazone a 5,6 V. Si può usare un diodo zener, ad es il tipo BZY88 C5V6 con in serie un resistore da 560 Ohm, (partendo da 9V).
Altri schemi dettagliati, con polarizzazione più “ortodossa” (insieme con la teoria) si trovano nel cap. 7.2 del libro del Frerking , reperibile in internet
Frerking – Crystal oscillator Design and Temperature Compensation 1978
Le capacità di reazione
Consultando quanto sopra, si vede che la capacità sul lato base viene prevista da 180 a 470 pF a seconda della gamma di frequenza, mentre la capacità sul collettore viene associata a quella di accoppiamento e viene fatto un partitore sull’uscita bassa impedenza.
Ragionando da sperimentatore, ho ritenuto preferibile avere un valore iniziale 27-:-39 pF sulla base (che è anche un minimo per innescare le oscillazioni), poi un valore fisso 62-:-68 pF dal lato collettore, lasciando un condensatore di accoppiamento di valore relativamente basso (in funzione della frequenza), considerata un’impedenza d’uscita medio-alta.
Si misura la frequenza e si può aumentare la capacità lato base e /o collettore , diminuendo la frequenza al valore nominale o anche inferiore . (Per i quarzi con oscillazione parallelo viene generalmente data la frequenza con un carico di 30 pF). Questo è anche il principio per fare un VXO e BFO variabile. Ad es. con un quarzo commerciale da 9 MHz nominali (per carico 30 pF) con i valori come da schema misuro 9000,300 a 9 V (alimentazione batteria alcalina).
Impiego pratico
Le foto 6 e 7 mostrano l’impiego come calibratore della scala analogica del mio RX Mosley CM-1. Per un Rx non autocostruito non è semplice accedere all’oscillatore locale; anche disponendo del frequenzimetro digitale, questa soluzione è più pratica. E’ sufficiente il puntale di un tester come antenna, avvicinato al circuito, per avere un segnale S3-:-S4 .
Ad es. nel mio caso, avendo vari quarzi (3,502 – 3,575 – 4,000 MHz) ho visto che la scala degli 80m (semplice conversione) risulta tarata nella prima parte, mentre all’estremo superiore c’è una differenza di una divisione (5 KHz) in più rispetto al valore del quarzo. Nella scala 40m ( a doppia conversione) la taratura è accettabile. Si possono usare anche le armoniche, non essendoci circuito accordato sul collettore, i segnali sono presenti con circa 1 -:-2 punti S inferiori nelle bande più alte. Sono reperibili anche quarzi a 14,318 MHz nominali.
In un prossimo articolo penso di descrivere anche la taratura di un amplificatore di media frequenza.
Commenti finali e possibili sviluppi
Per quanto riguarda la reperibilità dei quarzi, se ne trovano nelle fiere, dai distributori per corrispondenza, in vecchi TV e PC e a Roma anche in un negozio sulla via Appia. Lo zoccolo per il quarzo nel mio caso è ricavato da vecchi connettori, per quelli miniatura o con fili può essere anche a passo IC, usando i due estremi su 3 piedini.
In un prossimo articolo ho previsto illustrare un VXO e BFO variabile basato sul principio già citato, e a puntate anche un piccolo RX di cui questo circuito può costituire il “mattocino” iniziale. Diceva un anziano ingegnere di un’azienda dove lavoravo: “non si inizia un lavoro senza disporre di tutti gli strumenti necessari”. – Questo non sempre è vero per un radioamatore, strumenti professionali possono costare molto di più di un apparato completo, ma l’autocostruzione ci può aiutare anche in questo caso.
Stay tuned.. 73 de i0XJ John
Roma 26 Febbraio 2019
