vxo

永遠の課題VXO　　　　　　　　　　　　　　　　　ホームに戻る

◆VXOとの出逢い(1998/9)
1960年代の終わりごろ6mAMの真空管リグでQSOしていたとき、トリオのTX88Aを使っていた人が「水晶ソケットに水晶+並4コイル+350PFのバリコンを直列につなぐと、VFOみたいに周波数を変えられるよ」と教えてくれました。当時VFOといえばバリコンとコイルは鉄のケースに入ったガッチリしたものというのが常識で、QRHの少ないVFOを作るのはなかなか大変なことでした。それが水晶にLとCをつなぐだけでVFOの代わりになるというのは大変な情報で早速実験したものです。誰が考えたのでしょう動かないものをくすぐって動かすという実にアマチュア的な発想が好きで、以来このVXOというものにのめり込んでしまったのです。6mの真空管式AM送信機に応用したのが最初で、HC6/Uの3倍オーバートーンの水晶で500kHzは可変できました。水晶1個で運用していた私にとっては衝撃的な実体験だったのです。その後AMからSSBへとモードが変わり、AMではQRHをさほど気にしなくて良かったものがSSBになるとそうは行きません、VXOとはいえ気を配ってやらないと、なかなか周波数は安定してくれないのです。VXOについては各種の記事があり私も随分参考にさせていただきました。ここで紹介するのは決してユニークなものではありません。しかし安定したVXOはどうやって作ればいいのかをこの際一から実験してやろうとこのページを作りました。

◆VXOの回路
下の回路図は代表的なVXOの回路です。水晶と直列にコイルとバリコンをつなぐことで発振周波数を下側に変化させることが出来ます。

VXOコイルLには異常発振防止のため33kΩを並列につないでいます。
2SC1906による発振部ではコレクタ電流を0.5mAほどに設定して発熱による周波数変動を抑え、電源投入後2分程度で周波数は安定します。
C1とC2は温度補償のセラミックコンデンサ（紫色着色　-750ppm/℃）を使い、温度変化による周波数変動を少なくしています。
2SK241によるバッファ部で発振段への負荷を減らしています。またこの部分を逓倍回路として使うことも出来ます。
電源は3端子レギュレータで安定化することは基本中の基本で、78L05の入出力には104(0.1μF)と47μを接続して電源回路での異常発振を防止します。

◆可変周波数範囲は？
水晶の個体差があり一概には言えませんが、基本発振周波数の0.1～0.2%電波の質を考えた時に許容できる範囲と思います。VXOからの電波を直接受信したとき、ピーというきれいな音なら良いですが、可変範囲を広くとるとプルプルといった細かな振動を含み、音も少しかすれてきます。可変範囲は0.5%以内と書いてある文献もあり、できるだけ広く取りたい気持ちは判りますが、QRHという観点からは問題無くても電波の品質という観点からは無理があるように思います。VXOコイルのインダクタンスを増やし、周波数を少しづつ下げながらワッチし「ここまでは大丈夫」、「そろそろ危ないな」と判断してみてはどうでしょう。

◆バッファとの結合コンデンサの値
実際例ですが送信時と受信時でＶＸＯの発振周波数が変わることがありました。回路図の発振部の後にFETのバッファアンプを付け、結合コンデンサC3を30Pにしていたところ、送／受による負荷の変動が発振周波数に影響を与えました。C3の値を5Pにすることで問題は解決できました。

コイル

◆コイルの温度特性
コイルは正の温度係数を持ちます。温度が上がればインダクタンスが増える＝周波数が下がるということです。

◆コイルのインダクタンス
発振周波数によりますが数ＭＨｚ～１０数ＭＨｚがＶＸＯとして良く使われる周波数です。これにマッチするインダクタンスとしては数μＨ～数１０μＨになります。

◆コイルの巻き数
ＶＸＯに使うコイルは一体何を使えばいいのか？　製作記事を読むとＦＣＺコイルの１Ｒ９とか固定インダクタが良く使われています。だいたい１０μＨ前後のインダクタンスになります。コイルを自作するには１０Ｋや７Ｋ型のボビンが便利です。巻き込む線は０．０５か０．１ｍｍのウレタン線を使いますが、これは秋葉原のオヤイデ電気で購入できます。巻き数は水晶が１３ＭＨｚ台では４０回、１７ＭＨｚで３０回程になります。水晶とコイルを並列に接続し、ディップメータで測定した時、ほぼ水晶の表示周波数（オーバートーンの場合は原発振周波数）でディップすれば良いでしょう。

◆コア入りボビンとコアなしボビン
実測したところコア入りに比べコアなしの方がＱＲＨは２／３ほどに低減できました。ただしコアなしでは最適の巻数にいたるまで何度も巻き直しをすることが必要です。

◆タイトボビンについて
随分昔のＣＱ誌にタイトボビンに銅線を巻く方法が書いてありました。「タイトボビンをガスコンロで真っ赤に焼き、そこに銅線を引っ張りながら巻く」というものです。温度が下がった時タイトボビンの熱収縮率より銅線の方が大きいため、テンションがかかった状態で緩み無く銅線が巻けるというものでした。ところが０．２mmほどのウレタン線を直径８mmほどのタイトボビンに手巻きしても、強いテンションをかけて緩み無く巻くことは困難です。タイトボビンに巻けば理想的なＶＸＯコイルが作れるような記事もありますが、それは太いボビンに太い線を巻いた真空管時代の考えであり、細いボビンに細い線を巻く半導体の時代には合わないように思います。

◆コイルの作り方
ここではサトー電気の通販で購入した７Ｋ型のボビンを使って１４ＭＨｚ台に使うＶＸＯコイルを作ります。ウレタン線はオヤイデ電気で購入した０．０５ｍｍのものを使います。

　　　　
　　　　　使用部品　　　　　　　　　　　　　　　　末端処理　　　　　　　　　　　　　コイルを巻く　　　　　　　　　

　　　　
　　　高周波ワニスを塗る　　　　　　　　　　ケースに入れる　　　　　　　　　　　　　完成

ウレタン線をボビンのピンに数回巻き付け半田付けします。
ウレタン線をボビンの溝に２０回づつ２溝（合計４０回）巻き、巻き終えた末端をピンに数回巻きつけ半田付けします。
高周波ワニスを爪楊枝につけ、ボビンの溝に垂らし、ウレタン線全体を覆うようにします。
３０分程放置した後キャップコアを被せ、ケースにボビンを押し込みます。この時ピンセットを使うと便利。
ケースにはコイルの巻き数をマジックインキで書いておくと後からチェックするときに便利です。

水晶

◆特注水晶の購入先
ＣＱ誌にのっているのは川崎電波とアルト電子の２社です。以前は大松と三田でしたがいずれもＣＱ誌からは姿を消しています。１４．７ＭＨｚに限って言えば川崎は＠１７００＋消費税で送料不要。アルトは＠１２００＋消費税＋送料４８０円で、１個注文の場合は大差ありません。しかしアルトの場合、複数個注文しても送料は４８０円一定ですから、その分少し安くなります。また同じ仕様のものをまとめて注文すると割引があります（５個で５％）。いずれも注文後３週間位で届くようです。川崎はＣＱ誌の広告欄に価格が書いてありますが、アルトは書いてありません。電話で身元（住所、名前、電話番号、コール）を明らかにしてこちらの意思を伝え、その後お金が届いてから製作を始めるとのこと。ＦＡＸやメールでは情報が一方的であり購買者の意図が伝わらない為、電話をすることが必須とか。少し面倒な気もしますが、色々とトラブルがあったためこのような手段をとっているのでしょう。受付が始まる９時過ぎに電話をかけるとヒット率が高いようです。昼間は数回かけましたがいつもお話中でした。

◆水晶のケースはアースする
ＶＸＯ回路を動作させ手を水晶のケースに近づけるとボディエフェクトでＱＲＨを起こしますが、そんな時は水晶のケースにリード線の切れ端を半田付けしてアースに落とせばＱＲＨを防ぐことが出来ます。ただし内部の水晶とケースとの間でコンデンサが形成されるため、可変周波数の上限が若干下がります。

　水晶のケースにリード線を半田付けしアースする

バリコン

◆バリコンの種類（エアバリ、ポリバリ、バリキャップ）　(11/02/24)

エアバリコンの中で手に入りやすいのはタイトバリコンです。容量直線型ですが周波数直線にはならず、目盛りを打つと下側が広く上側はつまった感じになります。
ＦＭ用のエアバリコンはこまめに探すと時々見つかります。周波数直線に近いものもあるので見つけたら買っておきましょう。（大阪・日本橋のデジットで５００円）
ポリバリコンはまだ手に入りやすいでしょう。ＦＭ専用やＡＭとＦＭが多連になったものもありますが、ＦＭ部を使います。容量は２０Ｐ前後です。
バリキャップはバリコンに替わるものとして電圧で容量を変化させることが出来ます。電圧－周波数特性は様々ですが富士通のＦＣ５４Ｍは比較的直線に近いです。

　　　
　　　　タイトバリコン　　　　　　　　　　ＦＭ用エアーバリコン　　　　　　　　　ポリバリコン　　　　　　　バリキャップ

◆エアバリコンの温度特性
エアバリコンは正の温度特性を持ちます。温度が上がればキャパシタンスが増えるという意味です。すなわち温度が上がれば周波数が下がるということです。（ＳＳＢハンドブックより引用）

◆ポリバリコンの温度特性
ポリバリは負の温度係数を持つようです。これは私の実験結果から想像したもので、文献からの引用ではありません。ポリバリは極板の間にポリエチレンのシート（比誘電率は約２．１）を挟んだもので、どうもこのポリエチレンが負の温度係数を持つようです。したがって温度が上がればキャパシタンスが下がり、周波数が上がるということです。VXO回路を組んだ場合、コイルが正でポリバリが負なら丁度打ち消しあいそうですが、ポリバリの変化の方が大きく、結果的に周波数は上昇傾向にあります。

◆バリキャップ
バリコンが手に入りにくくなっており、代わりにバリキャップを使うことがあります。バリキャップはバリコンよりも温度特性が悪く周囲温度の変化に影響されやすいですが、発振段のコイル＋バリキャップ＋水晶＋トランジスタをケースで覆ってしまえば実用的に使うことができます。また電圧可変はボリュームよりも１０回転ヘリポットを使うことで減速機を使わなくてもスムーズな同調を取ることが出来ます。

　　
　　　　　　　　ＶＸＯの発振段　　　　　　　　　　　　発振段をカバーで覆う　　　　　　　　　１０回転ヘリポット

発振素子

◆発振素子
トランジスタかＦＥＴのどちらかを選びます。トランジスタはｆｔの高い石が発振しやすいといわれており、私は２ＳＣ１９０６（ｆｔ＝１０００ＭＨｚ）をよく使います。

◆周囲温度は一定なのにどうしてＱＲＨするのか

ＱＲＨの原因には

電圧の変動
振動
周囲温度の変化
負荷の変動

などが考えられます。実験してみるとケースの中に入れた１石だけのＶＸＯ発振回路でもＱＲＨが起きました。室内の実験で振動はなく、電圧は安定化された外部電源で、負荷は周波数カウンタのみで一定、室温は０．１度の精度で一定、電圧５Ｖ・電流は３ｍＡで一定です。回路の中で発熱しそうなものはトランジスタと抵抗ですが、たかだか３ｍＡで発熱するのでしょうか。発熱といえば「手で触って明らかに熱くなった」というのがそれまでの感覚でしたから、なかなか信じられなかったのですが、電源投入後の初期的な周波数変動はトランジスタにありと結論付けました。

◆発振素子の発熱を押さえてみると（コレクタ電流と周波数ドリフトの関係）
発振素子の２ＳＣ１９０６に流すコレクタ電流を０．５ｍＡと３ｍＡで変えてみます。回路的にはC－B間の抵抗を１ＭΩと１００ＫΩで交換しました。周波数は１４ＭＨｚ台で可変範囲は２０ＫＨｚ。１０分間の測定ですが３ｍＡの時１６Ｈｚ、０．５ｍＡの時１２Ｈｚとなりました。約６０％ですね。

◆発振素子はＴＲかＦＥＴか
ＱＲＨを押さえるため微少電流にて発振させようとすると、コレクタ（ドレイン）に流す電流を制御しやすいという意味からはＴＲの方が使いやすいですね。ＦＥＴには電流を一定に流そうという特性がありますから。

電源

◆電圧の安定化
特に発振部は電圧の安定化が必要です。３端子レギュレータは５０円位で買えますから大いに使いましょう。ただし滅多にはありませんが不良品もありますので、本当に安定して電圧が出ているかは一度確認しましょう。.また入出力にはそれぞれ０．１ｕＦ程度のバイパスコンデンサをつけてアースに落とし異常動作を押さえます。また入力電圧と出力電圧の差は１．５Ｖ以上必要で、５Ｖのレギュレータを使うなら、６．５Ｖ以上の入力電圧を要します。

QRH測定

◆周波数カウンタの安定化(04/12/03)
私が使っている周波数カウンタの八重洲ＹＣ－５００Ｊは、測定前に２時間以上通電し基準発振器を安定化しておきます。以前はいきなり電源を入れて測定していましたが、後で確認してみると１４ＭＨｚ台を測定している時に、カウンタ自身が通電後９０分で６０Ｈｚ程変動していることがわかったためです。同じシリーズの恒温槽型や温度補償型はもっと精度が良いのでしょうが、私が買った標準型の精度はここまでのようで、その分測定前にしっかり通電しておき、測定器を暖めておいてから計測を開始するようにしました。

◆測定方法

ＶＸＯ部分はケースに入れ、ボディエフェクトとか風の影響を少なくします。
測定は室温変化の少ない日が好ましいです。例えば曇りの日とか、日中よりも夜とか、また冷房や暖房はやめましょう。
コイルや水晶、コンデンサ、バリコンなど発振部を半田付けしたり、コアを回した場合は落ち着くまでに時間がかかります。出来れば１日置きたいものです。私は半田付けや測定器への接続など試験準備を終えた状態で１日放置し、熱的・機械的に安定してから測定に入ります。１つデータを取ってから条件を変えてセットし、明くる日会社から帰ってから次の測定に入るという訳で、随分気の長い測定になりますが、結局その方がデータの信頼性が高くなります。室温はデジタルの温度計を使い、ＶＸＯケース内の温度も測定できれば更に良いでしょう。
周波数カウンタの値がそのままパソコンに取り込めれば便利ですが、そうも行きませんので、時計（ストップウオッチ）とにらめっこしながらカウンタの値をレポート用紙など書き込みます。測定開始から１０分位は１分おきに、あとは５分間隔で記録し３０分程計測します。
データはエクセルに入力すればグラフ化できますし、方眼紙にプロットするのもよいでしょう。測定条件を出来るだけ書き込み、記録として残すと後々の参考になります。

◆ＱＲＨはどの程度まで我慢できる
これは私独自の基準ですが１０分で１００Ｈｚ以内に押さえる事を目標にしています。１０分というのは１回のＱＳＯの平均時間です。１００Ｈｚはチューニングをし直さなくても良いと思うＱＲＨの範囲です。

周波数安定化の方法

①機械的にがっちり作る、②電源電圧を安定化する　は基本ですがそれ以外には

◆温度補償をする(11/02/24)
ＶＦＯの場合はバリコンと並列に温度補償用のコンデンサを接続しますが、ＶＸＯでは同じことをすると周波数変化幅を大きく取れないので、上の回路図におけるＣ１とＣ２に温度補償コンデンサ（-750ppm/℃）を使いコイルが持つ正の温度係数を補正します。

◆発振部をケースに入れる(11/02/24)
リグの電源を入れれば内部は発熱し、まして送信すればファイナルからの発熱は馬鹿になりません。そして冬場の暖房、夏場の冷房など温度変化の要因はたくさんあります。ただアマチュア無線は標準電波ではないため、１回のＱＳＯ中に再チューニングする必要が無い程度の安定度でよいと考えます。そのため周囲温度の変化を緩やかに受けるよう、発振部をケースで覆うことは効果的な方法といえます。

　　（左）ケースをはずしたところ　（右）ケースを被せたところ

トラブル対策

◆ＶＸＯが発振しない時には
発振周波数の関係があるので一概には言えませんが、回路図中のＣ１が大きい場合（例えば１００Ｐ）発振しない事があります。そんな時は３０Ｐ程度に代えてやると発振する事があります。

◆異常発振の見分けかた
ＶＸＯが異常発振すると受信機で聞けばＶＸＯのＶＣを回すとそこら中でプチプチと信号が入感します。ＲＦプローブをＯＵＴ部に当て、バリコンを回すと針が大きく上下することからも判断出来ます。周波数カウンタを当てても周波数がめまぐるしく変化します。　

◆異常発振対策
雑誌の記事で発表されるＶＸＯの回路には、ほとんどこのＲ１が入っているのであえて言う程の事は無いのですが、１０ｋ～４７ｋ位の範囲でＬと並列に入れると効果があります。

＜完了＞