Yaesu FT-4X Powermic

Abstract

Erhöht den Hub des FT-4X von Yaesu, welches von Haus aus eher schwach moduliert.

Mai 2020

v0

Nachdem das erste Schema gezeichnet und alle Werte berechnet wurden, konnte mit einem Aufbau auf dem Steckbrett ein erfolgreiches QSO geführt werden.

Während diesem QSO wurden die optimalen Widerstandswerte für die Verstärkung ermittelt. Dies erfolgte experimentell, weil im Netz noch zu wenig "Eigenbau-Informationen" über dieses Gerät zu finden sind.
Am nächsten Tag wurde ein ordentliches Schema gezeichnet, ein geeignetes Gehäuse gesucht, die Schaltung auf eine Laborkarte gelötet und das ganze zusammengebaut.

Die Schaltung

Der DC Anteil des Signals vom Elektretmikrofon wird mit C1 abgekoppelt. Da die Schaltung asymmetrisch gespiesen ist, wird dem Signal dann aber gleich wieder ein Offset gegeben. Dieser liegt optimaler Weise bei der halben Betriebsspannung \(U_B\).
Das vorbereitete Signal wird nun über einen Spannungsfolger gebuffert. Nach einem Tiefpass geht es weiter zum Verstärker. Dessen Bezugspunkt muss natürlich auch auf \(U_B/2\) sein, ansonsten würde der DC Offset mit verstärkt und der OP würde gegen \(U_B\) in den Anschlag kommen. Durch die Toleranzen von R2, R3, R8 und R9 ergibt sich eine Offsetdifferenzspannung, welche mit verstärkt wird. In diesem Projekt ist die Verstärkung \(V_U\) genügend klein, so dass selbst mit 10% Widerständen keine Probleme entstehen dürften (zumindest in meinem Fall, ich arbeite mit einem \(V_U\) von etwas mehr als 2). Wenn mit grösseren \(V_U\) gearbeitet wird, sollte diese Thematik genauer betrachtet werden (siehe  v1 oder Projekt Distortionbox).
Der Strom durch den Spannungsteiler R8, R9 sollte wesentlich grösser sein, als der Strom, der durch R7 dazukommt. Ansonsten wird der Verstärkungsfaktor zu stark vom Spannungsteiler beeinflusst.
Das aufbereitete Signal wird nun über C3 ins Funkgerät eingespiesen. Mit etwas Googeln findet man heraus, dass der "PTT-Widerstand" 2kΩ betragen muss. Der PTT-Taster verbindet die Mikrofonmasse des Funkgeräts, die Masse der Schaltung und den Minuspol der Batterie. Die rote LED D1 zeigt den TX Betrieb an. Der Mikrofonstecker X1 für das FT-4X ist eine 2.5mm Klinke.

Dimensionierung

Da das verwendete Mikrofon aus der Bastelkiste stammt, sind keine Daten bekannt, und der Arbeitswiderstand R1 musste experimentell ermittelt werden. Dazu muss das Mikrofon mit dem Widerstand an 9V gelegt, und mit dem KO das Ausgangssignal gemessen werden. Nun mit einem Poti oder durch Austauschen den Wert finden, mit dem die grösste Ausgangsspannung erreicht wird.

Der Koppelkondensator C1 bildet zusammen mit R2 und R3 einen Hochpass. Achtung: Die beiden Widerstände liegen für AC parallel. Somit ergibt sich die folgende Grenzfrequenz:\[f_g = \frac{1}{2\pi*C_1*R_2//R_3} = \frac{1}{2\pi*100nF*23.5k\Omega}\approx68Hz\]

Nach dem Impedanzwandler bilden R4 und C2 einen Tiefpass mit folgender Grenzfrequenz:\[f_g = \frac{1}{2\pi*C_2*R_4} = \frac{1}{2\pi*2.2nF*5.1k\Omega}\approx14kHz\]

Die Verstärkung wurde oben bereits behandelt. Zu erwähnen sei noch, dass mit dem Trimmer R5 der Bereich eingestellt werden kann, in dem der Micgain Regler R7 arbeitet. Der Vollständigkeit halber noch die Formel für den Verstärkungsfaktor des nicht invertierenden Verstärkers:\[V_U \approx \frac{R_5+R_6}{R_7}+1\]

Da der PTT-Widerstand R10 von 2kΩ gegeben ist, muss ein passender Wert für C3 berechnet werden, so dass der Hochpass nicht die tiefen Frequenzen abschneidet. Mit 1µF hat man einen geeigneten Wert:\[f_g = \frac{1}{2\pi*C_3*R_{10}//R_{Aint}} = \frac{1}{2\pi*1\mu F*2k\Omega//3.3k\Omega}\approx128Hz\] Ich gehe davon aus, dass das originale externe Mik nur aus einer Elektretkapsel, einem PTT-Taster und einem 2kΩ Widerstand besteht. Auf Grund dieser Annahme und meinen Messungen (ich habe das Gerät nicht geöffnet) habe ich folgenden Schluss gezogen: Der interne Arbeitswiderstand \(R_{Aint}\) hat 3.3kΩ und liegt an 3.3V.
Das ergibt einen DC Offset von ca. 1.25V. Somit könnte man einen polarisierten Kondensator mit dem positiven Pol zum OP einbauen. Ich entschied aber, einen unpolarisierten Kondensator zu verwenden. So grosse unpolarisierte Kondensatoren liegen aber nicht unbedingt in jeder Bastelkiste. Man könnte zwei anti-seriell geschaltete 2.2µF Elkos oder geeignete parallel geschaltete Keramikkondensatoren verwenden.

Messungen

Signalpegel

Nachdem ich mit verschiedenen QSO Partnern meine Potieinstellung vernünftig festlegen konnte, wurden die Messungen direkt am Klinkenstecker (ausgesteckt, ohne Funkgerät) durchgeführt. Diese Werte sollen als Richtwerte dienen.

Column 1 Column 2
eher leises bis normales Sprechen 100mVpp
eher lautes Sprechen 180mVpp
DC Offset am Ausgang

Bezugspunkt ist bei diesen Messungen immer die Masse des Klinkensteckers, was bei gedrücktem PTT-Taster gleich der Masse der Schaltung ist. Wenn nicht anders vermerkt, ist PTT geschlossen, also gedrückt.

Column 1 Column 2
Ausgang IC1b 4.3V
Klinke Signal-Pin
(PTT offen)
3.3V
Klinke Signal-Pin 1.25V

v1

Da bei dieser Version mit höheren Verstärkungen gearbeitet wird, wäre die Offsetdifferenzspannung (siehe v0) ein Problem geworden. Deshalb wurde die künstliche Mitte mit einem Impedanzwandler gebuffert. Die grössere Verstärkung ist notwendig, weil die verwendete neue Kapsel viel weniger Signal bringt.

Verwendete Bauteile

Column 1 Column 2
MIC1 PVM-6052-5382
Distrelec 130-10-634
IC1 MCP6002T
R3, R4 80kΩ - 150kΩ

Auf die TX-LED wurde bei beiden Varianten verzichtet, im Schema sind sie nur als Reserve Footprint. Bei der Batterie betriebenen Variante würde nur die Batterie schneller leer sein, aber die andere Variante könnte Schwierigkeiten bekommen, genügend Strom zur Verfügung zu stellen.

Variante 3V

Die Schaltung wird mit einer Knopfzelle versorgt, und funktioniert selbst bei sehr tiefen Spannungen immer noch gut.

Column 1 Column 2
R1 22kΩ
R6 68kΩ
R9 10kΩ
R5 5.6kΩ
R8 2kΩ

An X1 wird die Spannungsversorgung und an X2 das Signalkabel angelötet. Der PTT-Taster wird in gleicher Weise wie bei v0 verdrahtet.

Variante Phantomspeisung

Hier wirken die Widerstände in der Speiseleitung bereits als Arbeitswiderstand für die Mikrofon-Kapsel.

Damit der Schaltung eine möglichst hohe Betriebsspannung zur Verfügung steht, sollte R8 möglichst gross sein. Dieser Wert wurde experimentell ermittelt, und kann u.U. bei einem anderen Gerät anders sein.

Um die Versorgungsspannung aus der Signalleitung zu erhalten, wurde ein Widerstand (Rph) von X2.1 zu X1.1, und in X1 ein Kondensator (Cph) eingefügt.

Column 1 Column 2
R1 1.8kΩ
R6 100kΩ
R9 10kΩ
R5 5.6kΩ
R8 13kΩ
(≤15kΩ)
Rph 1kΩ
Cph 100µF

R9 wurde auf ca. 450Ω eingestellt.

Rph liegt für AC parallel zu R8 und \(R_{Aint}\), was die Grenzfrequenz des Hochpasses auf ca. 220Hz erhöht, was noch in Ordnung ist. Falls nicht, kann die Kapazität am Ausgang erhöht werden,

v2

Um die Schaltung auch im originalen Lautsprecher-Mikrofon SSM-17B verwenden zu können, wurde erneut ein PCB entwickelt. Wenn die Masse an X3 statt an X2 gelötet wird, kann das Mik im VOX Betrieb verwendet werden (bei Yaesu abgekuckt).

Bis zu diesem Zeitpunkt wurde die Schaltung immer beim Betrieb mit einem Dipol auf dem Balkon verwendet. Wenn nun aber eine Antenne direkt am FT-4X angeschlossen ist, wird durch das Nahfeld eine RF-Störung eingekoppelt. Das hochfrequente Signal wird nun ebenfalls vom OP aufgenommen, und seine Verstärkung sinkt, und kann sogar negativ werden (GBWP). Um dem entgegen zu wirken, wurden an geeigneten Stellen Kondensatoren (im Schema mit brauner Farbe ergänzt) von 220pF angebracht, um das HF Signal in der Schaltung zu entfernen.

Nach einer Weile im Gebrauch wurden schlussendlich noch die blauen Teile ergänzt. Der 8Ω Lautsprecher im SSM-17B ist bei gleicher Reglerposition lauter (d.h. bei kleiner Änderung des Reglers ändert die Lautstärke erheblich), tönt kratziger, und das FT-4 erzeugt zu Beginn Audioausgabe ein Knacken. Das erste Problem lässt sich mit einem Serie-Widerstand lösen. Den anderen beiden wirkt ein Tiefpass entgegen.
Die Dimensionierung erfolgt experimentell. Zuerst wird der Widerstand ermittelt, um ein angenehmes Bedienen des Reglers zu ermöglichen, und dennoch genügend Reserve nach oben zu haben. Dann wählt man einen Kondensator so, dass er genügend gross ist, um das Knacken und Kratzen zu vermindern. Zu gross darf er aber auch nicht sein, sonst wird das NF-Band zu stark reduziert.
Für mich hören sich 6Ω und 2uF (ergibt eine Grenzfrequenz von ca. 13kHz) gut genug an. Man könnte mit dem Kondensator auch noch etwas nach oben.