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Mittwoch, 28. März 2018, 20:03

Parametrischer Abwärtsmischer mit Y5V Kondensatoren

Hallo,
habe letztes Wochenende für den monatlichen "Non-test" des Radioboard-Forums eine ziemlich schräge Schaltung zusammengenagelt, die ich Euch nicht vorenthalten möchte.
Es handelt sich um einen parametrischen Abwärtsmischer, der die wohlbekannte spannungsabhängige Kapazität von Kondensatoren mit Y5V Dielektrikum ausnutzt.
Ursprünglich für den Empfang des SAQ Maschinensenders gedacht, brauchte ich ein Signal zum Testen und habe erstmal DCF77 angepeilt, da sich im Frequenzbereich um 20kHz ansonsten nur maritime Signale mit minimaler Phasenmodulation finden.
Die gepumpten Kondensatoren ermöglichen nicht nur die Abwärtsmischung, sondern auch einen moderaten (regenerativen) Gewinn von etwa 20dB - letztlich verhält sich das ganze wie ein Rückkopplungsempfänger, dessen Rückkopplung über den Pegel des LF-Generators eingestellt wird, die Gleichspannung hält die Kondensatoren im Bereich möglichst großer Kapazitätsänderung und erlaubt eine Feinabstimmung der Empfangsfrequenz.
Der gepulste Träger wird direkt in den Audiobereich umgesetzt, ohne weitere Demodulation oder einen BFO.
Durch die Trennung der Eingangs- und Audiokreise von der Pumpspannung ist die Einstellung der Rückkopplung butterweich und ohne jede lästige Hysterese.
Auf besagtem Forum findet sich auch ein MP3 Mitschnitt, sowie der entsprechende Audacity Plot, die sowohl die im DCF77 verborgenen Digitalsignale, als auch das regenerative Verhalten der Schaltung zeigen.
Mit meiner Dachrinnen-Antenne und einem empfindlichen Kopfhörer war der Empfang ausgezeichnet und eher laut - SAQ ist etwa viermal soweit entfernt und benutzt eine vergleichbare Leistung, könnte also klappen.
So etwas kann man im Prinzip auch mit Kapazitätsdioden bauen, müsste dann aber wohl ziemlich viele parallel schalten oder einen deutlich höheren Frequenzbereich anpeilen.
73
Peter/DL3PB
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Donnerstag, 29. März 2018, 11:02

Hallo Peter,

äußerst interessant , was Du da experimentierst.

Es gibt im "Funkamateur Heft 6 von 1964" eine Beitrag über "Das Tandel, ein neues elektronisches Bauelement" welches den Effekt der X5V-Kondensatoren hat.

Aber woran erkenne ich optisch, was ein X5V ist. Die Anbieter verkaufen solche Kondensatoren einfach als Kramikkondensatoren - das können aber auch andere Typen sein. Und in der Bastelkiste schlummern sicher auch Welche.
Was hast Du genommen ?
Auch sollten die alten großen Epsilan-Scheiben ein ähnliches Verhalten haben, welches aber bei den X5V besonders stark ausgeprägt ist.

Wie kommt man eigentlich auf solch eine Idee, solche Dreckeffekte moderner Bauelemente zu erforschen ? Insiderwissen ? Oder reine Forscherwut ? - auf jedem Falle mal wieder ein interessantes Thema.

Viele Grüße
Bernd

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3

Donnerstag, 29. März 2018, 19:56

Hallo Bernd,
ich habe eine Schwäche für nicht-lineare Bauelemente im allgemeinen und für parametrische Schaltungen im besonderen.
Wenn man dann noch einen eigentlich unerwünschten Effekt nutzen kann, um so besser.
Die spannungsabhängige Kapazität nicht nur von Kondensatoren mit Y5V Dielektrikum war mir schon länger bekannt,
bin aber kürzlich nochmal darauf gestoßen worden, wie krass das gelegentlich aussieht, insbesondere bei kleinen
SMD Kondensatoren hoher Kapazität - siehe Ausschnitt aus einem Datenblatt eines 22µF/6.3V X5R-Kondensators, da wird manche Kapazitätsdiode blass vor Neid.
Habe dann mal die üblichen Anbieter durchforstet auf der Suche nach Y5V-Kondensatoren mit deutlich niedriger Kapazität.
Die von mir benutzten Kondensatoren sind nur für 10V spezifiziert und zeigen erst bei höheren Spannungen den gewünschten Effekt, beschwert haben sie sich aber auch nicht...
Allerdings ist die Güte niedrig und die Kapazitätsvariation deutlich geringer als etwa bei einer C-Diode.
Für den besagten Frequenzbereich würde man alternativ eher die entsprechende Schaltung mit in die Sättigung getriebenen Ferriten einsetzten, die erforderliche Leistung gibt mein antiker Generator (TF2103) allerdings nicht her, da muss ich erst eine Endstufe dranstricken.
73
Peter/DL3PB

P.S Der erwähnte Artikel aus FA würde mich interessieren, da war ich noch zu jung, um FA zu lesen
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Freitag, 30. März 2018, 12:10

Hallo Peter,

den Beitrag habe ich auf Papier, da mich solche Sonderbauelemente schon immer faszinieren.

Von der großen Spannungs- und Temperaturabhängigkeit von verschiedenen Keramiken für kleine hochkapazitive Kondensatoren wußte ich auch schon, aber das man das auch nutzen kann, darauf bin ich noch nicht gekommen. Und mit dem SMD-Zeugs stehe ich auch etwas auf Kriegsfuß - nur wenns nicht anders geht. Ich stehe mehr auf das uralte Zeugs.
Ich kannte bis dto nur die X7R-Cs als Solche. Von den Y5V habe ich erst von dir erfahren.

Woran liegt eigentlich diese Spannungsabhängigkeit - ist das piezoelektrische Verformung des Materials ????

Ich weiß jetzt nicht, was dein Generator bringt, aber wenn Du die ganz kleinen Kerne aus der Digitalspeichertechnik nimmst ? - das bewickeln mit 0,04mm-Draht hat schon seinen eigenen Reiz :D
Schicke mir mal eine Mail, dann schicke ich dir den Scan.

Viele Grüße
Bernd

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Freitag, 30. März 2018, 17:44

Woran liegt eigentlich diese Spannungsabhängigkeit - ist das piezoelektrische Verformung des Materials ????

Eher nicht, zumindest ein Versuch mit Kristallohrhörern mit bis zu 100V-DC zeigte keine Kapazitätsänderung - ein deutschsprachiger Erklärungsversuch findet sich in dem angehängten PDF.

Ich habe meine C's zuerst mit der Pulsmethode ausgetestet:
Zwei Kondensatoren in Serie parallel zu einer Spule, DC über 100k zwischen beide C's, den sich ergebenden Schwingkreis mit Pulsgenerator oder Batterie anstoßen ( über ein sehr kleines C ) und in der er abklingenden Schwingung Frequenz ( und evtl. auch Güte) ausmessen, das ganze bei verschiedenen Gleichspannungen.

Es sollte auch ein zu den klassischen BH-Kurven bei Spulen analoges Verfahren in x-y Darstellung geben, komme ich aber gerade nicht drauf - reiche ich nach.

Ich habe schon entsprechend bewickelte extrem kleine Kerne ( Außendurchmesser <1mm ) aus sehr hartem Material - muss ich einfach nochmal ausprobieren, mein Generator schafft nur einige zehn Milliwatt.

Scan des Artikels wäre super - Danke!

Peter
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Samstag, 28. April 2018, 17:41

Hallo,
hier wie versprochen, die aktualisierte Version für die SAQ-Frequenz. Die 3.3mH Spule ist mit zwei Doppellochkerne unbekannter Herkunft ( 250nH/t ) realisiert. 61-er Material dürfte dem noch am nächsten kommen ( mittlere Güte ). Die Y5V Kondensatoren ( SMD 0805 ) gibt's bei Mouser.
Es gab ein paar Nachfragen zur Funktionsweise, leider habe ich keine wirklich gute deutsch-sprachige Erklärung zu parametrischen Schaltungen gefunden:
1. Warum kann man mit einer variablen Kapazität verstärken bzw. Schwingungen anfachen ?
Lädt man eine Kapazität z.B. einen Drehkondensator mit einer Spannung U auf, gilt für die Ladung Q = U x C, für die gespeicherte Energie W = 0.5 x C x U^2
Halbiert man nun die Kapazität, bleibt die Ladung gleich ( sie kann ja nicht abfließen ), so dass die Spannung sich verdoppeln muss - wie man unschwer erkennt, ist dass mit einer Verdopplung der Energie verbunden. Das ist keine freie Energie, da man beim "Auseinanderziehen" der geladenen Platten mechanische Arbeit investiert hat.
Umgekehrt wird beim Zusammenschieben der Platten genau dann keine mechanische Energie frei, wenn der Kondensator gerade nicht geladen ist.
Zieht man bei einer Wechselspannung die Kondensatorplatten immer bei den Spannungsmaxima auseinander und schiebt sie im Nulldurchgang wieder zusammen, kann man kontinuierlich Energie in den Kondensator "pumpen" - das kann mechanische Energie sein, funktioniert aber auch elektrisch etwa mit Kapazitätsdioden.
2. Zur Schaltung
Der Eingangstrafo dient lediglich dazu, die Brücke aus zwei spannungsabhängigen Kondensatoren so zu speisen, dass sich das so genannte Pumpsignal an dem mit "x" gekennzeichneten Punkt aufhebt. Der Rest der Schaltung "sieht" hier im Idealfall nur noch eine sich im Rhythmus der Pumpfrequenz ändernde Kapazität.
Die beiden anschließenden Serien-Schwingkreise für das Eingangs- und das Audio-Ausgangssignal teilen sich diese Kapazität, was die Dimensionierung erschwert.
Bei ausreichender Pump-Amplitude werden beide Kreise entdämpft und beginnen zu schwingen - der Rest ist nur ein Tiefpass Filter, um Reste der Pumpfrequenz vom Audio-Recorder fern zu halten, einen Kopfhörer kann man auch direkt an die 47nF anschließen.
3. Rückkopplungsempfänger
Betrieben wird die Schaltung kurz vor(!) dem Schwingungseinsatz, da im Gegensatz zu anderen Rückkopplungsempfängern auch der Audio-Kreis entdämpft wird, íst das ganze extrem schmalbandig. Die gute Nachricht ist, dass man die Schaltung als Oszillator testen kann, die Frequenz ändert sich um den Punkt des Schwingungseinsatz nur geringfügig, eine bescheidene Abstimmung ist über das DC-Bias möglich.
4. Eigene Experimente
Für eigene Versuche z.B. bei deutlich höheren Frequenzen mit Kapazitätsdioden kann man zuerst nur einen Serienschwingkreis anschließen und den Generator durchkurbeln. Wenn die Pump-Frequenz dem doppelten Wert der Resonanzfrequenz des Serien Schwingkreises entspricht, beginnt er zu schwingen. Dann einen zweiten Serienkreis anschließen und sehen, ob beide schwingen und wenn ja bei welcher Pump-Frequenz. Generator nur langsam durchstimmen, da die Schwingung aus dem Rauschen entsteht und sich nur langsam aufbaut. Dann kann man daran gehen beide Kreise auf die gewünschte Frequenz zu ziehen. Wie erwähnt, teilen sich beide Schwingkreise die gepumpten Kapazitäten ( parallel ), die liegen in Serie zu den Kreis-Kapazitäten, so dass man entsprechend hohe Induktivitätswerte benötigt.
Der Eingangstrafo ist eigentlich unkritisch, alles für etwa 50...200 Ohm ( mit X_L ca. fünffach grösser ) auszulegen reicht in der Regel - ich musste ein bisschen optimieren, weil mein Generator nur wenig Leistung liefert.
Wer auf einen einstellbaren Arbeitspunkt verzichtet, kann auch fertige Trafos etwa von Mini-Circuits verwenden, muss dann aber sicherstellen, dass die Kapazitätsdioden nicht über 0.7V ausgesteuert und somit leitend werden.
73
Peter/DL3PB
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Montag, 7. Mai 2018, 08:31

Zitat von hier:
"Eher nicht, meine Schaltung ist prinzip-bedingt schon zu schmalbandig -
störende Signale im Nachbarkanal waren definitiv nicht das Problem.

Vermutlich werde ich die Betreiber von SAQ nicht zu einer QRSS-Botschaft
überreden können, dann könnte ich besagte Schmalbandigkeit voll
ausspielen, und dennoch Punkte und Striche unterscheiden - bei den 15WPM
vom 1.Mai, konnte ich gerade so die Wortpausen ausmachen...

73

Peter"

Hallo Peter,

aber eine abgestimmte Antenne bringt doch eine höhere Eingangsspannung. Du mußt dann die "Rückkopplung" nicht so stark anziehen wodurch die Bandbreite nicht ganz so schmal wird.
Oder sehe ich das falsch bzw hast Du schon eine neue Idee ?

Viele Grüße
Bernd

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Montag, 7. Mai 2018, 19:10

Hallo Bernd,
ob eine Rahmenantennen wirklich mehr Leistung(!) einfängt, bezweifele ich - höhere Spannung durch Resonanz bringt nur was für hochohmige Eingänge ( Spannungsanpassung ).
Wie gesagt, helfen würde die Audio-Ausgangsfrequenz möglichst hoch zu legen z.B. einige Kilohertz, sowie mehrere gekoppelte Schwingkreise für das Audiosignal zu verwenden.
Ersteres würde 1:1 in die absolute Bandbreite eingehen, mit der zweiten Variante habe ich bislang noch keine Erfahrung, auf jeden Fall braucht sie mehr Pumpleistung.
Ich berichte, wenn ich eine Lösung gefunden habe, muss mich aber erstmal um den MAS-contest am Herrentag kümmern...
Viele Grüsse
Peter

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Montag, 7. Mai 2018, 22:58

Hallo Peter,

nur keine Hektik, das eilt ja nicht. Mein Basteltisch ist sowiso noch voll von zu beendenteten Projekten, wovon gerade Eines vom Anderen abhängt.

Nun ja, bei der Frequenz sollte ein einfacher Verstärker nich kompliziert sein - das sollte jeder moderne NF-Verstärker noch können. Dann hast Du genug Pumpleistung.

Viele Grüße
Bernd

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