Under construction


Op vrijdagavond 20 januari 2012, maakte ik deze opname, van de Nederlandse zender op de middengolf (radio 5) Radio Nostalgia. Een eigen gebouwde buizenontvanger en de gedraaide muziek passen goed bij elkaar.

Ik zal hieronder beschrijven hoe zo´n radio werkt en hoe ik hem gebouwd heb.
Ik zal proberen om ook mensen die geen kennis van radiotechniek hebben, zo veel mogelijk mee te laten genieten. Daarom geef ik ook veel uitleg. Voor de lezers die alles al weten, excuses voor dit ongemak.


(Uittreksel uit Wikipedia over Lee de Forest.)
De vader van Lee De Forest, een dominee, wonende in het plaatsje Talladega in de zuidelijke staat Alabama (USA) wilde niets liever dat zijn zoon dominee werd. De zoon, Lee De Forest, buitengesloten door de blanke gemeenschap, omdat zijn vader les gaf aan de z.g. "Zwarte school" ging daarom voornamelijk met zwarte kinderen om.
Lee probeerde het wel op een school om zijn vader in de voetsporen te volgen, maar dat was niets voor hem.

Lee wilde niets liever om de wetenschap in te gaan. Hij wilde nieuwe dingen uitvinden. Zo kwam hij uiteindelijk op de universiteit en studeerde natuurkunde en thermodynamica. Daarin behaalde hij in het jaar 1899 de academische graad met een proefschrift over Herz golven.
Zijn eerste baan was bij de Western Electric company in Chicago, waar hij op de dynamo-afdeling begon en al snel via de telefoniesectie in het expirimentele laboratorium terrecht kwam
Zijn eerst uitvinding was in het jaar 1901, de electrolytische detector voor radiogolven, die veel beter bleek dan de tot dan toe gebruikte metaalpoederdetector.


Op de foto is (D) de detector. Ik heb geen info kunnen vinden over de juiste werking. Maar als ik het zo zelf inschat is de elektrolytische detector een soor elektrolytische condensator of zeg maar een kleine accu die een plus en een een min pool heeft. Met de draadgewonden instelbare weerstand (potentiometer) en de accu P, kan de detector op een kritisch punt ingesteld worden, waarop hij het gevoeligst is.
 

In het jaar 1902, kreeg Lee de mogelijkheid om een eigen bedrijf op te richten onder de naam:
"American De Forest Wireless Telegraph Compagny"

Voordien gingen de telegraafverbindingen via telegraafpalen. de modulatie was, net als bij de eerste zendontvangers, morsecode.
Zo begon hij in een concurentiestrijd  met Marconi, zenders en ontvangers te verkopen. O.a. aan het ministerie van Oorlog en aan de Marine. Veelvuldig gaf hij demo´s om te laten zien wat je zijn apparatuur allemaal kon.

In het jaar 1903 kwam hij met een verbeterde versie van zijn detector, maar kwam daardoor al snel in de problemen met de Canadese uitvinder  Reginald Fessenden, die een soortgelijke detector had ontwikkeld en daarvoor octrooi had aangevraagd.
Het betrof hier een vacuum radiobuis met een anode + en kathode -
Hier de schematische voorstelling zoals die heden ten dage nog wordt gebruikt:
 
Links de diode en rechts de Audion (triode)
Wanneer in een vacume ruimte elektroden aan de kathode worden opgewarmd (de min kant) zullen deze door de vacume ruimte naar de anode stromen. Omgekeerde weg is niet mogelijk!

Uiteindelijk verloor Lee de zaak voor het gerecht en werd hem vanaf 1905 verboden de detector verder in productie te houden. Tevens bleek hem dat er financiers van zijn bedrijf gelden hadden verduisterd. Daarom verliet hij in het jaar 1907 zijn bedrijf.


Omstreeks diezelfde tijd deed Lee andermaal een uitvinding, die uiteindelijk veel belangrijker zou worden dan de uitvinding van zijn radiodetector.
Door een derde element, een z.g. stuurrooster toe te voegen aan de diodebuis, ontdekte hij dat signalen aan dit rooster toegevoerd, versterkt konden worden op een veel effectievere wijze als alle andere detectoren in die tijd.
Hij vroeg in het jaar 1907 direct octrooi aan op deze uitvinding. Tot aan het jaar 1947, het jaar van de uitvinding van de transistor, zou deze buis, die hij in zijn octrooi "Audion" noemde, het belangrijkste actieve element blijven. In zowel de hoogfrequent techniek als ook in de audiotechniek.
Beide type buizen worden heden ten dage nog steeds gebruikt.

Lee ontwikkelde deze audion door en kwam tot de ontdekking dat wanneer je een gedeelte van de versterkte signalen terug voerde naar de ingang, tot kort voor het punt dat de versterker zelf ging oscilleren en als zender ging werken, de afgestemde kring enorm werd ontdempt en een hoge gevoeligheid ontstond.
Alleen kwam hij alweer in conflict over octrooirechten met Edwing Amstrong, die reesds in 1914 octrooi had aangevraagd. Toch kreeg Lee na een 20 jaar durende Gerechtelijke strijd, het recht aan zijn kant.

Hij richtte andermaal een bedrijf op onder de naam:
"De Forest Radio Telephone Company" Naast de productie van ontvangers en zenders, nam hij ook deel aan de omroep.
Uiteindelijk ging dit bedrijf weer ten onder aan fraudeschandalen en dubieuze rechtzaken.

Hierboven een advertentie van door hem geleverde producten in het jaar 1916.



Waar dient een detector in de ontvanger techniek voor?
Wanneer je een draad in de vrije ruimte ophangt zal deze draad elektrische en magnetische golven opvangen en in de draad omzetten in stroom en spanning. Hoe sterker de signalen, des te groter zijn de stromen en spanningen in die draad. Net zoals een fles, die gedeeltelijk gevuld is met water een bepaalde klank heeft, zal de lengte van de draad op een bepaalde frequentie resoneren en een maximale spanning en stroom veroorzaken. Is de draad korter, gaat de frequentie omhoog (meer water in de fles, de toon wordt hoger) De frequentie is evenredig aan de zogenaamde golflengte en de berekening heeft te maken met de lichtsnelheid. Elektromagnetische signalen hebben dezelfde snelheid als het licht en leggen dus ong. 300.000.000 meter per seconde af.
 De frequentie is het aantal perioden per seconde, in Herz dat een signaal zich herhaalt.


Hierboven een sinus. Als deze 1 seconde zou duren spreek je over een frequentie van 1 Herz. De sinus begint en eindigt op die plek waar de herhaling op zou treden. Je kunt deze sinus ook als een cirkel denken.
Bij 50 van deze sinussen in één seconde is de frequentie 50 Herz. (Frequentie van het lichtnet) Bij 1.000.000 sinussen in één seconde is de frequentie één miljoen Herz of te wel 1 Megaherz, zijnde een frequentie op een plekje in de middengolf.  100.000.000 perioden per seconde is 100 Mhz. een frequentie in de de FM omroepband.
Berekening van Frequentie naar golflengte:
Golflengte =  lichtsnelheid : frequentie
Bijvoorbeeld: Wat is de golflente van de frequentie 100 Mhz. in meters? Dit  is 300 : 100 (freq. in Mhz)= 3 meter.


Zonder een filter zou je al de signalen, die de antenne ontvangt door elkaar horen. De sterkste het beste. Maar je hoort als het ware een brij van signalen.

Met behulp van een spoel en een condensator, kun je een z.g. afgestemde kring maken, waarmee  het mogelijk is om die frequenties er uit te vissen die je wilt beluisteren
.

Hierboven een afgestemde kring op een frequentie van 455 Kiloherz. De doorlaatcurve is afhankelijk van de manier van opbouw en de kwaliteit van spoel en ook heel belangrijk, de belasting van deze kring.

We hebben nu een antenne en een afgestemde kring, maar hoe kunnen we de signalen hoorbaar maken?

Hierboven ziet u op de bovenste tekening een ongemoduleerde draaggolf, bijvoorbeeld met een frequentie van 1 Megaherz
(1.000.000 Herz)
Door de zender die het signaal van 1 Mhz. produceert en uitzend, wordt er tevens een toon megemoduleerd. Zeg maar een hoorbaar toontje van 1 Khz. Dit toontje moduleert de draaggolf en komt er uit te zien zoals op de onderste tekening.
Dus de amplitude van het hoogfrequent signaal wordt gemoduleerd  door het 1 Khz toontje.
Men noemt deze modulatiesoort dan ook Amplitude Modulatie, of in het kort (AM). De meest gebruikte modulatiesoort op de Lange-, midden-, en korte golf.


Hoe kan ik dit toontje dan weer hoorbaar maken?
Juist, daar is het apparaat voor waar Lee De Forest, zich meer dan 100 jaar geleden druk om heeft gemaakt.
"De detector"
Tegenwoordig zijn dat de dioden die hiervoor gebruikt worden, de voorloper van deze dioden was de z.g. kristaldetector


Links een kristal detector die je met de hand in moest stellen. Rechts een diode anno 2012.

In een glazen buisje zat een kwartskristal, dat iets verontreinigd was. Door met een dun draaje over dit kristal te peuteren, kon je een punt vinden waarop dit draadje en het kristal als een diode gingen werken. Dat wil zeggen dat de wisselstroom maar in één richting kon stromen. Dus een gelijkrichter, zoals u die naam misschien beter kent.
Tegenwoordig worden massa´s diodes geproduceerd, elk na gelang zijn funtie. Kleine signalen, hoge frequenties, grote stromen enz.

Hier onder de diode getekend (pijl met streepje)  in de doorlaatrichting.  Het pijltje geeft de doorlaatrichting aan.
Zo worden dan van ons 1 Mhz. signaal met de 1 Khz toon gemoduleerd alleen de positieve gedeelten doorgelaten. Voor de min kant, dus de teruglopende stroom is de diode een zeer grote weerstand.
De condensator (als teken het vertikale teken met de twee zwarte blokken) zorgt er voor dat het 1 Mhz. signaal naar aarde wordt afgevoerd. Wat over blijft is het 1 Khz. signaal. Duidelijk is weer de sinus, in dit geval van het toontje van 1 Khz te herkennen. De stroom wordt verder door de weerstand (vertikale zigzag teken) omgezet in een spanning, welke spanning in grootte varieert in een frequentie van 1 Kiloherz, van 0 Volt naar + maximaal, weer naar nul Volt en dan naar - maximaal en dan weer terug nar 0 Volt.  Sluit je deze uitgang aan op een versterker, dan zul je de 1 kiloherz toon uit de luidspreker horen komen.

signaal voor de detectie----------------------------------signaal  na de detectie



En zo ziet dan een complete ontvanger er uit. In toaal 4 componenten en je hebt al een radio. In plaats van de koptelefoon, kun je daar ook een weestandje in zetten van ong. 10 K.ohm.
Dan over die weerstand een afgeschermd audiokabeltje naar b.v. de audio-ingang van je pc.
Het werkt alleen goed bij een lange antennedraad en een goede aarde.
Voordelen: De ontvanger werkt zonder stroom. Simpel te bouwen.
Nadelen: Tamelijk ongevoelig en niet selectief genoeg.


Na meer dan honderd jaren later zijn er nog steeds hobbyisten die een nagenoeg perfecte kristalonvanger kunnen bouwen, die juweeltjes zijn om te zien. Variabele koppeling van de afstemkring met de antennekring en hierboven wordt ook nog de door mij genoemde en beschreven instelbare kristtaldetector gebruikt. Ook hoort u de man zeggen hoe belangrijk een goede antenne en aarde is voor zo´n ontvanger, die zonder batterijen en/of lichtnet werkt en al zijn opgewekte energie uit de antenne haalt.

De ongevoeligheid van genoemde kristalontvangers (het probleem) ontstaat eigenlijk doordat de afgestemde kring, die op de afgestemde frequentie, de spanning enorm laat stijgen, gedempt wordt door de aangesloten diode. Vergelijk het met een accu, wanneer je de auto start, zakt de accuspanning ook in elkaar door de belasting van de startmotor.
Vermindering van deze belasting kun je verkrijgen door de diode op een aftakking van de spoel aan te sluiten. De selectiviteit gaat dan omhoog en daarmee neemt ook de spanning toe, maar hij wordt ook een stuk ongevoeliger omdat op de aftakking een lagere spanning staat. Het is passen en meten met zo´n toestel.

Verder heeft een kristal diode zelf een grote tekortkoming omdat deze een bepaalde drempelspanning nodig heeft voordat hij gaat geleiden en dus zijn werk als gelijkrichter gaat doen.
Een diode opgebouwd met selicium heeft een drempelspanning van ong. 0,6 volt. Signalen beneden deze drempelspanning worden niet gedetecteerd.  Germanium dioden zijn voor het detectorwerk beter omdat hun drempelspanning tussen de 0,2 en 0,3 volt ligt.  Maar zij hebben zelf weer hun tekort komingen o.a. de lagere weerstand voor de stromen in de tegenrichting (lekstroom)
Ook geschikt zijn skotkydioden die een drempelspanning van ong. 0,2 volt hebben.

Er zijn mogelijkheden om de gevoeligheid van de diodedetector op te voeren, door ze een kleine voorspanning te geven, tot kort voor het punt dat ze gaan geleiden. Als de voorspanning te veel wordt, zal de diode geheel gaan geleiden en werkt de diode als zodanig niet meer. Ook als er bij een goede instelling een te sterk signaal bij komt kan geleiding ontstaan en wordt er ook niets gedetecteerd. Je zou die voorspanning variabel moeten maken. Je hebt dan wel een kristalontvanger, waar een batterijtje (1,5 V.) aan hangt. Voor de grote hobbyisten op dit gebied is dat "uit den boze"

(Het al of niet laten geleiden van een diode wordt veelvuldig gebruikt om deze dioden als schakelaar te laten werken.
)

We hebben het met onze ontvanger en zijn tekortkomingen over de uitvindingen van onder andere Lee De Forest.
Lee gebruikte de door hem ontwikkelde diodebuis met tevens daarin geplaatst een rooster, later tevens de uitvinding van de terugkoppeling. We noemen dit de z.g. "Regeneratieve ontvanger".

 
Wanneer je de Triode als versterker gebruikt, werkt deze,( zo eenvoudig mogelijk uitgelegd), als volgt:
De Annode is aangesloten op een plusspanning, zeg maar 200 volt. De kathode op aarde. Daardoor loopt er een stroompje van kathode naar anode. (zeg maar bijv. 10 mA) Het rooster remt de stroom electronen meer of minder. Legt men een spanning aan op het rooster zul je waarnemen dat hoe lager deze roosterspanning is, des te lager de anodestroom zal worden. Hoe hoger de spanning op het rooster, des te groter de anodestroom.

Hierboven is de triode linear ingesteld, het zwakke signaaltje (links) op het rooster is verterkt in gelijke vorm terug te vinden op de anode.

Hierboven wordt een te groot signaal aan het stuurrooster aangeboden, waardoor de triode zowel aan de plus, als aan de min kant van het signaal vastloopt en waardoor ernstige vervorming ontstaat


Elke kleine variatie van de spanning op het rooster, heeft grote invloed op de variatie van de anodestroom. (Het is niet helemaal juist zoals ik het zeg, maar ik laat het hierbij)

Zie het rooster als een kraan. Een simpele kleine handeling om hem open te draaien, heeft een grote straal water tot gevolg. Je kunt de kraan tot maximaal opendraaien. De waterstraal is dan maximaal en kan niet groter worden. Ook kun je de kraan dicht draaien en de waterstroom stopt. Het werkgebied van de kraan ligt dus tussen dicht- en helemaal opendraaien.

Wanneer ik een signaal op het rooster aansluit bijvoorbeeld ons signaaltje van 1000 Herz, zal de spanning van het rooster varieren van maximaal + tot minimaal - van de waarde van deze wisselspanning en wel 1000 keer per seconde. Als de buis goed is ingesteld, zal het kleine signaaltje aan de ingang van het rooster versterkt en onvervormd aan de anode te meten zijn. Dus het buisje werkt dan zogenaamd "linear".
 
Maak je het signaal aan de ingang te groot, dan komt er een punt dat het rooster op het punt komt dat hij de "kraan" helemaal dicht draait en er geen anodestroom meer loopt. Op dat moment versterkt de buis niet meer en wordt ons zuiver signaaltje aan de onderkant afgekapt en zal daardoor als "vervormd" te meten zijn. Ditzelfde kan ook aan de + kant gebeuren als de buis zijn maximale werkpunt heeft bereikt. Dus het is zaak om met het roostersignaal binnen deze twee niveau´s te blijven. Dit is voor elke buis anders en wordt uitgedrukt in "stijlheid van de buis" Hoe hoger de stijlheid, des te meer zal deze versterken.
 

We kijken we nu naar het schema hieronder, van een ontvanger met ECC81, een dubbeltriode, waarvan ik alleen één triode laat zien.
Deze triode werkt als een uit het engels vertaalde "rooster lek detector"
Lee De Forest en Amstrong hebben zich met dit principe bezig gehouden.
Kort gezegd kun je zeggen dat deze buis in deze schakeling 3 functies vervult:

1e. Als detector: Doordat de buis door zijn instelling niet in het lineare gebied  werkt, maakt deze van het ontvangen hoogfrequentsignaal, aan de anode een laag frequent signaal.
2e. Als hoogfrequentversterker: Omdat de buis zowel het hoogfrequentsignaal versterkt en detecteerd, kan een voor hogere gevoeligheid verkregen worden in vergelijking met een normale detectiediode.
3e. Regeneratief: De buis is als het ware in staat de demping op de afgestemde kring op te heffen, waardoor een zeer grote  gevoeligheid kan ontstaan.

Dus de voordelen van deze detectoren zijn dat zij zowel detecteren (demoduleren) als ook versterken.
Deze detectoren hebben ook hun nadelen:
De impedantie (belasting van de afstemkring) is sterk afhankelijk van de sterkte van het ontvangen signaal en er zal, om optimale ontvangst te verkrijgen continue ingeregeld moet worden.

Deze detector is in pricipe ontwikkeld voor gebruik om Amplitude Gemoduleerde signalen te demoduleren. (AM)
Hierbij moet de versterking in de buis beneden het punt blijven waar de buis uit zich zelf gaat oscilleren (en dus als zender gaat werken). Kort voor dit punt is de detector op zijn gevoeligst.

Vergelijk dit met een microfoon, die via een versterker is aangesloten. Hou je die voor de luidspreker, zullen ongecontroleerde fluittonen te horen zijn. Kort voor dit moment krijg je een soort effect, waardoor het lijkt of de microfoon ineens veel gevoeliger wordt en ontstaat er een soort galmeffect. (rondzingen zonder de hinderlijke fluittonen)

Juist op dit punt ingesteld is de ontvanger op zijn gevoeligst.
Wil je morsesignalen en de modulatiesoort SSB, het systeem dat door zendamateurs veelvuldig wordt gebruikt ontvangen, dan moet de buis juist nét oscilleren.
De detector werkt dan als een demodulator die het verschil van het opgewekte oscillatorsignaal en het te ontvangen signaal omzet in een laagfrequentsignaal.


De ontvanger in deze soort waarvan het schema afkomstig is van Jack Donio, een verwoed hobbyist en voorstander van vrije radio.
Om de werking even door te nemen heb ik een stukje uit één van zijn schema´s genomen:


    
Links onder ziet u een radiobuis à la ECC81. In die buis zitten twee triodes, zoals door Lee werd ontwikkeld. (foto midden) Alleen zag zijn buis er nog een beetje anders uit. Rechts andermaal de schematekening van een triode:
  

Het signaal komt binnen via de antenne, die op een spoel is aangesloten en dan naar de aarde loopt. De stroom opgewekt door stations storingen enz.  in de antennespoel Deze is als een transformator gekoppeld aan de afstemkring, zoals besproken in het stukje over de kristalontvanger. Het signaal zal op de afgestemde frequentie  maximaal zijn. Dus een maximale spanning hebben. Dan gaat deze in deze spoel opgewekte spanning naar de ingang van het rooster van de ECC 81 buis. In de leiding van het rooster is een grote weerstand en kleine condensator opgenomen. De weerstand zorgt voor de instelling van de buis, die uiteindelijk als detector moet werken.
De kathode van de buis is niet direct op de aarde aangesloten maar loopt via een gedeelte van dezelfde afstemspoel spoel, zodat een gedeelte van het door de buis versterkte signaal al door de spoel loopt en dan weer op de ingang van het rooster komt. Dit gebeurd op de frequentie waarop de afstemkring is afgestemd.  Als dit "rondversterken" uiteindelijk te veel wordt zal de buis als het ware hoogfrequent rond gaan zingen (oscilleren) zoals eerder besproken.

Trek je je hier niets van aan, dan zal een andere ontvanger, die opdezelfde frequentie is afgestemd storing ondervinden van het door jou uitgezonden signaal!

De weerstand "R" die van de kathode naar aarde loopt en dus parallel over het stukje afstemkring staat waar de aftakking van de kathode op zit, dient er voor om het oscilleren in de hand te houden. Deze wordt zo ingesteld dat de buis nog net oscilleert bij 3 kwart opengedraaide variable weerstand, beter bekend als potentiometer. Met deze potentiometer kun je de anodespanning regelen. Hoe lager de spanning des te minder snel zal de buis oscilleren.
Als dit allemaal goed is ingesteld, zal voor AM ontvangst, kort voordat de buis gaat oscilleren een enorme versterking plaatsvinden en ook zwakke station hoorbaar worden. Met de terugkoppeling is het dan spelen totdat de beste kwaliteit en maximale versterking is bereikt.
  De twee condensatoren van 3,3 nF en de weerstand van 4,7 K, vormen samen een filter voor het nog aanwezige hoogfrequent, dat nog in het gedemoduleerde laagfrequentsignaal aanwezig is. Daarna kan het signaal verder versterkt worden, op een koptelefoon aangesloten worden of naar een externe versterker toegevoerd.
Het is niet beslist noodzakelijk om dergelijke schakelingen met buizen te maken. Hetzelfde systeem kan ook gebouwd worden rond transistoren en/ of Fet´s
 


Hierboven een project van een amerikaanse hobbyist, die een regeneratieve middengolfontvanger heeft gebouwd met één transistor.
 

Dat was even een korte inleiding. In het volgende hoofdstuk komt mijn ontvanger aan de beurt.

Vervolg.......