POOR MAN'S TCXO

POOR MAN'S TCXO
(de meest simpele schakeling op deze website!)
(2021)

Het meest simpele "Barefoot Technology" project van deze website! Maar 1 weerstand!

Poor man's TCXO (de meest simpele schakeling op deze website)
Dit is het meest simpele "Barefoot Technology" project van deze website! Maar 1 weerstand!
We kunnen de frequentie drift van een kristal oscillator enorm verbeteren met behulp van 1 weerstand van 1/4 watt! Natuurlijk is het altijd beter om een echte TCXO te gebruiken. Maar heel vaak kun je een kristal niet door een echte TCXO vervangen.

Temperatuur curve van een kristal bij opwarming

Hoe werkt het
Heel simpel. We kijken eerst eens naar het temperatuur curve van een kristal. Warmen we dit kristal op, dan zien we de frequentie verhogen tot het eerste turnover punt T1. Vervolgens daalt de frequentie weer tot het turnover punt T2. En daarna stijgt de frequentie weer totdat het kristal stuk gaat.
Bij kamer temperatuur werkt het kristal op de helling in de grafiek, het roodgekleurde gedeelte. En je ziet dat bij temperatuur variaties we een behoorlijk frequentie verloop (dF normal) hebben.
Maar we gaan het kristal verhitten tot het turnover punt T2 in de grafiek, het groen gekleurde gedeelte. En dan zie je dat we bij temperatuur variaties een veel kleiner verloop (dF heated) hebben!
Het enige dat we moeten doen is het kristal verhitten tot het turnover punt T2! En dat doen we met een weerstand van 1/4 watt!

Een echte "barefoot Technology" schakeling van maar 1 weerstand!
De meest simpele schakeling van deze website.

Hoe bepalen we de juiste waarde van de weerstand?
De weerstand wordt op het kristal gelijmd en aangesloten op de standaard voedingspanning, meestal tussen 5 en 12 volt. Een richtwaarde is dat je ongeveer 0.5 watt nodig bent. Maar dat kan toch niet? De weerstand is maar 1/4 watt!!! Maar dat is geen probleem. De weerstand wordt op het kristal gelijmd en gekoeld door het kristal. En kan dus veel meer vermogen hebben.
We moeten de test doen bij de gemiddelde kamer temperatuur. Dus bijvoorbeeld 21 graden, dan kunnen we de oscillator gebruiken tussen de 18 en 25 graden.
We meten de frequentie van de oscillator met een frequentie teller. Of gebruik een SSB ontvanger om naar de toonhoogte te luisteren. Begin bijvoorbeeld met een weerstand van 68 ohm en schakel de oscillator met heater weerstand in. De weerstand en het kristal zullen opwarmen. Gaat de frequentie gedurende het opwarmen alleen maar omlaag, dan zit je nog voor het turnover punt T2. Neem nu een lagere weerstand, deze neemt meer vermogen en zal dus heter worden. Bijvoorbeeld 47 ohm. Gaat de frequentie van de oscillator tijdens het opwarmen eerst omlaag en vervolgens weer omhoog, dan zit je boven het turnover punt T2. Dan nemen we gewoon een standaard waarde tussen de 47 en 68 ohm, dat is 56 ohm. Dit is de juiste waarde.

De heater weerstand wordt op het kristal gelijmd. Neem lange draden naar
de weerstand, dan is het warmte verlies door geleiding via die draden minder.

Montage
Hierboven zie je een voorbeeld. Neem lange draden naar de weerstand, dan is het warmte verlies door geleiding via die draden minder. En de weerstand moet onderop het kristal worden gemonteerd, niet bovenop. Want warmte verplaatst zich naar boven. In dit voorbeeld zie je dat de weerstand bovenop het kristal is gelijmd. Maar... we zetten deze RTL.SDR dongle op zijn kop tijdens gebruik, dan zit de heater onderop het kristal!
De heater weerstand vast lijmen op het kristal kun je doen met een lijm pistool of met montage kit of zoiets.

Resultaat
Wat is er veel te vertellen over een schakeling met maar 1 simpele weerstand!
Bij mij was de RTL.SDR dongle te onstabiel voor QRSS ontvangst. Maar met de weerstand was de stabiliteit tenminste 5x beter. Een nadeel is dat je niet te veel boven het turnover punt moet komen, dan is de frequentie drift van de oscillator al snel heel groot.
Het vinden van de juiste waarde is moeilijk. De test moet bij de juiste temperatuur worden uitgevoerd. En het bereik is niet zo heel groot, +/- 5 graden rondom de gemiddelde temperatuur.
Mijn "radio lab" heeft geen verwarming. Gedurende de winter is het maar 8 graden en moet ik dikke winter kleren dragen. Dan is de stabiliteit alweer te slecht, dat is al te ver beneden het turnover punt. En gedurende de zomer is het in mijn "radio lab" vaak 32 graden. Dat is te ver boven het turnover punt. En boven het turnover punt neemt de frequentie drift al heel snel toe en is die zelfs meer dan zonder verwarmd kristal! Dus bij mij werkt het alleen maar in het voorjaar en najaar, wanneer de gemiddelde temperatuur zo'n 21 graden is.
Voor mijn 80 meter QRSS ontvanger moest er een "luxe" versie worden ontwikkeld voor een groter temperatuur bereik.

LUXE VERSIE MET REGELBARE HEATER

Veel te koud voor de Poor Man's TCXO! Bij deze lage temperatuur
gebruiken we de "luxe" versie met regelbare heater!

Gruwelijk koud? Bij deze lage temperatuur gebruiken we de "luxe" versie met regelbare heater!
Het is maar 8 graden in mijn "radio lab"! Het is veel te koud voor de Poor Man's TCXO! De temperatuur van het kristal ligt veel te ver beneden het turnover punt! Maar er is een oplossing! De "luxe" versie met een regelbare heater! Met behulp van een transistor en potentiometer kunnen we de heater regelen. De lage stand 1 is de zomer stand. Stand 2 voor de koudere herfst en het voorjaar en de hoge stand 3 voor de ijskoude winter.

Nog steeds een echte "Barefoot Technology" schakeling!
Twee weerstanden, een transistor en een potentiometer.

De emitter van de transistor volgt de basis spanning (minus 0.7 volt). De spanning is regelbaar tussen ongeveer 65% tot 100% van de voedingspanning. Kies de waarde van de heater weerstand zodanig, dat binnen het bereik van de potentiometer het turnover punt bij alle temperaturen ingesteld kan worden. Ik heb een BC547 gebruikt, maar iedere "standaard" NPN transistor kan gebruikt worden.
Het is nu ook heel eenvoudig om de temperatuur van het kristal in te stellen op het turnover punt. Draai de potentiometer heel langzaam omhoog, de oscillator frequentie zal omlaag gaan. Daarna gaat de frequentie weer omhoog. Het laagste punt is het turnover punt. Zet de potentiometer in deze stand.

Lange draden naar de heater weerstand om warmte verlies door geleiding via de draden te voorkomen.

Hierboven de schakeling ingebouwd in de 80 meter QRSS ontvanger. Lange draden naar de heater weerstand om warmte verlies door geleiding via de draden te voorkomen. En de heater weerstand is onder het kristal geplakt, warmte verplaatst zich naar boven. De weerstand van de emitter van de transistor naar massa heeft geen functie. Die wordt gebruikt om de transistor op te monteren.
Het isoleren van het kristal met heater weerstand werkte niet. Er was met isolatie materiaal zelfs meer vermogen nodig. Dus het isolatie materiaal koelt de weerstand af!

Afregeling op het turnover punt met een QRSS ontvanger

Afregeling op het turnover punt kan weer met een frequentie teller of het beluisteren van het signaal met een SSB ontvanger. Voor de QRSS ontvanger kan dat ook anders. Sluit een calibratie signaal aan op de ontvanger. Op het QRSS scherm zul je een lijn zien. Draai aan de potentiometer en je zult zien dat de lijn stijgt, een piek heeft en daarna weer daalt. Stel de potentiometer in op de piek, dat is het turnover punt.

VERSIE MET AUTMATISCHE REGELING

Geen regelbare heater, maar een LED die weergeeft hoe de automatische regeling werkt.

Ook dit is nog steeds een vrij eenvoudige "Barefoot Technology" schakeling!
De LED brandt vrij fel, want de heater moet het kristal behoorlijk verhitten bij deze kou. Het is 's winter vaak maar 8 graden in mijn "radio lab"! Maar er is veel minder energie nodig dan bij de eerste twee schakelingen. Deze schakeling werkt anders, hij houdt de temperatuur constant. Niet op het turnover punt, maar op een veel lagere temperatuur van ongeveer 40C graden.
Het voordeel is dat deze oplossing veel energie zuiniger is. En het wordt allemaal veel minder heet. En hij werkt zonder handmatige instelling, dus geen zomer en winter stand! De temperatuur van het kristal wordt gemeten en geregeld met een NTC weerstand en een eenvoudige schakeling met maar drie transistoren.

Nog steeds een vrij eenvoudige schakeling! Met een NTC weerstand die de temperatuur meet.
Geen opwarming tot het turnover punt meer, deze regeling houdt de temperatuur constant.

De twee transistoren BC547 vormen een verschil versterker. De basis van de rechter transistor is met behulp van de 10k ohm weerstanden ingesteld op de halve voedingspanning. Dit is het schakelpunt van de verschilversterker. De basis is ontkoppeld met een 10 uF condensator. Dit was nodig, zonder deze condensator kan de schakeling gaan oscilleren.
De basis van de linker transistor is aangesloten op de NTC weerstand. Is de waarde van de NTC weerstand hoger dan 33k, dan zal deze transistor de BC557 opensturen en warmt de heater weerstand op. De 0,1 uF condensator is er voor de ontkoppeling van stoorsignalen. Mocht je een andere NTC weerstand hebben, neem dan voor de 33k weerstand ongeveer de halve waarde van de NTC weerstand.
De versterking van de verschil versterker wordt ingesteld door een emitter weerstand van 100 ohm tot 1k ohm. Bij een lage waarde heb je meer versterking en een hogere nauwkeurigheid. Maar reageert de regeling heel heftig en kan er instabiliteit optreden. Bij een waarde van 1k ohm is de schakeling veel rustiger.
Belangrijk is dat de NTC weerstand met een dikke klodder lijm op zowel het kristal als de heater weerstand wordt gelijmd. De NTC moet dus fysiek kontakt maken met beide voor een soepele regeling.

Met een weerstand van 120 ohm is de nauwkeurigheid beter, maar de reactie heel heftig.
Links het inschakelen, rechts een temperatuur variatie door koude lucht in de oscillator te blazen.

Met een weerstand van 1000 ohm is de nauwkeurigheid minder, maar de reactie minder heftig.
Links het inschakelen, rechts een temperatuur variatie door koude lucht in de oscillator te blazen.

De schakeling ingebouwd in een VFO-BFO module met een SI5351 module.
De emitter weerstand is hier 150 ohm, die lag toevallig op de werkbank.

De schakeling ingebouwd in de 40 meter QRSS ontvanger.
De emitter weerstand is hier 120 ohm, die lag toevallig op de vloer.

Resultaten
Aan de LED kun je zien of de schakeling werkt. Bij koud weer brandt hij fel, bij 32C graden heel zwak.
Het was 8C graden in mijn "radio lab" en de LED brandt dan fel. De VFO-BFO schakeling werd opgewarmd totdat de LED geheel gedoofd was, dus ongeveer 40C graden. Het verloop was ongeveer 1 PPM, oftewel +0.5 PPM en -0.5 PPM. En dit was een enorme verbetering. De module was totaal onbruikbaar voor QRSS, maar met regeling is de stabiliteit voldoende of in ieder geval goed genoeg. Wel is er drift door veroudering, vooral het eerste jaar. Dus moet er toch nog regelmatig een calibratie uitgevoerd worden.
Waarschijnlijk is de stabiliteit beter wanneer de regeling op het veel hetere turnover punt werkt. Dan moet je de 33k weerstand vervangen door een instel potentiometer en de temperatuur daarmee afregelen op het turnover punt.
Het is natuurlijk beter om een goede TCXO te kopen. Maar die is er niet voor de frequenties van mijn simpele "Barefoot Technology" QRSS ontvangers...

Index PA2OHH