Experimenten met een detector unit

Terug naar de index

Introductie

Op deze pagina zijn metingen beschreven aan mijn detector unit 1 .
In deze detector unit is als diode gebruikt de HSMS-282K (2 diodes parallel), en de belastingsweerstand door transformator unit 1 bedraagt 1,6 MΩ.
Bij de keuze van van diode en belastingsweerstand was er van uitgegaan dat de gevoeligheid maximaal zou zijn als de belastingsweerstand en de weerstand van de diode ongeveer gelijk zouden zijn aan de impedantie van de onbelaste LC kring (deze aanname is echter niet juist).
Via een aantal experimenten wil ik nu bepalen of de gevoeligheid en selectiviteit verbeterd kunnen worden door gebruik van een andere detector diode en/of een andere belastingsweerstand.
Ook wordt de frequentieverandering van de detectorkring gemeten als functie van de spanning over de kring.

Meetopstelling gebruikt bij alle metingen op deze pagina.

De oscilloscoop meet via de meetversterker de spanning over de LC kring.
De voltmeter meet de gedetecteerde gelijkspanning.
De belastingsweerstand wordt gevormd door weerstand R parallel aan de voltmeter met 10 MΩ ingangsweerstand.
Condensator C heeft de waarde: 100 nF
Het hoogfrequent signaal wordt geleverd door een DDS signaalgenerator, het signaal wordt via een koppelspoel aan de LC kring gekoppeld.

Alle metingen zijn gedaan bij een frequentie van ongeveer 1500 kHz.
Bij 1500 kHz is de impedantie van de onbelaste LC kring: 1,97 MΩ.
Er zijn 4 (combinaties van) diodes getest:
    HSMS-282K Schottky diode ( 2 diodes in één behuizing parallel)
    HSMS-282K Schottky diode ( 1 diode)
    5082-2835 Schottky diode ( 2 diodes parallel)
    5082-2835 Schottky diode ( 1 diode)
 

Gedetecteerde spanning bij een constante ingangsspanning.

In deze meting wordt de gedetecteerde gelijkspanning gemeten, dus de spanning aan de uitgang van de diode.
Deze diode wordt in alle gevallen belast met een belastingsweerstand van 1,52 MΩ, dit is een combinatie van een 1,8 MΩ weerstand parallel aan een voltmeter van 10 MΩ.
De waarde van 1,52 MΩ is echter iets lager dan de impedantie van transformator unit 1.
De ingangsspanning (hoogfrequent signaal over de LC kring) is constant (20 mV, 50 mV, 100 mV enz.) bij het meten van de verschillende diodes.

Spanning over
LC kring		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS-282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
20 mV 0,4 0,2 0,4 0,2
50 mV 2,2 1,2 2,6 0,9
100 mV 8,4 5,5 9,5 4,3
200 mV 29,1 23,5 32,3 19,2
500 mV 130 121 137 112
1 V 330 319 340 314
2 V 780 772 813 728
5 V 2170 2180 2210 2170
Tabel 1

Gedetecteerde spanning (mV dc) als functie van spanning over LC kring (top-top waarde over de LC kring).

Onder de 200 mVtt ingangspanning werken deze diodes in het kwadratische detectie gebied.
Bij een verdubbeling van de ingangspanning neemt de uitgangspanning ongeveer 4x toe.

Boven de 2V ingangspanning komen we meer in het lineaire detectie gebied

Bij het gebruik van 2 diodes 5082-2835 parallel wordt de hoogste gelijkspanning gemeten.
De (enkele) diode 5082-2835 geeft de minste uitgangsspanning.
Hieruit zou men kunnen concluderen dat het gebruik van 2 diodes 5082-2835 parallel de gevoeligste ontvanger geeft.
En het gebruik van één enkele 5082-2835 de minst gevoelige ontvanger.
Deze conclusie is echter niet correct zoals we later in dit artikel zullen zien.

Q factor bij een constante ingangsspanning.

In deze meting is de Q factor gemeten van de (door de diode en belastingsweerstand) belaste kring.
Deze diode wordt in alle gevallen belast met een belastingsweerstand van 1,52 MΩ.
De ingangsspanning is constant (50 mV, 100 mV, enz.) voor de verschillende diodes

Spanning over
LC kring		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS-282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
20 mV * * * *
50 mV 442 600 395 601
100 mV 429 536 376 578
200 mV 385 469 358 518
500 mV 306 333 289 341
1 V 273 300 259 284
2 V 264 283 247 278
5 V 247 250 236 251
Tabel 2

Q factor als functie van de spanning over de LC kring
De diode is belast met 1,52 MΩ.


* Bij 20 mV ingangsspanning is geen meting gedaan, de spanning is dan te laag voor een nauwkeurige meting van de Q factor.

Het gebruik van 2 diodes 5082-2835 geeft de laagste Q factor in deze meting.
Een lage Q factor betekend dat de LC kring (relatief) zwaar belast wordt door de diode.
Een lage Q betekend ook een slechtere selectiviteit van de ontvanger.

Frequentie verandering van de LC kring als functie van de ingangsspanning.

Elke diode heeft een bepaalde capaciteit (condensator waarde in pF).
Deze capaciteit is afhankelijk van de sperspanning over de diode, hoe hoger de sperspanning hoe lager de capaciteit.
Bij nul volt is de capaciteit het hoogst.
Een diode aangesloten aan een LC kring zal het hoogfrequent signaal gelijkrichten, de gelijkgerichte spanning vormt een sperspanning over de diode.
Hoe hoger de spanning over de LC kring, hoe hoger de sperspanning over de diode, hoe lager de diode capaciteit, en hoe hoger de resonantie frequentie.
 

Spanning over
LC kring		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
20 mV 0,0 0,0 0,0 0,0
50 mV 0,0 0,0 + 0,2 + 0,1
100 mV 0,0 0,0 + 0,3 + 0,2
200 mV + 0,1 0,0 + 0,5 + 0,3
500 mV + 0,9 0,6 + 1,5 + 1,0
1 V + 2,4 1,0 + 3,1 + 1,4
2 V + 4,2 2,0 + 4,8 + 2,5
5 V + 6,2 2,8 + 6,8 + 2,9
Tabel 3.

Deze tabel geeft de gemeten frequentie verschuiving (in kHz) van de LC kring, als functie van spanning (top-top waarde) over de LC kring.
De resonantie frequentie van de kring is 1500 kHz.
De belastingsweerstand is bij deze meting 1,52 MΩ,

 

Gedetecteerde spanning en vermogen bij een constant magnetisch veld (groot signaal).

In de voorgaande metingen was de spanning over de LC kring constant bij het omschakelen van de ene naar de andere diode.
Dit komt echter niet overeen met de situatie in de praktijk.
Bij een echte kristalontvanger zal de spanning over de LC kring afhankelijk zijn van zowel de gebruikte diode als de belastingsweerstand.
Als de LC kring van een ontvanger zwaarder belast wordt door diode of belastingsweerstand zal de spanning over de kring afnemen, ook zal de Q factor afnemen.
 

In de volgende meting (tabel 4) is de LC kring in een constant magnetisch veld geplaatst.
We krijgen zo'n constant magnetisch veld door de koppelspoel van de signaalgenerator op een vaste afstand van de LC kring te plaatsen, en de amplitude van de signaalgenerator constant te houden.
Het constante veld simuleert een ontvangen zendersignaal van constante sterkte.
De belastingsweerstand wordt gevarieerd tussen 0,91 en 10 MΩ.
De spanning over de LC kring is nu afhankelijk van zowel belastingsweerstand als gebruikte diode, maar het niveau van enkele volts over de kring komt overeen met ontvangst van een redelijk sterk lokaal station.

Tabel 4
Spanning over de LC kring (AC) en gedetecteerde spanning (DC) als functie van belastingsweerstand en gebruikte diode.

Belastings-
weerstand		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS-282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
0,91 MΩ DC= 0,546 V  AC= 1,48 V DC= 0,561 V  AC= 1,58 V DC= 0,562 V  AC= 1,54 V DC= 0,564 V  AC= 1,55 V
1,07 MΩ DC= 0,625 V  AC= 1,65 V DC= 0,644 V  AC= 1,72 V DC= 0,643 V  AC= 1,70 V DC= 0,647 V  AC= 1,70 V
1,30 MΩ DC= 0,721 V  AC= 1,87 V DC= 0,745 V  AC= 1,95 V DC= 0,742 V  AC= 1,90 V DC= 0,747 V  AC= 1,94 V
1,52 MΩ DC= 0,790 V  AC= 2,00 V DC= 0,819 V  AC= 2,19 V DC= 0,815 V  AC= 2,07 V DC= 0,821 V  AC= 2,08 V
1,80 MΩ DC= 0,867 V  AC= 2,18 V DC= 0,900 V  AC= 2,27 V DC= 0,981 V  AC= 2,20 V DC= 0,900 V  AC= 2,26 V
2,13 MΩ DC= 0,966 V  AC= 2,38 V DC= 1,003 V  AC= 2,48 V DC= 0,992 V  AC= 2,40 V DC= 1,005 V  AC= 2,49 V
2,48 MΩ DC= 1,055 V  AC= 2,58 V DC= 1,094 V  AC= 2,66 V DC= 1,079 V  AC= 2,60 V DC= 1,097 V  AC= 2,68 V
3,19 MΩ DC= 1,191 V  AC= 2,85 V DC= 1,243 V  AC= 2,96 V DC= 1,222 V  AC= 2,90 V DC= 1,243 V  AC= 2,97 V
3,97 MΩ DC= 1,318 V  AC= 3,10 V DC= 1,376 V  AC= 3,21 V DC= 1,350 V  AC= 3,17 V DC= 1,370 V  AC= 3,21 V
4,38 MΩ DC= 1,362 V  AC= 3,19 V DC= 1,428 V  AC= 3,33 V DC= 1,395 V  AC= 3,26 V DC= 1,424 V  AC= 3,34 V
5,00 MΩ DC= 1,424 V  AC= 3,30 V DC= 1,498 V  AC= 3,49 V DC= 1,467 V  AC= 3,40 V DC= 1,495 V  AC= 3,49 V
6,67 MΩ DC= 1,566 V  AC= 3,60 V DC= 1,657 V  AC= 3,80 V DC= 1,614 V  AC= 3,70 V DC= 1,657 V  AC= 3,80 V
10,0 MΩ DC= 1,743 V  AC= 3,98 V DC= 1,852 V  AC= 4,20 V DC= 1,775 V  AC= 4,10 V DC= 1,843 V  AC= 4,20 V

De aangegeven spanning over de kring (AC) is de top-top waarde.
Deze spanning over de kring is evenredig met de belaste Q waarde van de LC kring.
Dus hoe hoger de AC spanning, hoe hoger de Q,  en hoe selectiever de ontvanger.

We zien dat de spanning over de kring en de gedetecteerde spanning niet erg afhankelijk zijn van de gebruikte diode, bij alle diodes zijn de uitkomsten ongeveer hetzelfde.
Maar de AC spanning is wel erg afhankelijk van de belastingsweerstand (bij gelijkblijvende diode).
Dit is een typisch verschijnsel bij hoge signaal niveaus, waar de diode werkt in het  lineaire detectie gebied.


In de volgende tabel zijn de gedetecteerde spanningen uit tabel 4 omgerekend naar vermogen in de belastingsweerstand.

Tabel 5
Vermogen in de belastingsweerstand (in nW = nano-Watt) als functie van belastingsweerstand en gebruikte diode.

Belastings-
weerstand		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS-282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
0,91 MΩ 328 346 347 349
1,07 MΩ 365 388 386 391
1,30 MΩ 400 427 424 429
1,52 MΩ 411 441 437 443
1,80 MΩ 418 450 441 450
2,13 MΩ 438 472 462 474
2,48 MΩ 448 483 469 485
3,19 MΩ 445 484 468 484
3,97 MΩ 438 477 459 473
4,38 MΩ 423 466 444 463
5,00 MΩ 406 449 430 447
6,67 MΩ 368 412 391 412
10,0 MΩ 304 343 315 340



Grafiek 1
Vermogen in de belastingsweerstand (in nW) als functie van belastingsweerstand en gebruikte diode.
De uitkomsten uit tabel 5 zijn weergegeven in deze grafiek.

Conclusie:

Het grootste gedetecteerde vermogen treedt op bij een belastingsweerstand van ongeveer 2,5 tot 3 MΩ.
Als diode geven een enkele HSMS-282K en een enkele 5082-2835 de beste resultaten.
Het parallel schakelen van 2 diodes geeft iets minder uitgangsvermogen, maar de verschillen onderling zijn vrij klein.
Nogmaals: dit is de situatie bij ontvangst van een sterk signaal
 

 

Gedetecteerde spanning en vermogen bij een constant magnetisch veld (klein signaal).

De zelfde meting uit tabel 4 is nogmaals gedaan, maar nu met een veel kleiner signaalniveau, dus met een lagere amplitude van de signaalgenerator.
Dit signaalniveau komt overeen met de ontvangst van een zeer zwak station.


Tabel 6
Spanning over de LC kring (AC) en gedetecteerde spanning (DC) als functie van belastingsweerstand en gebruikte diode.

Belastings-
weerstand		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS-282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
0,91 MΩ DC= 6,2 mV  AC= 98 mV DC= 6,5 mV  AC= 119 mV DC= 7,2 mV  AC= 111 mV DC= 6,6 mV  AC= 138 mV
1,07 MΩ DC= 7,1 mV  AC= 99 mV DC= 7,5 mV  AC= 120 mV DC= 8,2 mV  AC= 112 mV DC= 7,8 mV  AC= 139 mV
1,30 MΩ DC= 8,1 mV  AC= 99 mV DC= 8,8 mV  AC= 121 mV DC= 9,4 mV  AC= 113 mV DC= 8,9 mV  AC= 140 mV
1,52 MΩ DC= 9,0 mV  AC= 100 mV DC= 9,7 mV  AC= 122 mV DC= 10,3 mV  AC= 115 mV DC= 9,9 mV  AC= 141 mV
1,80 MΩ DC= 9,8 mV  AC= 102 mV DC= 10,9 mV  AC= 124 mV DC= 11,3 mV  AC= 116 mV DC= 11,0 mV  AC= 142 mV
2,13 MΩ DC= 10,9 mV  AC= 104 mV DC= 12,3 mV  AC= 126 mV DC= 12,6 mV  AC= 117 mV DC= 12,3 mV  AC= 143 mV
2,48 MΩ DC= 11,9 mV  AC= 105 mV DC= 13,5 mV  AC= 128 mV DC= 13,8 mV  AC= 118 mV DC= 13,7 mV  AC= 144 mV
3,19 MΩ DC= 13,4 mV  AC= 106 mV DC= 15,6 mV  AC= 130 mV DC= 15,6 mV  AC= 120 mV DC= 15,8 mV  AC= 146 mV
3,97 MΩ DC= 14,8 mV  AC= 108 mV DC= 17,5 mV  AC= 132 mV DC= 17,4 mV  AC= 122 mV DC= 17,9 mV  AC= 147 mV
4,38 MΩ DC= 15,3 mV  AC= 109 mV DC= 18,2 mV  AC= 134 mV DC= 17,9 mV  AC= 124 mV DC= 18,8 mV  AC= 148 mV
5,00 MΩ DC= 16,0 mV  AC= 109 mV DC= 19,3 mV  AC= 136 mV DC= 18,9 mV  AC= 126 mV DC= 20,1 mV  AC= 150 mV
6,67 MΩ DC= 17,7 mV  AC= 110 mV DC= 21,9 mV  AC= 138 mV DC= 21,2 mV  AC= 128 mV DC= 22,9 mV  AC= 152 mV
10,0 MΩ DC= 19,8 mV  AC= 110 mV DC= 25,3 mV  AC= 140 mV DC= 24,0 mV  AC= 130 mV DC= 27,2 mV  AC= 156 mV

We zien dat de  spanning over de kring en de gedetecteerde spanning nogal afhankelijk zijn van de gebruikte diode.
Maar de AC spanning als functie van de belastingsweerstand (bij gelijkblijvende diode) is juist relatief constant.
Met andere woorden, de Q factor (welke evenredig is met de AC spanning)  is nu vooral afhankelijk van de gebruikte diode en niet zozeer van de belastingsweerstand.
Dit is een typisch verschijnsel bij lage signaal niveaus, waar de diode werkt in het  kwadratische detectie gebied.
 

Ook nu zijn de gedetecteerde spanningen weer omgerekend naar vermogen in de belastingsweerstand.

Tabel 7
Vermogen in de belastingsweerstand (in pW = pico-Watt) als functie van belastingsweerstand en gebruikte diode.

Belastings-
weerstand		 HSMS-282K
2 diodes parallel		 HSMS-282K
1 diode		 5082-2835
2 diodes parallel		 5082-2835
1 diode
0,91 MΩ 42,2 46,4 56,9 47,9
1,07 MΩ 47,1 52,6 62,8 56,9
1,30 MΩ 50,5 59,6 68,0 60,9
1,52 MΩ 53,3 61,9 69,8 64,5
1,80 MΩ 53,4 66,0 70,9 67,2
2,13 MΩ 55,8 71,0 74,5 71,0
2,48 MΩ 57,1 73,4 76,8 75,7
3,19 MΩ 56,3 76,3 76,3 78,3
3,97 MΩ 55,5 77,1 76,3 80,7
4,38 MΩ 53,4 75,6 73,2 80,7
5,00 MΩ 51,2 74,5 71,4 80,8
6,67 MΩ 47,0 71,9 67,4 78,6
10,0 MΩ 39,2 64,0 57,6 74,0

 

Grafiek 2
Vermogen in de belastingsweerstand (in pW) als functie van belastingsweerstand en gebruikte diode.
De uitkomsten uit tabel 7 zijn weergegeven in deze grafiek.

 

Conclusies:

Van de geteste diodes geeft de 5082-2835 ( één diode) het meeste uitgangsvermogen bij lage signaalniveaus.
Het maximum vermogen geeft deze diode bij een belastingsweerstand van ongeveer 5 MΩ.
De andere diodes geven minder uitgangsvermogen, en hebben hun piekvermogen bij een lagere belastingsweerstand.

Verbeteringen aan detector unit 1

De maximale gevoeligheid van detector unit 1 treedt niet op als alle impedanties (van LC kring, diode en belastingsweerstand) gelijk zijn aan elkaar.

De gevoeligheid en selectiviteit van de detector unit kunnen verbeterd worden door als diode geen dubbele HSMS-282K te gebruiken, maar een enkele 5082-2835.
En daarbij de belastingsweerstand te verhogen van 1,6 MΩ naar ongeveer 5 MΩ.
In dat geval gaat het uitgangsvermogen bij lage signaalniveaus omhoog met een factor  1,52   (80,8 pW / 53,3 pW  zie tabel 7) of + 1,81 dB.
Bij hoge signaalniveaus gaat het uitgangsvermogen omhoog met een factor 1,09 (447 nW / 411 nW  zie tabel 5) of + 0,36 dB.
De Q factor (selectiviteit) bij lage signaalniveaus gaat omhoog  met een factor 1,50 (150 mVac / 100 mVac  zie tabel 6).
De Q factor bij hoge signaalniveaus gaat omhoog met een factor 1,745  (3,49 Vac / 2,00 Vac  zie tabel 4).

Terug naar de index