Zelfbouw: de BITX20

Supereenvoudige 20 meter SSB- transceiver met makkelijke en goedkope onderdelen 

Een eenvoudige, maar goed functionerende SSB-zendontvanger maken, met standaardonderdelen, die bovendien gemakkelijk door andere componenten zijn te vervangen. Dat was het idee dat Ashhar Farhan uit India had, toen hij het ontwerp maakte voor de BITX20. Het zendontvangertje bevat enkele superslimme ideeën. Chris van den Berg, PA3CRX bouwde het apparaatje, en hieronder is zijn verslag te vinden.
  
Na een eenvoudige DZB-zender met directe conversie-ontvangst te hebben gebouwd voor de 80 meterband, was ik toe aan een bouwsel dat wat minder beperkingen had. Die beperkingen van de DSB-transceiver betroffen voornamelijk de ontvanger, die geen onderscheid maakte tussen de bovenzijband (USB) en de onderzijband (LSB). Beide zijbanden worden gelijktijdig ontvangen waardoor meerdere stations door elkaar heen hoorbaar zijn.

Bij enkelzijband worden de ontvangen signalen gefilterd op een manier, die alleen het spraakgebied van één station in één zijband laat horen. Bij het zenden gaat het net andersom, waar bij DSB een breed signaal wordt neergezet, is het met SSB minder dan de helft hiervan.
  
  
Mengen
  
Zoals bij een dubbelzijbandzender met directe conversieontvanger het signaal direct gemaakt en ontvangen wordt in de gewenste band, gaat het met een SSB zend-/ontvanger doorgaans anders. Bij een SSB-zend-/ontvanger wordt het DSB-signaal gemaakt op een vaste frequentie, omdat het zijbandfilter nu eenmaal op één vaste frequentie werkt. Op zich is na het zijbandfilter SSB beschikbaar, maar alleen maar op die ene frequentie. Uiteraard is het de bedoeling om over een gehele band af te kunnen stemmen. Dit is te bereiken door het SSB- signaal te mengen met een ander (afstembaar) signaal waardoor de gewenste band wordt bestreken. Omdat een mengtrap niet alleen signalen bij elkaar optelt maar ze ook van elkaar aftrekt, ontstaan er meer signalen waar uitsluitend het gewenste signaal uit gefilterd moet worden. Zowel bij het zenden als bij het ontvangen worden diverse filters, mengtrappen en versterkertrappen gebruikt. Soms worden verschillende segmenten (omgedraaid) geschakeld tussen het zend- en ontvangstdeel zodat ze zowel bij zenden als ontvangen gebruikt worden, en soms worden de schakelingen voor zenden en ontvangen gewoon dubbel uitgevoerd. Bovenstaand geeft aan waarom niet echt veel SSB- ontwerpen worden gebouwd. Veel af te regelen, uitgebreide schakelingen en als dan ook nog gekeken wordt naar de prijs van een redelijk filter...

Bi-amp en mengtrap (klik = vergroting)

Functionele blokken
  
Door een SSB zend/ontvanger op te splitsen in een hoeveelheid 'functionele blokken', en ieder blok zo te maken dat het twee richtingen op werkt, ontstaat een aantal voordelen:

- de afzonderlijke schakelingen hoeven niet geschakeld te worden tussen de zend- en ontvangsttrappen,

- de afzonderlijke schakelingen kunnen onafhankelijk van elkaar worden getest,

- schakelingen kunnen naar eigen inzicht worden toegevoegd, veranderd etc.

Als die 'functionele blokken' dan ook nog eens breedbandig worden gemaakt (behalve de filters natuurlijk), dan zijn er nog meer voordelen:

- eenvoudig (of niets) af te regelen (benodigde meetmiddelen: een universeelmeter, een hoogfrequent detector, iets om frequentie te meten en misschien een dipper of een oscilloscoop),

- eenvoudig (om) te bouwen naar een (andere) band.

Door onderdelen te gebruiken die goed en goedkoop verkrijgbaar zijn is dan haast aan de eisen van het ideale bouwontwerp van een zend/ontvanger voldaan.

Bovenaanzicht (klik = vergroting)

Het ei van Columbus?

Om niet iets te bedenken dat er al is, heb ik internet afgezocht. Het bleek dat Ashhar Farhan in India iets dergelijks had bedacht tijdens een lange vliegreis! Deze persoon was zelfs nog een stapje verder gegaan. Omdat in India onderdelen moeilijk te verkrijgen zijn, is het ontwerp zo opgezet dat het met een grote diversiteit aan onderdelen kan worden opgebouwd. Als transistor kan bijvoorbeeld een 2N2222 worden gebruikt maar ook een BC547 of een BC107. Eigenlijk zijn dat niet eens transistoren voor hoogfrequent! Als enige IC wordt een laagfrequent versterkertje gebruikt (LM386) maar ook die kan worden vervangen voor enkele transistoren. Het kristalfilter is ook zelfbouw, gemaakt met makkelijk verkrijgbare kristallen afkomstig van bijvoorbeeld sloopprintplaten. Omdat spoellichamen kennelijk ook moeilijk verkrijgbaar zijn in India, worden daar 'varkensneuzen' (twee gats kernen) uit oude TV's gesloopt en gebruikt men plastic ringen die normaal gesproken gebruikt worden als afdichtringen in waterkranen.

Het schema en componentenwaarden zijn regelmatig aan veranderingen onderhevig zodat voor de laatste status het beste internet kan worden geraadpleegd: BITX-website (local
mirror).
  
Door een combinatie te kiezen van de LO-/kristalfilterfrequentie, de VFO, het banddoorlaatfilter, de eindtrap en het laagdoorlaatfilter kan iedere band in het kortegolfbereik worden gekozen. Wil men hoger in frequentie (bijvoorbeeld 144 MHz of 432 MHz) dan kan dat natuurlijk altijd worden gedaan door een transverter toe te voegen.

Blokschema BITX20
(klik = vergroting)

Aan de hand van bovenstaand blokschema zal ik ieder functioneel blok beschrijven, zodat duidelijk wordt dat het echt een eenvoudige zend/ontvanger is.
  
  
Microfoonversterker
  
Dit is een rechttoe rechtaan versterkertje met één transistor die als functie heeft het microfoonsignaal te versterken. Hierop kan een microfoontje voor een PC worden aangesloten maar met een kleine aanpassing ook een dynamische microfoon. Tijdens het zenden gaat het microfoonsignaal naar de mengtrap.

Laagfrequent versterker
  
Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een transistor, gevolgd door een standaard IC, de LM386. In principe kan iedere laagfrequentversterker hier worden toegepast, of het een IC is, of net als de rest van de schakeling met transistoren wordt opgebouwd, maakt helemaal niet uit. Het enige dat de versterker moet doen is het kleine laagfrequente signaaltje uit de mengtrap versterken naar luidspreker- of koptelefoonniveau.

Het signaalpad bij zenden en ontvangen in de BITX 20 (klik = vergroting)

De lokale oscillator
  
Deze bestaat uit twee transistoren, de oscillator van het type Hartley zelf, en een buffer. Het kristal moet dezelfde frequentie hebben als de kristallen in het middenfrequentfilter. Door een condensator of een spoel in serie te zetten met het kristal schuift de oscillatiefrequentie iets naar beneden of naar boven, zodat gekozen kan worden welke zijband door het kristalfilter moet gaan (waarna dus USB of LSB ontstaat). Overigens is de oscillatorschakeling ook weer universeel, werkt over een groot frequentiegebied en bevat geen afgestemde kringen.

Uitvoering van de beide mengtrappen (klik = vergroting)

Eerste mengtrap
  
Deze heeft als functie het microfoonsignaal bij zenden te mengen met het LO-signaal (zo ontstaat DSB). Bij ontvangst mengt het hoogfrequente signaal met de LO en ontstaat daardoor het geluid. Als mengtrap komt een dioderingmixer het meest in aanmerking, omdat die aan de gestelde vooraarde voldoet, namelijk zonder om te schakelen kunnen alle signalen verwerkt worden. Om het echter nog eenvoudiger te maken is in het ontwerp gekozen voor een halve dioderingmixer, die bestaat uit een tweegatskerntje (varkensneusje) bewikkeld met koperdraad dat gehaald is van een oude transformator, en daarnaast twee (gewone) silicium-puntcontact dioden en een instelpotmeter. De potmeter moet ingesteld worden op beste draaggolfonderdrukking. Als er niet gesproken wordt in de microfoon, moet de output zo laag mogelijk zijn (begin met middenstand). Zou men echter een dioderingmixer maken met vier dioden en twee spoeltjes, dan hoeft deze zelfs niet afgeregeld te worden. In plaats van een tweegatskerntje kan ook een ringkernspoel (type FT) kunnen worden gebruikt. Als aan de mengtrap een antenne wordt aangesloten, zou hiermee op deze wijze al een verbinding gemaakt kunnen worden, echter alleen op de kristalfrequentie zelf. Wanneer de LO vervangen zou worden door een variabele oscillator, dan ontstaat eigenlijk de zend-/ontvanger zoals ik die in eerste instantie bouwde.

De bi-amp (klik = vergroting)

Versterkertrap
  
De versterkertrap is het geniale aan dit ontwerp. Dit trapje komt op meerdere plaatsen terug en is breedbandig. Omdat de versterking wordt bepaald door de overige onderdelen en lager is dan wat de transistor zou kunnen, maakt het eigenlijk niet veel uit welke transistor gebruikt wordt. Liever echter geen transistoren die echt hoog in frequentie gaan, om ongewenst gedrag (bijvoorbeeld parasitair oscilleren) te voorkomen. Deze schakeling is zeer stabiel, er treden geen oscillaties op. De impedantie aan de ingang en aan de uitgang hebben een relatie met elkaar. Beide met elkaar vermenigvuldigd is samen 10000. Omdat de uitgangsimpedantie van bijvoorbeeld de mengtrap 50 Ohm is, zal de uitgangsimpedantie van het versterkertje 200 Ohm bedragen (50 x 200 = 10000).
Door twee van deze versterkertjes 'anti-parallel' met elkaar te verbinden, ontstaat de 'bi-amp', waar deze zendontvanger naar genoemd is. Afhankelijk welke transistor spanning krijgt gaat het signaal 'naar links' of 'naar rechts', 'zenden' of 'ontvangen'.

Het kristalfilter, uitgevoerd als ladderfilter (klik = vergroting)

Kristalfilter
  
De functie van dit filter is alleen maar om de zijband door te laten die gewenst is. De bandbreedte moet dan ook gelijk zijn aan het spraakspectrum, globaal tussen 300 en 2400 Hz. Het filter zou dus een breedte moeten hebben van 2,1 KHz. Een goedkoop en relatief eenvoudig te maken filter is een zogenaamd 'ladderfilter'. Deze bestaat uit allemaal dezelfde kristallen (meestal is het al nauwkeurig genoeg als ze van dezelfde partij zijn), ze zijn eventueel te sorteren met de oscillator (en bijvoorbeeld een frequentieteller of een ontvanger). Na het plaatsen van enkele condensatoren is het filter eigenlijk klaar, als tenminste uitgegaan wordt van de hier voor beschreven 10 MHz- kristallen met bijbehorende condensatorwaarden. Omdat ik zelf nogal veel kristallen had van 4,9152 MHz wilde ik die gebruiken. Bij andere kristallen horen andere condensators en uiteindelijk ook een andere impedantie. Alles beïnvloedt elkaar. Het heeft me diverse avonden gekost om een en ander werkend te krijgen, maar het heeft me uiteindelijk wel wat inzicht gegeven in dit soort filters. Als nu op de microfooningang een toongenerator wordt aangesloten, is door de hoogfrequent output te meten de doorlaatkromme van dit filter vast te stellen. De amateurs die wel gewoon de (goedkope) 10 MHz kristallen hebben gebruikt, hebben mijn ervaringen moeten missen, het werkt dan gewoon in één keer...
  
  
VFO
  
Deze oscillator lijkt verdacht veel op de vaste oscillator (LO), het is dan ook eigenlijk dezelfde schakeling. Of beter een FET gebruikt zou kunnen worden dan een transistor daar valt over te twisten, vanwege de uniformiteit (en verkrijgbaarheid in India) is deze VFO ook met transistoren uitgevoerd. De frequentie die de VFO moet bestrijken is eenvoudig te berekenen. De frequentie waarop men de zend/ontvanger wil gaan gebruiken, plus of min de frequentie van het middenfrequentfilter is de benodigde VFO frequentie. Voor bijvoorbeeld het frequentiebereik van 14,000 tot 14,350 zal bij een middenfrequent van 10 MHz de VFO een bereik moeten hebben van 4,000 tot 4,350. Er ontstaan behalve de gewenste band echter meer mengproducten. Ook 10,000 min 4,000 tot 4,350 komt er gewoon doorheen (dat is dus rond de 6 MHz). En ook daar wordt dan gezonden en ontvangen, waarbij ook nog eens de zijband omgedraaid wordt (USB wordt LSB en vise versa). Met het banddoorlaatfilter wordt uiteindelijk het juiste mengproduct er uit gepikt. Het verdient aanbeveling de VFO in een afzonderlijk afgeschermd kastje te bouwen, om de stabiliteit te bevorderen.
De door mij gebouwde zend/ontvanger heeft al een kristalfilter met een afwijkende frequentie, en het was de bedoeling dat het geheel zou werken op 18 MHz (de 17 meterband). Ik had dus een oscillator nodig in de buurt van 13 MHz, waarvoor ik een kristal heb weten te bemachtigen. Hierdoor heb ik in plaats van een VFO een variabele kristaloscillator (VXO) kunnen bouwen, wat veel stabieler is.

Tweede mentrap
  
Bij de VFO is eigenlijk al beschreven wat deze tweede mengtrap doet. Net als bij de eerste mentrap kan deze ook als volledig dubbel gebalanceerde mengtrap worden uitgevoerd maar ook hier is bespaard op een spoeltje. Niets af te regelen. Uit alle menproducten komt zelfs nog wat van het VFO signaal, het gewenste signaal moet er uiteindelijk uitgepikt worden met het banddoorlaatfilter.

Het bandfilter, ook bi-directioneel
(klik = vergroting)

Banddoorlaatfilter
  
Zoals bij de VFO al is aangegeven moet deze het gewenste signaal uit de hoeveelheid signalen halen. Dit filter kan gemaakt worden met de kunststof ringen (en erg veel windingen) of bijvoorbeeld met ringkernen van poederijzer materiaal (bijvoorbeeld materiaal '6'). Zelf had ik nog een hoeveelheid Toko 10,7 MHz transformators liggen. Door daar het condensatortje uit te slopen, extern een andere aan te brengen en de laagohmige winding via een koppellusje met de dipper te koppelen, kan uitgezocht worden wanneer het spoeltje op de gewenste frequentie werkt. Die 10,7 MHz transformators zijn bruikbaar over een groot gebied van de kortegolf, als het juiste condensatortje maar is gevonden.
  
  

  
  

Eindtrap
  
Waar het ontvangstsignaal de zend-/ontvanger in gaat, is ook het SSB-zendsignaal beschikbaar. Het signaalniveau hiervan is echter in de orde van de milliwatts, zodat daar nog flink versterkt moet worden. Ook hier weer een klein transistortje maar daarna meteen een iets grotere, zoals bijvoorbeeld een 2N2218 of 2N2219. De versterkerschakeling lijkt erg op de versterkerschakelingen die overal in het ontwerp worden gebruikt. Om wat meer rendement te krijgen zijn hier echter gewoon spoelen gebruikt, met bijvoorbeeld een tweegatskern of een ringkern, alles breedbandig, niets af te regelen. Het versterkte signaal gaat uiteindelijk naar de IRF510 FET, waar de kunststofringen weer zijn volgewikkeld. Met een voedigsspanning van 12 volt is een uitgangsvermogen van 6 watt te verwachten. Bij een hogere voedingsspanning op de FET wordt dat al snel meer. Met een potmeter wordt de ruststroom ingesteld die voorzichtig kan worden opgedraaid tot een onvervormd geluid is verkregen. De versterkertrap met deze FET is wel frequentieafhankelijk, niet dat de spoelen moeten worden afgeregeld maar ze moeten wel een bepaalde zelfinductie hebben. Als een andere band gekozen wordt dan de 20 meterband dan moeten de spoelen in elk geval worden aangepast. Het is overigens aan te bevelen om de eindtrap op een afzonderlijke print te bouwen, bij voorkeur met wat afscherming erbij. Bij ontvangst wordt de eindtrap simpelweg overbrugd met een gewoon relais, het zijn tenslotte allemaal relatief lage frequenties.

Uiteraard kan men ook gewoon met het relais schakelen tussen de zender en ontvanger, alles kan uiteraard aangepast worden aan eigen wensen.
  
  
Het laagdoorlaatfilter
  
Om de harmonischen van de eindtrap te onderdrukken is de laatste schakeling het laagdoorlaatfilter. Ook deze moet worden aangepast als de zend/ontvanger voor een andere band wordt gemaakt. Het filter wordt ook gebruikt tijdens ontvangst, het zal niet veel voordeel opleveren maar kwaad kan het niet. De antenne is rechtstreeks aangesloten aan het laagdoorlaatfilter.
  
  
De bouw
  
Omwille van de flexibiliteit is gekozen om te bouwen in 'dode kever'-techniek, ook wel 'Manhattan-style' genoemd. Het resultaat ziet er uit alsof er een dode kever op z'n rug ligt (het IC) of dat een miniatuur stad is gebouwd. Na globaal de ruimte te hebben bepaald van de afzonderlijke schakelingen, wordt gezocht naar een stuk printplaat en wordt op het (schoongemaakte) koperen vlak begonnen met de eerste schakeling. Als iets erg gammel wordt kan ondersteund worden met een hoogohmige weerstand naar het koperen vlak. Door de aansluitdraden relatief kort te houden zou dat bij deze schakelingen niet echt nodig zijn. Een andere mogelijkheid is om allemaal kleine stukjes printplaat te knippen en ieder schakelingetje op zo'n stukje te solderen. Door ze hierna samen te voegen ontstaat de gehele schakeling.
Omdat er toch altijd mensen zijn die liever uitgaan van een print waarin 'de gaatjes moeten worden gevuld' is er uiteindelijk ook een printontwerp beschikbaar gemaakt.
  
Door bijvoorbeeld eerst de laagfrequent versterkers te bouwen kan na het aansluiten van de luidspreker gekeken worden of een dikke brom te horen is als de ingang wordt aangeraakt. Door daarna de microfoon versterker te bouwen en die voor de laagfrequent versterker te zetten, zal (als alles werkt) een hoop lawaai worden gemaakt. Dan de oscillator bouwen, met een eenvoudige diodedetector kan daarbij gecontroleerd worden of deze het doet. Als vervolgens de mengtrap wordt gemaakt en alles wordt aangesloten, moet in de ontvangststand al wat ruis worden waargenomen (gebruik eventueel een draadje als antenne). In de zendstand zou er alleen hoogfrequentsignaal moeten zijn als in de microfoon gefloten wordt. Door dan de eerste dubbele versterkertrap te bouwen en op de mengtrap aan te sluiten, kan deze meting worden herhaald maar moet er daarbij duidelijk meer signaal zijn. Op dezelfde manier worden daarna alle andere trappen gebouwd en kan na iedere trap het resultaat van die zojuist gebouwde trap worden bekeken.
  
  
Kosten
  
Hoewel de kosten van de gehele zend-/ontvanger ontzettend laag liggen (iemand in Engeland had voor belangstellenden pakketjes samengesteld met alle halfgeleiders, kristallen en variabele condensator voor een (omgerekend) bedrag onder de €15,-)
  
Omdat ik zelf ben uitgegaan van de onderdelen die ik had heb ik eigenlijk helemaal geen kosten gemaakt. In bijvoorbeeld een (oud) draagbaar radiootje zitten al een aantal bruikbare onderdelen zoals bijvoorbeeld de luidspreker en de draaicondensator. Alleen een paar kleine waarden weerstanden had ik niet, die heb ik met een medeamateur geruild voor kristallen.

Filter van TOKO-spoeltjes
(klik = vergroting)

Resultaat
  
Na al het bouwen is het grote moment daar, de werkelijke test. Eerst een antenne knippen en ophangen, het is een dipool geworden die loopt schuin van de nok van het huis naar de tuin. Hoewel de gehele schakeling nog niet helemaal klaar was en met draadjes aan elkaar hing (vaak komen schakelingen helemaal nooit in een behuizing) kon ik toch al diverse stations horen. Opvallend is dat de ontvangst rustig is. Door het ontbreken van een automatische sterkteregeling, klinken sterkere stations harder uit de luidspreker dan zachtere stations.
  
Hoewel ik de eindtrap met de IRF510 nog niet had gebouwd liet ik mij toch verleiden om een relais aan de antennekabel te solderen en met het geringe vermogen van 150 mw. een poging te wagen. Met een medeamateur die een 10 km verderop woont afgesproken en een prima verbinding weten te maken. Na dit succes eens een relatief hard station dat aanriep geprobeerd. Tot mijn grote verbazing bleek een verbinding met Stockholm goed te slagen, ik was daar zelfs heel goed te verstaan.

Of de uiteindelijke 6 watt voldoende zijn hangt natuurlijk van ieders wensen af. Zoals een Amerikaanse medeamateur liet weten: "Eerst krijg ik een heel goed sterkterapport, als ik dan verteld heb dat het uitgangsvermogen 6 watt is, en de antenne zich in de kamer bevindt, krijg ik daarna een minder goed rapport maar de verstaanbaarheid is goed, en daar gaat het tenslotte om."

BITX20 zonder afscherming
(klik = vergroting)

Uitbreidingen en modificaties
  
Zoals in het begin van het artikel is aangegeven, verandert het schema in details. Over het concept van deze zend-/ontvanger is namelijk een Yahoo-groep opgezet (http://groups.yahoo.com/
group/BITX20) die nu al meer dan 100 deelnemers telt uit alle delen van de wereld, zowel beginners als gevorderde bouwers. Hoewel niet iedereen even actief is, worden veel praktische tips en ervaringen uitgewisseld die niet alleen met de schakeling zelf te maken hebben maar ook met hulpmiddeltjes. Het leuke hiervan is dat iedereen eigen knutsels toevoegt, het ontwerp aanpast met onderdelen vanuit de eigen rommeldoos of juist iets nieuws bedenkt. Een andere wijze van afstemming, een frequentiecounter met ledjes enzovoort.
Hoewel de BITX20 voor de 20 meter band is bedoeld heb ik zelf een BITX17 (voor de 17 meter band) en zijn ook amateurs bezig met een BITX40.
  
  
Conclusie
  
Met wat fantasie en de hier opgedane ideeën kunnen de onderdeeltjes en (half) afgebouwde schakelingetjes die in de loop van jaren verzameld zijn een bestemming krijgen. Niets is leuker dan een verbinding te maken of een station te horen met iets dat helemaal zelf gebouwd is.
  
Chris van den Berg,
Amersfoort.

Totaaloverzicht van de BITX20
(klik = vergroting)

©2006, copyright artikel en foto's: Chris van den Berg - Amersfoort. Ontwerp en idee BITX20 Ashhar Farhan.

vorige - home - volgende