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2SC32を使った自作 50MHz AMトランシーバー

 前の記事で約40年前に作った50MHzのSSBハンディトランシーバーを紹介しましたが、実はもう一台50MhzのAMのトランシーバーを保存しています。こちらはもっと古くて約50年前に製作した物です。ちょうど良い機会なので、この中身も開けて、どういう回路になっているか調べてみました。

▼自作50MHzAMトランシーバー
自作50MHzAMトランシーバー
 送信周波数は内蔵している水晶の50.550と50.700の2波だけで、受信範囲は50MHzから51MHzです。受信と送信の周波数が一致しているものをトランシーバーと言うのなら、これは無線機と呼ぶべきかも知れません。

 作った頃の50MHzは空いていて、CQを出した後で、応答してくる局が無いかバンド中を探してたので、こういう仕様でもあまり問題はありませんでした。

 パネル左上は、50MHz用の長いロッドアンテナで、その右は音量調節。右の大きなツマミは受信周波数チューニング。Sメーターの下のスライドスイッチは、電源/ゼロイン/周波数切り替えの3つです。ゼロインは、送信のオシレーターだけ動かすことで、受信周波数を合わせるために使います。

▼内部
自作50MHzAMトランシーバー内部
 単二電池10本で動かすようになっています。ぎっちりと部品が詰まっていますが、時代を感じる部品が多いです。

▼内部を反対側から見た写真
内部
 内部には基板が4枚あり、送信RF、変調、受信クリコン、受信機に別れています。また、基板は上下2つの層に分けて取り付けられています。上の写真では、上段の送信RF基板と変調基板が見えています。

 送信のファイナルは2SC32の2パラで、出力は約0.3Wです。スタンバイリレーや変調トランスが無駄に大きいのは、小型の部品が手に入らなかったためだと思います。

 せっかくなので、送信基板を詳しく見てみます。

▼送信基板
送信基板
 線を切り離して基板を取り出しました。銅箔をエッチングして作った片面基板で、銅箔面に部品をはんだ付けしてあります。これ今風に言うとSMT実装ですが、まあ穴あけするのが面倒だったからこうしたのだと思います。

 回路としては水晶オシレーター兼ドライバーが2SC32、ファイナルが2SC32の2パラ。つまり全部2SC32で構成されています。確か友達が入手したジャンク基板に大量に入っていたのを、分けてもらった記憶があります。ちなみに2SC32はメサ型なので(当時としては)高周波特性が優れています。

 ダミーロードを接続して電源を供給するとちゃんと動きました。調整すると約0.3Wの出力が確認出来ました。ちなみに、この無線機の送信波形をオシロで見たのは今回が初めてです。

▼送信周波数
送信周波数
 50.700MHzの水晶なのですが、実際の送信周波数は50.687MHzでした。誤差が大きいのは、水晶の経時変化か発振回路の作り方がダメなのでしょう。そもそもオシレーターの出力で、直接ファイナルをドライブする構成は乱暴すぎます。あと、ファイナルに2SC32を二つ使うなら、パラレルでは無くプッシュプルにすべきでした。

 次に、送信基板の横の変調器の基板を見てみます。

▼変調基板
変調基板
 こちらはユニバーサル基板で組まれていて、一般的な4石パワーアンプになっています。基板上のトランスは終段の入力トランスで、終段はプッシュプルになっています。終段に使われていたのはゲルマニウムトランジスタの2SB32で、期せずしてRF段に使った2SC32と同じ番号になっています。前段もゲルマニウムトランジスタでした。なお、変調器の出力トランスは基板に載らないので外付けになっています。

 こういう細長い円筒ケースに入っているトランジスタは、アロイトランジスタが多かったと思います。ちなみにケースを開封すると、スライスされた半導体の結晶の両側にコレクタとエミッタの電極が接続された物が入ってます。これって、アロイトランジスタの原理図のままの形なので、妙に感心した記憶があります。あと、開封すると放熱用のシリコンオイル?が出てきて周囲が少し汚れます。

 以上が送信部でした。次に下段の受信部を見て行きます。

▼受信部
下段の基板、クリコンとAMラジオ
 変調器の基板をずらすと、透明な絶縁板の下に受信機の基板が見えてきます。これは市販のAMラジオの基板を流用した物で、確か6石スーパーだったと思います。右側のポリバリコンでチューニングする仕掛けになっています。

▼クリスタルコンバーター(クリコン)
クリコン
 50MHzをAMラジオで受信出来る周波数に変換する基板で、50~51MHzの信号を0.5から1.5MHzのAM放送の周波数に変換しています。かっこよく言うとコリンズタイプのダブルスーパーです。

 ただ、第一IFの周波数が約1MHzということで、こんなに低い周波数に一度に変換するとイメージが強く出てしまいます。イメージは48~49MHzに出ますが、どうせ何も電波が出ていないだろうからと、割り切ってます。と書くとかっこいいですが、実は自分の技術力と懐具合で妥協したのがこの結果だと思います。

 クリコンにはトランジスタが3個使われています(上の写真の緑色矢印部)。そのうちオレンジ色のトランジスタがRF増幅と周波数変換用の2SC460で、右下の黒色のTO-92パッケージのトランジスタ(型名不明)が49.5MHzのローカルオシレーター(第一OSC)です。

▼オレンジ色パッケージ、金メッキリードの2SC460
クリスタルコンバーターの2SC460
 ここまで分解した理由の一つは、ここにどんなトランジスタを使ったのか確認したかったからです。一段目のRFアンプでその受信機の性能はほぼ決まるので、ここは重要部分です。で、見てみると2SC460が使われていました。

 ネットで調べると2SC460の評判はめちゃくちゃ悪くて、経時変化で特性が劣化することで有名な石でした。どうもリード線の銀メッキがマイグレートとしてシリコンンのダイまで達し、その結果hfeが下がって動作不良となるようです。但しそういう現象が起こるのは黒色樹脂パッケージの物で、初期のオレンジ色で金メッキリードの物ではそういう問題は起こらないとのことです。

 この基板に使われていた2SC460は、上の写真のようにオレンジ色樹脂パッケージで金メッキリードの物なので初期ロットということになります。つまり、特性劣化する恐れの高い物では無かったようです。今回調べるまで、2SC460にそんな黒歴史があったとは全く知りませんでした。

◆まとめ
 残念ながら電源を入れてもトランシーバーとしては動きませんでした。でも送信部だけでも実際に動くことが確認出来たので、良かったです。

 クリコンに使った2SC460に特性劣化と言う問題があることを、今回初めて知りました。昔のプレナートランジスタのパッシベーション膜の信頼度は低かったということなんでしょうね。あと、このトランシーバーに使った2SC460は初期型の石なので、そういう問題が無い物であったことを今回初めて知りました。オレンジ色の樹脂パッケージのトランジスタなんてそうそう無いですから、画期的なトランジスタとしてメーカーの力が入った製品だったのかも知れません。

 このトランシーバーの裏蓋の内側には、昭和45年9月完成と記されています。この頃がアマチュアにもシリコントランジスタが出回り始めたということなんでしょう。

 あと、16Tr、4ダイオード、2サーミスタという記載もあります。昔は使っているトランジスタの数で高性能を誇る習慣があったので、そういう習慣の反映なのでしょう。ちなみに腕時計は使っている宝石軸受けの数で、17石や23石なんて言ってましたが、そういうことの延長で、トランジスタが6石なんて言うようになったのかも知れません(あくまでも個人の感想です)。

▼おまけ
ハンドメイド50MHzトランシーバー、AM/SSB
 下は前の記事の50MHzSSBトランシーバーです。これ以外にもいろいろな物を作ったり買ったりしたのですが、今でも残っているのはこの2台だけです。きちっとケースに入れた物は長生きするようです。

2SC1306を使った自作50MHzSSBトランシーバー

 前の記事に、OLEDディスプレイのコントローラーの型番がSSD1306で、この番号を見ると2SC1306を思い出すという話を最後に書きました。そんなことで、うちの2SC1306の様子を見てみました。

▼2SC1306
2SC1306
 自作の50MHzSSBトランシーバーのファイナルとして使っています。放熱フィンが小さいので出力は1W程度に抑えています。

▼全体
自作した基板
 ユニバーサル基板で作ってあり、移動運用出来るように小さ目のケースに入ってます。これ、同調回路がいっぱいあってかなり複雑です。昔はものすごいパワーがあったんだなーと思いますが、今の自分にはこんな物は作れないです。

 この基板には50Mhzの送受信回路とローカルオシレーターが入っています。このオシレーターにはCB用のPLLを使っているのがちょっと自慢でした。なお、このPLLは10kHzステップの信号しか出ないので、VXOでその間を埋めるような仕掛けになっています。

 SSBの変調復調が一番難しいのですが、そこはミズホの完成基板ユニットを使っています。

▼裏側(ミズホのSSBジェネレーター)
ミズホ SSBジェネレーター
 裏側にはミズホのSSBジェネレーター(SG-9)が入っています。これが無ければ、とてもSSBトランシーバーなんて作らなかったと思います。
 ミズホの製品資料については、ミズホ通信・・過去の製品カタログ・説明書などの資料室 に集められていますが、そこの、
 9MHz SSBジェネレーター SG-9.pdfに詳細な資料が掲載されていました。このトランシーバーは、ファイナルを2SC1306に変更するなどの変更を加えていますが、ほとんどはミズホのオリジナル設計のままです。

▼外観
モームメイド50MHz SSBトランシーバー
 当時の市販品で、この内容をこのサイズに収めた物は無かったと思います。まあこちらは、箱の頑丈さや作り易さなどは無視できるので、公平な比較ではありません。 

 あと、途中で真っ白に塗装したのですが、腕が悪くてほとんど完全に剥げ落ちてます orz。

 2SC1306は50MHzで2Wクラスの送信機のファイナルの定番で、数字の末尾の2文字を取って、「まるろく」と呼んでいました。ちなみに2SC1307は「まるなな」で、これを使えば10Wの送信機が出来ました。

 良い機会なので当時の部品の仲間を紹介します。

▼12BY7Aと12AX7
12BY7Aと12AX7
 左の12BY7Aは真空管を使ったトランシーバーのファイナルのドライバー段に使われるので有名ですが、3W程度の50MHzの送信機のファイナルとしてもよく使われていました。私もこれで50MHzのAMの送信機を作って、メインのリグとして使っていました。

 これ、テレビ球なので安く手に入るので、貧乏学生にはありがたい真空管でした。ちなみに12BY7Aを仲間内では「わいなな」と呼んでました。

 また、右の球は12AX7ですが、これは「えっくすなな」と呼んでいたと思います。なお、検索してみると真空管アンプをやる方は12AX7を「ぺけなな」と呼ぶのだそうです。

 ちなみに、こんなことして遊んでます → 真空管(12AX7)Lチカをケースに入れた

◆まとめ
 このトランシーバーのケースの内側に製作時期がケガキ文字で記入されていて、完成したのは1980年の8月となっています。ほぼ40年前に作った物ですが、電源を入れると、チューニングがずれているのか、送信パワーはほとんど出ませんでしたが、それ以外はちゃんと動きました。これ、なんだか嬉しくなります。

圧力センサーMPS20N0040Dを使う、回路とソフトのテスト

 前の記事で圧力センサーの感度が判ったので、いよいよ回路とソフトを作って実際に圧力測定を行ってみます。今回の記事の結論を先に出すと、

▼炭酸ガス発生装置の圧力を測定
反応式CO2m圧力計テスト中
 圧力センサーを使って、CO2発生装置の反応槽(重曹タンク)の圧力を液晶画面に表示させるところまで行います。

▼回路図(クリックで別窓に拡大)
Arduinoを使った圧力計の回路図
 圧力センサーの出力を5倍の差動(差電圧)アンプで受け、更に12倍のアンプを通してArduinoに接続しています。

 1段目はオペアンプを3個使った計装アンプ構成にした方が良いのですが、作るのが面倒なので簡単な回路にしました。なお、差動アンプのゲインを欲張ると増幅率の精度が悪くなるので、ほどほどの倍率に留めています。また、オフセット調整のVR1には100Ωを使いたかったのですが手持ちが無かったので100Ω(R50)をパラにして誤魔化しています(副作用があります)。

 R6を可変抵抗にしてゲインを調整可能にしたくなります。でもそうすると、ゲインと同時にオフセットも変わってしまうので調整が面倒になります。そんなことで、ゲインは60倍の決め打ちで行くことにしました。なおゲインの最終調整はソフトで行うことにします。

 後段の12倍アンプと合わせ、全体の増幅率は60倍で、この倍率でセンサーのフルスケールである0.4気圧が、Arduinoのアナログポートのフルスケールの5Vにほぼ相当するようになります。なお、センサーのブリッジの供給電圧は電源電圧のままで安定化していませんが、Arduino側のADCのVrefも電源電圧のままで変化するので、電圧の変動の影響はキャンセルされるはずです。

 話が戻りますが、この回路のように整数の増幅率を持つアンプを作る時は、正確な抵抗比が必要な時に便利な、E24の数値の相対比率表を使うと便利です。まあこの記事の用途では、半端な増幅率になってもあまり困らないのですが、、

▼センサーとブレッドボード
圧力センサー MPS20N0040D
 半透明のチューブの先のDIPのICが圧力センサーです。

▼プログラム
/*  圧力センサー MPS20N0040D の動作テストプログラム
* 表示はmmAq 2018/11/11 ラジオペンチ http://radiopench.blog96.fc2.com/
*/

#include <LiquidCrystal.h> // LCDを使用

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // 液晶シールドを使用
float k1 = 931.1; // 1V当たりの圧力(mmAqの値)、要調整
float zeroPressV = 0.5; // 気圧ゼロの時の電圧

int mmAq; // mmAq単位の気圧(表現出来る範囲は±3.2kg/cm2)
char buff[10]; // 文字列操作バッファ sprintfで使用

void setup() {
pinMode(13, OUTPUT);
Serial.begin(115200);
lcd.begin(16, 2);
lcd.print("MPS20N0040D test"); // 1行目表示
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("P= mm"); // 2行目固定表示
}

void loop() {
mmAq = readPress();
lcd.setCursor(2, 1); // 2行目3文字目から、
sprintf(buff, "%4d", mmAq); // 右詰め4文字で (マイナスは-nnn)
lcd.print(buff); // 圧力を表示
Serial.print(buff);Serial.println("mmAq");
delay(500);
}

int readPress() { // 圧力を測定してmmAq単位の値で返す
float p; // 圧力計算結果
long d; // ADC結果バッファ
long sumd = 0; // ADC累積値
digitalWrite(13, HIGH);
for (int n = 0; n < 100; n++) { // 100回
d = analogRead(0); // A0の値を読む
Serial.println(d);
sumd = sumd + d; // 平均処理のために累積
}
digitalWrite(13, LOW);
// 圧力計算式
p = k1 * ((sumd * 5.0) / (100.0 * 1024.0) - zeroPressV ) + 0.5;
return (int)p; // 結果をintで返す
}
 0.5秒間隔で圧力を測定し、キャラクタ液晶に表示するプログラムです。なお表示の単位はmmAqです。
 電圧から圧力に変換する係数(8行目のk1)の値は、前の記事の感度測定結果から持ってきた値です。
 約5000mmAqのスパンを10ビットのADCで刻むと、ステップは5mmAqになりこれでは分解能が不足します。そこで多数回測定して平均値を求めることで1mmAq単位の値を出しています。

▼ブレッドボードと液晶
圧力計のテスト
 右は液晶シールドで、この下にArduino UNO があります。

◆調整方法
 まずはゼロ調整を行います。センサーに何も接続していない状態で、VR1を廻して表示がゼロになるように調整すれば調整は完了です。なお、ゼロ調整した状態では、アナログポートへの出力(U3のピン7)の電圧は0.5Vになっているはずです(9行目の値で電圧は変更可能)。つまり、気圧ゼロは0.5Vで、それより電圧が低ければ負圧ということになります。

 なお、気圧ゼロを0ボルトに設定する手もあります。でも今回のようにオペアンプを片電源で使うと、0ボルト付近の挙動が怪しいので、アナログ回路ではオフセットを付けておいた方が安心です。ちなみに、オフセットは後でソフトで差っ引けば良いし、そもそも0ボルトを基準にすると負の圧力が表現出来なくなります。

▼スパン確認
調整と動作確認
 測定範囲確認のためにシリンジで圧力を加えているところです。確認の結果は、測定範囲 -465 ~ 4181mmAq で、狙い通りでした。

 動作は大丈夫そうなことが確認出来たので、実際の水槽に接続したのが最初の写真です。

◆まとめ
 念のためにU字管を使ったマノメーターで圧力の測定精度を確認しましたが、圧力の値はほとんど一致していました。ということで、k1の値は事前調査の値のまま変更しないで済みました。センサーの感度測定やアンプの倍率設定がうまくいっていた、ということで良かったです。

 最初の写真のように、実際の水槽に接続してみると、タンク圧力とCO2の泡の発生状態との関係が良く判って面白いです。現在の水槽の状態では、タンク圧力は750mmAq程度で、水深による圧力変化はもちろんありますが、圧力のほとんどはストーンの圧損によるものでした。

 ということで、圧力センサーを使ってArduinoで圧力を測定することが出来るようになりました。これをベースにすれば、いろいろな応用方法があると思います。世の中にはもっと高級な圧力センサーがありますが、基本はこの回路のようなブリッジアンプになっていることが多いはずです。ブリッジアンプを一度自分で作ってみるのは、良い経験になると思います。

 次回の記事では、これを化学反応式のCO2発生装置に組み込む予定です。
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電子工作を中心としたブログです。たまに近所(東京都稲城市)の話題など。60過ぎて視力や器用さの衰えを感じつつ日々挑戦!
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