Long Range FM Transmitter

Dette projekt er endnu ikke færdigt

Helt ærligt, denne konstruktion er ikke min egen, men jeg har gjort nogle forbedringer og tilføjelser, som kan gøre livet lettere for en nybygger i "Lang-Bordi-Stand". Den oprindelige konstruktion ses på denne web site electro schematics. Inden du begynder, skal du læse min Ansvarsfraskrivelsen. Forbedringen består i, at der er tilføjet et forstærkertrin til en Electret Condenser Microphone og en reguleret 12V/1.5A power supply. Der er lavet et PCB udlæg til et Euro printkort 100x160mm. Alternative transistorer og dioder er opført. Metalskærmkasser type og leverandør er angivet. Fremstilling af spolerne L1 til L5 er nøje anvist og leverandøren af soft silvered copper wire findes her: wires.co.uk. Hvorfor skal der anvendes soft silvered copper wire? Forklaring findes her. Microphone Preamplifier with Pre-Emphasis and Oscillator Stage Der er tilføjet et forstærkertrin med forbetoning for en Electret Condenser Microphone. Forstærkningen afhænger af P1 potentiometerets indstilling. P1 på max 100K Ohm giver max forstærkning. Data fremkommer senere. I følge datablad har mikrofonen en følsomhed på 1V/Pa. Audio ind skal holdes på et niveau så frekvens afvigelsen (deviation) ikke overstiger modtagerens begrænsning på +-75KHz. Se nedenfor for modulationen +-75KHz. Anvendes en dynamisk mikrofon, skal modstanden R1 18K Ohm ikke monteres. Modstanden bruges kun til at strømføde en Electret Mikrofon. Electret Condenser Microphone Preamplifier with BC547C På oscillogrammerne nedenfor ses, at der er faseforskydning med BC547C På det underste billede ovenfor ses et oscillogram fra forstærkertrinnet med BC547C. CH1 (øverst ind) viser en 3KHz sinus kurve med amplituden 20mV. CH2 (nederst ud) viser samme sinus kurve forstærket til 185mV og 180 grader faseforskudt. Første udgave var med en transistor forforstærker uden forbetoning. Normal FM udsendelse benytter sig af "Pre-emphasis" også kaldet forbetoning. Europa benytter 50uS tidskonstant svarende til 3183 Hz ved 3dB. Det betyder at frekvenser over 3183 Hz bliver "boostet" ved transmissionen og i modtageren begrænses frekvenser over 3183 Hz igen, så frekvens respons igen bliver normal. Forstærkertrinnet ovenfor har ikke forbetoning, da jeg syntes, der ikke var plads på printet. Jeg har nu omlagt printet og der blev plads til en OP Amplifier TL061 med forbetoning. Herunder ses to diagrammer for to forstærker med forbetoning, samt de tilhørende ind- og udgangs signaler. Det er diagrammet til venstre, som jeg har valgt. Electret Condenser Microphone and Line In Preamplifier with Pre-Emphasis             På oscillogrammerne nedenfor ses, at der ikke er faseforskydning med TL061 Oscillator trinnet er opbygget med BF199 transistor og en dobbelt diode BB204B. Der kan også anvendes 2 stk. BB139 med katoderne vendt mod hinanden, som vist på diagrammet her: electro schematics. Spolen L1 med 5 vindinger er lavet af 0,6 mm silvered copper på en 4 mm dorn (bor). Beregningen af selvinduktionen findes her: og giver 0,095 uH. Vær opmærksom på, at værdierne skal indsættes i cm. Diameteren er Ø dorn 4 mm + diameteren af tråden 0,6 mm = 4,6 mm = 0,46 cm. Længden bliver 5 x 0,6 mm + 4 x 0,1 mm (luft mellem vindingerne) = 3,0 mm + 0,4 mm = 0,34 cm. Turns 5, Diameter 0.46, Length 0.34 indsættes. Husk det er decimal . (punktum). I mit Excel regneark kan spolen også beregnes. FM båndet går fra 88 MHz til 108 MHz og den geometriske middel frekvensen findes således kvadratroden af (88*108) = 97.5 MHz. Dette skal være resonansfrekvensen fres for Cd dioden og L1 spolen ved ca. 5 Vr. fres = 1/(2phi*KVROD(L*C)). Fra ligningen findes Cd til 28 pF. Datablad for BB204B findes Cd = 30pF ved Vr =5V, kapacitet ratio Cd(3V)/Cd(30V) = 37/14 = 2,6. Mindre justeringer af frekvensen ved 5 volt på katoderne, kan foretages ved at klemme/trække i spolen L1. Det gælder for alle spoler: Vær opmærksom på at INGEN vindinger må berøre hinanden, når man benytter soft silvered copper wire. Jeg har taget udgangspunkt i, at et A4 ark med en tykkelse på 0,1 mm skal gå ind mellem vindingerne. Spolerne monteres således, at spolerne ligger 2 mm over printkortet. Radiostationerne på FM båndet ligger med en afstand på 200KHz og en frekvens afvigelse (deviation) i modulationen på +-75KHz, hvilket giver et buffer frit område på 25KHz på hver side af centerfrekvensen (fres), som bevirker en reduktion i interaktion mellem nabo stationerne. Frekvensen indstilles med P2 ved at påtrykke katoderne (BB139 eller BB204B) en spænding Vr (Reverse voltage) fra 0,5 volt til 10 volt og i følge datablad for BB240B ændres Cd fra 60pF til 23pF, hvilket giver efter formlen: fres=1/(2phi*KVROD(L*C)) 66MHz for 60pF og 108MHz for 23pF. Hvis du selv ønsker at begrænse nedre fres til 88MHz skal Cd være 34pF og Vr 3,5V. Husk at der er en spredning i værdierne på alle komponenter. Oscillator kredsen er en lavt ydende men stabil oscillator på grund af den regulerede strømforsyning med 78L10. Oscillator kredsen er monteret i en metalskærmkasse Teko 3710 for at forhindre udstråling og parasit frekvenser, der kan destabilisere oscillator kredsen. Transistoren brugt her er den økonomiske (billige) type BF199, men flere typer kan anvendes. Se diagrammet. Start med montagen af komponenterne til oscillator kredsen og afprøv denne ved at lodde en 77 cm ledning (1/4 bølgelængde af 97,5 MHz) på C11 10pF. Bølgelængden lamda i meter fås således: Lysets hastighed 300000 km/sec/frekvensen i KHz, 300000/97500 = 3,08 meter. Læg ledningen over din FM radio og lyt på en "tom" kanal. Juster P2 indtil du modtager et klart og støjfrit signal. Hvis du sætter musik på indgangen kan du høre denne. Rækkevidden er kun nogle få meter, så det vil ikke forstyrre nogen. Afprøv også nedre og øvre frekvenser med P2. Fungere det tilfredsstillende, kan du gå videre til næste trin. Jeg bør lige nævne, at der skal tilføres 78L10 +12 volt for at afprøve oscillator kredsen.

Buffer and Preamplifier Stage Fortsæt med Buffer og Preamplifier kredsen. Buffer kredsen har i indgangen Q2, der er en spændingsforstærker og Q3, der er en strømforstærker (emitterfølger også fælles kollektor). Buffer kredsen giver en god frekvens stabilitet mellem oscillator kredsen og den næste preamplifier kreds med Q4. Q4 er en spændingsforstærker, som skal give tilstrækkeligt med effekt til sidste PA trin Q5. Q4 har en afstemt resonans kreds (L2 og C19) i Collectoren. C19 skal indstilles så uønskede harmoniske frekvenser undgås (beregnet 13pF). Signaloverføringen til næste PA trin sker gennem C20 og L3. PCB er udlagt, så L2 og L3 står vinkelret på hinanden for at undgå parasit kobling mellem spolerne. C20 skal også indstilles så uønskede harmoniske frekvenser undgås (beregnet 33pF). Mere herom senere, men stil begge på 50%. Spolen L2 med 6 vindinger er lavet af 0,8 mm silvered copper på en 6 mm dorn (bor). Beregningen af selvinduktionen findes her: og giver 0,196 uH. Vær opmærksom på, at værdierne skal indsættes i cm. Diameteren er Ø dorn 6 mm + diameteren af tråden 0,8 mm = 6,8 mm = 0,68 cm. Længden bliver 6 x 0,8 mm + 5 x 0,1 mm (luft mellem vindingerne) = 4,8 mm + 0,5 mm = 0,53 cm. Turns 6, Diameter 0.68, Length 0.53 indsættes. Husk det er decimal . (punktum). I mit Excel regneark kan spolen også beregnes. Spolen L3 med 3 vindinger er lavet af 1 mm silvered copper på en 7 mm dorn (bor). Beregningen af selvinduktionen findes her: og giver 0,083 uH. Vær opmærksom på, at værdierne skal indsættes i cm. Diameteren er Ø dorn 7 mm + diameteren af tråden 1 mm = 8 mm = 0,8 cm. Længden bliver 3 x 1 mm + 2 x 0,1 mm (luft mellem vindingerne) = 3,0 mm + 0,2 mm = 0,32 cm. Turns 3, Diameter 0.8, Length 0.32 indsættes. Husk det er decimal . (punktum). I mit Excel regneark kan spolen også beregnes. Buffer og Preamplifier kredsen er også indbygget i en metalskærmkasse Teko 3710 af samme årsager som nævnt ovenfor. Næste trin er:

Long Range Transmitter PA Stage Det sidste trin er en RF Power Amplifier bestykket med transistor 2N3553 op til 2W udgangs effekt. Transistoren skal have en "Heatsink", da den bliver ret så varm. Måske skal der bores et hul i låget oven over transistoren? PCB er udlagt, så L4 og L5 står vinkelret på hinanden for at undgå parasit kobling mellem spolerne. C23 og C24 skal også indstilles så max udgangseffekt opnås. Mere herom senere, men stil begge på 50%. Spolen L4 med 6 vindinger er lavet af 1 mm silvered copper på en 6 mm dorn (bor). Beregningen af selvinduktionen findes her: og giver 0,180 uH. Vær opmærksom på, at værdierne skal indsættes i cm. Diameteren er Ø dorn 6 mm + diameteren af tråden 1 mm = 7 mm = 0,7 cm. Længden bliver 6 x 1 mm + 5 x 0,1 mm (luft mellem vindingerne) = 6 mm + 0,5 mm = 0,65 cm. Turns 6, Diameter 0.70, Length 0.65 indsættes. Husk det er decimal . (punktum). Spolen L5 med 4 vindinger er lavet af 1 mm silvered copper på en 7 mm dorn (bor). Beregningen af selvinduktionen findes her: og giver 0,128 uH. Vær opmærksom på, at værdierne skal indsættes i cm. Diameteren er Ø dorn 7 mm + diameteren af tråden 1 mm = 8 mm = 0,8 cm. Længden bliver 4 x 1 mm + 3 x 0,1 mm (luft mellem vindingerne) = 4,0 mm + 0,3 mm = 0,43 cm. Turns 4, Diameter 0.8, Length 0.43 indsættes. Husk det er decimal . (punktum). PA kredsen er også indbygget i en metalskærmkasse Teko 3710 af samme årsager som nævnt ovenfor. Næste trin er:

12 volt Regulated Power Supply PSU'en er det velkendte kredsløb, som jeg anvender med en LM317. Brokoblingen med dioden D7 B80C1500 er afkoblet med 4 stk. 0,1uF kondensatorer. LM317 er beskyttet med dioderne D5 og D6 på grund af de store kondensatorer C25 og C27. Rippelspændingen er gjort minimal med C26. Kredsløbet er sikret med en lodde-i-sikring - her 1.6A. Som noget nyt, jeg har ikke monteret en transformator, men hvis du selv har en EI 60/25,5 115 Trafo 25VA, 15V, 1670mA, vil den være velegnet til formålet. Nummeret mindre kan også klare det: Trafo, Gerth 4815-1, 10VA, 15V. Dioderne D5 og D6 monteres normalt 5 mm over printet. Her er det naturligvis ingen krav, da der ikke ledes strøm igennem disse, så der opstår varme. Men når D6 bruges som nedenfor beskrevet, vil der gå op til 1 A, og den vil blive varm derfor 5 mm over print. Diodens monterings tråd bliver således min. 5mm + 5mm, som opgivet i databladet.

Long Range FM Transmitter with Pre-Emphasis Amplifier Justering af Long Range FM Transmitter: Når alle komponenter er monteret og det hele tjekket, kan der sættes strøm til kredsen. Indstil P2 til fres 97,5MHz, tilslut en afslutningsmodstand (Electrical termination) (BNC connector) på 50 Ohm eller 75 Ohm (2W) til antenne udgangen og brug en RF Probe til måling af udgangs spændingen og beregne effekten efter formlen W = Veff2/R.

RF Probe diagram og forholdet mellem Vmax, Veff og Vss for en sinus kurve            Sæt probens ground til PA ground (GND) og probespidsen til Ant Out på BNC stikket med belastningen beskrevet ovenfor. Gå til Q4's to trimmer C19 og C20. Trim disse to kondensatorer til max volt på RF Proben. Trim først C19 derefter C20. Gentag flere gange for bedste ydelse. Gå til Q5's to trimmer C23 og C24. Trim disse to kondensatorer til max volt på RF Proben. Trim først C23 derefter C24. Gentag flere gange for bedste ydelse. Gentag hele proceduren fra Q4 til Q5 et par gange, indtil bedste ydelse er opnået. Det skal dog MEGET KRAFTIG bemærkes, at man ikke kan benytte en metal skruetrækker til denne justering. Metalskruetrækkeren og din hånd vil give falske indstillinger, og når du fjerner skruetrækkeren, vil indstillingen ikke være optimalt. Benyt derfor en "Trimmer Skruetrækker" af horn, PVC eller andet ikke ledende materiale. Et tip: Find i en garnbutik en strikkepind på 30 cm af et ikke ledende materiale, slib spidsen til, så kærven passer til trimmerkondensatorene. På oscillogrammet overfor ses en sinus kurve med forholdet mellem maksimalværdi, effektivværdi og spidsværdi. Når man skal beregne effekt - benævnt W (watt) - skal der benyttes effektivværdi, hvad enten man har Spænding (volt) eller Strøm (ampere). W = Veff2 / R eller W = Ieff2 * R. Man kan også aflæse, at effekten (W) altid er positiv: Da (-Veff)2 og (-Ieff)2 altid bliver positiv. Aflæses Vmax kommer man til effektivværdien således: Veff = Vmax / KVROD2 = Vmax / 1,4142 = Vmax * 0,7071. Da Vss er 2 * Vmax kommer man til effektivværdien således: Veff = Vss / (2 * KVROD2) = Vss / ( 2 * 1,4142) = Vss * 0,3536. Den målte Vout med proben ovenfor er (Vmax - VF), hvor VF er diodens "forward voltage drop" - spændingsfaldet over dioden i lederetningen. Denne spænding på 0,410V lægges til i formlen: Pout = ((Vout + VF) / KVROD2)2 / R = ((13,73 + 0,410) / 1,4142)2 / 50 = 2W. Den modstand på 2W, som skal benyttes, skal være en induktionsfri modstand, det betyder, at en trådviklet modstand ikke kan benyttes. Brug en metalfilm modstand på 2W. Disse er mest almindelig i 1/4 eller 1/2 watt, så du kan sætte flere i parallel. Har du 1/4 watt modstande bruger du 8 stk. a 400 Ohm, 1/2 watt 4 stk. a 200 Ohm. Du kommer til resultatet på flg. måde: 1/Rtotal=1/R1+1/R2+1/R3+1/R4. Indsættes R1 til R4 med 200 Ohm fås 50 Ohm. Prøv selv med R1 til R8 med 400 Ohm. Den reciprokke værdi af R (1/R) er ledningsevnen G og måles i "siemens", altså G=1/R eller R=1/G. Man ser også betegnelsen mho, det er ohm skrevet bagfra. Du ser her, at værdien af parallelforbundne modstande findes ved at lægge ledningsevnen sammen. Ved serieforbundne modstande findes værdien ved at lægge modstandene sammen.

PCB for Long Range FM Transmitter Første en forklaring på alle Jumper fra J1 til J6, da de normalt ikke skal bruges alle sammen. Jumper J1 og J2 bruges kun, hvis du tilslutter din egen +12 volt 1 amp reguleret strømforsyning til KLM1 med plus til sikringen F1. Alle komponenter i strømforsyningen - på nær sikring F1, Dioden D6 1N4002 og kondensator C19 - monteres ikke. Dioden D6 SKAL vendes om så katoden vender må C19. Dioden D6 beskytter kredsen, hvis du vender din egen strømforsyning forkert, men den nedsætter også spændingen med 0,6 volt. Jumper J3 til J6 skal bruges, hvis Teko 3710 metalskærmkasser ikke er monteret. Uden disse Jumper er der ikke ground hele vejen rundt i kredsløbet. Det betyder, når du tester kredsløbene efterhånden som de monteres, kan du ikke være sikker på, at der er forbindelse til ground. Det er en uskreven lov, at metalkasser, køleplader (Heatsink) o.s.v. på print ikke må anvendes som Jumper, derfor anbefales det, at Jumper fra J3 til J6 monteres. Der bores ikke huller til den Jumper (J2), som ikke bruges og der gives en lille loddeklat over "kobberhullet". Bemærk at modstande og kondensatorer i de tre kredse ikke er afmærket på kobberbanen, som i PSU'en. Det er ikke en forglemmelse, men af hensyn til parasitkapaciteter, hvis disse kunne opstå ved for tætte baner. Nedenfor ses en lay-out tegning af komponenterne på printet, som benyttes ved montage. Det underste billede er en boretegning i Teko metalskærmkassernes låg, så man kan trimme P1, C19, C20, C23 og C24 (ø 6mm). Tilslutte antennen med et BNC stik, og evnt. luftkøling til Q5 (ø 16mm). PCB lay-out for Long Range FM Transmitter Drill drawing for Teko metal boxes

Strømfortrængning også kaldet Skin effekt i en leder: Hvis en leder (her kobber tråd) gennemløbes af en jævnstrøm, vil strømtætheden være den samme i hele lederens tværsnit. Går der derimod en vekselstrøm i samme leder, vil der i lederens midte på grund af induktion opstå en modspænding, hvis størrelse aftager udad imod lederens overflade. Det betyder, at elektronerne i lederens indre ikke bevæger sig, og strømtætheden tiltager mod lederens ydre. Fænomenet tiltager med stigende frekvens og ved højfrekvenser går den samlede strøm kun i lederens overflade. Ved frekvenser i FM båndet vil indtrængningsdybden være under 10 um. Strømfortrængningen elimineres ved at gøre lederens diameter større og dermed bliver overfladen også større. Samtidig forsølver man også lederen for at minimere tab. Der vil opstå tab i metallet i lederens indre på grund af hvirvelstrømme. Ved stor effekt - sender - benyttes forsølvede kobberrør, da metal i lederens indre er mere til skade end til gavn.

Overskriften lyder: Long Range FM Transmitter, hvad betyder dette? Er det mere end 10 meter eller 10 km? Svaret må nok blive, midt imellem. Se Radioudbredelse og lær om, hvilke fænomener som påvirker udbredelsen. FM radiofoni ligger i VHF båndet (30 MHz til 300 MHz) og er velegnet til radio kommunikation over korte afstande, dog lidt længere end sigte-linjen er mellem antennerne. En tilnærmet beregning af sigte-linjen i km kan findes af flg. formel: KVROD(12,746*Am), hvor Am er højden i meter af antennen. Står du 10 meter over havet bliver sigte-linjen derfor: KVROD(12,746*10) = KVROD(127,46) = 11,3 km. Så til søs i international farvand, vil du nok kunne sende og modtage over en strækning på 10 km. Andre faktorer er senderens effekt (Watt) og modtagerens følsomhed (uVolt).

LÆS DENNE ANSVARSFRASKRIVELSE: Bemærk: Denne sender er kun beregnet til undervisningsformål. Brug af denne sender med udendørs antenne er ulovligt i de fleste lande i verden. Men du er velkommen til at bygge denne Long Range FM Transmitter efter diagrammet og mit PCB udlæg, men du skal ikke forvente hjælp, hvis det går "galt". Desuden skal du vide, at det ikke er alle lande, hvor denne FM Transmitter er lovlig at anvende. Det er dit ansvar at undersøge lovligheden i brugen af transmitteren i det land, som du agter at anvende den i. Kredsløbet anvender ikke potentielt dødelige niveauer af spænding og strøm fra 230VAC nettet, men kun en ekstern strømkilde AC eller DC fra 15 volt til 24 volt. VÆR FORSIGTIG! Hvis du ikke er sikker på, hvad du gør, især når det kommer til kredsløb med strøm fra 230VAC. DET ER DIT ANSVAR: At hente hjælp, at forlade projektet, ikke komme til skade, ikke bygge sjusket kredsløb, ikke såre andre, ikke starte brande. Denne information stilles til rådighed som en service til enhver person. Et hvert ansvar for sikker og korrekt anvendelse for disse kredsløb fraskrives.

one.com