KRYSTALOVÉ FILTRY

Poznatky a myšlenkové pochody okolo příčkových SSB filtrů

 

Filtr – obvod který určité kmitočty propustí a jiné ne.

Nejjednodušší filtr je rezonanční obvod:

 

1)      paralelní – rezonanční obvod má při rezonanci velký odpor, signály projdou, mimo rezonanci se rezonanční obvod chová jako malý odpor a signály zkratuje k zemi. Pokud chceme hodně špičatou křivku ( velkou selektivitu ), tak musíme volit Ri a Rz co největší. Pokud nám na selektivnosti moc nezáleží a žádáme malý vložený útlum, tak musíme volit Ri a Rz co nejmenší.

 

 

2)      sériový – rezonanční obvod má při rezonanci malý odpor, signály jím projdou, mimo rezonanci se rezonanční obvod chová jako velký odpor a signály jím neprojdou. Pokud chceme hodně špičatou křivku ( velkou selektivitu ), tak musíme volit Ri a Rz co nejmenší. Pokud nám na selektivnosti moc nezáleží a žádáme malý vložený útlum, tak musíme volit Ri a Rz co největší (JE TO NAOPAK NEŽ U PARALELNÍHO REZONANČNÍHO OBVODU !!!).

 

Tyto filtry mají křivku s jedním vrcholem a málo strmé boky. Ideální by bylo, kdyby měla křivka propustnosti tvar obdélníku. Křivku výše popsaných filtrů můžu zlepšit tak, že jich zapojím několik za sebou. Nikoliv natvrdo, ale přes „vazební člen“:

 

 

Vazební člen (v našem případě kondenzátor, jsou ale i jiné varianty zapojení vazebního členu) ovlivňuje tvar křivky a šířku pásma. Čím bude vazební kondenzátor větší, tím bude větší šíře pásma a naopak. Vazební kondenzátor má obyčejně hodnotu mnohonásobně menší než kondenzátory rezonančních obvodů:

Je vidět, že se od určité velikosti vazební kapacity začne vrchol rozdvojovat (pokud bychom měli tři rezonační obvody tak roztrojovat atd…).

 

I sériové rezonanční obvody lze řadit za sebe. Vazební kondenzátor má obyčejně hodnotu mnohonásobně větší než kondenzátory rezonančních obvodů:

 

 

U tohoto sériového vázaného obvodu je zase vše naopak, při snížení velikosti vazební kapacity se zvýší šíře pásma:

 

 

Jednotlivé sériové rezonanční obvody můžu nahradit krystaly, vznikne tak příčkový filtr:

Pro zlepšení strmosti (dvoukrystalový filtr je téměř na nic) můžu dát více krystalů:

 

 

To bylo trochu teorie k tomu, jak vlastně vznikl příčkový filtr. Pro praktickou stavbu je nejlepší vzít „předpočítaný“ filtr: (fotka převzata z http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/LadderFilter.htm)

 

 

Na obrázku máme možnost si vybrat filtr jaký chceme. 3 krystalový je téměř na nic, 4 krystalový se hodí do jednoduchého přijímače (pořád nic moc), 6 a 8 krystalový se hodí do transceiveru. Každý kondenzátor má připsanou určitou bezrozměrnou hodnotu. Tato hodnota určuje, v jakém poměru jsou jednotlivé kondenzátory. Všimněte si, že kolem každého krystalu jsou dva nebo tři kondenzátory. Lze jednoduše spočítat že sériová kombinace těch dvou nebo tří kapacit okolo každého krystalu je stejná (a tím je každý krystal naladěn na stejný kmitočet).

 

Pokud si budeme chtít prakticky postavit SSB filtr, tak musíme:

1)      koupit krystaly

2)      určit vazební kapacity

3)      určit zakončovací odpory

 

Ne každý krystal je vhodný pro stavbu SSB filtru. Naprosto nevhodné jsou krystaly asi do kmitočtu 4MHz – u těchto krystalů vycházejí vazební kapacity řekněme tak 20, 30pF, přitom vlastní kapacita krystalu je cca 5pF. Neříkám že není možné takový filtr udělat, ale křivka propustnost je pak velmi naklopená na jednu stranu. Mě osobně se osvědčil kmitočet krystalů 8,867 MHz. Vazební kapacity vycházejí tak asi okolo 120, 150pF (takže nás kapacita spojů může nechat chladnými). Zároveň je tento kmitočet nejblíže kmitočtu  9 MHz (tento kmitočet používaly tovární filtry). V neposlední řadě na tomto kmitočtu nevysílá žádná rozhlasová stanice (alespoň sem při kontrole na přijímači nic nezachytil). Krystaly by měly být kvalitní = měly by mít malý sériový odpor. Uvádí se, že modelářské krystaly 27MHz mají základní kmitočet 9MHz. To je pravda, ale kvalita těchto krystalů je nevalná a na filtr se nehodí (možná že má někdo lepší modelářské krystaly než já).

 

Vazební kapacity určují šíři pásma filtru. Čím větší budou kapacity tím bude filtr užší. Stanovení vazebních kapacit je možné vybastlením (sestavením filtru na „prkénku“ a změnou kondenzátorů tak dlouho, až má filtr správnou šířku pásma) nebo lépe proměřením jednoho krystalu (určení jeho náhradního zapojení) a zadáním těchto hodnot do počítače. Ten nám pak vazební kapacity sám spočítá.

 

Zakončovací odpory mají vliv na zvlnění propustné křivky filtru. Šířku pásma ovlivňují jen velmi málo. Zvolím-li zakončovací odpory moc malé, budou boky filtru hezky strmé, ale zase bude mít filtr velké zvlnění v propustném pásmu. Zvolím-li naopak odpory moc velké, budou boky málo strmé.

 

Měření krystalů:

To je velmi dobře popsáno na stránce http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtaltest.html

Podle mých zkušeností je lepší paralelní rezonanci krystalu vůbec neměřit (málokdo má tak citlivý vf milivoltmetr). Kalkulačka na uvedené stránce používá paralelní rezonanci pouze k výpočtu paralelní kapacity krystalu (Cp). U krystalů v pouzdře HC49 bývá okolo 4,5 – 5pF. Důležité je změřit správně jednotlivé sériové rezonance. Přípravek na schématu není moc vhodný. Je lepší zmenšit všechny odpory asi tak na 22 W. Krystal bude méně tlumen a maxima výstupního napětí při hledání rezonance budou výraznější. Ačkoliv se o tom autor nezmiňuje, lze přípravkem měřit i sériový odpor krystalu (Rs): Zasunu krystal do přípravku, najdu rezonanci, změřím výstupní napětí, místo krystalu zasunuji postupně různé rezistory a hledám takový, při němž je výstupní napětí stejné jako s krystalem. Podaří-li se to je velikost  zasunutého rezistoru rovna Rs. Při měření Rs je nutno do přípravku přivádět sinusové napětí!!! Měřil jsem mnoho krystalů různých kmitočtů a je zajímavé, že sériová kapacita Cs byla vždy od 15 do 25fF (1fF = 1/1000pF).

 

Fotka mého přípravku:

2x BNC konektor a rozlomená precizní DIL14 (vlevo zasunut krystal, vpravo se zasouvá zkrat nebo kondenzátory 10pF a 27pF)

Na další stránce je výpočet vazebních kondenzátorů filtru ale nedoporučuji používat!

http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtalladder.html

 

Pro výpočet je mnohem lepší program na stránce: http://www.aade.com/filter32/download.htm#download

 

V nápovědě tohoto programu je velmi mnoho teorie ohledně příčkových filtrů.

Ovládání tohoto programu: Klikni na Design – Crystal ladder – Clasic – Chebyshev – Cp, Ls, Cs, and Rs known, zadejte parametry krystalu, klikni na Enter, zadej kolik krystalů má mít filtr (order), šířku pásma (bandwidth) a zvlnění v propustném pásmu, klikni na Enter, na nabídku impedancí nereaguj a klikni na Enter. Odsouhlas název filtru. Klikni na Simulate – Power effective gain, objeví se ti křivka propustnosti filtru. Zkontroluj zdali je opravdu šířka pásma (pro pokles 6dB) taková, jakou si chtěl. Pokud tomu tak není, zavři graf a spočítaný filtr a opakuj postup znovu, jen při zadávání šířky pásma zvol jinou hodnotu (pravděpodobně větší). Program trochu nepřesně počítá, simulace je však OK. Pokud je křivka propustnosti v pořádku, tak můžeš v programu měnit hodnoty kondenzátorů (třeba z vypočítaných 103,785pF udělat 100pF) a sledovat jestli se křivka propustnosti moc nezmění.

 

Můj první filtr:

 

Osobně jsem postupoval tak, že jsem si koupil 7 krystalů 8,867MHz (víc jich neměli). Změřil jsem náhradní zapojení jednoho krystalu a nechal počítačem vypočítat vazební kapacity. Pak jsem změřil sériovou rezonanci všech krystalů. Takové tolerance nemají snad ani v SSSR. Rozptyl byl +/- 100 Hz. Tak jsem ty s vyšším kmitočtem dal doprostřed filtru a vynechal jim sériové kapacity. Je samozřejmě lepší koupit více krystalů a vybrat nejvíce stejné.

 

Takto měl filtr vypadat po zaokrouhlení hodnot kondenzátorů:

 

A takto vypadá s ohledem na rozptyl parametrů krystalů (po doladění):

 

Zbastleno na kus plechu:

 

 

Neměl jsem kondenzátory 120pF a 150pF, tak jsem je složil z toho co bylo doma. Nalevo je vidět trafo přibližně 50 W/ 120 W (9 závitů, odbočka na 6 závitu), napravo je zakončovací odpor 120 W. Na krystalech jsou napsány poslední tři místa změřeného rezonančního kmitočtu (stovky, desítky a jednotky Hz).Přijímač i s takovýmto filtrem je výrazně lepší než přímosměšující přijímač (lepší selektivita a absence zrcadlového příjmu). Před pokusy s příčkovými filtry je nutno si zkonstruovat jemně laditelný vf generátor, digitální měřič kmitočtu a vf sondu (usměrňovač z Ge diody + mikroampermetr). Bez tohoto vybavení se nedají filtry dělat.

 

HONZA 1399711