Italian Amateur Radio Station IZ8JFD
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1 AT 654

SWL I4-2979/BO

Massimiliano, balun AF (stato solido)

MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)

VERSIONE AD ALIMENTAZIONE SINGOLA

INTRODUZIONE

Massimiliano è un circuito pensato per trasportare un segnale ad audiofrequenza da una sorgente bilanciata ad un carico avente ingresso sbilanciato. Si tratta, pertanto, di un convertitore (una specie di "balun attivo") basato su un amplificatore differenziale, necessario per la conversione del segnale da bilanciato a sbilanciato, e da un buffer d'uscita. Il suo uso si è rivelato necessario quando mi è stato segnalato, da più colleghi radioamatori, che la mia modulazione appariva "bassa" rispetto alla forza del segnale RF con cui mi ascoltavano; in conseguenza di ciò, ho notato, inoltre, che nella modulazione c'erano "buchi" dovuti alla scarsa o irregolare amplificazione di alcune frequenze audio. Tutto ciò era causato dall'aver collegato un generatore audio bilanciato (il mio microfono dinamico Philips) ad un amplificatore audio con ingresso sbilanciato (Peppe, il preamplificatore valvolare che ho autocostruito tra la Primavera e l'Estate del 2013). Massimiliano, nella sua semplicità, è riuscito a risolvere tutti i problemi per i quali è stato progettato.

SCHEMA ELETTRICO

STADIO CONVERTITORE
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Foto 02
IZ8JFD.it - PROGETTI: MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)
Foto 02 - Lo stadio convertitore interamente montato in aria.
Un segnale ad audiofrequenza si dice "bilanciato" quando, ai terminali d'uscita della sorgente che produce detto segnale, sono presenti, contemporaneamente, il picco positivo ed il picco negativo dello stesso (ciascuna semionda si trova su un terminale diverso da quello su cui insiste l'altra semionda). Viceversa, un segnale audio si dice "sbilanciato" quando le due semionde (pertanto, l'intero ciclo) si trovano (entrambe - l'una successiva all'altra) su uno dei due terminali della sorgente che lo produce, mentre l'altro terminale ha potenziale elettrico costante e pari a zero. Alla prima categoria (sorgenti di segnale ad audiofrequenza bilanciato) appartengono le capsule dei microfoni dinamici, e Massimiliano è stato pensato per sorgenti di tale tipo: come si evince dal suo schema elettrico, il segnale audio bilanciato proveniente dal microfono viene applicato ai gates dei due fet BF245C che, collegati tra loro in modo da realizzare un amplificatore differenziale, compongono lo stadio d'ingresso del convertitore: la particolare configurazione di detti transistors (cioè, l'avere entrambi i sources collegati ad un'unica resistenza di polarizzazione, attraverso la quale scorre la corrente totale assorbita dai fets) determina il comportamento dell'intero amplificatore differenziale. Ovvero, quando uno dei due transistors amplifica la semionda positiva del segnale audio posto all'ingresso del differenziale, avviene una variazione nell'intensità della corrente che scorre entro la resistenza di polarizzazione, cui si accompagna una variazione della caduta di tensione ai capi della medesima. L'altro transistor, contemporaneamente al primo, amplifica la semionda negativa del segnale audio, producendo una variazione di corrente e di caduta di tensione (rispettivamente, all'interno ed ai capi della resistenza di polarizzazione) opposte rispetto a quelle generate dal primo fet. Il risultato di detto funzionamento è un valore costante della tensione di polarizzazione ai capi dell'apposita resistenza: da tale "compensazione" reciproca operata dai due transistors deriva la caratteristica principale dell'amplificatore differenziale, che consiste nell'amplificazione non dei segnali posti al suo ingresso, ma della differenza tra gli stessi. Per ciascuna delle frequenze di cui è composto il segnale audio proveniente dalla sorgente bilanciata, si indica con Xa la semionda positiva di tale frequenza e con -Xb la sua semionda negativa (Xa e Xb hanno lo stesso valore, ma segno opposto, come testimonia il “-“ che precede Xb): l’amplificatore differenziale, lavorando per sottrazione, effettua l’operazione Xa - (-Xb) = Xa + Xb: pertanto, all’uscita del differenziale, sono presenti entrambe le semionde (cioè, l’intero ciclo – ora, però, sbilanciato) del segnale audio bilanciato posto al suo ingresso. Nel caso di Massimiliano, un differenziale con le caratteristiche di quello utilizzato nel suo circuito convertitore (ingresso bilanciato/differenziale - uscita sbilanciata) consente una eccellente linearità nella riproduzione delle due semionde (e, di conseguenza, del ciclo completo) del segnale audio ad esso applicato. Inoltre, come mi è stato fatto presente da alcuni colleghi radioamatori, l’uso di Massimiliano tra un microfono dinamico (sorgente AF bilanciata) ed un preamplificatore (ingresso AF sbilanciato) consente di evitare che alcune frequenze audio, tra quelle prodotte dal microfono, possano avere maggiore o minore enfasi rispetto ad altre frequenze (come ho sperimentato collegando un microfono dinamico a Giacomo e Peppe, i miei preamplificatori microfonici, senza utilizzare alcun balun AF), realizzando, così, una sorta di “equalizzazione” lungo tutta la banda passante della capsula dinamica utilizzata. Per massimizzare detta linearità, la situazione ideale sarebbe quella in cui vengono utilizzati componenti con caratteristiche identiche tra loro: per la mia autocostruzione, ho avuto a disposizione due fets provenienti dallo stesso lotto (se non è possibile parlare di "coppia selezionata", ciò, comunque, è il meglio che ho potuto fare); per tutte le resistenze collegate ai transistors, è opportuno che abbiano la medesima tolleranza, e che detta tolleranza sia la più bassa possibile. Lo stadio d’uscita del convertitore è costituito da un terzo fet, identico ai precedenti due (ed accoppiato in continua al drain di uno, qualunque, di essi), il quale opera in configurazione a drain comune, conferendo all'intero circuito una uscita a bassissima impedenza, grazie alla quale è possibile utilizzare, pressochè, qualunque tipo di cavo schermato per trasportare il segnale audio sbilanciato da Massimiliano all'ingresso microfonico (sbilanciato) di un RTX o di un circuito successivo.
STADIO ALIMENTATORE
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Foto 03
IZ8JFD.it - PROGETTI: MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)
Foto 03 - Lo stadio alimentatore (durante le prove, anche lui montato in aria).
Il semplicissimo (ma non banale) circuito di alimentazione di Massimiliano ruota attorno ad un integrato regolatore di tensione 78L24, il quale, a valle del trasformatore di rete (avente primario a 220Vac/50Hz e secondario a 24Vac/50mA) e dello stadio di raddrizzamento/livellamento (costituito da un ponte raddrizzatore ad onda intera W10M e da un condensatore elettrolitico pari a 3300uF/50V), definisce la tensione elettrica continua con cui verrà alimentato il circuito di conversione di Massimiliano. A valle dell’integrato 78L24, altri due condensatori, uno elettrolitico ed uno con dielettrico in poliestere, consentono un ulteriore livellamento della tensione stabilizzata prodotta dallo stesso ed offrono una via di fuga verso massa per eventuali segnali elettrici non continui che siano riusciti a “bypassare” l’78L24 (compreso il ripple di alternata a 100 Hz).

POST SCRIPTUM

Ciò che rende Massimiliano unico nel contesto universale delle autocostruzioni per uso radioamatoriale è il contenitore all’interno del quale è stato posto lo stadio convertitore. Dopo aver sperimentato il corretto funzionamento di questo progetto, avevo bisogno di un contenitore metallico (leggasi: schermato) entro cui sistemare il tutto. Non essendo disponibile in commercio (nella mia zona) una scatola di adeguate dimensioni, e non volendo spendere una somma sproporzionata per acquistarne una a distanza, avevo optato per una soluzione “alternativa”. Una mattina, durante la normale sortita per la spesa quotidiana, stavo gironzolando all’interno del nostro supermercato di fiducia. Ad un tratto, mi sono imbattuto in un pasticcio a base di carne suina, prodotto in Danimarca, la cui scatola (metallica) aveva le dimensioni, più o meno, corrispondenti a ciò di cui avevo bisogno. Ritornato a casa, ho aperto il prodotto, versando il contenuto in un piatto di plastica, ed ho lavato l’interno della confezione, per rimuovere ogni traccia ed odore di ciò che c’era fino a poco prima, facendo estrema attenzione ai bordi (affilatissimi ed estremamente taglienti) delle due parti in cui essa è rimasta suddivisa dopo l’apertura. Con tutto il rispetto per il pasticcio e per chi lo ha prodotto (è, comunque, un alimento), esso è diventato pasto per i miei gatti, i quali lo hanno consumato nel giro di 1 – 2 giorni, dimostrando (quantomeno, all’inizio) un non particolare interesse per la nuova pietanza.
Foto 01
IZ8JFD.it - PROGETTI: MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)
Foto 01 - Le connessioni di ingresso ed uscita.
Dopo che la scatola si è asciugata, ho praticato ad essa i fori per applicare le connessioni di ingresso ed uscita ed ho realizzato lo stadio convertitore in aria, al suo interno. Infine, ho chiuso le sue due parti tra loro applicando ad esse 4 punti di saldatura a stagno, che ne  fanno una struttura meccanicamente simile alla scatola originale, oltre ad assicurare la continuità elettrica che serve ad isolare lo stadio convertitore da tutto ciò che è nelle sue vicinanze. Durante l’uso di Massimiliano, tale confezione sì è comportata come mi aspettavo, alla pari di una scatola metallica per circuiti elettronici: da ciò deriva la mia decisione di continuare ad utilizzarla per lo stadio convertitore, mentre lo stadio alimentatore di Massimiliano è ospitato in un contenitore distinto. Tra loro, fa da ponte la classica piattina bifilare rosso/nero: presso una delle sue estremità - lato convertitore - è presente un RF choke (realizzato avvolgendo la piattina su un nucleo in ferrite a forma di E) per evitare che eventuali rientri di radiofrequenza possano raggiungere lo stadio convertitore disturbandone il corretto funzionamento.

VERSIONE AD ALIMENTAZIONE DUALE

INTRODUZIONE

Subito dopo aver riscontrato il corretto funzionamento della versione a stato solido ed alimentazione singola di Massimiliano, mi è venuta la curiosità di sperimentare una versione ad alimentazione duale di tale balun AF. Adattare il circuito al nuovo schema è stato semplicissimo: si è trattato di aggiungere una resistenza ai componenti già presenti, e di forare la scatola metallica che contiene lo stadio convertitore per inserire il connettore al quale vanno collegati i fili che trasportano la tensione (e la corrente) elettrica negativa proveniente dallo stadio alimentatore.

SCHEMA ELETTRICO

STADIO CONVERTITORE
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Foto 04
IZ8JFD.it - PROGETTI: MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)
Foto 04 - Il nuovo circuito dello stadio convertitore. In primo piano, la resistenza "long tail".
La differenza tra la versione ad alimentazione singola e quella ad alimentazione duale dello stadio convertitore di Massimiliano sta nella resistenza di source all'interno dell'amplificatore differenziale. In questo caso, il valore raggiunto da detta resistenza è pari a 14000 Ω, grazie al collegamento, in serie alla resistenza (2000 Ω) preesistente, di una resistenza da 12000 Ω: entrambe le resistenze, come detto, si trovano in serie tra i due sources del differenziale e la linea a tensione negativa (-24 Vdc) proveniente dall'alimentatore. Quando si parla di amplificatore differenziale, il termine "long tail" si riferisce, proprio, alla resistenza comune ai due catodi/emitters/sources dell'amplificatore medesimo: "long" sta ad indicare non la lunghezza, ma l'elevato valore ohmico di tale resistenza, la quale, guardando lo schema elettrico di un amplificatore differenziale, appare come la coda ("tail") che sta alla fine di quest'ultimo.
Foto 05
IZ8JFD.it - PROGETTI: MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)
Foto 05 - I due connettori per l'alimentazione duale, oltre ad ingresso/uscita AF.
In tal modo, aver elevato il valore di questa resistenza, nella nuova configurazione ad alimentazione duale di Massimiliano, serve per portare i sources dei due FETs alla tensione (rispetto ai loro gates) necessaria a garantire il funzionamento lineare di entrambi i transistors, e fa sì che la "long tail" contribuisca ad abbattere i rumori di modo comune che potrebbero giungere al differenziale. Per il funzionamento sia dell'intero circuito, che dei componenti fin qui non considerati, vale quanto descritto nel paragrafo "Stadio convertitore" della versione ad alimentazione singola di Massimiliano.
STADIO ALIMENTATORE
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Foto 06
IZ8JFD.it - PROGETTI: MASSIMILIANO, BALUN AF (STATO SOLIDO)
Foto 06 - Lo stadio alimentatore con tensione d'uscita duale.
Lo schema elettrico dello stadio alimentatore con tensione d'uscita duale introduce, rispetto alla versione con tensione singola, un trasformatore di rete con secondario a 24+24 Vac (e, pertanto, presa centrale), oltre ai componenti necessari per ottenere la tensione elettrica negativa pari a -24 Vdc. Tra essi figura un integrato regolatore di tensione L7924, mentre gli altri componenti sono identici (ma collegati in modo diverso ed opportuno al resto del circuito) a quelli utilizzati per la stabilizzazione della tensione positiva. Il funzionamento della metà negativa di questo stadio alimentatore è identico (ed opposto) a quello della metà positiva dello stesso: per entrambi, vale (con le dovute differenze) quanto descritto nel paragrafo "Stadio alimentatore" della versione ad alimentazione singola di Massimiliano.