Opmerkingen en experimenten van Wim Hoek PA3AKK

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Wim Hoek PA3AKK werkte mee aan het bouwproject bij Basisschool de Akker in Meppel en stuurde mij zijn bevindingen.

Ervaringen met de schuifradio’s

Wim Hoek PA3AKK

In november 2013 hebben kinderen van basisschool De Akker in Meppel een radio gebouwd. In Meppel was de ontvangst van Radio 5 bij een aantal exemplaren maar magertjes terwijl de Flevolandzender toch met 400 kW werkt. Ook bij het exemplaar, dat ik zelf gebouwd heb, bleek de ontvangst tegen te vallen. Al eerder heb ik een gelijksoortige radio met een ander IC, de MK484, gebouwd en die radio presteert veel beter.

Daarom heb ik nader onderzoek ingesteld naar de opbouw van het radiootje. Om te beginnen is er het IC, dat de ontvangst verzorgt. Dit is een TA7642, een driepotig IC dat, net als de voorganger, de MK484, op een transistor lijkt.

Dit IC levert het audio aan een BC548 transistor waarop de oortelefoonluidsprekertjes worden aangesloten. De batterijvoeding wordt ook via deze oortelefoonluidsprekertjes geleid zodat het ontvangertje alleen gevoed wordt wanneer de oortelefoon is aangesloten.

De gelijkspanningsinstellingen van het IC worden verzorgd door een aantal weerstanden. Diverse proeven heb ik daarmee gedaan en ook met de schuifspoel en de audioversterker ben ik bezig geweest. Ik heb er zelfs een darlingtonschakeling van gemaakt maar de prestaties bleven achter bij het eerder gebouwde exemplaar.

Van mijn bevindingen heb ik verslag gedaan aan de ontwerper, PE1DZX, de projectleider in Meppel, PA3JD, en de ontwerper van de radio met de MK484, PE0RIG, om er achter te kunnen komen waarom er zulke prestatieverschillen zijn.

Het toeval wilde dat ik op een dag in de woonplaats van PE0RIG moest zijn en dus heb ik mijn radiootjes meegenomen. Ik bleek tijd over te hebben zodat ik PE0RIG kon bezoeken. Hij vermoedde dat het IC defect was en had nog wel een vervangend exemplaar en ziedaar de prestaties werden een stuk beter. Tussen de MK484 en de TA7642 zijn, volgens PE0RIG, de verschillen gering. Hij liet mij ook zien en horen dat de verschillende ontwerpen, die hij daar gebouwd heeft, ook verschillend presteren. De radio’s van PE0RIG en mij op een rijtje alsof het een hitparade is, hi!

1. Schuifradio PE0RIG met ZN414 origineel
2. Schuifradio PE0RIG met MK484 origineel
3. Schuifradio PE1DZX met TA7642 en modificaties PA3AKK met 3 laags spoel en darlington
4. Schuifradio PE0RIG met MK484  en modificaties PA3AKK tegen oversturing
….  ….
5. Schuifradio PE1DZX met TA7642 origineel

Dat ik een regel oversla, betekent dat de laatste op grote afstand van de vorige ligt. De verschillen tussen de eerste 4 zijn niet groot en met name 3 en 4 zijn vrijwel gelijk.

Het PE1DZX-ontwerp heeft dus de zwakste ontvangst. Dit ontwerp heeft een schuifspoel met 49 windingen van met kunststof geïsoleerd draad en een parallelcondensator van 560 pF. De exemplaren 1, 2 en 4 hebben spoelen van lakdraad. Deze spoelen hebben 190 windingen en de parallelcondensator is met 47 of 56 pF veel kleiner waardoor de L/C verhouding en daarmee de selectiviteit toeneemt. Omdat de spoel tevens als antenne werkt, betekent meer windingen ook dat er meer signaal ontvangen wordt en dat is gunstig wanneer men niet al te dicht bij de zender ontvangt.

Die avond leerde mij dat, vanwege het defecte IC, de reeds gedane experimenten zo de prullenbak in konden en dat ik opnieuw moest beginnen.

Nadat ik bovenstaande aan PE1DZX gemeld heb, ontving ik van hem nog een pakket onderdelen zodat ik meerdere exemplaren kon maken. Er is dus, om te kunnen vergelijken, ook weer een origineel radiootje volgens het schema van PE1DZX gemaakt. Van de twee andere exemplaren, die ik gebouwd heb, is er één volgens het schema van PE1DZX met dien verstande dat de spoel 3 lagen geïsoleerd draad heeft en de parallelcondensator 33 pF is en de andere volgens de tekening van PA7ZEE met de componentwaarden van PE0RIG. Alleen de parallelcondensator is 33 pF geworden. De oortelefoonaansluiting van PA7ZEE heeft de luidsprekertjes parallel. De originele van PE0RIG heeft de luidsprekertjes in serie.

De spoel

Voor de PA7ZEE-radio heb ik van een 16 mm pvc-buisje een spoelhouder volgens het model van de PE1DZX-Kristalradio nagemaakt. Daarop met 0,25 mm lakdraad ca. 200 windingen gelegd. Met de originele ferrietstaaf van 95 x 10 mm is het resultaat nu: 161-2255 uH.

De spoelen hebben met uitgeschoven en ingeschoven ferrietstaaf de volgende minimale en maximale waarden:

Minimale zelfinductie(uH) Maximale zelfinductie(uH)
1 laag geïsoleerd draad PE1DZX origineel 12,70 162,7
3 lagen geïsoleerd draad PE1DZX gewijzigd 128,50 1419,0
1 laag gelakt draad PA7ZEE/PE0RIG 161 2255
1 laag gelakt draad PE0RIG origineel 184 1178

Verschillen schakelingen

De vraag is natuurlijk waarom de originele PE0RIG-radio zoveel beter dan de originele PE1DZX-radio ontvangt? Daarom heb ik de schema’s vergeleken. Die lijken veel op elkaar. Uitgaande van de componentbenamingen in de schematekening van de PE1DZX-versie kom ik tot de volgende verschillen:

PE1DZX PE0RIG
R1 100k 100k
R2 1k 1k
R3 1k 0R
R4 100k 100k
R5 270R 0R
C1 10n 10n
C2 100n 100n Op het plakpapiertje is C2 als C3 vermeld en ontbreekt C2 i.p.v. C3. Ik volg het schema op blz. 6.
C3 - 100n
C4 100n 100n
C5 47micF -
C6 560p 68p Met deze C worden de laagste frequenties ontvangen.
L1 13-163uH 184-1178uH
factor 12,5 6,4
(129-1419uH)(factor11) drielaags spoel
IC1 TA7642 MK484
T1 BC548B BC337

De verschillen in de IC’s en transistors zijn klein zodat dit geen spectaculaire ontvangstverschillen oplevert.

In de PE0RIG-versie is R3 een draadverbinding waardoor het IC wat meer stroom kan trekken. Daardoor is de HF-versterking wat hoger. De spanningsval over R2 (1k) is bij de PE1DZX-versie 0,17 V en bij de PE0RIG-versie 0,40 V. Bij de PE0RIG-versie is C3 tussen collector en emitter van T1. R5 is bij de PE0RIG- versie een doorverbinding zodat C5 vervalt.

Middengolffrequenties zijn, inclusief zijbanden, vanaf ca. 525 kHz t/m 1607 kHz. Dit is een factor van 3,06. Om de gehele middengolf te kunnen ontvangen, moet de spoel een kwadraat van deze factor, nl. 9,37 gewijzigd kunnen worden. De PE1DZX-radio voldoet hier ruim aan waardoor er tolerantie bij het wikkelen van de spoel is.

Zenderlocaties

In de praktijk is binnen Nederland niet de hele middengolf interessant omdat de belangrijkste zenders op 675 kHz, 747 kHz en 1008 kHz zich niet in de buurt van de bandgrenzen bevinden. In het noorden en westen zijn echter nog zendertjes op 1602 kHz en 1566 kHz (was 1557 kHz) zodat een keuze voor de hoogste MG-frequenties voor de hand ligt wanneer niet de hele band bestreken kan worden. C6 mag daarom wel wat kleiner dan de berekende waarde zijn. Bij de originele PE0RIG-radio heb ik voor een wat grotere waarde gekozen om de laagste MG-frequenties te kunnen ontvangen.

Overigens is in Zuid Limburg op 891 kHz een zender voor Radio 538 en een zender voor Radio 5 op 1251 kHz en is bij Rotterdam nog een zender op 828 kHz. Deze laatste is thans buiten dienst. Ook op 1395 kHz is er binnen Nederland een aantal jaren uitgezonden.

Hier in het noorden zijn de Limburgse zenders op een gewone ontvanger nauwelijks hoorbaar. Alleen met een buitenantenne is er enige ontvangst.

Met de PE0RIG-radio ontvang ik ook andere zenders dan 1008 en 747 kHz. De Deutschlandfunk op 549 kHz zelfs overdag. Het signaal op 675 kHz is ook nog verstaanbaar maar wordt door het zeer sterke signaal op 747 kHz wel gehinderd.

Een andere verklaring voor het verschil in ontvangststerkte bij de beide modellen kan gevonden worden in het feit dat ze in verschillende delen van het land ontworpen zijn en gebruikt worden. In Groningen, de woonplaats van PE0RIG, zijn de MG-signalen minder sterk dan in het midden van het land zodat een radio in het noorden meer moet kunnen presteren dan in het midden van het land. Een ontwerper van zo’n kids-radio zal daar dan rekening mee houden. Er moet wel wat te ontvangen zijn anders zijn de kinderen, na zo’n tijd zwoegen om het ding in elkaar te zetten, natuurlijk teleurgesteld en dat moet worden voorkomen.

Aanpassingen schuifradio PE1DZX

Bij de PE0RIG-versie is C3 tussen collector en emitter van T1. R5 is een doorverbinding zodat C5 vervalt. Dit heb ik ook bij de PE1DZX-versie toegepast en dat geeft weinig verandering in het audio. Ook het veranderen van de audioschakeling in een darlingtonschakeling met 2 transistoren blijkt, na experimenten daarmee, geen nut te hebben zodat hiervan is afgezien.

Met de PE1DZX-versie met de drielaags spoel ontvang ik ook de DLF op 549 kHz maar nog niet het signaal op 675 kHz. In de duistere uren zijn, net als met de PE0RIG-versie, wel meer zenders te ontvangen. France Bleu op 1278 kHz bijvoorbeeld.

Zowel de experimentele PE1DZX-radio met de drielaags spoel als het experimentele PA7ZEE/PE0RIG-exemplaar met de lakdraadspoel hebben een parallelcondensator van 33 pF. Met het exemplaar met de lakdraadspoel kan ik 675 kHz wel ontvangen maar met de drielaags spoel wordt het radiostation op deze frequentie door het sterke signaal op 747 kHz verdrongen. PE0RIG geeft aan dat de lakdraadspoel een hogere Q-factor heeft waardoor de selectiviteit toeneemt en dat blijkt bevestigd te worden.

A well-behaved MK484 or TA7642 Radio (theradioboard.com)

Op het internet is meer interessante informatie over een radiootje met TA7642 of MK484 te vinden. De informatie op het forum http://theradioboard.com heb ik bestudeerd en vergeleken met de DZX-Kristalradio met de TA7642 en de RIG-low-cost kids-radio met de MK484 zoals ik die hier heb.

Omdat er nog al sprake is van hoogohmige circuits heb ik met de Fluke 11 gemeten omdat deze een ingangsimpedantie van meer dan 10M heeft. Veel eenvoudige digitale meters komen niet hoger dan zo’n 2M waardoor hoogohmige circuits door de meter te veel beïnvloed worden.

Als gelijkspanning op de uitgang van de TA7642 output wordt 1,00 – 1,05 V aanbevolen. Ik meet 1,007 V en dat ligt dus aardig in het bereik. Voor de weerstand naar de ingang van de TA7642 wordt een spanning van ca. 0,9 V aanbevolen wanneer er zwakke stations ontvangen worden en 0,6 V bij sterke stations:

  • Ik meet hier op de DZX-versie 1,14 V en dat lijkt dus te hoog.
  • Op de RIG-versie met de MK484 en zonder de 1K weerstand naar de uitgang van het IC waardoor beide waarden gelijk worden, meet ik 1,129 V en dat zou ook te hoog moeten zijn waardoor vooral sterke signalen vervormen. Dat vervormen neem ik inderdaad waar. Daardoor is mijn RIG-radio ook niet aan een modificatie ontkomen. De 1K weerstand vanaf de oortelefoonaansluiting naar het IC is verhoogd naar 1K8 waardoor de voedingsspanning naar 1 V daalt. In serie met de 100K weerstand naar de resonantiekring heb ik vanaf de uitgang van het IC een 33K weerstand opgenomen en op het knooppunt van die 100K en33K een 100K naar de min (massa) waardoor de spanning op het knooppunt van de drie weerstanden gezakt is naar 0,73 V hetgeen een goed gemiddelde is om de vervorming van sterke signalen te beperken terwijl de ontvangst van zwakkere signalen nauwelijks vermindert. De radio met de MK484 ontvangt nu iets zwakker maar presteert kwalitatief beter. Uiteraard is het ook mogelijk om stations die door hun grote signaalsterkte vervormen, door het draaien van de radio, te verzwakken zodat de vervorming afneemt maar dan worden ook minder sterke stations die in dezelfde of tegenovergestelde richting als het sterke station liggen, verzwakt. Dat gebeurt overigens ook met de spanningsinstelling maar die is zo in te stellen dat het vervormingsstadium in het geheel niet bereikt wordt en dat geeft een wat grotere kans op ontvangst van een wat zwakker station.

Zoals eerder in dit betoog is gemeld, is de ontvangst in Groningen beoordeeld. Thuisgekomen blijkt dat de versie met het vervangen IC, de 3 laags spoel en de darlingtonschakeling nu sterk vervormt. De signaalsterkte van de Flevozenders is hier veel groter dan in Groningen. Dat is ook de reden van de modificatie die ik in de PE0RIG-versie heb aangebracht.

Tot slot

Er is een radio van PE1DZX, er is een radio van PE0RIG en er is een radio van PA7ZEE. De radio van PA7ZEE is technisch vrijwel gelijk aan de radio van PE0RIG. De verschillen zijn: oortelefoonaansluiting heeft bij het model van PA7ZEE parallelle luidsprekers en er zijn andere waarden voor de schuifspoel en de parallelcondensator. Bij de PE0RIG-radio zijn de oortelefoonluidsprekers in serie geschakeld. De mechanische opbouw van de PA7ZEE-radio is gelijk aan de radio van PE1DZX. In de verslaglegging geldt voor de PA7ZEE-versie vrijwel hetzelfde als voor de PE0RIG-versie.

Alle testradio’s hebben, ten opzichte van het origineel, een wijziging ondergaan. Het origineel van PE1DZX heb ik echter wel onveranderd gelaten. De wijzigingen hebben vooral betrekking op de gelijkspanningsinstellingen van het ontvanger IC. De wijzigingen bij de PE0RIG-radio heb ik al omschreven. Daar heb ik een wijziging met vaste weerstanden beschreven. De weerstandswaarde van 33K kan bij ontvangst van sterke signalen verhoogd worden naar 39K tot 82K en bij ontvangst van zwakke signalen verlaagd worden naar 27K tot 10 K.

Bij de PA7ZEE-radio heb ik, net zoals bij de PE0RIG-radio de weerstand van 1K, waarlangs de uitgang van het IC gevoed wordt, verhoogd naar 1K8.

Bij de PE1DZX-radio is dit niet nodig omdat er 2 weerstanden van 1K in serie zijn en dat levert met 2 K totaal een gelijkwaardig resultaat.

Bij de PE1DZX-radio met 3 laags spoel en de PA7ZEE-radio met lakdraadspoel heb ik de spanning voor de 100K weerstand naar de resonantiekring en de ingang van het IC, min of meer naar voorbeeld van “theradioboard.com” instelbaar tussen ca. 0,5 en 1 V gemaakt. Daartoe heb ik tussen de uitgang van het IC en de min een 50K potmeter met in serie naar de min een weerstand van 56K opgenomen zodat op de loper van de potmeter een spanning van ongeveer 0,55 – 1 V beschikbaar is. Op deze loper wordt de genoemde 100K weerstand aangesloten. Door aan de potmeter te draaien, is de radio nu voor zowel sterke als zwakke signalen optimaal in te stellen zodat ook bij sterke signalen de vervorming en pijn in de oren door te grote geluidssterkte geminimaliseerd kan worden.

Het laatste experiment is de aansluiting van de luidsprekertjes van de stereo oortelefoon. Wordt het serie- of parallelschakeling? Door, net als bij de PE0RIG-versie, voor serieschakeling te kiezen, is het ook mogelijk om oortelefoons of luidsprekertjes met een mono stekker aan te sluiten. Hiertoe worden alleen de L- en R-aansluitingen gebruikt en wordt het massabusje van connector niet aangesloten.

Met vriendelijke groeten,

Wim Hoek, PA3AKK.

Spoel van de schuifradio

spoel_400x400

In de schuifradio gebruiken we een spoel met daarin een verschuifbare ferrietstaaf. Met deze spoel heb ik een paar eenvoudige experimenten gedaan die misschien ook voor jou interessant zijn.

De waarde van de spoel

De theoretische waarde heb ik berekend met de formule die o.a. is te vinden op http://www.qsl.net/in3otd/indcalc.html. De spoel is gewikkeld op pvc-buis van 16 mm. Dit is echter niet de diameter van de spoel. Door de diameter van het draad (1 mm) en de diameter van de kern (0,5 mm), is de diameter die ik in de formule moet invoeren 17 mm (reken maar na).

Volgens de formule zou de spoel een zelfinductie moeten hebben van 12,5 μH (12,46 * 10-6 Henry) .

Als ik de spoel aansluit op mijn spoeltester dan geeft deze 13 μH aan. De formule klopt dus aardig.

Over de formule:
De formule geeft de waarde van de spoel in microhenry (1 Henry is 1.000.000 μH). Verder is het belangrijk dat je de maten invoert in meters (1 mm = 0,001 m). Als je geen uitkomst krijgt dan heb je in plaats van een punt mogelijk een komma als decimaalteken gebruikt.

De ferrietstaaf

Door een ferrietstaaf in de spoel te brengen vergroot je de zelfinductie. De staaf die bij de schuifradio zit is 10 cm lang en heeft een diameter van 10 mm. De zelfinductie is bij een volledig ingeschoven staaf 186 μH.

Ik had ook een staaf liggen van 100 x 8 mm. Deze gaf een zelfinductie van ‘slechts’ 131 μH.  In de praktijk betekent dit dat je meer windingen op je spoel moet leggen of een grotere condensator moet gebruiken.

Gebroken ferrietstaaf

Alle ferrietstaven gaan hier goed verpakt de deur uit, maar het kan toch gebeuren dat de staaf breekt. Ik heb een gebroken staaf met een stukje schildersplakband weer aan elkaar gezet en opnieuw de waarde van de spoel gemeten. Deze was van 186 μH terug gegaan naar 177 μH. Voor een goede werking van de radio is dit geen enkel probleem. Ik moet er wel bij zeggen dat het een mooi breukvlak was. Als het een lelijke breuk is kan het geen kwaad om een paar extra windingen op de spoel te leggen. Je hoeft de staaf in ieder geval niet weg te gooien.

Wat doet ferriet?

ferriet

De ferrietstaaf

Marcel Mol heeft voor zijn profielwerkstuk een schuifradio gebouwd en hij vroeg zich af of de zelfinductie van de spoel rechtevenredig verandert met het aantal centimeters dat de ferrietstaaf wordt ingeschoven. Omdat ik het ook niet wist ben ik aan het meten gegaan met onderstaand resultaat:

 

Omdat de spoel 6 cm lang is en de ferrietstaaf 10 cm, heeft het niet veel zin om hem er meer dan 8 cm in te duwen omdat hij er aan de andere kant weer uitgaat. Het midden van de grafiek mag je zeker lineair noemen. 

Door een ferrietstaaf in de spoel te brengen vergroot je de zelfinductie. De staaf die bij de schuifradio zit is 10 cm lang en heeft een diameter van 10 mm. De zelfinductie is bij een volledig ingeschoven staaf ruim 180 μH.

Ik had ook een staaf liggen van 100 x 8 mm. Deze gaf een zelfinductie van ‘slechts’ 131 μH.  In de praktijk betekent dit dat je meer windingen op je spoel moet leggen of een grotere condensator moet gebruiken.

Spoeltips (JOTA 2008)

Inmiddels zijn er al flink wat onderdelenpakketjes besteld en verstuurd (er zijn er nog meer). Het bleek dat er een tekenfoutje zat in de bouwtekening (de ferrietstaaf lag bovenop de pvc-buis i.p.v. van er in). Inmiddels staat de juiste versie ( bouwplaat_schuifradio_jota2008 286.48 Kb) op deze site.

Voor de spoel gebruik ik zelf draad met een massieve kern (dat wikkelt wat strakker en makkelijker). Het draad heeft een buitendiameter van 1,1 mm (Conrad) en daarmee komen er totaal zo’n 58 wikkelingen op de spoel. Als je wat dunner draad hebt, kan je wat meer wikkelingen kwijt. Hierdoor zal je AM-radio wat lager in de AM-band uitkomen.

 Vooral aan de groepen die wat meer radio’s gaan bouwen wil ik de tip meegeven om op tijd te beginnen met het ‘verzamelen’ van het draad.

LET ER BIJ HET WIKKELEN OP DAT JE OOK NA DE AFTAKKING IN HET MIDDEN DEZELFDE KANT OP BLIJFT WIKKELEN.