Ricevitore VLF Valvolare

Progetto e realizzazione IWØBZD Giuseppe Accardo

Prove sul campo di Alan Scremin

Nel percorso di ricerca  nell’ambito delle VLF ed SLF, mirato alla ricezione estrema dei segnali di origine geologica, ho sempre adottato, nel corso degli anni, innumerevoli soluzioni sempre più innovative ed al passo con la tecnologia. 25 anni fa, pensare di ottenere dei risultati almeno apprezzabili, ricevendo queste bande, era impresa veramente ardua, i dispositivi di visualizzazione disponibili potevano solamente dare un’idea di ciò che si cercava e molto doveva essere abbandonato o lasciato al campo delle ipotesi. L’evoluzione tecnologica ha messo a disposizione circuiti integrati di altissime prestazioni capaci di amplificare direttamente i segnali senza creare troppi problemi di rumore, adattamento di impedenza ed alimentazione. Perché quindi tornare all’uso di un componente, come la valvola, ormai da molti definito obsoleto ?

La risposta è semplice, a parte il puro "ham spirit", che porta a sperimentare sempre soluzioni innovative e di frontiera; la valvola è stata in passato sviluppata fino all’inverosimile ed ancora oggi unisce, nella sua semplicità, delle caratteristiche di altissimo pregio che si traducono in rumore inesistente, eccezionale resistenza alle forti intermodulazioni ed alle fortissime statiche in grado di distruggere qualsiasi operazionale. Di contro la valvola ha necessita di almeno due tensioni di alimentazione, l’alta tensione per l’anodica ed una di 6.3V per i filamenti.

L’idea di utilizzare una valvola con tutti i suoi pregi in realtà mi ha sempre affascinato ma il fatto di avere in giro tensioni anodiche di qualche centinaio di volt, ha sempre spento gli iniziali entusiasmi anche perché, il dispositivo deve essere comunque collegato al prezioso PC portatile e possibilmente alimentato a batteria per le lunghe sessioni di ascolto sul campo.

Il circuito di seguito descritto è stato appositamente progettato per tale scopo. La sua caratteristica innovativa è proprio quella di poter funzionare con una unica tensione continua di 12 V e poter essere all’occorrenza alimentato con una piccola batteria NiCa o Pb di quelle utilizzate in genere per i flash professionali o antifurti. Il circuito, in queste condizioni, è in grado fornire, dato il suo esiguo assorbimento di corrente, molte ore di funzionamento.

 

Schema elettrico.  

 Il sistema è dei più classici. Viene utilizzato un doppio triodo tipo ECC82 o qualsiasi equivalente, nel mio caso ho utilizzato un tubo CV-4003.

 Il segnale proveniente dall’antenna passa dapprima in un filtro costituto da una impedenza commerciale da 100uH (reale 130uH) e successivamente applicato ad una coppia di circuiti RC atti a limitarne la banda passante, i due circuiti, selezionati per mezzo di un commutatore, limitano la banda rispettivamente da 2 milliHz a circa 4KHz e da 2 milliHz a circa 22KHz. Questo accorgimento permette di meglio fronteggiare i forti segnali presenti in banda ed impedire fenomeni di autorivelazione  e saturazione causati dai forti segnali fuori banda.

Il gruppo filtri, attraverso un condensatore di alta capacità in poliestere, viene accoppiato direttamente alla griglia del primo triodo.

Una resistenza di alto valore, posta fra la griglia e massa consente lo scorrimento di una leggera corrente negativa di polarizzazione.

Il catodo di ciascuna delle due sezioni della valvola è collegato a massa attraverso una resistenza con in parallelo un condensatore elettrolitico, questo rende il catodo lievemente positivo rispetto alla massa e fornisce la giusta polarizzazione al circuito.

L’accoppiamento fra le due sezioni viene effettuato mediante una capacità in poliestere. Anche in questo caso la griglia della seconda sezione viene resa ad un potenziale leggermente negativo attraverso una resistenza di valore abbastanza elevato. Il valore di questa capacità, opportunamente dimensionato determina la minima frequenza ricevibile valori accettabili sono compresi fra 220KpF e circa 1uF. un valore di circa 1/2 di uF si è gia rilevato efficace per ottenere la linearità voluta fino quasi alla continua. 

Il segnale amplificato, prelevato dall’anodo della seconda sezione del tubo, viene disaccoppiato da una capacità e regolato in ampiezza mediante un potenziometro. Successivamente adattato ad un impedenza idonea a pilotare una scheda audio di un PC.

Un prelievo diretto del segnale attraverso il condensatore è possibile qualora per svariate esigenze di uso non fosse necessaria la regolazione del livello di uscita.

 

Alimentazione.

Filamenti

Utilizzando un doppio triodo con due filamenti distinti, uno per sezione, risulta facile collegarli in serie, in modo tale da poter utilizzare la comune tensione di 12 V CC per l’accensione. I filamenti che consentono, di portare a temperatura di funzionamento la valvola, costituisco la parte circuitale che richiede maggior corrente per il suo corretto funzionamento. Nel mettere in serie i filamenti, si nota che detta valvola possiede già due estremi dei filamenti collegati fra loro;. questo facilita il compito, per alimentarlo basterà collegare solamente i due piedini estremi di ciascun filamento avendo cura di isolare il centrale sia da massa che dal positivo.

Anodica

La tensione anodica viene fornita alla valvola attraverso due resistenze opportunamente dimensionate in modo tale che facciano, in base alla tensione impiegata, scorrere il giusto valore di corrente necessario al buon funzionamento del tubo. La tensione anodica scelta è di 12V CC. in modo tale da poter utilizzare un'unica tensione per alimentare il circuito 

Filtro alimentazione e protezione

La tensione di ingresso proveniente dalla batteria o dall'alimentatore stabilizzato, passa attraverso un filtro costituito da una induttanza di circa 12mH ed una coppia di capacità aventi il solo scopo di meglio filtrare l’alimentazione del dispositivo. Per proteggersi dalle distrazioni durante le operazioni "sul campo" è meglio inserire, a monte del filtro di alimentazione, un diodo tipo 1N 4007 o altro di adeguata corrente a protezione delle inversioni accidentali di polarità.

Tutte le resistenze impiegate, dato gli esigui assorbimenti, sono da ¼ W.

 

Note e variazioni  

Variazioni e modifiche della resistenza di griglia del primo stadio sono possibili, un elevato valore di questa resistenza comporta delle variazioni nell’impedenza complessiva di ingresso. Sperimentalmente (vedi foto) su uno dei  prototipi, tale resistenza è stata addirittura sostituita con una coppia di 2N3904 (schema riportato di lato) al fine ottenere qualche gigaohm di impedenza per meglio adattare il circuito ad una whips di dimensioni veramente ridotte. Complessivamente, con sistemi di antenna convenzionali e di piccole dimensioni, maggiore è la resistenza minore è il rumore. Certamente in altre condizioni di ricezione la situazione può cambiare.(Lo schema mostra il circuito che sostituisce la resistenza di griglia con una coppia di transitor.  Prove effettuate da Alan)

La variazione della capacità di ingresso, posizionata in serie alla griglia, comporta una variazione minima della più bassa frequenza ricevuta. Più la capacità è elevata, minore sarà la frequenza minima ricevibile. Valori ottimali sono compresi fra 220nF e 1uF. Ma tutto dipende, anche in questo caso, dal migliore adattamento con il sistema di antenna adottato.  Il condensatore in oggetto si può anche omettere, il sistema funziona comunque, ma diventerebbe estremamente sensibile a  qualsiasi  fenomeno come forti spike, lampi e qualsiasi fenomeno con in gioco forti energie EM. (Nella foto, le modifiche sperimentali al prototipo apportate per meglio adattare la Whips di test)

Quanto sopra si ricava dai pazienti test sul campo effettuati da Alan Scremin, in una condizione operativa veramente invidiabile dal punto di vista del bassissimo rumore e della notevole distanza da centri ad alta urbanizzazione da sempre causa di innumerevoli disturbi su queste frequenze.

Personalmente, utilizzando un’antenna particolare, ho adottato un basso valore di resistenza (1Mohm) ottenendo dei risultati di tutto rispetto. Con antenne convenzionali, se si può definire convenzionale qualcosa a queste frequenze, il valore della resistenza è di molto variato passando dal Mohm iniziale a 10/100 Mohm.

 

Layout  

Il primo prototipo è stato costruito su un piccolo telaio realizzato in vetronite doppio rame effettuando un montaggio tipo "ground". E' indispensabile una certa cura nella disposizione dei componenti, pur rimanendo nell'ambito della semplicità realizzativa tipica di un vero e proprio prototipo oggetto di diverse modifiche sperimentali successive.

Primo prototipo su telaio in vetronite

Primo prototipo in fase di misure e test

La realizzazione finale del secondo esemplare, di cui è stata curata una certa veste estetica oltre che funzionale,  è stata effettuata costruendo uno supporto  sempre in vetronite doppio rame che sostiene sia la valvola che i circuiti accessori, cercando di costruire dei solidi ancoraggi ai componenti ed a tutti gli elementi circuitali. Una piccola guida,  anche questa in vetronite, è stata realizzata per trasportare l’alimentazione ed evitare l’impiego di fili volanti all’interno della scatola.

Telaio del secondo prototipo

Telaio assemblato e pronto per i test

L’insieme del telaio si presenta abbastanza compatto e meccanicamente solido ed offre supporto anche al potenziometro.

I collegamenti sono diretti il più possibile e senza alcun ritorno di massa. Ogni componente deve essere saldamente ancorato. I cavi, che dal connettore coassiale portano il segnale al filtro, e dal filtro alla griglia della valvola, sono staiti sostituiti con delle piccole guide d’onda in tubo di rame da 1mm di spessore senza creare ritorni di massa. Tale accorgimento non è indispensabile ma contribuisce  a dare ancora maggiore solidità meccanica all’insieme. Sostanzialmente per avere un qualcosa di estremamente affidabile, a prescindere dall’estetica che ciascuno vuol dare alla propria realizzazione, rimane  fondamentale la robustezza meccanica al fine di eliminare tutte le incertezze dovute al circuito durante il suo funzionamento.

Di seguito le immagini di alcune fasi della realizzazione del prototipo finale.

Dimatura della scatola per la foratura.

Prova dimensionale assemblaggio finale.

frontalino in versione finale.

insieme parti per l'assemblaggio.

meccanica supporto telaio e potenziometro.

preassemblato terminato.

montaggio interno telaio.

assemblaggio completo.

vista superiore prototipo finito.

Vista laterale lavo valvola.

Retro scatola terminata.

Il ricevitore completo.

Accensione e verifica

Una volta realizzato il circuito la prima verifica da effettuare riguarda  il corretto assorbimento di corrente che, complessivamente,  anodica, filamento e led, deve aggirarsi intorno a 150mA.

Successivamente verificare se il circuito amplifica i segnali correttamente. In questa fase è utile un minimo di strumentazione; un generatore sinusoidale BF ed un oscilloscopio potranno essere di grande aiuto sia nel visualizzare il reale livello di amplificazione sia la qualità, la fase  e la purezza del segnale amplificato.

In mancanza di tali strumenti è comunque possibile effettuare delle misure con l'ausilio di un semplice PC dotato adeguato software reperibile fra i tanti disponibili in versione "freeware" in rete; questo sia per la generazione dei segnali sia per la visualizzazione.

L'immagine, fotografata su un Tektronics 585 di buona annata, mostra il segnale all'ingresso sul canale B alla portata di 0.05V/cm (sinusoide più piccola) ed il segnale in uscita del circuito sul canale A alla portata di 2V/cm. (sinusoide più grande). Si nota anche lo sfasamento di 180° fra ingresso ed uscita. Le misure,  ripetute varie volte, sono state effettuate a diverse frequenze al fine di verificare la linearità del circuito. La foto, in particolare, mostra una misura effettuata a 90Hz. Il livello di segnale in ingresso per i test è stato portato a 100mV e non si è verificato alcun fenomeno di saturazione, distorsione o altra anomalia che potesse compromettere il buon funzionamento del circuito.

Una volta appurato che il sistema funziona siamo pronti per le prove in aria.     

Prove in aria

I test sul campo, condotti nello splendido scenario naturale dei Monti della Laga, ad opera di Alan Scremin, dimostrano l'efficacia operativa del sistema.

Adottando un'antenna molto piccola costituita da un tubo in alluminio di un paio di metri ed altrettanti metri di cavo coassiale per collegarla al ricevitore, si ottengono dei risultati gia molto buoni. 

A causa delle piccole dimensioni dell'antenna (praticamente insignificanti rispetto alla lunghezze d'onda in gioco), Alan provvede ad operare sperimentalmente quelle variazioni al circuito che portano al migliore adattamento del sistema.

Da qui la sostituzione della  resistenza di griglia  del  primo stadio con resistenze via via maggiori fino alla coppia di semiconduttori al fine di minimizzare per quanto possibile il già  esiguo rumore di fondo rendendo l'impedenza di ingresso del ricevitore quanto più vicina possibile a quella del sistema di antenna impiegato. La variazione della capacità di ingresso è di conseguenza.

Di seguito riportata, a titolo di puro esempio, la variazione del noise variando la resistenza di cui in oggetto. La variazione è riferita solamente alla resistenza e non a tutti gli altri parametri operativi sia Hw che Sw.

Località Monti della Laga.  Ricezione ore 18:18 UTC del 22/06/2003

Il minor guadagno, nella parte inferiore dello spettro, è dovuta ad una bassissima capacità (220nF) di accoppiamento interstadio.

 

Spettro continuo fino a 22KHz evidenza di statiche segnali Alfa e whistler ricevuti sempre con una antenna whips di 2m ed Rx Valvolare

I risultati ottenuti parlano da soli, utilizzando solamente due metri di antenna sono visibili tutte e 8 le risonanze di Schuman. in modo abbastanza chiaro ed inconfutabile, risultato per altro notevole in quanto a volte non è possibile fare altrettanto anche con antenne di dimensioni molto maggiori.

Un'occhiata alla parte "alta" dello spettro mostra tutti i segnali noti e caratteristici della banda perfettamente visibili sullo spettrogramma a testimoniare l'efficienza del sistema.

Da un ricevitore di questo tipo non ci si può aspettare certamente miracoli, il suo guadagno in db non compete con gli operazionali e neanche con alcune soluzioni impieganti transistor ad effetto di campo. Ma non necessariamente il guadagno è vincente sopratutto in virtù del fatto che una apparecchiatura di questo tipo presenta una robustezza incredibile ed una rumorosità  veramente bassa poi, scende molto basso in frequenza in modo reale e senza troppi compromessi, fornendo un segnale estremamente pulito.

Considerazioni: Io personalmente ho concepito questa apparecchiatura per la ricerca dei segnali di origine geofisica in ELF, il fatto che funzioni con una piccola antenna è di grande soddisfazione, l'apparecchio  nasce comunque per essere accoppiato, ad impedenze più basse collegato a sistemi di  captazione sperimentali tuttora in fase di studio.

 Per chi desiderasse tentare la realizzazione per motivi di ricerca e di studio o semplicemente per il piacere di affacciarsi al modo della ricezione di frontiera, lo schema elettrico è disponibile e per qualsiasi chiarimento in merito sono reperibile all'indirizzo di posta indicato. 

Giuseppe Accardo - IW0BZD (c) 2005

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