Radioamatööriperuskurssi T1 - moduuli Heikki Lahtivirta OH2BSH 1
Download
Report
Transcript Radioamatööriperuskurssi T1 - moduuli Heikki Lahtivirta OH2BSH 1
OH2BSH -97
Radioamatööriperuskurssi
T1 - moduuli
Heikki Lahtivirta OH2BSH
1
OH2BSH -97
Miksi tekniikkaa ?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Turvallisuus
Turvallisuus
Tekniikan taito on tärkeä
Mielenkiinto tekniikkaan
Harrasteen kautta ammattiin
Tekniikka on hallittava myös käytännön
takia
2
OH2BSH -97
Sähkötekniikan perussuureet:
Jännite
Virta
Resistanssi
Teho
U
I
R
P
[U] = V
[ I] = A
[R] =
[P] = W
voltti
ampeeri
ohmi
watti
3
OH2BSH -97
Sähkötekniikan suureita:
Impedanssi
Z
Induktanssi L
Kapasitanssi C
Taajuus
f
[Z] =
[L] = H
[C] = F
[f] = Hz
ohmi
henry
faradi
hertsi
4
OH2BSH -97
Kerrannaisyksiköitä ja
esimerkkejä niiden käytöstä
tera
giga
mega
kilo
milli
mikro
nano
piko
10^12
10^9
10^6
10^3
10^0
10^-3
10^-6
10^-9
10^-12
terawatti
gigahetrsi
megavoltti
kilo-ohmi
watti
milliampeeri
mikrovoltti
nanosekunti
pikofaradi
10^12 W
10^9 Hz
10^6 V
10^3
10^0 W
10^-3 A
10^-6 V
10^-9 s
10^-12 F
TW
GHz
MV
k
W
mA
V
ns
pF
5
OH2BSH -97
Johteet,puolijohteet ja eristeet
Johteita:
Kulta, Hopea
Kupari, Alumiini
Messinki, Rauta
Hiili, Ionisoitunut
kaasu
Puolijohteita:
Pii, Si
Germanium, Ge
Galliumarsenidi, GaAs
Seleeni.
6
OH2BSH -97
Johteet, puolijohteet ja eristeet
Eristeitä:
Tyhjö
Ilma
Tislattu vesi
Kiille
Lasi
Posliini
PVC muovi
Akryylimuovi
Öljy
Keraamiset aineet
Kumi
Kuiva puu
Kuiva paperi
Alumiinioksidi
7
OH2BSH -97
Mitä sähkö on ?
Täysin
oikeaa vastausta ei tiedetä, kuitenkin
sähkön luonteesta,
käyttäytymisestä ja
käytöstä tiedetään
paljon.
Sähkön luonnetta voidaan havainnollistaa
Bohrin esittämän atomimallin avulla.
Mallissa
kaikki aine
koostuu atomeista,
joissa on ydin ja sitä
kiertäviä elektroneja.
Ydin koostuu positiivisista protoneista ja
varauksettomista
neutroneista.
Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita.
8
OH2BSH -97
Mitä sähkö on ?
Atomin
ollessa lepotilassa atomin varaus
ulospäin on nolla ts.
ytimessä on yhtä monta protonia kuin on
ydintä kiertäviä elektroneja.
Tuomalla atomiin
energiaa ulkopuolelta
irtoaa elektroni.
Irronneet
elektronit
muodostavat johtimeen sähkövirran.
Sähkövirta puolestaan
saa aikaan johtimen
ympärille magneettikentän.
9
OH2BSH -97
Mitä sähkö on ?
Kahden
pisteen välillä
vaikuttaa jännite, jos
ko. pisteissä on eri
määrät elektroneja.
Pisteiden välillä
vaikuttaa sähkökenttä
Kun
magneetti- ja sähkökenttä vaikuttavat
samassa pisteessä
yhtäaikaa (esim. antenni) syntyy sähkömagneettisen energian
perusosia eli kvantteja.
10
OH2BSH -97
Ohmin laki
Muistikolmio
U
______
I * R
Miten
käytän
muistikolmiota ?
Peitä kysytty suure,
jäljelle jäävä osa on
tarvittava laskutoimitus.
11
OH2BSH -97
Vastusten kytkennät:
Vastukset
sarjassa:
Sarjaankytkennässä
kokonaisresistanssi on
osaresistanssien summa
Rt=R1+R2+R3
R2
Rt
R1
Vastukset
rinnan:
Rinnankytkennässä
kokonaisresistanssin
käänteisarvo on osaresistanssien käänteisarvojen summa
1/Rt=1/R1+1/R2+1/R3
Rt
R3
R1
R2
R3
12
OH2BSH -97
Jännitelähteiden kytkennät:
Jännitelähteet
+
Ut
sarjassa:
Jännitelähteet
Sarjaankytkennän kokonaisjännite on osajännitteiden summa
Ut=U1+U2+U3
rinnan:
Osajännitteiden on oltava saman suuruisia
Kytkennän kuormitettavuus kasvaa
Ut=U1=U2=U3
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
U1
U2
U3
U1
U2
U3
+
Ut
-
13
OH2BSH -97
Sähköteho ja - työ
Kun
jännite ja virta
vaikuttavat yhtä aikaa
tietyssä pisteessä, kulutetaan ko. pisteessä
sähkötehoa.
Sähköteho on jännitteen ja virran tulo
P
=UxI
[P]
= V x A =VA =W
Ohmin
lakia soveltamalla saadaan tehon
kaavoiksi:
2
P=UxI
U
P
=
R
P=I 2 xR
U= PxR
P
I= R
14
OH2BSH -97
Sähköteho ja -työ
Sähkötehon
vaikuttaessa tietyn ajan, tehdään sähkötyötä Ws.
Ws = P x t(s)
Ws = Wattisekunti
Johdannaisyksikkö on
Wh (wattitunti)=
3600 x Ws.
Ostettaessa
sähköä
sähkölaitokselta, maksetaan nimenomaan
tehdystä sähkötyöstä.
Lasku kasvaa kun
aika/teho kasvaa.
15
OH2BSH -97
Tehosovitus
Tehosovitus
tarkoittaa
tilannetta jossa kuormaan saadaan syötettyä teholähteestä suurin mahdollinen teho.
Tehosovitus toteutuu
kun kuorman impedanssi on yhtä suuri
kuin teholähteen sisäinen impedanssi.
Impedanssi
Z=R +j X
Siirrettäessä tehoa
(esim. lähettimestä antenniin) pyritään tehosovitukseen (RS = RL).
G
RS
RL
16
OH2BSH -97
Vaihtosähkö
Vaihtosähköllä
jännitteen suuruus ja suunta
vaihtelevat jaksollisesti
ajan suhteen.
Vaihtelu on yleensä
säännöllistä ja siinä on
positiivinen ja negatiivinen osuus.
Vaihtelu on yleensä
sini- muotoista.
Vaihtojännitteen
tehollisarvo U on samansuuruinen kuin tasajännite, jonka lämmittäväteho on yhtä
suuri kuin vaihtojännitteen teho.
17
OH2BSH -97
Vaihtosähkö
Sininmuotoisen
vaihtojännitteen huippuarvo on 1,41 kertaa
tehollisarvo eli
u = 1,41 x U.
Jaksonpituus T määrää kuinka pitkä aika
kuluu yhteen kokonaiseen jaksoon.
Taajuus
f on jaksonpituuden T käänteisarvo.
Taajuus ilmaisee kuinka monta kokonaista
jaksoa yhteen sekuntiin mahtuu.
f=
1
T
1
[f] = s = Hz
18
OH2BSH -97
Vaihtosähkö
Huippuarvo u^
u
Tehollisarvo U
Jakson pituus (jaksonaika)
28
0
30
0
32
0
34
0
36
0
26
0
14
0
16
0
18
0
20
0
22
0
24
0
10
0
12
0
80
60
40
Huipusta huippuun
Uhh
20
0
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
-0,10
-0,20
-0,30
-0,40
-0,50
-0,60
-0,70
-0,80
-0,90
-1,00
SIN
T
19
OH2BSH -97
Vaihtosähkö
Radioamatöörilähetti-
mestä antenniin syötettävä signaali on
vaihtosähköä jonka
taajuus on megahertsejä (MHz).
Antenni muuttaa vaihtosähkön sähkömagneettiseksi säteilyksi.
Sähkömagneettinen
säteily etenee ilmassa ja
avaruudessa valon
nopeudella.
Aallonpituus ilmaisee
matkan, jonka säteily
etenee yhden jakson
aikana.
c=300 000 000 m/s
c
= f
=m
20
OH2BSH -97
Induktanssi
Virrallisen
johtimen
ympärille syntyy magneettikenttä.
Kun johdin kierretään
kelalle, yksittäisten
kierrosten magneettikentät summautuvat ja
kokonaiskenttä
voimistuu.
Kentän
voimakkuuteen vaikuttaa oleellisesti kelan sydänaine.
Tasavirta muodostaa
kytkentähetkellä kelaan magneettikentän,
joka vastustaa virran
kasvua.
21
OH2BSH -97
Induktanssi
Kun
virta katkaistaan
purkautuu magneettikenttä ja INDUSOI
kelan silmukoihin jännitteen, joka pyrkii
vastustamaan virran
pienentymistä.
Ominaisuutta kutsutaan INDUKTANSSIksi.
Mitä
nopeammin magneettikenttä muuttuu
sitä enemmän induktanssi vastustaa virran
muutosta.
Induktanssilla on siis
vaihtovirta vastus,
REAKTANSSI.
22
OH2BSH -97
Induktanssi
Induktanssi
aiheuttaa
virran jäämisen jännitteestä 90 astetta jälkeen.
Reaktanssi ei aiheuta
häviötehoa.
Induktanssin merkintä
on L ja [L] = H (henry)
Reaktanssin
merkintä
on X ja [X] = (ohmi)
Keloilla on induktiivinen reaktanssi XL.
XL = L missä
=2f. XL= 2fL
Induktansseja lasketaan sarjaan ja rinnan
kuten vastuksia.
23
OH2BSH -97
Kapasitanssi
KAPASITANSSI
eli
varautumiskyky (kyky
varata elektroneja).
Kapasitanssin merkintä on C ja [C] = F
(faradi).
Kapasitanssin realisoi
komponentti nimeltään kondensaattori.
Kondensaattori
muodostuu lähekkäin olevista toisistaan eristetyistä metallilevyistä.
Kondensaattori EI
johda tasavirtaa.
Kondensaattorissa
elektronit liikkuvat
kunnes saavutetaan
tasapainotila.
24
OH2BSH -97
Kapasitanssi
Vaihtovirta
läpäisee
kondensaattorin (tasapainotilaa ei saavuteta).
Kondensaattorilla on
myös reaktanssi, kapasitiivinen reaktanssi XC.
= 1/ C , missä
= 2f.
Kapasitansseja lasketaan sarjaan kuten vastuksia rinnan ja rinnan
kuten vastuksia sarjaan.
XC
25
OH2BSH -97
Passiviset komponentit:
Vastukset
Vastusten tärkeimmät ominaisuudet ovat:
Vastusarvo,toleranssi,
jännitteen- ja tehonkesto.
Radiotekniikassa lisäksi huomioitava suurtaajuusominaisuudet
.
Vastus voi olla joko kiinteäarvoinen tai
säädettävä (=potentiometri).
Vastusmateriaalina käytetään hiilimassaa, hiilikalvoa, metallikalvoa ja vastuslankaa.
26
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Suurtaajuuspiireissä
on syytä käyttää INDUKTANSSITTOMIA vastuksia eli massatai hiilikalvovastuksia.
Vastuksen tehonkesto riippuu rungon
mekaanisista mitoista. Mitä suurempi runko
on, sitä suuremman tehon vastus kestää.
Yleisiä tehoarvoja ovat: 1/4W,1/3W,1/2W,
1W,2W,4W,5W,10W,50W......
27
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Kondensaattorit
Kondensaattoreiden tärkeimmät ominaisuudet
ovat:
kapasitanssiarvo
ja jännitekesto.
Toleranssi ei ole tärkeä yleensä
Käyttöpaikka määrää voimakkaasti sen, minkä
tyyppistä kondensaattoria käytetään.
Tärkeä tekijä kondensaattorin valinnassa on
eristemateriaali
28
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Kondensaattori voi olla kiinteä tai säädettävä.
Säädettävissä kondensaattoreissa on eristeenä
yleensä ilma tai muovi.
Säädettävissä
kondensaattoreissa muutetaan levyjen
välistä pinta-alaa kiertämällä levyjä toistensa sisään tai
ulos tai muuttamalla levyjen etäisyyttä toisistaan.
Säätökondensaattori voi olla joko työkalusäätöinen tai
säätöakseliin liitetään nuppi, josta säätö suoritetaan.
29
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Elektrolyyttikondensaattorilla
(Elko) saadaan aikaan suuria kapasitansseja, jopa
satojatuhansia mikrofaradeja.
Elkoja käytetään yleensä teholähteissä.
Elkossa toisen elektrodin muodostaa metallilevy ja toisen elektrolyyttinen liuos.Näiden
välille syntyy kaasukalvo, joka toimii eristeenä.
30
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Elko
on polaroitu kondensaattori ts.toinen
navoista on + - merkkinen ja toinen - merkkinen.
Elkon navat täytyy AINA kytkeä + - napa
positiivisempaan jännitteeseen ja - - napa
negatiivisempaan.
Elkon suurtaajuusominaisuudet ovat huonot.
31
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Kela
on eristetystä langasta käämitty “lankavyyhti” joka on käämitty joko ilmakelaksi
tai hyvän magneettiset ominaisuudet (induktanssia kasvattavat) omaavan materiaalin
päälle (=kelan sydän).
Kelan käyttötarkoitus määrää kelan
rakenteen ja materiaalit.
32
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Pientaajuuskelat:
Tarvitaan suuri induktanssi
Käytetään mm. estämään virtalähteiden
hurinavirtaa,kaiuttimien jakosuotimissa, energiavarastona jne.
Sydänmateriaalina käytetään mm. rautalevyjä,
ferromagneettisia aineita.
Induktanssit 0.1 - 100H
33
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Suurtaajuuskelat:
Tarvittavan induktanssin arvon määrää käyttötaajuus
Jos siirrettävä energia on pieni, kela käämitään
pienille rautajauho- tai ferriittisydämille.
Suurilla energioilla kelasydämenä käytetään
suuri poikkipintaisia ferriittisiä materiaaleja tai
ilmaa ja lankana paksua kuparilankaa (hopeointi).
34
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Suurtaajuuskuristimet:
Eroittavat suurtaajuusenergian tasasähkösyötöstä.
Pyritään suureen induktanssiin , pieneenhajakapasitanssiin ja pieneen resistanssiin.
Ovat usein aksiaalisia.
35
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Muuntajat:
Muuntaa jännitteen tai virran suuremmaksi tai
pienemmäksi (myös impedanssin).
Runkona voi olla rautalevyt tai ferriittinen aine.
Rungon päälle käämitään kaksi tai useampia
keloja.
Toiminta perustuu vaihtelevaan magneettikenttään.
Runko toimii suljettuna magneettipiirinä.
36
OH2BSH -97
Passiiviset komponentit:
Runko ohjaa magneettikentän vuon siten, että
vuo lävistää kaikkien käämien silmukat.
Kun johonkin ensiökäämiin tuodaan vaihtovirtaa, indusoituu muihin toisiokäämeihin jännite.
Kuormittamattoman muuntajan muuntosuhde
on: U1 / U2 = N1 / N2 = I2 / I1
Muuntaja toimii vain vaihtosähköllä !!
Jos muuntajaa ei kuormiteta toisiopuolelta kulkee
ensiössä tyhjäkäyntivirta.
37
OH2BSH -97
Komponentit
Sähkölaitteet
rakentuvat rakenneosista eli
komponenteista.
Komponentit
jaetaan kahteen pääryhmään:
Aktiiviset komponentit
Yleensä vahvistavat signaalia. Esim.transistorit,
operaatiovahvistimet, logiikkapiirit,tyhjö-putket jne.
Vaativat ulkoista syöttötehoa toimiakseen.
Passiiviset komponentit
Vastukset,kondensaattorit,kelat
Eivät vaadi ulkoista syöttötehoa toimiakseen.
38
OH2BSH -97
Puolijohteet
Tärkeimmät
puolijohdemateriaalit:
Pii
Gallium - Arsenidi
Germanium
(Seleeni, Kuparioksiduuli)
Puolijohteiden
sähkönjohtokyky on johteiden
ja eristeiden välillä.
39
OH2BSH -97
Puolijohteet
Puhtaalla
puolijohdemateriaalilla ei ole sinänsä suurtakaan merkitystä elektroniikassa.
Tärkeäksi komponenttien raaka-aineeksi
puolijohde muuttuu, kun valmistus vaiheessa materiaaliin sekoitetaan hallitusti vieraita
aineita “saastuttamaan” raakapuolijohde.
Puolijohdemateriaalia tehdään kahta eri
tyyppiä: P- ja N-tyyppistä.
40
OH2BSH -97
Puolijohteet
P-
tyypin puolijohteessa on elektronien vajausta ja N- tyypin puolijohteessa on elektroneja liikaa.
Yhdistämällä P- ja N- tyypin materiaaleja
kerroksittain yhteen, saadaan aikaan erilaisia toimintoja, puolijohdekomponentteja.
Oleellista komponentin toiminnan kannalta
on P- ja N- tyypin materiaalien rajapinta.
41
OH2BSH -97
Diodi
Diodi
on yksinkertaisin puolijohdekomponentti.
Diodi rakentuu yhdestä P- ja N- tyypin rajapinnasta.
Anodi
Katodi
Diodin piirrosmerkki
A
P
N
K
Rakenne, P- ja N-rajapinta
42
OH2BSH -97
Diodi
Kun
P-tyypin puoliskoon kytketään virtalähteen + - napa, siirtyvät ylimääräiset
elektronit N - tyypistä lähelle rajapintaa.
Vastaavasti virtälähteen negatiivinen napa
vetää ylimääräisiä aukkoja P - tyypin puolelta lähelle rajapintaa.
Jos virtalähteen jännite on tarpeeksi suuri,
siirtyvät elektronit ja aukot rajapinnan yli.
43
OH2BSH -97
Diodi
Jännitettä
jolla rajapinta tulee johtavaksi,
kutsutaan kynnysjännitteeksi ja on piillä
n. 0,7 V ja germaniumilla n.0,3V.
Kun jännite on suurempi kuin kynnysjännite, diodi johtaa (päästösuunta).
Jos jännite kytketään toisin päin, elektronit ja
aukot siirtyvät kauemmaksi rajapinnasta,
jolloin diodi ei johda (estosuunta).
44
OH2BSH -97
Diodi
Jos
estosuuntainenjännite kasvaa liian suureksi,tapahtuu läpilyönti, joka tuhoaa diodin,
Diodin ollessa estosuuntainen, kulkee diodissa
pieni estosuuntainen vuotovirta.
Kun diodi on myötäsuuntainen, ei diodin yli jäävä
jännite muutu paljonkaan.
Diodeja käytetään ohjaamaan virta haluttuun
suuntaan.
45
OH2BSH -97
Diodi
Käytännön
sovelluksia diodeille ovat:
Vaihtosähkön tasasuuntaaminen tasasähköksi
Ilmaisu eli informaation erottaminen
radiolähetteen kantoaallosta
Eri taajuisten signaalien sekoittaminen keskenään
Toiminta kytkimenä
46
OH2BSH -97
Diodi
Diodin
yhteydessä tärkeimmät suureet ovat:
Suurin sallittu jatkuva myötäsuuntainen virta
Suurin sallittu estosuuntainen jännite
Toimintanopeus
Suurin sallittu toistumaton myötäsuuntainen
virta
Diodissa
katodi merkitään renkaalla ja
tyyppi kirjain-numero yhdistelmällä.
47
OH2BSH -97
Diodi
Piidiodin
toimintakäyrä:
U/V
I/uA
30
Estosuunta
20
10
-100
2
Myötäsuunta
1
0,5
1 1,5
2
I/A
-200
U/V
48
OH2BSH -97
Diodi
Zenerdiodi:
On myötäsuunnassa samanlainen kuin piidiodi
Estosuunnassa estojännite on matala, tyypistä
riippuen 3.3V - 200V
Estojännite alueella (=Zenerjännite) jännite on
hyvin vähän riippuvainen läpi kulkevasta virrasta
Käytetään jännitteen vakavointiin (=stabilointiin) ja kohinan muodostamiseen
49
OH2BSH -97
Diodi
Kapasitanssidiodit
(eli varaktori):
Valmistettu siten , että PN - rajapinnan kapasitanssi on mahdollisimman suuri ja säädettävissä
Kapasitanssin säätö perustuu estosuuntaisen
jännitteen säätöön (elektronien ja aukkojen
etäisyyden muuttamiseen)
Käytetään radioissa virityspiirien säätöön ja
taajuuden kertojissa
Voidaan käyttää myös myötäsuuntaisena
50
OH2BSH -97
Diodi
Valodiodi
(eli LED):
Materiaaliksi on valittu aine, joka alkaa emittoida näkyvää valoa kun diodiin kytketään
myötäsuuntainen virta
Myötäsuunnassa diodin yli jäävä jännite on
stabiili (Voidaan hyödyntää stabilointiin)
Tyypillisesti max. virta on 20mA, suuremmilla
tuhoutuu helposti
51
OH2BSH -97
Transistorit
Transistori
on aktiivinen puolijohdekomponentti, jossa sisääntulonapoihin tuotu signaali saadaan vahvistettuna ulos lähtönavoista.
Transistorit jaetaan kahteen pääryhmään:
Virtaa vahvistaviin bipolaaritransistoreihin (BJT)
Jänniteohjattuihin kenttävaikutustransistoreihin (FET)
52
OH2BSH -97
Transistorit
Bipolaaritransistorit
koostuu kolmesta puolijohdekerroksesta (kaksi
rajapintaa)
Kerrosten järjestys on joko PNP tai NPN
Kerrosten järjestys määrää virran kulkusuunnan
transistorin läpi
Kytkennät ulospäin kolmella elektrodilla: Kanta
(Base, B),Emitteri (Emitter, E) ja Kollektori
(Collector, C)
53
OH2BSH -97
Transistorit
Bipolaaritransistorien
C
piirrosmerkit:
C
B
B
B
E
E
NPN
C
PNP
E
NPN - Darlington
54
OH2BSH -97
Transistorit
Bipolaaritransistori:
Ohjauselektrodi on kanta
On virtaa vahvistava komponentti
Toimintaperiaate:
Kannan kautta emitterille kulkeva virta ohjaa
kollektorin kautta emitterille kulkevaa virtaa
Virtojen välistä riippuvuutta kutsutaan transistorin virtavahvistuskertoimeksi ( tai Hfe )
55
OH2BSH -97
Transistorit
Virtavahvistuskertoimen arvo voi vaihdella
transistorityypistä riippuen muutamasta kymmenestä useaan tuhanteen
Kannan ja emitterin välillä on myötäsuuntainen
diodi joten niiden välillä vallitsee melko vakio
0,7V jännite-ero (kynnysjännite)
56
OH2BSH -97
Transistorit
FET
- transistorin toiminta:
Lyhenne FET = Field Effect Transistor =Kenttävaikutustransistori.
Kutsutaan myös kanavatransistoriksi
Kytkennät ulospäin kolmella elektrodilla:Hila
(Gate, G), Kerääjä (Drain , D) ja Lähde (Source, S)
On jänniteohjattukomponentti
57
OH2BSH -97
Transistorit
Drain - Source välille syntyy virtaa johtava
kanava ja Gate:n ja Drain:n välisellä jännitteellä
voidaan säätää kanavan leveyttä (resistans-sia) ts.
virran suuruutta.
Gate on eristetty kanavasta.
FETtejä valmistetaan sekä N - että P - kanavaisina
FET:t jaetaan kahteen päätyyppiin:liitos- ja MOS
fetteihin.
58
OH2BSH -97
Transistorit
Liitos
FET:
Gatelta estosuuntainen diodiliitos source ja drain
elektrodeihin (Sourcen ja drainin väli on
yhtenäistä puolijohdetta.Tasavirta ei kulje gatelta
kanavaan)
Gaten ja sourcen välillä on tietty kapasitanssi
joten vaihtojänniteohjauksella gatelta kulkee
virtaa kanavaan
On sulkutyyppinen eli gatella pitää olla jännite
jotta FET ei johda
59
OH2BSH -97
Transistorit
MOS-
FET :
Lyhenne tulee sanoista Metal Oxide Semiconductor
Gate on eristetty ohuella metallioksidi kerroksella (ei ole diodiliitosta)
On olemassa sekä sulku - että avaustyyppisiä
On myös kahdella gatella varustettuja, jolloin
niiden toimintaa voidaan ohjata kahdella signaalilla samanaikaisesti
60
OH2BSH -97
Tyristorit ja triacit
Käytetään
nopeina tehokytkiminä.
Tyristori on nelikerrosdiodi joka johtaa
myötäsuuntaan kun se on saanut sytytyspulssin ohjauselektrodilleen.
Tyristori sammuu kun myötäsuuntainen
virta on pienentynyt alle ns. pitovirran.
Tyristori hyödyntää vaihtosähköstä vain
toisen puolijakson.
61
OH2BSH -97
Tyristorit ja triacit
Triacit
ovat periaatteessa kaksi tyristoria
vastakkain kytkettynä ja ohjauselektrodit
yhdistettynä.
Triac johtaa kumpaankin suuntaan kun ohjaus tapahtuu oikein.
Väärin suunniteltu tyristori- tai triackytkentä aiheuttaa voimakkaita häiriöitä radiotaajuuksilla.
62
OH2BSH -97
Tyhjöputket (Radioputket)
Ovat
jänniteohjattuja komponentteja.
Radioputkien merkitys radiotekniikassa on
pienenemässä.
Vaativat hehkutehoa katodin lämmitykseen -> kokonaishyötysuhde huononee.
Rakennettu lasikuvun sisään, johon on imetty tyhjö.
63
OH2BSH -97
Radioputket
Putkessa
on aina vähintään kaksi elektrodia:
hehkukatodi ja anodi. Anodi on positiivisempi kuin katodi jolloin katodia lämmitettäessä irtoavat elektronit siirtyvät anodille.
Tämä yksinkertaisin putkityyppi on nimeltään DIODI.
Anodin ja katodin väliin voidaan asettaa lisäelektrodeja , hiloja.
64
OH2BSH -97
Radioputket
Hiloille
tuotavilla jännitteillä voidaan säädellä ja muutella putken ominaisuuksia.
Putket eivät ole herkkiä käyttövirheille.
Putken tulokapasitanssi (kapasitanssi hilan ja
katodin välillä) on pieni (muutama pF).
Tyypillinen anodijännite on 200VDC, lähetinputkilla n.2-5 KV.
65
OH2BSH -97
Radioputket
Putket
jaetaan seuraavasti toiminnallisiin
tyyppehin:
Putkityyppi
Hiloja
Elektrodeja
Diodi
Triodi
Tetrodi
Pentodi
Heksodi
Heptodi
Oktodi
0
1
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
7
8
66
OH2BSH -97
Radioputket
Saman
tyhjöksi imetyn lasikuvun sisään
voidaan ja rakennetaankin useampia putkitoimintoja.
Tällöin saadaan esim. trioditetrodi, dioditriodi, triodipentodi jne.
Radioputkien saatavuus on huonontunut,nykyisin radioputkia valmistetaan pääasiassa
vain entisissä itäblokin maissa ja Kiinassa.
67
OH2BSH -97
Transistori vahvistimena
Yksinkertainen
äänitaajuusvahvistin
+20V
R1
180k
C1
R3
4,7k
+ C2
R5
180k
R7
4,7k
Tr3
100uF
+
Tr2
Tr1
100uF
+
C3
1000uF
R10
10k log
R2
22k
R4
1k
R6
22k
R8
1k
R9
120
0V
68
OH2BSH -97
Vahvistimien toimintaluokat
Vahvistinkomponenteilla
(putket, transistorit
ja FET:t) on kolme perustoimintaluokkaa:
A-, B- ja C - luokat
Vahvistinluokan
valinta riippuu signaalista,
jota halutaan vahvistaa.
Väärän vahvistinluokan valinta aiheuttaa
esim. SSB- signaalille säröytymistä.
69
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
Toimintapiste
on piste, jossa vahvistavan
komponentin ohjauspiirin tasajännite(-virta)
ja lähtöpiirin tasajännite (-virta) käyrät leikkaavat.
+
RD
G
Ug
RG
UD
ID
+Ug
D
S
Toimintapiste
UD
ID
70
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
A-luokka:
Vahvistinta ei koskaan ohjata epälineaariselle
alueelle
Vahvistavalla komponentilla on kiinteä toimintapisteen asettelu, jolla lähtö asetetaan keskelle
lineaarista toiminta-aluetta
Vahvisten asteessa kulkee koko ajan, myös ilman ohjausta, virtaa
Asteen hyötysuhde on huono, 0 - 50%
71
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
Ohjaus pidetään sellaisella tasolla että lähtö
pysyy lineaarisella alueella
käytetään kytkennöissä joissa ei saa syntyä säröä
esim. audiovahvistimet ja oskillaattorit
UD
Lähtö
Kiinteä etujännite
Ohjaus
ID
72
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
B
- luokka:
Kiinteä toimintapiste asetaan siten, että asteessa
kulkee virtaa vain ohjauksen toisen puoliaallon
aikana
Hyötysuhde on tällöin n. 60 - 70%
Käytetään yleensä ns. vuorovaihe eli push-pull
pääteasteissa joissa toisen puoliaallon vahvistaa
oma vahvistin aste ja toisen puoliaallon toinen
aste, vuorotellen
73
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
Yleisesti käytetään ns. AB - luokkaa jossa on
pieni perusvirta
Käytetään esim. HIFI-vahvistimissa, SSB RA
lähettimien pääteasteissa
UD
Lähtö
Kiinteä etujännite
ID
Ohjaus
74
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
C
- luokka:
Toimintapiste asetetaan siten, että asteessa
kulkee virtaa vain ohjauksen toisen puoliaallon
huipun aikana
Toiminta on erittäin epälineaarista
Hyötysuhde on hyvä n.80 - 90%
Käytetään esim. taajuudenkertojissa (syntyy
paljon harmoonisia taajuuksia)
Sähkötys- ja FM- lähettimissä (vakio amplitudi)
75
OH2BSH -97
Vahvistinluokat
C- luokan vahvistinasteen perään kytketään ns.
resonanssipiiri jolla puuttuvat sinipuoliaallot
muodostetaan (vrt. keinu)
UD
Lähtö
ID
Kiinteä etujännite
Ohjaus
76
OH2BSH -97
Operaatiovahvistimet
Kuuluvat
analogisten mikropiirien ryhmään
Ideaalitapauksessa vahvistus on ääretön
On kaksi tuloa, joiden välinen jännite-ero
vahvistetaan ja lähtö
Tulot ovat erilaiset: suora- ja kääntävätulo
Lähtö on suorantulon suhteen samanvaiheinen
Lähtö on kääntäväntulon suhteen vastakkaisvaiheinen
77
OH2BSH -97
Operaatiovahvistimet
Käytännön operaatiovahvistimet ovat hyvin
lähellä teoreettista operaatiovahvistinta
Vahvistimet on integroitu mikropiireiksi ja
sisältävät lukuisia transistoreja ja muita komponentteja samassa kotelossa
Vahvistus säädetään ulkoisilla komponenteillä
+1V
+1V
R2 100k
Zin = >>
0V
R1
0V
+11V
+
0V
_
_
R2 100k
10k
Zin = 10k
0V
+
A= R2/R1
-10V
A= R2/R1 +1
R1 10k
78
OH2BSH -97
Logiikkapiirit
Logiikkapiirit
ovat digitaalisia mikropiirejä.
Merkitys nykypäivänä on erittäin suuri, nyky
elektroniikka perustuu pääosin digitaalitekniikkaan.
Toimintaa kuvataan Boolean algebralla.
Logiikkapiireilla on kaksi tilaa: 0 ja 1,tosi tai epätosi
jotka vastaavat 0V ja +5V.
Peruslogiikkapiirityypeillä voidaan tehdä kaikki
tarvittavat digitaalipiirit.
79
OH2BSH -97
Logiikkapiirit
Perusporttipiirit:
AND (JA) - piiri:
A
B
&
Y
A
B
Y
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
80
OH2BSH -97
Logiikkapiirit
OR (TAI) - piiri
A
B
>1
Y
A
B
Y
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
81
OH2BSH -97
Logiikkapiirit
A
NOT (EI) - piiri
-1
Y
A
0
1
Y
1
0
82
OH2BSH -97
Resonanssi
Sähköisessä
resonanssipiirissä piiriin syötetty energia vaihtaa muotoaan piirin ominaistaajuudella kelaan varastoidun magneettisen (magneettivuo) ja kondensaattoriin varastoidun sähköisen (sähkökenttä) energian
välillä.
Kondensaattoriin varattu jännite alkaa purkaantua kelan kautta.
83
OH2BSH -97
Resonanssi
Kun
virta on suurin on kelan magneettivuo
suurimmillaan ja kondensaattorin jännite on
nolla.
Magneettikenttä alkaa purkaantua jolloin,
kelan itseinduktio aikaansaa kelan yli vaikuttavan jännitteen, mikä lataa kondensaattorin vastakkaissuuntaiseen maksimijännitteeseen.
84
OH2BSH -97
Resonanssi
Jollei
häviöitä olisi, tämä energian värähtely
kondensaattorin ja kelan välillä jatkuisi
loputtomasti.
Tosiasiassa komponenttien ja piirin häviöt
vaimentavat värähtelyn nopeasti.
Resonanssipiirin hyvyyttä kuvataan suureella Q-arvo.
85
OH2BSH -97
Resonanssi
Mitä
suurempi Q-arvo on, sitä pienemmät
häviöt piirissä on ja sitä parempi on piirin
hyvyys.
Resonanssipiirin häviöt syntyvät:
Kelan langan resistanssista
Virran pintailmiö (suurilla taajuuksilla)
Kelan sydänaineen häviöistä
Kondensaattorin eristeen vuotovirroista
86
OH2BSH -97
Resonanssi
Suurilla
taajuuksilla (~30 MHz --> ) hyvä ja
helppo keino parantaa Q-arvoa on hopeoida
käytetty kelan lanka tai käyttää ns. Litz-lankaa, jossa on useita toisistaan eristettyjä
ohuita kuparilankoja, tehollinen pinta-ala
kasvaa -->resistanssi pienenee, Q-arvo
kasvaa.
87
OH2BSH -97
Resonanssi
Resonassipiirityyppejä
on kaksi:
Sarjaresonanssipiiri
Rinnakkaisresonanssipiiri
Kummallekin
pätee resonanssiehto:
XL = XC
L = 1/C
^2= 1/LC
= 1/LC , missä = 2f
f= 1/ 2 LC
Eli taajuus jolla piiri on resonanssissa
88
OH2BSH -97
Resonanssi
Sarjaresonanssipiiri:
Muodostuu sarjaankytketyistä kondensaattorista
ja kelasta
Piirin läpi kulkee sama virta kummankin komponentin kautta eli komponenttien virta on samassa vaiheessa kummassakin komponentissä
Kelan jännite on 90 astetta edellä ja kondensaattorin jännite 90 astetta jäljessä virtaan nähden
89
OH2BSH -97
Resonanssi
Kondensaattorin ja kelan jännitteet ovat siis
toisiinsa nähden 180 asteen vaihesiirrossa
Resonanssiehdon mukaisesti resonanssitaajuudella ovat reaktanssit ja jännitteet yhtä suuret
mutta vastakkaisvaiheiset jolloin piirin kokonaisjännite on nolla (jos Q-arvo ~ ). Käytännössä piirin yli jää pieni jännite.
Ohmin lakiin sijoittamalla pieni jännite ja suuri
virta saadaan pieni resistanssi
90
OH2BSH -97
Resonanssi
Resonassissa olevan sarjaresonassipiirin impedanssi onkin hyvin pieni eli resonanssitaajuudelle piiri on oikosulku.
Sarjaresonanssipiiriä käytetään esim. suodattamaan pois ei-toivottuja signaaleja (ns.imupiiri)
esim. TV-vastaanottimen antenniliitännästä (144146 MHz:n imupiiri)
91
OH2BSH -97
Resonanssi
Rinnakkaisresonanssipiiri:
Rakentuu rinnan kytketystä kondensaattorista ja
kelasta
Kummankin komponentin yli vaikuttaa sama
vaiheinen jännite, virrat ovat vastakkaisvaiheiset resonanssissa eli kokonaisvirta on hyvin pieni
Ohmin lakia soveltaen saadaan impedanssiksi
hyvin suuri arvo
92
OH2BSH -97
Resonanssi
Rinnakkaisresonanssipiirin yli vaikuttava jännite
kasvaa Q-arvon kasvaessa
Rinnakkaisresonanssia
kutsutaan jänniteresonanssiksi ja sarjaresonanssia virtaresonanssiksi.
Resonanssissa piirien impedanssi on resistiivinen, koska reaktanssit kumoavat toisensa (samansuuruiset,vastakkaisvaiheiset).
93
OH2BSH -97
Kiteet
Kvartsikide
kuuluu pietsosähköisten materiaalien ryhmään.
Kiteeseen vaikuttava jännite saa aikaan kiteen mekaanisen taipumisen, ja vastaavasti
mekaaninen voima aikaansaa levyyn liitettyjen elektrodien välille jännitteen.
Kidelevyn leikkaussuunta ja - kulma vaikuttavat kidelevyn sähköisiin ominaisuuksiin.
94
OH2BSH -97
Kiteet
Kiteellä
on oma resonanssitaajuutensa jolla se
alkaa värähdellä kun kide on osa sopivaa
sähköistä kytkentää.
Kide voi värähdellä myös yliaalloilla.
Kiteen Q-arvo on hyvin suuri, satoja jopa
tuhansia.
Resonanssipiikki on hyvin kapea.
Resonanssitaajuus on hyvin stabiili.
95
OH2BSH -97
Kiteet
Kiteellä
on sekä rinnakkaisresonanssi- että
sarjaresonanssitaajuus.
Em. taajuudet poikkeavat hieman toisistaan
(ero on kilohertsi luokkaa).
Co
Kiteen kaaviokuva
Cs
Ls
Rh
Kiteen vastinkytkentä
96
OH2BSH -97
Piirien välisiä kytkentöjä
Resonanssipiirejä
kytketään yhteen hyvän
selektiivisyyden, eli valintatarkkuuden lisäämiseksi.
Selektiivisyyden lisääntyminen perustuu resonanssipiirien aikaansaamaan kaistanpäästö ominaisuuteen.
Esim. vastaanottimen antennipiireissä käytetään useita virityspiirejä peräkkäin kytkettyinä.
97
OH2BSH -97
Piirien välisiä kytkentöjä
Erillaisia
kytkentätapoja:
Ck
Keskinäisinduktanssi
C1
L1
L2
C2
C1
L1
L2
C2
Magneettinen suoja
Induktiivinen kytkentä
(magneettikentän välityksellä)
Kytkentä kondensaattorin
avulla
98
OH2BSH -97
Piirien välisiä kytkentöjä
Erillaisia
C1
L1
kytkentätapoja:
L2
C2 C1
L1
L2
C2
Ck
Kytkentä linkin avulla
Kytkentä yhteisen
komponentin avulla
99
OH2BSH -97
Piirien välisiä kytkentöjä
Kytkennän
kiinteyttä muuttamalla voidaan
vaikuttaa kaistanpäästöominaisuuteen.
Z
Z
Z
f
Alikriittinen kytkentä
f
Kriittinen kytkentä
f
Ylikriittinen kytkentä
100
OH2BSH -97
Suotimet
Suotimien
tarkoituksena on radiotekniikassa
selektiivisesti joko päästää tai estää taajuuksien eteneminen laiteessa.
Suodin voidaan tehdä joko LC -resonanssipiireillä, kiteillä, keraamisilla resonaattoreilla tai mekaanisesti.
Käytetään sekä vastaanotin- että lähetintekniikassa.
101
OH2BSH -97
Suotimet
Suotimet
jaetaan toiminnallisesti neljään eri
perustyyppiin:
Alipäästösuodin
Ylipäästösuodin
Kaistanpäästösuodin
Kaistanestosuodin
102
OH2BSH -97
Suotimet
Ali- ja ylipäästösuodin:
Alipäästösuodin ja sen taajuusvaste
u
L
C
u
C
Rajataajuus
Rajataajuus
f
L
Ylipäästösuodin ja sen taajuusvaste
f
103
OH2BSH -97
Suotimet
Kaistapäästö- ja kaistanestosuodin:
L
C
C
u
L
f
Kaistanpäästösuodin ja sen taajuusvaste
C
L
u
C
L
Kaistanestosuodin ja sen taajuusvaste
f
104
OH2BSH -97
Modulaatio
Lähettimen
kehittämä suurtaajuinen teho
muutetaan antennilla sähkömagneettiseksi
säteilyksi, mikä etenee lähes valon nopeudella antennia ympäröivään tilaan.
Sähkömagneettinen säteily on mahdollista
vastaanottaa vastaanottimella.
Tätä suurtaajuista sähkomagneettista säteilyä kutsutaan kantoaalloksi.
105
OH2BSH -97
Modulaatio
Kantoaalto
sinänsä ei sisällä paljoakaan informaatiota, ainoastaan “kantoaalto päällä tai
poispäältä”.
Siirrettäväksi haluttu pienitaajuinen informaatio liitetään kantoaaltoon (kantoaalto
“kantaa” informaation perille).
Informaation liittämistä kantoaaltoon kutsutaan moduloimiseksi.
106
OH2BSH -97
Modulaatio
Tarvittava
kantoaallonkaistaleveys (taajuusalue) riippuu siirrettävän informaation määrästä, ja on sitä suurempi mitä “tiheämpää”
informaatio on.
Vähiten kaistanleveyttä tarvitaan jos informaatio on kantoaalto päälle/pois tieto.
Puheen siirto vaatii vähintään 2kHz kaistanleveyden.
107
OH2BSH -97
Modulaatio
Heikkotasoinen
musiikki vaatii 6kHz (AMlähetys),stereo musiikkilähetys 15kHz ja TVkuvan lähetys n.6MHz leveyden.
Suuri informaatiokaistanleveys vaatii korkean kantoaaltotaajuuden.
Nykyisin informaatiota voidaan pakata “tiiviiksi” jolloin suuriakin määriä informaatiota voidaan siirtää pienillä kaistanleveyksillä.
108
OH2BSH -97
Modulaatio
Lähetelaji
A1A (CW)
On kantoaallon katkomista sähkötysavaimella
sähkötysmerkkien tahdissa.
Lähettimen koko teho käytetään informaation
siirtoon.
On tehokas huonoissakin radiokeli olosuhteissa
Haittana hitaus (kapea kaistanleveys)
Vastaanottimessa tarvitaan BFO lisäpiiri
109
OH2BSH -97
Modulaatio
Lähetelajit
A2A ja A3E (AM-modulaatio)
Amplitudimodulaatiossa kantoaallon amplitudia (suuruutta) muutetaan informaation tahdissa
Lähete jakaantuu kahteen osaan, suurtaajuiseen
kantoaaltoon ja sen molemmin puolin sijaitseviin sivukaistoihin
Sivukaistojen leveyden määrää moduloivan
pientaajuuden taajuusalue
AM -signaali ilmaistaan tasasuuntaamalla
110
OH2BSH -97
Modulaatio
Jos kantoaaltoa moduloidaan pientaajuisella
sähkötyssummerin äänellä, on kyseessä soinnillinen sähkötys, lähetelaji A2A
Jos kantoaaltoa moduloidaan pientaajuisella
puheella, on kyseessä AM puhelähetys, lähetelaji
A3E
Radioamatöörit eivät käytä juurikaan enää A2A
ja A3E lähetelajeja.
Ammattiliikenne ja yleisradiot käyttävät vielä
111
OH2BSH -97
Modulaatio
Aika-
ja teho/taajuusasteikko esitykset:
A1A
P
A3E
P
f0
f0
fL
A1A
f
P
fU
A2A
f0
fL
f
A3E
fU
f
112
OH2BSH -97
Modulaatio
AM - lähetteiden (A2A ja A3E) käytön pienenemiseen syynä on huono tehohyötysuhde
Lähetysteho jakaantuu kolmeen osaan:
Kantoaaltoon
2
X sivukaistaan (sama informaatio on siis kahteen
kertaan)
Toinen sivukaistoista on tarpeeton
Kantoaalto ei sisällä informaatiota
113
OH2BSH -97
Modulaatio
Kaksisivukaista
lähete eli DSB (X3E)
Suodattamalla kantoaalto pois saadaan hyötysuhdetta parannettua
Tällöin saadaan aikaan kaksisivukaistalähete eli
DSB-lähete
Toinen sivukaista kuluttaa tehoa edelleen
DSB-signaalin vastaanotto vaatii monimutkaisemman vastaanottimen kuin AM - signaali
(vaikeampi ja kalliimpi rakentaa)
114
OH2BSH -97
Modulaatio
Kantoaalto muodostetaan uudelleen vastaanottimessa (apukantoaalto)
DSB-lähetettä käytetään ULA stereolähetteenä
P
LSB
USB
f
f0
DSB-lähete teho/taajuusasteikko esityksenä
115
OH2BSH -97
Modulaatio
Yksisivukaistalähete
eli SSB (J3E)
Kun DSB-lähetteestä poistetaan toinen sivukaista pois, saadaan yksisivukaista- eli SSB-lähete
Lähetettävä sivukaista voi olla joko alempi, LSB
tai ylempi sivukaista USB
SSB lähetteen muodostus ja vastaanotto vaatii
monimutkaisia ja korkealuokkaisia vastaanotin
ja lähetin ratkaisuja
116
OH2BSH -97
Modulaatio
SSB lähetteen etuja ovat:
Tehokas
taajuuksien käyttö
Kaikki teho saadaan informaation siirtoon
P
P
LSB
USB
f
f0
f0
f
SSB - lähetteen teho/taajuusasteikko esitys
117
OH2BSH -97
Modulaatio
Taajuusmodulaatiolähete
eli FM (F3E)
Kantoaallon amplitudi on vakio
Pientaajuusinformaatio aikaansaa kantoaaltotaajuuden poikkeaman nimellistaajuudesta
Mitä suurempi on pientaajuuden voimakkuus,
sitä suurempi on hetkellinen kantoaaltotaajuudenpoikkeama keskitaajuudesta
Poikkeamaa kutsutaan deviaatioksi
Pientaajuuden taajuus vaikuttaa taajuuspoik
118
OH2BSH -97
Modulaatio
keaman nopeuteen.
FM-lähetteen ilmaisu tapahtuu yleensä vaiheilmaisimella
P
f0
f
FM-lähete aika-asteikolla
FM-lähete teho/taajuusasteikolla
119
OH2BSH -97
Lohkokaavioesitys
Laitteen
toiminta voidaan esittää toiminnallisiin lohkoihin jaettuina esityksenä.
Kytkentäkaaviosta ei ole helppoa nähdä laitteen toimintaa kokonaisuutena.
Lohkokaavioesityksessä kukin lohko sisältää toiminnallisen kokonaisuuden.
Lohkokaavioesitys ja kytkentäkaava yhdessä on tehokas pari.
120
OH2BSH -97
Kidevastaanotin
Kidevastaanotin
eli “kidekone”
C1
100pF
ST-osa
Ilmaisin
Kidevastaanottimen
lohkokaavio
C2
50 - 500pF
AA117
C3
1nF
Kuuloke
Kuuloke
121
OH2BSH -97
Suora vastaanotin
Suoravastaanotin:
ilmaisu tapahtuu antennitaajuudella, eli kuunneltavan lähettimen taajuudella.
Voidaan vastaanottaa AM -lähetteitä.
Edellä esitetty kidevastaanotin on yksinkertaisin
suoravastaanotin.
Monimutkaisemmissa konstruktioissa on useita
vahvistinasteita.
Heikkoutena huono selektiivisyys.
122
OH2BSH -97
Suora vastaanotin
Huono selektiivisyys johtuu vaikeudesta tehdä
säädetettävää resonanssipiiriä jonka Q-arvo olisi
hyvä koko viritysalueella.
Selektiivisyyttä voidaan parantaa keinotekoisesti
käyttämällä ns. Q-kertojaa.
Herkkyys on hyvä (heikotkin asemat kuuluvat).
Q-kertoja
On viritettävä suurtaajuusvahvistin.
Osa vahvistetusta signaalista syötetään tuloon.
123
OH2BSH -97
Suora vastaanotin
Tuloon syötettävä signaali on samanvaiheinen
tulosignaalin kanssa, jolloin takaisin syötetty
signaali kompensoi häviöitä ja parantaa Q-arvoa.
Tällöin selektiivisyys paranee.
Koska resonanssipiiri on laajalla alueella säädettävä, muuttuu myös Q-arvo resonanssipiiriä
säädettäessä ja näin ollen myös tuloon syötettävän signaalin on oltava säädettävä.
124
OH2BSH -97
Suora vastaanotin
Jos tuloon syötetään liikaa signaalia alkaa vahvistin värähdellä, siitä tulee oskillaattori.
Värähtely siirtyy antenniin ja häiritsee muita
lähellä olevia vastaanottimia.
Takaisinkytkentä on oikea, kun vastaanotin on
aivan värähtelyn rajalla (ei kuitenkaan värähtele) .
Q-kertoja on vanhentunut konstruktio ja sitä ei
juurikaan enää käytetä.
125
OH2BSH -97
Suora vastaanotin
Suoran
ST
vastaanottinen lohkokaavio
ILM.
PT
=
Qkert.
ST
ILM.
PT
=
~
Suoravastaanotin ilman Q-kertojaa
~
Q-kertojalla varustettu suoravastaanotin
126
OH2BSH -97
Suora superi vastaanotin
Suora
superi vastaanottimessa:
Ilmaisu tapahtuu suoraan kuunneltavalla taajuudella, mutta ei tasasuuntaamalla vaan sekoittamalla antennisignaali vastaanottimessa olevan
VFO -oskillaattorin signaalin kanssa sekoittajassa, jolloin syntyy kahden em. signaalin erotus
ja summa.
Toinen sekoitustuloksista on pientaajuinen, mikä vahvistetaan pientaajuusvahvistimella.
127
OH2BSH -97
Suora superi vastaanotin
Jos lähetettä katkotaan sähkötyksen tahdissa,
kuuluu kaiuttimesta CW (A1A) sähkötys.
Myös SSB-lähete mahdollista vastaanottaa.
Selektiivisyyden muodostaa alipäästösuodin,
joka erottaa pientaajuisen erosignaalin sekoittimen lähdön muista signaaleista (antenni-,
paikallisoskillaattori- ja näiden summasignaali).
Jos antennisignaali on pientaajuuden verran
paikallisoskillaattorin signaalia suurempi tai
128
OH2BSH -97
Suora superi vastaanotin
pienempi saadaan kummassakin tapauksessa
pientaajuinenerotussignaali eli kuullaan kaksi
asemaa yhtäaikaisesti.
ST
VAHV.
SEK.
ST
OSKIL.
(VFO)
ALIP.
SUOD.
PT
=
~
Suora superi vastaanottimen lohkokaavio
129
OH2BSH -97
Supervastaanotin
Supervastaanotin:
Nykyään lähes kaikki vastaanottimet
Antennisignaali sekoitetaan toiselle taajuudelle,
välitaajuudelle (IF), ennen ilmaisua
Välitaajuutta käytettäessä selektiivisyys saadaan
aikaan kiinteä taajuisella välitaajuussuotimella
(kaistanpäästö)
Kuunneltavan taajuuden valinta tehdään paikallisoskillaattorin, VFO, taajuutta säätämällä
130
OH2BSH -97
Supervastaanotin
VFO = Variable Frequency Oscillator
Antennipiirin resonanssipiirin ja VFO:n säätöjen
on käytävä tasatahtia
Jos vastaanottimeen kytketään ilmaisimelle toinen paikallisoskillaattori, BFO (Beat Frequency
Oscillator), jonka taajuus poikkeaa äänitaajuuden verran välitaajuudesta voidaan vastaanottaa
myös CW (A1A) ja SSB (J3E) lähetteitä
131
OH2BSH -97
Supervastaanotin
Supervastaanottimen
ST
VAHV.
SEK.
VFO
VT
SUOD. +
VAHV.
lohkokaavio:
AM
ILM.
PT
SSB
ILM.
AVC
BFO
Super vastaanottimen lohkokaavio
132
OH2BSH -97
Peilitaajuus
Sekoittajan
det:
lähdössä ovat seuraavat taajuu-
Antennitaajuus fant
VFO
- taajuus fVFO
fant-fVFO
fant
+ fVFO
Yleensä
erotaajuus fant-fVFO otetaan käyttöön
ja muut suodatetaan pois.
Sama erotaajuus syntyy sekä oskillaattorin
133
OH2BSH -97
Peilitaajuus
yläpuolisista
että alapuolisista antennisig-
naaleista.
Toista , ei haluttua signaalia kutsutaan peilitaajuudeksi.
u
u
VT
fpeili
VT
fosk
VT
fant
f
Antennisignaali suurempi kuin oskillaattorisignaali
fant
VT
fosk
fpeili
f
Antennisignaali pienenmpi kuin oskillaattorisignaali
134
OH2BSH -97
Peilitaajuus
Peilitaajuus
saattaa aiheuttaa häiriön jos
vastaanottimen antennipiirin hyvyydestä on
tingitty (selektiivisyys muodostetaan välitaajuusasteessa) ja peilitaajuudella oleva lähete pääsee antennipiirin läpi sekoittajalle.
Muistisääntö:
Oskillaattoritaajuus on aina keskellä ja antenni- ja
peilitaajuudet ovat välitaajuuden päässä oskillaattoritaajuuden kummallakin puolella
135
OH2BSH -97
Peilitaajuus
Esimerkki
fosk
5,5MHz
1:
fVT
-
9MHz
fant
=
3,5MHz
fosk < fVT
fosk
5,5MHz
fVT
+
fosk
12,5MHz
9MHz
fpeilit.
=
fVT
-
9MHz
14,5MHz
fant
=
3,5MHz
fosk
fosk
12,5MHz
fVT
+
9MHz
>
fVT
fpeilit.
=
21,5MHz
136
OH2BSH -97
Peilitaajuus
Esimerkki
2:
fosk
4MHz
fVT
-
0.5MHz
fant
=
3,5MHz
fosk ~ fVT
fosk
4MHz
fVT
+
fosk
3MHz
0,5MHz
fpeilit.
=
fVT
+
0,5MHz
4,5MHz
fant
=
3,5MHz
fosk ~ fVT
fosk
3MHz
fVT
-
0,5MHz
fpeilit.
=
2,5MHz
137
OH2BSH -97
Kaksoissupervastaanotin
Jotta
peilitaajuudet eivät häiritsisi on kehitetty kaksois- ja kolmoissupervastaanotin.
Ko. vastaanottimissa on kaksi tai kolme
sekoitusta ja vastaavaa välitaajuutta.
Jotta saavutettaisiin mahdollisimman suuri
peilitaajuusvaimennus, valitaan ensimmäinen välitaajuus mahdollisimman suureksi
(~kymmeniä,satoja MHz:jä).
138
OH2BSH -97
Lähettimet
Yksinkertainen
Kideosk.
Avainnus
Kert.
aste
CW - lähetin
Suodin
PA
=
~
CW - lähettimen lohkokaavio
CW - lähettimen kytkentäkaavio
139
OH2BSH -97
SSB tranceiver
3.5 / 14 MHz:n SSB tranceiver
Mikr.
vahv.
3,5/14
MHz
suodin
Balans.
mod.
BFO
L
V
VT
9MHz
L
V
L
V
L
SEK.
V
L
Laajakaista
ST vahv.
3.5MHz
suodin
V
PT
Tuloilmaisin
14MHz
suodin
OFF
AVC
ON
VFO
SSB tranceiverin 3,5 / 14 MHz lohkokaavio
140
OH2BSH -97
SSB tranceiver
SSB
- signaalin muodostuminen
PT
vahv.
Balans.
mod.
BFO
A
A
VT
9MHz
8998,5
kHz
DSB
8998,5
f
300Hz 2,1kHz
A
f
8996,1 8998.2 8998,8 9000,6
f
8998,5 8998,8 9000,6
141
OH2BSH -97
SSB tranceiver
Tranceiver:
Transmitter (= lähetin ) + Receiver (=Vastaanotin)
On kompakti, kaikki toiminnot samassa
“lootassa”
Voidaan hyödyntää samoja toimintalohkoja
Nykyään amatöörit käyttävät lähes yksinomaan
tranceivereitä.
142
OH2BSH -97
SSB tranceiver
Yhteiset
toiminnalliset osat:
BEAT -oskillaattori (BFO)
Välitaajuusvahvistin + suodin
Bandisekoittaja
VFO
Antennipiirin asteet
Virtalähde
143
OH2BSH -97
SSB tranceiver
SSB
signaalin muodostus:
Puhe johdetaan mikrofonin ja vahvistinasteen
kautta BALANSOITUUN MODULAATTORIIN.
Balansoitu modulaattori on sekoittaja jonka
lähtösignaali on nolla jos tuloon ei tuoda
pientaajuista signaalia. Sekoittaja on tällöin
balanssissa (tasapainossa)
Pientaajuussignaalilla ohjataan sekoittaja
144
OH2BSH -97
SSB tranceiver
epäbalanssiin
ja lähtönä on tällöin suurtaajuinen
amplitudimoduloitu signaali, mistä kantoaalto on
vaimentunut pois (= DSB - signaali).
SSB - signaali saadaan kun DSB- signaali suodatetaan jyrkkäreunaisella kidesuotimella toinen
sivukaista pois, jolloin jäljelle jää yksisivukaista
signaali, SSB.
SSB - signaalia muodostettaessa täytyy tietää
kumpi sivukaista halutaan säilyttää.
145
OH2BSH -97
SSB tranceiver
Sivunauhojen
valinta tehdään BFO:n kantoaalto
kiteen taajuutta vaihtamalla.Käytännössä BFO:ssa
on kaksi eritaajuista kidettä, toinen LSB:n ja toinen
USB:n muodostamiseen.
Esimerkkimme SSB tranceiverin tapauksessa
käytetään ainoastaan 3,5 ja 14 MHz:n taajuusalueita. Tällöin ei tarvita kuin yksi kantoaaltokide
BFO:hon.
3,5MHz:n alueella käytetään LSB:tä ja 14MHz:lla
USB:tä
146
OH2BSH -97
SSB tranceiver
Työskentelytaajuudet
muodostetaan sekoittamalla
välitaajuussignaali ja VFO-signaali. Sekotustuloksena saadaan em.signaalien summa- ja erotustaajuudet.
14MHz:n taajuusalue ( 14.000-14.350MHz) muodostuu summasta, säätämällä VFO:ta välillä 5.0005.350 MHz (välitaajuus on kiinteä 9MHz).
3,5 MHz taajuus alue (3.500-3.800) muodostuu
erotuksesta, VFO välillä 5.500-5.200 MHz
147
OH2BSH -97
SSB tranceiver
3,5
MHz:n alueella on huomattava, että asteikko on
nyt päinvastainen kuin 14 MHz:n alueella.
SSB - signaalien muodostuminen:
9MHz
14MHz
14MHz (20m)
5MHz
3,497MHz
8998,5
kHz
13998,5
kHz
9MHz
3,5 MHz (80m)
3498,5
kHz
5,5MHz
8998,5
kHz
148
OH2BSH -97
SSB tranceiver
3,5
MHz alueelle signaalia sekoitettaessa vähennetään välitaajuussuotimen taajuudesta oskillaattorin taajuus. Koska modulaatiotaajuudet ovat
kauempana oskillaattoritaajuudesta, kuin BFO:n
kantoaaltotaajuus, ovat modulaatiotaajuudet myös
vähennyslaskun jälkeen kauempana BFO:n taajuudesta kuin lopullinen sekoitettu kantoaaltotaajuus.
Juuri tässä tapahtuu sivukaistan vaihtuminen
USB ---> LSB.
149
OH2BSH -97
SSB tranceiver
Jos
halutaan lähettää soinnutonta sähkötystä (A1A)
voidaan mikrofonin tilalle kytkeä 1kHz:n
oskillaattori ja katkotaan tätä signaalia sähkötysavaimella sähkötyksen tahdissa. Tämä ei kuitenkaan ole täysin määräysten mukainen A1A,koska ei
katkota kantoaaltoa vaan pientaajuutta.
Toinen tapa on kytkeä tasajännite pientaajuusliitäntään jolloin modulaattori menee epäbalanssiin jolloin, BFO taajuus vuotaa läpi.
150
OH2BSH -97
SSB tranceiver
Katkomalla
tasajännitettä sähkötyksen tahdissa,
katkotaan kantoaaltoa, jolloin kyseessä on todellinen A1A- lähete.
151
OH2BSH -97
152
OH2BSH -97
Antennit
Antenni:
On se osa radioasemaa, jossa lähettimen synnyttämä suurtaajuusenergia muuntuu sähkömagneettiseksi (= smg-) säteilyksi ja johon saapuva sähkömagneettinen säteily muuntuu heikoksi suurtaajuiseksi vaihtojännitteeksi
On useinmiten fyysisesti avoin resonanssipiiri
Induktanssin muodostaa johtimen induktanssi ja
kapasitanssin johtimen ymp. hajakapasitanssi
153
OH2BSH -97
Antennit
Perusantennityyppi
lon dipoli
on dipoli ja puolen aal-
Seuraavassa on kuvattu magneetti- ja sähkökenttien muodostuminen puolen aallon dipoliin
Virta jakautuma
Gen.
Jännite jakautuma
154
OH2BSH -97
Antennit
Kuvasta nähdään , että puoliaaltodipolissa virta
on suurimmillaan keskellä ja jännite puolestaan
suurimmillaan päissä
Tarkasteltaessa impedanssia dipolin keskipisteessä voidaan jännitteen ja virran sijoituksella
ohmin lakiin saada suuruusluokka arvio impedanssista:
Z=
U
I
=
Pieni jännite
Suuri virta
= Pieni impedanssi
155
OH2BSH -97
Antennit
Myös ei-resonanssi antennit ovat mahdollisia
esim. pitkälanka- (long wire),V-beam- ja
Rhombic- antennit
Voidaan lyhentää fyysisesti resonanssiaallonpituutta lyhyemmäksi (kelalla) esim. ns. trappi- ja
helical- antennit
Lyhin resonoiva johde on puolen aallon pituinen
ja sen fyysinen pituus on riippuvainen smgsäteilyn etenemisnopeudesta, joka on n.300000
km/s ja käytetystä taajuudesta
156
OH2BSH -97
Antennit
Aallonpituus saadaan laskettua kaavasta:
m] = 300 / f [MHz]
Perusmuodossaan kaava on :
[m] = c / f
Missä c =3 x 10E8 m/s ja [f]= Hz
Puolen aallon mitta saadaan jakamalla aallonpituus kahdella
Teoreettisessa tarkastelussa antennin tulee sijaita vapaassa tilassa, kaukana muista esineistä
157
OH2BSH -97
Antennit
Käytännössä antennia ei saa sijoitetuksi täysin
vapaaseen tilaan, josta johtuen ympäristö vaikuttaa antenniin ja sen ominaisuuksiin (resonanssitaajuus, induktanssi,kapasitanssi)
Esim. dipolilla kapasitanssi kasvaa, jolloin induktanssia on pienennettävä eli johtimia on lyhennettävä lasketuista pituuksista, jotta päästään jälleen resonanssiin
Käytännössä puoliaalto dipolia on lyhennettävä
n. 5% lasketusta
158
OH2BSH -97
Antennit
Lopullinen pituuden hienosäätö johtimien pituutta säätämällä voidaan tehdä vasta lopullisessa asennuspaikassa resonassitaajuus mittaamalla (ns. Grid-Dipperillä tai SWR - mittarilla)
On huomattava , että pituuden säätö tehdään
kumpaankin dipolin puolikkaaseen symmetrisesti
159
OH2BSH -97
Syöttöjohdot
Syöttöjohto:
Tarvitaan antennin ja lähettimen (vastaanottimen) välille jotta suurtaajuus energia saadaan
siirrettyä antenniin ja päinvastoin
Omaa ominaisimpedanssin joka on riippuvainen
johtimien mekaanisista mitoista ja eristeaineiden sähköisistä ominaisuuksista
Ominaisimpedanssia EI voi mitata ohmimittarilla
160
OH2BSH -97
Syöttöjohdot
Ominaisimpedanssi on valittava samaksi kuin
antennin syöttöpisteen ja lähettimen impedanssit; tällöin saavutetaan tehosovitus
Yleisesti käytetään koaksiaalikaapelia tai avojohtoa
Mikroaaltotekniikassa käytetään yleisesti aaltoputkia ja ns. strip-line rakenteita
161
OH2BSH -97
Syöttöjohdot
Koaksiaalikaapeli:
Koostuu kahdesta sisäkkäin olevasta johtimesta
(“mantteli” ja “keskilanka”)
Ulkojohdin voi olla putkeksi punotua lankaa tai
umpinaista kupari- tai alumiiniputkea
Keskijohdin voi olla yksittainen tai useampi
lankainen kierretty johdin
Ulko- ja keskijohtimet in eristetty eristeellä joka
voi olla muovia, ilmaa, teflonia tai kaasua
162
OH2BSH -97
Syöttöjohdot
Jos eristeenä on jokin muu aine kuin ilma, etenee suurtaajuussignaali valon nopeutta hitaammin koaksiaalikaapelissa
Laskettaessa kaapelin todellista fyysistä pituutta
tietyllä taajuudella, on tämä huomioitava
Normaalilla muovieristeisellä kaapelilla hitauskerroin on n. 0,66
Syöttöjohto on syytä mitoittaa n x 1/2 pituiseksi, koska kaapelin päissä olevat impedanssi
163
OH2BSH -97
Syöttöjohdot
olosuhteet toistuvat juuri 1/2 välein eli mitattaessa kaapelin päästä “nähdään “ 1/2 päässä
todellinen impedanssi
Koaksiaalit ovat kaupallisia tuotteita ja yleisimmät saatavilla olevat ominaisimpedanssit ovat
50,(60),75 ja 90 ohmia
Syöttöjohtimissa on aina häviöitä; mitä paksumpi kaapeli sen vähemmän häviöitä
Häviöt riippuvat myös käytetystä taajuudesta;
mitä suurempi taajuus , sitä suuremmat häviöt
164
OH2BSH -97
Sähkömagneettiset aallot
Kun
pisteessä vaikuttaa yhtäaikaisesti saman
taajuiset sähkö- ja magneettikenttä, lähettää
piste ympärilleen sähkömagneettista säteilyä.
165