1 Geleider, halfgeleider, isolator

We kunnen de ons omringende stoffen in drie groepen verdelen als we kijken naar de mogelijkheid om electrische stroom te geleiden.

1)       Geleiders

2)       Halfgeleiders

3)       Isolatoren

Geleiders zijn in staat om de electrische stroom zeer goed te geleiden. Voorbeelden van geleiders zijn: 

-          Metalen

-          Electrolieten

-          Geioniseerde gassen

Bij metalen zwerven er tussen de atomen van het metaal vrije electronen rond. Deze vrije electronen behoren oorspronkelijk tot een atoom, maar hebben hier nauwelijks binding mee en komen dus gemakkelijk los. Normaal is een atoom electrisch neutraal, d.w.z. de negatieve lading van de electronen compenseert de positieve lading in de kern van het atoom. Verwijdert zich een electron van het atoom, dan wordt een positive lading niet meer gecompenseerd door de negatieve lading van het electron, dat zich heeft verwijderd. Het restant van het atoom is dan positief en er zwerft ergens een negatief electron rond.

De atomen trillen rond een bepaalde evenwichtstand. Naarmate de temperatuur hoger is zijn de trillingen heftiger. Bij het absolute nulpunt, - 273 graden Celcius, staat alles stil en kunnen de electronen zich gemakkelijk door het metaal bewegen. Naarmate de temperatuur toeneemt en de trillingen van de atomen heviger worden, neemt ook de weerstand toe die de electronen ondervinden als deze zich in een bepaalde richting willen bewegen. De electronen botsen met de trillende atomen en worden van richting veranderd.

Hoe krijgen we een electron in een bepaalde richting in beweging? Door een batterij op het metaal aan te sluiten. De positieve aansluiting van de batterij zuigt de negatieve electronen weg en de negatieve aansluiting pompt electronen in de geleider.

+ en – trekken elkaar aan, + en + stoten elkaar af; - en - doen dit ook.

Electrolieten zijn oplossingen van zout, zuur of loog in water. Het zout-, zuur- of loogmolecuul splitst zich in water in positive en negatieve deeltjes, die we ionen noemen.

Bijvoorbeeld, keukenzout, NaCl, splitst zich in water in een positief natrium-ion, Na+, en een negatief chloor-ion, Cl-.

Deze positief en negatief geladen ionen zorgen voor de geleiding. Zij bewegen zich door het electroliet als we er een spanning op zetten, de positieve ionen naar de – pool de negatieve ionen naar de + pool.

In geioniseerde gassen, de naam zegt het al, hebben we ook positieve en negatieve ionen, die hetzelfde doen als de ionen in een electroliet.

Bij geleiders beschikken we over erg veel ladingsdragers (electronen en/of ionen).

Bij halfgeleiders zijn er erg weinig ladingsdragers.

Bij isolatoren zijn er helemaal geen ladingsdragers.

Voorbeelden van halfgeleiders zijn:

-          vochtig hout

-          vochtig papier

-          kunststof gevuld met koolstof

-          verontreinigd silicium of germanium

Voorbeelden van isolatoren zijn:

-          glas

-          porcelein

-          bakeliet

-          olie

-          eboniet

-          steen

-          keramiek

Vrije electronen zorgen in een metaal voor de geleiding van de electrische stroom.

Als de vrije electronen, de ladingsdragers, zich allemaal in een bepaalde richting bewegen spreken we van electrische stroom.

- Stroomsterkte, spanning en weerstand

Zoals we in de vorige paragraaf al zagen worden de electronen gehinderd door de trillende atomen op hun weg van – naar +. Dit uit zich in een zekere weerstand voor de stroom. Deze weerstand is voor elk materiaal anders (andere, zwaardere of lichtere atomen).

Voordat we verder gaan moeten we even een historische misser toelichten. Vroeger heeft men afgesproken dat de stroom

van + naar – loopt, en ging men uit van ladingsdragers, die positief waren. Later bleken de ladingsdragers negatief geladen

electronen te zijn. In feite loopt er dus een stroom van negatief geladen electronen van – naar +. Een denkbeeldige stroom

van positief geladen deeltjes (met een even grote lading als de electronen, maar dan positief) heeft hetzelfde effect.

We volharden in de historische fout en zeggen de stroom loopt van + naar -.

Om de weerstand te overwinnen en de stroom te laten lopen, moeten we een kracht uitoefenen op de ladingsdragers. Dat doen we met behulp van een electrische spanning.

- De eenheden ampere, volt en ohm

De sterkte van de stroom wordt uit gedrukt in Amperes, de spanning in Volts en de weerstand in Ohms

Er is, als we deze eenheden toepassen, een relatie tussen de sterkte van de stroom (ofwel stroomsterkte), de electrische spanning en de weerstand. Deze relatie noemen we de wet van Ohm. (het schemateken links naast de R is het schema teken voor een weerstand)

1.1 Wet van ohm

De wet van Ohm is een formule die wordt gebruikt om de relatie te berekenen tussen elektrische spanning, elektrische stroom en weerstand in een stroomkring.

Voor mensen die leren over elektronica is de wet van Ohm, U = I x R, net zo belangrijk als de relativiteitstheorie van Einstein (E = mc²) is voor natuurkundigen.

U = I x R

Uitgeschreven betekent dit spanning = stroom x weerstand, of volt = amp x ohm of V = A x Ω.

De wet van Ohm, die vernoemd is naar de Duitse natuurkundige Georg Ohm (1789-1854), heeft betrekking op de belangrijkste grootheden in stroomkringen:

Video uitleg over de wet van ohm

1.2 Elektrisch vermogen

Als er een stroom door een weerstand loopt wordt deze warm. Er wordt dus elektrische energie omgezet in warmte. Men zegt dan, er wordt vermogen gedissipeerd in de weerstand. Dit vermogen P is gelijk aan de stroom I door de weerstand vermenigvuldigd met de spanning U over de weerstand.

P= U*I

Volgens de wet van Ohm is U= I*R vullen we dit voor U in, in de formule voor het vermogen dan vinden we: 

P=U*I=I*R*I=I2R.

Volgens de wet van Ohm is I=U/R vullen we dit voor I in, in de formule voor het vermogen dan vinden we:

P=U*U/R=U2/R.

Elektrisch vermogen P = I ∗ U = I 2 ∗ R = U 2 R  P= vermogen in Watt, I = stroom in A, U = spanning in V, R is weerstand in Ohm 

Rekenvoorbeeld:

Uitgangspunten:

Trafo: Ps= 630 kVA (schijnbaar vermogen)

Spanning(U)= 400 V

Cosinus phi: 0,85 (constante waarde)

Berekening werkelijk vermogen

Het werkelijk vermogen van deze trafo is 630 kVA * 0,85 = 535,5 kW

Berekening stroomsterkte

Formule:  Vermogen (P)=U*I*√3 * cosinus phi

Fase stroom: (535 kW * 1000)/(1,73 * 0,85 * 400) = 910 A

Hieruit volgt: 1 kW=1,7 A of 1A = 0,588 kW

1.3 de eenheid Watt

Het vermogen wordt uitgedrukt in Watt, indien in de formule voor het vermogen de spanning uitgedrukt wordt in Volt, de stroom in Ampère en de weerstand in Ohm.

In een weerstand wordt een vermogen van 1 Watt gedissipeerd als de stroom door de weerstand 1 Ampère is en de spanning over de weerstand 1 Volt bedraagt.

Of in een weerstand van 1 Ohm, waardoor een stroom van 1 Ampère loopt wordt een vermogen gedissipeerd van P=I2R=12*1=1Watt. De spanning over de weerstand bedraagt dan ook 1 Volt.

Video uitleg Elektriciteit en vermogen

1.4 Elektrische Energie

Elektrische Energie W = P ∗ t W = energie in Joule(J) of Wattseconde(Ws), P = vermogen in Watt, t = tijd in seconde 

Rekenvoorbeeld

Bereken het energieverbruik 

Een ontvanger met een vermogen van 2000 W 

staat 2 uur aan • 

Energie = vermogen x tijd • Energie = 2000 x 2 • Energie = 4000 Wh • Maar… altijd in kWh • Dus: 4000/1000 = 4 kWh. 

Rekenvoorbeeld

E=P x t

Een ontvanger met een vermogen van 1500 Watt wordt 30 minuten gebruikt • 

Energie = vermogen x tijd • 

Energie = 1500 x 0.5 (30min. = 0.5 uur) • Energie = 750 Wh • Altijd in kWh • 0.75 kWh. 

Rekenvoorbeeld

E = P x t 

Een ontvanger met een vermogen van 150 Watt staat een avond van 3,5 uur aan 

• E = P x t • E = 150 x 3,5 • E = 525 Wh • Altijd in kWh • E = 0,525 kWh. 

1.5 Capaciteit van een batterij 

Capaciteit van een batterij Q = I ∗ t (6) Q = lading in lading in Ampère uur (Ah), I = stroom in A, t is tijd in uur. 

Hoe snel is een batterij leeg? 

1 Schrijf de capaciteit van de batterij op. 

2 Schrijf de stroomsterkte op. 

3 Reken mAh om naar Ah. 

4 Schrijf de formule op. 

5 Vul de getallen in de formule in. 

6 De tijd is de capaciteit gedeeld door de stroomsterkte. 

Voorbeeld 

Een oplaadbare batterij met een capaciteit van 2700 mAh levert een stroom van 0,20 A. 

Bereken na hoeveel uur de batterij leeg is. 

1 C = 2700 mAh 

2 I = 0,20 A 

3 C = 2700 mAh = 2,7 Ah 

4 C = I ⋅ t 

5 2,7 = 0,20 × t 

6 t = 2,7 / 0,20 = 13,5 h 

1.6 Bronnen

Misschien heb je weleens met een luidspreker geexperimenteerd. Sluit je op een luidspreker een batterij aan, dan moet het je opvallen dat de conus alleen naar voor of naar achter beweegt en dan stil blijft staan.

Of de conus naar voor of naar achter gaat wordt bepaald door welke aansluitdraad van de luidspreker, aan-gesloten is op de + en welke aangesloten is aan de -. Verwisselen we de draden dan gaat de conus de andere kant op.

Sluiten we een toongenerator aan op de luidspreker dan gaat de conus heen en weer en dat voel je als je de conus voorzichtig licht met een vinger aanraakt.

Hoe kunnen we dat verklaren?

Bij een batterij vloeit de stroom in een bepaalde richting. De stroom verlaat de batterij aan de + pool vloeit door de liudspreker naar de – pool terug in de batterij. Er loopt dan een gelijkstroom en de batterij noemen we een gelijkspanningsbron.

Bij de toongenerator loopt de stroom afwisselend de ene kant op en vervolgens de andere kant enz. We spreken dan van een wisselstroom en de toongenerator is een wisselspanningsbron.

We kunnen dus onderscheid maken tussen gelijkspannings- en wisselspanningsbronnen.

1.7 Serieschakeling van spanningsbronnen

Voorbeelden: batterij, accu. Beide bestaan uit een serieschakeling van meerdere elementen of cellen.

Dit doen we om een hogere spanning te verkrijgen, want de spanning van een element is zelden hoog genoeg om een apparaat te voeden.

1.8 Batterij

De electrische spanning in een element of cel wordt veroorzaakt door een chemische reactie. De spanning van een element of cel hangt af van de gebruikte materialen.

Het principe is altijd hetzelfde, 2 metalen waartussen een zuur of een zout aanwezig is.

Een enkel element of cel van een batterij heeft een spanning van ca 1,5 volt, een cel van een loodaccu heeft een spanning van ca 2 volt. Accu’s zijn oplaadbaar. Een paar schematekens:

Als we een aantal elementen op de juiste manier in serieschakelen krijgen we een hogere spanning.

We moeten dan de + van het ene element met de – van het andere element verbinden, enz.

Als we op die manier 6 cellen van 2 volt in serieschakelen (zoals bij een auto-accu) hebben we een spanning van 12 volt.

Batterijen en accu’s gebruiken we bij toepassingen waar lage spanningen aan de orde zijn en die ook portabel of mobiel gebruikt worden. Voor andere toepassingen maakt men gebruik van het lichtnet.

1.9 Lichtnet

Het lichtnet is een wisselspanningsbron.

Het schemateken voor een wisselspanningsbron is hier afgebeeld:

De wisselspanning van het lichtnet wordt opgewekt in centrales en via kabels en transformatoren (om de spanning te verhogen of te verlagen) naar ons huis gevoerd. In de meterkast komt dan de nuldraad en een fasedraad het huis binnen. De nuldraad (blauw) is in het transformatorhuisje in de wijk verbonden met aarde. De fasedraad (bruin) voert een wisselspanning van 230 volt.

Vlak bij de meterkast is een aardelectrode in de grond geslagen. Hieraan is de draad van de veiligheidsaarde (geel/groen) verbonden.

Deze 230 volt is meestal niet geschikt om de electronica van onze huishoudelijke apparatuur te voeden. In deze apparaten zit dan meestal een zogenaamde transformator of trafo die de spanning op het gewenste niveau brengt en eventueel nog een gelijkrichter als de gevraagde spanning een gelijkspanning moet zijn.

 Jacks audio uitleg les 1 deel2

1.10 Radiogolven als electromagnetische golven

Radiogolven zijn net als licht electromagnetische golven, alleen de golflengte van het licht is vele, vele malen kleiner als de golflengte van de radiogolven. De antenne van een zender zendt dus een electro-magnetische golf uit. Hoe moeten we ons zo’n electromagnetische golf voorstellen?

Een electromagnetische golf ,de naam zegt het al, bestaat uit een electrische component en een magnetische component. Bovenstaande tekening is een momentopname van de electromagnetische golf in de ruimte; in deze tekening is de magnetische component aangeduid met H en de electrische component met E. Deze twee componenten staan loodrecht op elkaar zoals ook in de tekening te zien is.

Het magnetisch veld H is evenwijdig met de z-as, het electrisch veld E is evenwijdig met de y-as. De golf plant zich voort evenwijdig aan de x-as naar rechts. Hoe moet je je dit voorstellen?

De golfvormige H en E velden bewegen zich naar rechts langs de x-as. In het snijpunt van x-, y- en z-as worden de H en E velden steeds aangevuld, want daar staat de antenne die de radiogolf uitstraalt 

1.11 De voortplantingssnelheid en het verband hiervan met de frequentie en met de golflengte

Een electromagnetische golf plant zich in de ruimte voort met de lichtsnelheid en die is 300.000.000 m/sec

of 300.000 km/sec. Dat doen radiogolven dus ook want ook dat zijn electromagnetische golven.

Wat is de frequentie f van een periodiek signaal?

De frequentie f is gelijk aan het aantal trilingen per seconde.

Hoe lang duurt een trilling? Antwoord: 1/f  seconden, we noemen dit ook wel de periodetijd T, dus T=1/f

De golflengte is de afstand die de golf in een periodetijd aflegt.

De periodetijd is T=1/f; de voortplantingssnelheid c = 300.000.000 m/sec

De golf heeft in de periodetijd  c*1/f  =  c/f  m afgelegd, dus de goflengte l = c/f  m of  300.000.000/f  m

1.12 Polarisatie

Het begrip polarisatie heeft betrekking op de stand van het electrisch veld in een electromagnetische golf.

Is het electrisch veld vertikaal gericht dan spreekt men van vertikale polarisatie.

Is het electrisch veld horizontaal gericht dan sprekt men van horizontale polarisatie.

Dit is van belang bij een verbinding tussen twee stations op de VHF- en hogere banden, omdat daar de verbinding plaats vindt via een directe golf. Zowel zend- als ontvangstantenne moeten dezefde polarisatie richting hebben. Staan de polarisatie richtingen loodrecht op elkaar dan heeft men theoretisch geen ontvangst, in de praktijk ontvangt men een sterk verzwakt signaal.

1.13 Sinusvormige signalen

De grafische voorstelling in de tijd.

Men kan de ontwikkeling van een grootheid, bijvoorbeeld het aantal inwoners in Nederland, in te tijd op twee manieren weergeven:             a) in tabelvorm

        b) in een grafiek

De laatste wijze van weergeven biedt direct zicht op hoe de ontwikkeling is geweest en geeft ook aan welke kant het op gaat.

We gaan deze grafische manier van weergeven eens toepassen op sinusvormige signalen, bijvoorbeeld op de spanning van het lichtnet of het uitgangssignaal van een signaalgenerator; beide leveren een sinusvormige spanning of als we er een weerstand op aansluiten een sinusvormige stroom.

Hoe ziet zo’n sinusvormig signaal eruit?

Een wisselstroom is een periodiek verschijnsel, dat wil zeggen dat het zich steeds herhaald.

Enkele begrippen:

Links staat het kleinste deel van de grafische voorstelling van een sinusbeweging welke nog net past in het herhalen. Dit noemen we een periode.

De tijd die een periode duurt noemen we de periodetijd, aangeduid met de letter T

De maximale uitwijking noemen we de amplitude.

- Frequentie

De frequentie f is het aantal perioden per seconde, dus f  = 1/T .

- De eenheid hertz

De frequentie wordt uitgedrukt in hertz, afgekort hz. 

In de radio techniek is dit een erg kleine eenheid. Daarom werkt men daar vaak met khz = 1000 hz  of  Mhz = 1.000.000 hz  of  Ghz = 1.000.000.000 hz 

1.14 Audio en digitale signalen

Audiosignaal

Audiosignalen liggen in het hoorbare frequentiegebied, dat zich uitstrekt van 16 hz tot 20 khz.

Het audiosignaal zoals bijvoorbeeld de stroom door een luidspreker is wel periodiek maar in het algemeen niet sinusvormig. Het is gecompliceerder van vorm, zoals op een oscilloscoop zichtbaar gemaakt kan worden, zie het stroom-tijd diagram in onderstaande figuur 

Het audiosignaal verandert net zoals alle analoge signalen continu van vorm en grootte en kan oneindig veel waarden aannemen. Een zuivere sinus bevat slecht een frequentie.

Wiskundig kan men bewijzen dat een niet sinusvormig periodiek signaal is opgebouwd uit een sinusvormig signaal waarvan de frequentie gelijk is aan de frequentie van het periodieke niet-sinusvormige signaal (de grond-golf) en daarnaast uit vele sinusvormige signalen waarvan de frequenties veelvouden zijn van de frequentie van het periodieke niet-sinusvormige signaal. Deze laatste componenten bepalen de klankkleur  van het geluid dat uit de luidspreker komt en noemen we harmonischen. Dit kunnen we zichtbaar maken met een spectrumanalyser, zoals te zien is op het volgende plaatje.

Ruis, gegenereerd in de versterker, evenals andere storingen vervormen het signaal en zullen hoorbaar zijn in de luidspreker.

Elke component van een electronische schakeling genereert ruis.

Vooral de bijdrage van de ingangstrap is duidelijk merkbaar omdat deze ruis ook nog eens maximaal versterkt wordt. Daarom past men in ingangstrappen ruisarme componenten toe. Dit ruis en storingsprobleem is het grootste nadeel van een analoog signaal. Een digitaal signaal heeft dit probleem niet!

Een zuiver sinusvormig signaal bevat maar een frequentie

Een periodiek niet-sinusvormig signaal is opgebouwd uit een grondgolf en harmonischen

Een analoog signaal kan oneindig veel waarden aannemen en is erg gevoelig voor ruis en storing

1.15 Digitaal signaal

Het analoge audio signaal, afkomstig van een microfoon aangesloten op de geluidskaart van een PC wordt in die geluidskaart omgezet in een digitaal signaal.

Hoe gebeurt dit?

Het analoge signaal wordt eerst versterkt en dan in hoog tempo afgetast en gemeten.  Dit gebeurt in een analoog digitaal converter (ADC). Elke gemeten waarde wordt vervolgens in deze analoog digitaal converter om gezet in een digitaal signaal, hierbij wordt meestal gebruik gemaakt van het tweetallig of binaire stelsel.

Wij zijn gewend tot 10 te tellen en gebruiken daarbij tien cijfers 0, 1, 2, 3 t/m 9.

Bij 9 aangekomen beginnen we opnieuw en onthouden dat we al een keer tot 10 geteld hebben.

In het 2-tallig of binaire stelsel doen we hetzelfde alleen hebben we nu maar twee cijfers, 0 en 1; dus als we bij 1 aangekomen zijn beginnen we opnieuw en onthouden dat we al een keer tot “10” geteld hebben.

10 in het binaire stelsel = 2 in het 10-tallig stelsel.

Dus   10101010 = 1*128+0*64+1*32+0*16+1*8+0*4+1*2+0*1 = 170

Een cijfer in het binaire systeem noemt men een bit

0 en 1 zijn eenvoudig weer te geven bijvoorbeeld met aan of uit, 0 volt of 5 volt spanningsniveau, enz

Stel we hebben een acht bits ADC waarvan de ingangsspanning maximaal 250 mV bedraagt en we vinden op de acht lijnen van de uitgang 10101010 dan betekent dit een ingangsspanning 170 mV.

De maximale spanning die de ADC kan omzetten komt overeen met een digitaal uitgangssignaal gelijk aan 11111111= 255 en komt overeen met 255 mV op de ingang. Het oplossend vermogen, de kleinste variatie aan de ingang die leidt tot een verandering aan de uitgang, is 5 mV.

Digitale signalen kunnen serieel of parallel getransporteerd worden. Serieel betekent over een draad komen de bitjes in de tijd gezien achter elkaar, parallel betekent elk bitje heeft zijn eigen draad (bovenstaande ADC heeft acht uitgangen) en de acht bitjes komen in de tijd gezien gelijktijdig ieder over een andere draad.(bovenstaande ADC heeft acht uitgangen) en de acht bitjes komen in de tijd gezien gelijktijdig ieder over een andere draad.

1.16 De grafische voorstelling in de tijd

Hoe ziet een digitaal signaal eruit? In nevenstaande figuur is het binair getal 10101010 = 170 in het 10-tallig stelsel, zowel parallel als serieel, weergegeven. Men ziet dat bij parallel transport de bitje gelijktijdig verzonden worden, bij serieel transport gaan de bitjes achter elkaar. Waarom is een digitaal signaal ongevoelig voor ruis en storing? Onderstaande figuur geeft het antwoord. We zien dat een binaire 1 wat spanningsniveau betreft ligt tussen 2,4 en 5 volt. Als een binaire 1 overeenkomt met 5 volt mogen de stoorpulsjes maximaal 2,6 volt zijn voor dat men in het ongedefinieerde gebied komt; 2,6 volt is erg veel voor een stoor- signaal. Een soortgelijke redenering geldt voor de binaire 0.

1.17 Gemoduleerde signalen

Bij het moduleren brengen we de informatie die we willen overzenden (spraak, muziek, data, enz.) aan op de draaggolf. We kunnen dit doen op 3 manieren:

·         door de Amplitude van de draaggolf in het ritme van het laagfrequent signaal (informatie) te variëren. Dit noemen we Amplitude Modulatie en wordt in de vergunningsvoorschriften aangeduid met A3E.

·         door de Frequentie van de draaggolf in het ritme van het laagfrequent signaal (informatie) te variëren. Dit noemen we Frequentie Modulatie en wordt in de vergunningsvoorwaarden aangeduid met F3E.

·         door de Fase van de draaggolf in het ritme van het laagfrequent signaal (informatie) te variëren. We gaan hier niet verder op in, want dit valt buiten het examenprogramma.

Amplitude Modulatie

Een amplitude gemoduleerd signaal, AM signaal, wordt in de ontvanger met een AM- detector gedemoduleerd. Deze AM-detector bestaat uit een eenvoudige gelijkrichtschakeling, een diode en een condensator en een weerstand.

Voordeel van Amplitude Modulatie

De detector in een ontvanger om AM-gemoduleerde signalen te detecteren is uiterst simpel. Stoorsignalen en ruis worden opgeteld bij de amplitude van het signaal. Aangezien de detector in de AM- ontvanger reageert op de amplitude, zal deze ook op ruis en storingen reageren.

Nadeel van Amplitude Modulatie

Een amplitude gemoduleerd systeem is gevoelig voor storingen en ruis.

In onderstaand figuur is een hoogfrequente draaggolf gemoduleerd met een laagfrequent signaal bestaande uit een enkele toon weergegeven. Het AM-signaal komt tot stand door menging van het laagfrequent signaal (informatie) met het hoogfrequent signaal (draaggolf).

Bij dit proces ontstaan naast de draaggolf som- en verschilfrequenties 

Een zender op 3750 kHz die met een toon van 800 Hz gemoduleerd wordt, levert: 3750 kHz de draaggolf.

3750 + 0,8 = 3750,8 kHz, de bovenzijband

3750  - 0,8 = 3749,2 kHz, de onderzijband

1.18 Nadelen van Amplitude Modulatie

·         De bandbreedte van een AM-signaal is vrij groot.

     ·        Het AM-signaal bevat 2 keer dezelfde informatie ,lage en hoge zijband bevatten dezelfde informatie.

·         De draaggolf waar 50% van de HF- energie in zit bevat helemaal geen informatie.

Deze laatste drie nadelen zijn op te heffen door gebruik te maken van Enkelzijband modulatie, een verfijning van Amplitude Modulatie.

1.20 Voordelen van EZB-modulatie t.o.v. amplitudemodulatie

· Het bandbreedte beslag van EZB-modulatie is de helft van het bandbreedte beslag van AM. bij EZB is er plaats voor 2x zoveel zenders in een bepaald frequentie gebied als bij AM

·  Alle energie komt terecht in het informatie dragend signaal. Vier keer zoveel als bij AM.

· 

Omdat de bandbreedte in de ontvanger kleiner is, is het ruis niveau lager. Dat betekent dat de ontvanger gevoeliger is

Voordelen van FM

Doordat de amplitude van het uitgezonden E-M veld constant is, is de kans op storing in apparatuur bij de buren beduidend kleiner.

·         Kans op storing in apparatuur bij buren veel kleiner.

·         De bouw van een FM zender is beduidend eenvoudiger als de bouw van een AM of EZB zender.

Nadelen van FM

·         De FM-detector in de ontvanger is een tamelijk gecompliceerde schakeling (2 diode enkele weerstanden en condensatoren en een speciale MF-trafo)

·         De bandbreedte van een FM signaal is beduidend groter als dat van een AM of EZB signaal.

Bij het FM gemoduleerd signaal zijn er ook zijbanden.

In onderstaande afbeelding is het frequentie spectrum van een FM signaal gemoduleerd met een enkele toon weergegeven. De afstand onderling tussen de diverse frequenties is gelijk aan fi (de laag frequente informatie). Theoretisch loopt het spectrum van een FM signaal door tot in het oneindige, maar de signalen, links en rechts van de centrale frequentie, worden al snel zwakker.

De bandbreedte van een FM amateurstation mag niet groter zijn als 12 kHz.

1.21 Draaggolf, zijbanden en bandbreedte

Draaggolf

De draaggolf is het signaal waarop de laagfrequente informatie door modulatie bevestigd wordt. Bij AM en FM is de draaggolf aanwezig, bij EZB is de draaggolf doelbewust onderdrukt.

Zijbanden

Bij AM vinden we een lage en een hoge zij band, beide bevatten dezelfde informatie. Bij EZB vinden we een lage of een hoge zijband, dus slechts één zijband

Bij FM vinden we zowel onder als boven de draaggolffrequentie zijbanden.

Bandbreedte

Bij AM bedraagt de bandbreedte 6 kHz

Bij EZB bedraagt de bandbreedte 3 kHz (in de praktijk worden filters toegepast met een doorlaat van 2,7 kHz)

Bij FM beperkt men de bandbreedte tot 12 kHz 

1.22 Vermogen

Gelijkstroom-ingangsvermogen

In een voedingsapparaat wordt de wisselspanning van 230 Volt omgezet in een lagere of hogere gelijkspanning. Het vermogen bij deze lagere gelijkspanning is altijd lager dan het vermogen dat wordt opgenomen uit het lichtnet. De omzetting gaat altijd met verliezen gepaard.

Daarom bestaat er het begrip opgenomen vermogen (in dit geval dus uit het lichtnet) en het begrip afgegeven vermogen.

Stel het opgenomen vermogen is 100 Watt en het afgegeven vermogen 80 Watt dan is het rendement 80 %.

Het rendement is gedefinieerd als {Puit/Pin}*100% en wordt uitgedrukt in %.

Waar blijft het verschil 100 Watt – 80 Watt = 20 Watt? Dit verschil is het verlies dat optreedt bij de omzetting en komt vrij in de vorm van warmte.

HF-uitgangsvermogen

Stel we hebben een FM-zender. Deze zender wordt gevoed met een gelijkspanning van 12 Volt en trekt dan een stroom van 6 Ampère. Aan de uitgang levert deze zender dan 45 Watt. Het gelijkstroom-ingangsvermogen is dan 6*12 = 72 Watt

Het HF-uitgangsvermogen was 45 Watt.

Het rendement van de zender is dan {45/72}*100 = 62,5 % Het verschil 72 – 45 = 27 Watt wordt omgezet in warmte.

Het HF-uitgangsvermogen dient gemeten te worden op het tijdstip dat de omhullende van het HF-signaal op zijn maximum is (Peak Enveloppe Power, PEP)

Bij een FM-signaal is dit altijd het geval. Bij een AM- of een EZB-signaal moet de vermogensmeter hier speciaal voor uitgerust zijn 

video uitleg radio golven

Jacks audio uitleg les 2

2.0 Componenten

2.1  Weerstand

Weerstanden zijn veel gebruikte componenten in de elektronica en zijn vaak nodig om een elektronische schakeling te laten werken. Weerstanden zijn in allerlei maten, uitvoeringen en waarden beschikbaar.

Weerstanden bestaan meestal uit een kool- of metaalfilmlaagje dat op een speciale manier op een keramisch buisje is aangebracht. Op de einden van het buisje zijn twee metalen dopjes geplaatst, waaraan de aansluitdraden zijn bevestigd. Met een laser wordt in de kool- of metaalfilm een spiraal gebrand, die uiteindelijk samen met de dikte van de laag de waarde van de weerstand bepaalt.

Weerstanden kunnen ook gemaakt zijn van zogenaamd weerstanddraad bestaande uit manganine, constantaan, of nikkelline.

De bekende volumeregelaar is een regelbare weerstand; er bestaan ook instelbare weerstanden, bedoeld om eenmalig ingesteld te worden.

Weerstand

De weerstand van een draadvormige geleider is afhankelijk van:

· de lengte van de draad (hoe langer de draad, hoe hoger de weerstand)

· de doorsnede van de draad (hoe dunner de draad, hoe hoger de weerstand)

· het soort geleider (de soortelijke weerstand; in het hoofdstuk “Stroomgeleiding” hebben we al gezien, dat de diverse geleiders verschillende soortelijke weerstanden hebben)

In formule is de weerstand R = r * l / d

Hierin is R de weerstand, r de soortelijke weerstand, l de lengte en d de doorsnede van de draad.

De eenheid ohm

De eenheid ohm hebben we ook al in het hoofdstuk “Stroomgeleiding” besproken. Volgens de wet van Ohm hebben we een weerstand van 1 ohm als er over die weerstand een spanning van 1 volt staat en er door die weerstand een stroom loopt van 1 ampère.

Vermogensdissipatie

Het begrip vermogensdissipatie heeft betrekking op de warmte die in de weerstand geproduceerd wordt ten gevolge van de stroom die er door de weerstand loopt. Ook dit onderwerp is al besproken in het hoofdstuk “Stroomgeleiding”. Het vermogen dat in een weerstand gedissipeerd wordt is gelijk aan:

P = U*I

Volgens de wet van Ohm is U = I*R Dit vullen we in, dus P = I2R Volgens de wet van Ohm is I = U/R Dit vullen we in, dus P = U2/R

We kunnen niet onbegrensd vermogen dissiperen in een weerstand; dan wordt deze te warm en brandt deze door. Elke weerstand heeft wat vermogensdissipatie betreft een grens. Voorbeeld: we hebben een weerstand van 1 k en een vermogen van 2 watt. Wat is de maximale stroom?

P = I2R dus 2=I2 1000 of I2 = 2/1000 dus I = 0,045 Ampère = 45 mI

Kleurcode

Weerstanden hebben standaardwaarden. De meest gebruikte standaardwaarden zijn de waarden uit de E12- reeks. Deze waarden zijn: 10 – 12 – 15 – 18 – 22 – 27 – 33 – 39 – 47 – 56

– 68 – 82.

De waarden worden aangegeven met behulp van kleurringen

video uitleg weerstanden

2.2 Condensator

Een condensator heeft als eigenschap, dat hij een hoeveelheid elektriciteit (lading) kan opslaan en weer afgeven. 

uitleg condensatoren

Wat gebeurt er nu als ik de schakelaar sluit.

In de bovenste schakeling is geen weerstand aanwezig die de stroom begrensd. Dit betekent dat de condensator met een oneindig grote stroom in een aan nul grenzend tijdbestek wordt ontladen. Dus, op het moment dat de schakelaar gesloten wordt, is de condensator onmiddellijk op de spanning 0 volt. Ook hier is de stroom oneindig groot, weergegeven met de pijl in de rechtse grafiek. Als er een weerstand aanwezig is in het circuit, zal deze de stroom begrenzen. Hierdoor duurt het even voordat de condensator geheel ontladen is en de spanning 0 volt bereikt heeft. We zien op het moment dat de schakelaar gesloten wordt de stroom onmiddellijk de waarde E/R aannemen en vervolgens afnemen volgens U/R. E is de spanning van de batterij maar ook de spanning op de geladen condensator voordat de schakelaar werd gesloten, U is de afnemende spanning op de condensator nadat de schakelaar werd gesloten. Naarmate de weerstand groter is duurt dit afnemen langer.

Capaciteit

Hoeveel elektrische lading kan een condensator opslaan? Dit hangt af van de capaciteit van de condensator. De capaciteit van de condensator is bepalend voor de hoeveelheid lading, die de condensator kan opslaan bij een bepaalde aangelegde spanning. De capaciteit is afhankelijk van de constructie van de condensator.

De condensator bestaat uit twee metalen platen gescheiden door een isolator, het diëlektricum.

De capaciteit wordt bepaald door de grootte van de platen, de afstand tussen de platen en het toegepaste diëlektricum.

Hoe groter het oppervlak van de platen hoe groter de capaciteit. Hoe kleiner de afstand tussen de platen hoe groter de capaciteit.

Materialen voor het diëlektricum zijn:

·         lucht

·         mica

·         kunststof

·         keramische materialen

·         Oxiden van metalen (aluminium, tantaal)

De eenheid Farad

Om condensatoren met betrekking tot de capaciteit te kunnen vergelijken heeft men als eenheid voor de capaciteit de Farad ingevoerd.

Deze eenheid is erg groot, daarom heeft men tevens de uF, de nF en de pF ingevoerd.

Bij elektrolytische en tantaal condensatoren is een van de aansluitdraden van een + voorzien. Deze draad moet op een hogere gelijkspanning aangesloten worden als de andere draad.

Wat is de weerstand van een condensator. Voor gelijkstroom is de weerstand enorm hoog; kijk maar naar de constructie het is een isolator.

Hoe zit dat met wissel stroom?

Ga je een wisselspanning op een condensator loslaten, dan zie direct een wisselstroom lopen en naarmate de frequentie hoger wordt zal deze stroom toenemen.

De condensator heeft voor wisselstroom een zekere weerstand die we impedantie noemen.

Proef: we sluiten de condensator via een weerstand en een ampèremeter aan op een signaalgenerator.

De frequentie van de signaalgenerator variëren we van laag naar hoog. We houden hierbij de spanning over de condensator constant (met behulp van de voltmeter), door het uitgangssignaal van de signaalgenerator op te regelen als dat nodig is.

We zien dat de stroom steeds groter wordt!! Frequentie omhoog, stroom omhoog

De impedantie Xc is afhankelijk van de capaciteit en de frequentie.

·         Hoe groter de capaciteit, hoe kleiner de impedantie

·         Hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de impedantie

De impedantie Xc =1/(2πfC)           Wet van Ohm: I = U/R

Voor de condensator betekent dit I = U/Xc = U/{1/(2πfC) = U2πfC.

Xc is behalve van de frequentie ook afhankelijk van de capaciteit van de condensator, dus Xc is afhankelijk van de frequentie, de grootte van de platen, de afstand tussen de platen en het toegepaste diëlektricum..

Gebruik van vaste en variabele condensatoren: lucht-, mica-, keramische- en elektrolytische condensatoren.

·         Variabele condensatoren worden toegepast in afstemcircuits in ontvangers en zenders; het zijn dan variabele lucht-, mica- of kunststof- condensatoren (voor      herhaalde afstemming!)

·         Trimmers zijn bedoeld voor eenmalige afstemming.

·         Micacondensatoren (10 – 1000 pF) worden toegepast in schakelingen waar frequentie stabiliteit een vereiste is, zoals oscillatoren en smalle filters.

·         Kunststofcondensatoren (0,01 – 4,7 uF) worden toegepast in LF en MF circuits.

·         Keramische condensatoren (1 – 47000 pF) worden toegepast in HF en MF circuits en de hele grote waarden ook wel in LF circuits.

·         Elektrolytische condensatoren (10 – 47000 uF) worden toegepast in voedingen en LF eindtrappen.

·         Voor lage waarden en lage spanningen (tot 40 Volt) worden ook Tantaalcondensatoren toegepast.

2.3  Spoel

Proef: we sluiten de spoel via een weerstand en een ampèremeter aan op een signaalgenerator.

De frequentie van de signaalgenerator variëren we van laag naar hoog. We houden hierbij de spanning over de spoel constant

(met behulp van de voltmeter) door het uitgangssignaal van de signaalgenerator omlaag te regelen als dat nodig is.

We zien dat de stroom steeds kleiner wordt!!

Frequentie omhoog, stroom omlaag

Met andere woorden de weerstand van de spoel voor wisselstroom neemt toe naarmate de frequentie hoger wordt. Deze weerstand voor wisselstroom noemen we impedantie Z. Doen we deze meting met gelijkspanning dan blijkt dat de weerstand van de spoel heel laag is (R = U/I). De weerstandstoename heeft kennelijk te maken met het soort spanning (gelijkspanning of wisselspanning).

Deze lage weerstand duiden we aan met de letter R. Deze weerstand wordt bepaald door:

·         het materiaal (zilver, koper, aluminium enz.)

·         de doorsnede

·         de lengte van de draad.

Moeten we een spoel maken met veel windingen, dus veel draad, dan gaat R een grotere rol spelen. Willen we dat niet dan kunnen we een kern toepassen van weekijzer of ferriet (staaf- of ringkern).

We kunnen dan met minder windingen hetzelfde effect bereiken voor wisselstroom maar met een lagere gelijkstroom weerstand.

Zelfinductie

In de impedantie Z zit ook opgesloten de gelijkstroom weerstand R van de spoel. Het onderscheid tussen Z en R noemen we de reactantie van de spoel (Xl).

Onder Xl vallen dus de eigenschappen die de spoel alleen voor wisselspanning heeft. Deze eigenschappen worden bepaald door:

·         Het aantal windingen

·         De lengte van de spoel

·         De diameter van de spoel

·         Het kernmateriaal

·         De frequentie

De reactantie Xl is dus afhankelijk van:

·         De frequentie f van de wisselspanning

·         De constructie van de spoel, die de zelfinductie L bepaalt

De zelfinductie L wordt dus bepaalt door:

·         Het aantal windingen

·         De lengte van de spoel

·         De diameter van de spoel

·         Het kernmateriaal

Samenvattend                    Xl = 2πfL

De impedantie Xl is afhankelijk van de zelfinductie en de frequentie.

Hoe groter de zelfinductie hoe groter de impedantie. Hoe hoger de frequentie hoe groter de impedantie.

De impedantie Xl = 2πfL                De wet van Ohm: I = U/R

Voor de spoel betekent dit: I = U/Xl = U/πpfL

Xl is behalve van de frequentie ook afhankelijk van de zelfinductie van de spoel, dus Xl is afhankelijk van de frequentie, het aantal windingen, de diameter en lengte van de spoel en van het kernmateriaal in de spoel

De eenheid Henry

De zelfinductie heeft als eenheid de henry (H). Dit is een erg grote eenheid.

Bij VHF en UHF hebben we het over microhenry (uH) en voor de lagere frequenties op de kortegolf hebben we het over millihenry (mH). 

2.3  Overige componenten (toepassingen)

Transformatoren

230 Volt is een veel te hoge spanning voor transistoren en ic’s (9 of 12 Volt).

Een transformator kan de 230 V tot deze spanning omlaag brengen (omlaag transformeren). Een transformator kan een spanning ook omhoog transformeren (buizen zenders)

De opbouw

De trafo bestaat uit 2 of meer spoelen om een geschikt magnetisch materiaal gewikkeld. De spoel waaraan de spanning wordt toegevoerd heet de primaire wikkeling. De spoel waarvan de spanning wordt afgenomen heft de secundaire wikkeling.

De transformator heeft als eigenschap dat de spanning evenredig toe- of afneemt met het aantal windingen. Voert men een spanning toe aan de primaire wikkeling dan is de spanning over de secundaire wikkeling afhankelijk van de wikkelverhouding.

Upr   :  Usec  = Npr  : Nsec            of                 Upr/Usec = Npr/Nsec

Gelijkricht diode

Transistoren en ic’s werken alleen met een gelijkspanning als voedingsspanning. Dus de wisselspanning die we van de trafo halen moeten we eerst gelijkrichten.

Daarvoor gebruiken we gelijkrichter-dioden.

De diode heeft als eigenschap de elektrische stroom slechts in één richting door te laten; in de andere richting blokkeert hij de elektrische stroom.

Zenerdiode

De zenerdiode is een bijzondere diode met de volgende karakteristiek.

In de doorlaat richting is er geen verschil met een gewone diode. In de sperrichting gaat de zenerdiode bij de zenerspanning geleiden. Bij toename van de stroom neemt de spanning maar enkele tienden van een volt toe. We kunnen de zenerdiode dus in een stabilisatieschakeling gebruiken.

Transistor

Transistoren zijn er in allerlei soorten Indeling naar materiaal soort:

·         Germanium

·         Silicium

·         Gallium arsenide (toegepast bij zeer hoge frequenties) Er is ook een indeling naar toepassing, deze is vaak in de codering verwerkt.

Transistor (versterker)

Bij transistoren spelen er altijd twee zaken door elkaar:

·         De voeding om de transistor te laten werken (gelijkstroominstelling).

·         De weg die de wisselstroom moet volgen om versterkt te worden.

Hoe werkt een oscillator

Door het inschakelen van de voedingsspanning zal er een plotselinge stijging van stromen en spanningen plaatsvinden. Een deel van deze schokgolf zal via de terugkoppel lus aan het frequentie bepalend deel worden toegevoerd.

Dit zal op zijn beurt een frequentie doorlaten naar de versterker. Dit signaal wordt versterkt. Een deel wordt weer teruggevoerd naar het frequentie bepalend deel enz.

Tijdens het opstarten is de versterking groter dan 1. Kort na het opstarten treedt er een evenwichtssituatie op en is de versterking 1.

Problemen bij oscillatoren

§  Geen mooie sinus, dan worden er ook hogere harmonische opgewekt. 

Naast fo vinden we dan ook 2fo, 3fo, 4fo, 5fo, enz.

§  Gevoelig voor temperatuurvariaties

§  Gevoelig voor variatie in de voedingsspanning

§  Mechanisch niet stabiel

§  Handeffect

3. Schakelingen 

Jacks audio uitleg les 3

3.1  Combinatie van componenten

Serie en parallelschakeling van weerstanden.

Serieschakeling

In een serieschakeling worden de componenten zo geschakeld dat door de componenten dezelfde stroom I loopt.

Er geldt dan U = U1 + U2 of U = IR1 + IR2 = I(R1 + R2)

U = IRv

Combinatie van deze twee, levert op Rv = R1 + R2

Parallelschakeling

In een parallelschakeling worden de componenten zo geschakeld dat over de componenten dezelfde spanning U staat. Er geldt dan    I = I1 + I2 of

I = U/R1 + U/R2 = U(1/R1 + 1/R2)

I = U/Rv

Combinatie van deze twee, levert op 1/Rv = 1/R1 + 1/R2 of       Rv = 1/ (1/R1+1/R2) = R1R2/(R1+R2)

video uitleg weerstanden in een schakeling

Serie en parallelschakeling van condensatoren 

Parallelschakeling

In een parallelschakeling worden de componenten zo geschakeld dat over de componenten dezelfde spanning U staat.

Over beide condensatoren staat de gehele spanning van de batterij. Beide condensatoren worden dus geheel opgeladen (alsof ze ieder

afzonderlijk met de batterij worden opgeladen) We hebben dus een totale lading die past bij de som van de capaciteiten van de condensatoren U.

Voor de batterij lijkt het alsof deze is aan gesloten op een condensator met een capaciteit Cv = C1+C2

Schakelen we meer dan twee condensatoren parallel, dan is Cv = C1+C2+C3+C4+ ……….

Bij het parallel schakelen van condensatoren is de totale capaciteit altijd groter dan de grootste capaciteit.

Zo kunnen we met het parallel schakelen van meerdere condensatoren een grotere capaciteit realiseren.

Serieschakeling

In een serieschakeling worden de componenten zo geschakeld dat door de componenten dezelfde stroom I loopt.

In deze schakeling moet de spanning van de

batterij zich verdelen over twee condensatoren.                                                              

De spanning over elke condensator apart zal dus

kleiner zijn dan de spanning van de batterij. Dit betekent dus ook een kleinere lading ten

opzichte van de situatie waarbij de spanning over de condensator gelijk is aan de spanning van de batterij.

De lading op beide condensatoren is wel gelijk. Waarom? Omdat er gedurende dezelfde tijd dezelfde stroom de condensatoren oplaadt.

Voor de batterij lijkt het alsof deze is aangesloten op een condensator waarvan de capaciteit kleiner is dan de kleinste capaciteit van beide condensatoren..

In formule Cv = 1/ (1/C1 + 1/C2) = C1C2/(C1 + C2)

We hebben 3 condensatoren die we in serie schakelen, elk met een capaciteit van 30 uF. Wat is de capaciteit van de serieschakeling?

3.2  Filter

Laag doorlatende, hoog doorlatende, band doorlatende en band sperrende filters, opgebouwd uit passieve elementen (alleen toepassing en gebruik).

Filters met L,C en R.

Laagdoorlaatfilter.

Dit is een filter, dat signalen tot een bepaalde frequentie doorlaat.

Hoe kunnen we aan de hand van het schema van een filter bepalen om welk type het gaat? De werkwijze is als volgt:

1.     Zitten er afgestemde kringen in?

Ja, ga verder met 2.nee, ga verder met 3.

Afgestemde kringen duiden op een bandfilter.

De vraag is of het een banddoorlaat of een Bandsperfilter is.

2. Is de weerstand tussen in- en uitgang op de resonantie frequentie hoog of laag? Hoog dan is het een Bandsperfilter, laag dan is het een banddoorlaatfilter.

als controle nog 3 en 4.

Als het een Bandsperfilter is dan moeten 3 en 4 met laag beantwoord worden.

Als het een banddoorlaatfilter is dan moeten 3 en 4 met hoog beantwoord worden.

De volgende vragen zijn bedoeld

§  Als controle bij filters met afgestemde kringen om de eerdere conclusie (bandsper- of banddoorlaatfilter) te controleren.

§  Om bij filters zonder afgestemde kringen na te gaan of het een hoogdoorlaat- of een laagdoorlaatfilter betreft.

3.    Is de weerstand tussen in- en uitgang bij lage frequentie hoog of laag?

4.    Is de weerstand tussen in- en uitgang bij hoge frequentie hoog of laag?

Uit 3 en 4 volgt ook of het filter als het geen bandfilter is hoog- of een laagdoorlaatfilter is.

4. Ontvangers 

Jacks audio uileg les 4

4.1  Uitvoering

Enkel superheterodyne ontvanger

In het N-examen voorjaar 2002 is bij de opgaven 20, 21 en 22 het schema gevoegd van een eenvoudige AM-enkel superheterodyne ontvanger.

(zie “750 Examenvragen voor de N Zendvergunning” van de VERON)

Als we van deze ontvanger een blokschema tekenen ziet dat er als volgt uit:

Op de werking en de functies van de diverse blokken komen we nog terug.

De enkel superheterodyne ontvanger heeft belangrijke voordelen t.o.v. de rechtuit- ontvanger waarvan hieronder het principe schema en het blokschema is 

4.1  Blokschema’s

4.2  Werking en functies van de volgende schakelingen

Hf-versterker

De Hf-versterker dient het hoogfrequente antennesignaal ( 0,1 a 10 uV) te versterken, d.w.z. in amplitude te vergroten (een factor 100 a 1000).

Ook dient er een zekere voorselectie in de versterker plaats te vinden, d.w.z. signalen die in frequentie relatief ver van de te ontvangen frequentie liggen dienen verzwakt te worden. Om dit te bewerkstelligen is de Hf-versterker vaak afstembaar. Een Hf-versterker heeft een ingang voor het Hf-antennesignaal en een uitgang voor het versterkte Hf-signaal.

Oscillator

Een oscillator produceert een wisselspanningssignaal, in dit geval een Hf- wisselspanningssignaal.

Indien men slechts een frequentie wenst te ontvangen, kan men een oscillator met een vaste frequentie toepassen. Een kristal is dan vaak het frequentiebepalende element.

Wil men alle frequenties kunnen ontvangen in een bepaalde band dan moet

men gebruik maken van een oscillator met een variabele frequentie.

In deze oscillator is een af te stemmen kring het frequentie bepalende element.

De resonantiefrequentie van deze kring kan gevarieerd worden door de capaciteit of de zelfinductie van de kring te variëren.

Een oscillator heeft geen ingang maar slechts een uitgang ten behoeve van het opgewekte wisselspanningssignaal.

Mengtrap

In een mengtrap worden twee wisselspanningssignalen met elkaar gemengd. Het resultaat is een aantal frequenties aan de uitgang.

De twee oorspronkelijke frequenties: fHf en fosc en de som- en verschilfrequentie van deze twee: fHf - fosc en fHf + fosc

De midden frequent trap selecteert de verschilfrequentie fHf - fosc  eruit, maar dit kan ook al in de mengtrap plaatsvinden als aan de uitgang een filter aanwezig is, dat op deze frequentie is afgestemd.

Een mengtrap of mixer heeft twee ingangen en een uitgang:

een ingang voor het versterkte antenne signaal, een ingang voor het oscillatorsignaal

en een uitgang voor de mengproducten of als de filtering al plaats heeft gevonden, het signaal met de verschilfrequentie.

Midden Frequent Versterker

  De midden frequent versterker doet hetzelfde als een Hf- versterker, alleen op een andere in het algemeen beduidend lagere frequentie, op de middenfrequentie.

  Veel gebruikte midden frequenties zijn 455 kHz en 10,7 MHz.

Doordat deze frequentie relatief laag is, is er een hoge selectiviteit te realiseren, die nog verbeterd kan worden door de toepassing van een kristal-, mechanisch- of keramisch- filter. Dit filter moet natuurlijk passen bij de bandbreedte van de toegepaste modulatie,

CW: 250 a 500 Hz, EZB: 2700 Hz, AM: 6kHz en FM: 12,5 of 25 kHz

(afhankelijk van de kanaalafstand behorend bij de toegepaste frequentiezwaai).

Ook de versterking en daarmee de gevoeligheid kan, doordat de midden frequent versterker op een vaste frequentie werkt, geoptimaliseerd worden.

Detector

Elke modulatiesoort heeft zijn eigen detector.

CW en EnkelZijBand Modulatie

De productdetector wordt zowel voor de detectie van EZB als CW toegepast. Een productdetector is opgebouwd uit een mixer en een oscillator.

De oscillator wekt een signaal op met een frequentie die past bij de draaggolf van het EZB- signaal. Het middenfrequent EZB-signaal wordt toegevoerd aan de mixer. Hetzelfde gebeurt met het gewenste oscillatorsignaal.

Zwevingsoscillator (BFO)

Wekt de oscillator een variabele frequentie op dan heeft men een BFO of Beat Frequentie Oscillator. Men kan dan de toonhoogte instellen van het CW-signaal.

Automatische Versterkingsregeling (AVR)

  Vaak is er achter de midden frequent versterker, parallel aan de audiodetector, een tweede diode en een afvlakschakeling aanwezig die een gelijkspanning produceren         evenredig met het MF-signaal.

Met deze gelijkspanning wordt de instelling van de transistoren in de Hf-trap en de midden frequent trap beïnvloed.

Dit heeft als resultaat dat de versterking afneemt als het signaal groter wordt. Hiermee wordt een nagenoeg constant audiosignaal verkregen.

Dit is erg prettig als er sprake is van “fading”. Bij “fading” varieert het antennesignaal sterk. De AVR zorgt er dan voor dat we hier niets van merken.

Ruisonderdrukker (Squelch)

  De ruisonderdrukker kijkt of het signaal boven een bepaalde (vaak instelbare) drempel uitkomt. Is dit het geval dan wordt het LF-signaal aan de LF-versterker    doorgegeven.

Is dit niet het geval dan gebeurt dit niet en komt er dus geen geluid uit de luidspreker. Hiermee voorkomt men dat een ontvanger hinderlijk staat te ruisen als er geen signaal is. De ruisonderdrukker is meestal te vinden tussen de detector en de LF-versterker.

De voeding

De voeding zet de wisselspanning van het net om in gelijkspanningen die de ontvanger nodig heeft om goed te kunnen functioneren.

Elke trap van de ontvanger waarin actieve elementen voorkomen (transistoren, fet’s, buizen, ic’s, opamp’s enz.) moet gevoed worden met gelijkspanning om te kunnen functioneren. Deze gelijkspanningen kunnen verschillend zijn, zowel wat spanning, vermogen en stabilisatie betreft.

Dus van de voeding lopen er elektrische verbindingen naar deze actieve componenten om deze te voeden.

Examenvraagstukken 20, 21 en 22, voorjaar 2002, zie “750 examenvragen..... ”, VERON.

Functies van de onderdelen van de ontvanger, getekend in het bijbehorend schema.

L1 en C1                     vormen een seriekring, op de resonantiefrequentie gedraagt deze kring zich als een kortsluiting, bijvoorbeeld voor een stoorsignaal van buiten.

C2                                     koppelt het antenne signaal door naar de afgestemde kring en de basis van Q1, de Hf-versterker L3 en C3                                            vormen samen met C4 een parallelkring die afgestemd is op de te ontvangen frequentie (filter)

C4                                     heeft een grote capaciteit en dus een lage impedantie op de te ontvangen frequentie. C4 voorkomt dat de basisspanning van Q1 naar massa wordt kortgesloten.

R2 en R3                     stellen de basisgelijkspanning in van Q1. Deze gelijkspanning wordt nog beïnvloed door de AVR-spanning

R1                                     Voert de AVR-spanning toe, waarmee de instelling en daarmee de versterking van Q1, de Hf-versterker wordt beïnvloed

Q1                                     is het hart van de Hf-versterker

R4                                     bepaalt samen met R2 en R3 de gelijkstroom door de transistor Q1 (gelijkstroominstelling) C7    sluit de Hf-spanning op de emitter van Q1 kort en fungeert als ontkoppelcondensator.

L6 en C6                     vormen een parallelkring (hoe?) en filteren het Hf-signaal alvorens het door te geven. C5              legt de bovenkant van L6 voor wisselspanning aan massa

C8                                     koppelt het Hf-signaal door naar de basis van Q2, de mixer R5 en R6                                            stellen de basisgelijkspanning in van Q2

R7                                     bepaalt samen met R5 en R6 de gelijkstroom door de transistor Q2, gelijkstroominstelling C7                                            koppelt het oscillatorsignaal in op de emitter van de mixer

Q2                                     is het hart van de mengtrap (mixer)

L10,11 en C10,11     vormen een bandfilter afgestemd op de middenfrequentie R8 en R10                                            stellen de basisgelijkspanning in van Q3

R9                                     Voert de AVR-spanning toe, waarmee de instelling en daarmee de versterking van Q3, de MF-versterker wordt beïnvloed

C12                                  legt het knooppunt van R9, R8 en R10 voor wisselspanning aan massa Q3           is het hart van de MF-versterker

R11                                  bepaalt samen met R8 en R10 de gelijkstroom door de transistor Q3, gelijkstroominstelling C16  sluit de Hf-spanning op de emitter van Q3 kort en fungeert als ontkoppelcondensator L13,15 en C13,15      vormen een bandfilter afgestemd op de middenfrequentie

C14, C17  en R12   vormen een afvlakfilter voor de AVR-spanning

C18                                  sluit eventuele Hf-wisselspanning op de voedingslijn kort naar massa, ontkoppelt de voedingsspanning

D2                                     richt de MF-wisselspanning gelijk en produceert samen met C14, C17 en R12 de AVR- gelijkspanning

D1, C19 en R14      vormen de AM-detector

R13                                   reduceert de voedingsspanning

C20                                   koppelt het LF-signaal door naar de basis van Q4, de eerste LF-versterkertrap R15 en R16                                            stellen de basisgelijkspanning in van Q3

R18                                  bepaalt samen met R15 en R16 de gelijkstroom door de transistor Q3, gelijkstroominst. C22                                            sluit de LF-spanning op de emitter van Q4 kort en fungeert als ontkoppelcondensator Q4                is het hart van de eerste LF-versterkertrap

R17                                  is de collector weerstand, waarover het versterkte LF-signaal (audio) wordt afgenomen R19                                            reduceert de voedingsspanning

C23                                  koppelt het LF-signaal door naar de basis van Q5, de eindversterker R20 en R21                                            stellen de basisgelijkspanning in van Q5

R22                                   bepaalt samen met R20 en R21 de gelijkstroom door de transistor Q5, gelijkstroominst C24                                            sluit de LF-spanning op de emitter van Q4 kort en fungeert als ontkoppelcondensator Q5               is het hart van de eindversterker

T2                                      deze trafo past de collector uitgangsimpedantie aan op de luidsprekerimpedantie R23 en R24                                            stellen de basisgelijkspanning in van Q6

R25                                  bepaalt samen met R23 en R24 de gelijkstroom door de transistor Q6, gelijkstroominst C26                                            sluit de LF-spanning op de emitter van Q6 kort en fungeert als ontkoppelcondensator Q6                is het hart van de oscillator

L26                                   koppelt een deel van het Hf-oscillator signaal terug naar basis van Q6 C27        legt het knooppunt van R23, R24 en L26 voor wisselspanning aan massa L25, C25      vormen de parallelkring die de oscillatorfrequentie bepaalt

C26                                  legt de onderkant van L25 voor wisselspanning aan massa

T1                                     is de voedingstrafo die de netspanning verlaagt tot een spanning die na gelijkrichting en afvlakking bruikbaar is voor de ontvanger

D3 en D4                    zijn de gelijkrichtdioden

C29                                  is de afvlakcondensator

R26 en D5                  vormen een stabilisatieschakeling voor een tweede lagere voedingsspanning C30  fungeert als buffer voor wisselende belastingen

De weg die het signaal volgt

Het Hf-signaal komt binnen via de antenne en via C2 naar de basis van de Hf-versterker, Q1, gevoerd.

(de parallelkring L3 C3 filtert het gewenste signaal eruit) Het door Q1 versterkte signaal wordt afgenomen van de midden aftakking van L6 en via C8 toegevoerd aan de basis van Q2,

de mixer.

In de mixer wordt het signaal, wat frequentie betreft, getransformeerd naar de middenfrequentie.

Via het bandfilter L10, C10, L11 en C11 komt het signaal terecht op de basis van Q3, de middenfrequent versterker. Na versterking gaat het signaal via het bandfilter L13, C13, L15 en C15 naar de detector D1, C19 en R14. Het LF-signaal wordt afgetakt van R14 en via C20 toegevoerd aan de basis van de eerste LF-versterker-trap, Q4. Na versterking wordt het signaal afgenomen van de collector van Q4 en via C23 toegevoerd aan de basis van de eindversterker, Q5. Na enige vermogensversterking wordt het signaal via een uitgangstrafo afgenomen van de collector van Q5 en toegevoerd aan de luidspreker.

5. Zenders

Jacks audio uitleg les 5

 5.1 Blokschema’s

FM-zender

5.2  Werking en functies van de volgende schakelingen (alleen als onderdeel van het blokschema)

5.2  Zendereigenschappen

Frequentiestabiliteit

·         Korte duur stabiliteit.

Korte duur stabiliteit heeft betrekking op de mate waarin de zender tijdens uitzendingen in frequentie verloopt. Het opwarmen van de apparatuur speelt hierbij een grote rol. Dit is vooral van belang bij EZB- en CW-uitzendingen. Een variatie van 100 Hz betekent dat de toonhoogte met 100 Hz verandert.

Bij AM en FM is dit beduidend minder problematisch.

·         Lange duur stabiliteit.

Hierbij gaat het over het frequentieverloop over langere tijd (maanden, jaren). Dit verloop wordt bepaald door de veroudering van componenten.

Hf-bandbreedte

CW  250 Hz tot 500 Hz

EZB   3 kHz

AM   6 kHz

FM   12kHz

Zijbanden

CW  Slechts een toon dus ook maar een frequentie

EZB  Slechts een zijband USB of LSB ongeveer 3 kHz breed

AM  Twee zijbanden USB, draaggolf en LSB totale bandbreedte ongeveer 6 kHz

FM   Zijbanden die theoretisch doorlopen tot in het oneindige, maar praktisch al snel niet meer waarneembaar zijn (binnen 12 kGz)

6. Antennes en transmissielijnen

Jacks audio uitleg les 6

6.1  Antennetypen (alleen opbouw, richteigenschappen en polarisatie)

Halvegolfantenne met voeding in het midden (dipool)

Opbouw

Zoals de naam al zegt is deze antenne ½ λ lang en wordt deze in het midden gevoed. In de praktijk is de lengte 3 tot 5 procent korter dan ½ λ. De stroom- en spanningsverdeling is als aangegeven in onderstaande figuur.

Stroomverdeling

Aan de uiteinden is de stroom nul (de stroom kan aan de uiteinden nergens heen) en in het midden maximaal.

Spanningsverdeling

Aan de uiteinden is de spanning maximaal en in het midden minimaal. De impedantie loopt van een minimale waarde in het midden naar een oneindig hoge waarde aan de uiteinden. De impedantie is te bepalen door op een bepaald punt, volgens de wet van Ohm, de spanning door de stroom te delen.

Richteigenschappen

In het horizontale vlak is het stralingsdiagram van een horizontaal opgehangen dipool “achtvormig” In het verticale vlak “cirkelvormig”. Als we de dipool verticaal opstellen hebben we een rondstraler. Loodrecht op de dipool wordt de meeste energie uitgezonden, evenwijdig aan de dipool is dit nul.

Polarisatie

De richting van het elektrisch veld is tevens de polarisatie richting.

De richting van het elektrisch veld is evenwijdig aan de dipool, dus de polarisatie richting is ook evenwijdig aan de dipool. Als de dipool horizontaal geplaatst is de antenne horizontaal gepolariseerd, staat de dipool verticaal dan is de antenne verticaal gepolariseerd..

Antenne met voeding aan het einde 

Richteigenschappen

In het horizontale vlak is het stralingsdiagram van een horizontaal opgehangen dipool achtvormig.

In het verticale vlak cirkelvormig.

Loodrecht op de dipool wordt de meeste energie uitgezonden, evenwijdig aan de dipool is dit nul.

Polarisatie

De richting van het elektrisch veld is tevens de polarisatie richting.

De richting van het elektrisch veld is evenwijdig aan de dipool, dus de polarisatie richting is ook evenwijdig aan de dipool.

Als de dipool horizontaal geplaatst is de antenne horizontaal gepolariseerd.