Montar el Ultimate3S (II)

Montaje tarjeta principal

Creo que ya he dicho que antes de iniciar el montaje del Ultimate3S conviene leerse el manual completo. Pues lo repito: antes de empezar a montar léete el manual de montaje. ¿Y después? ¿Ya has leído todo el manual de montaje? Pues vuelve a leerlo y vete pensando las opciones que vas a elegir. ¿Has elegido el tipo de bobinado que vas a hacer con el toroide? ¿Ya has decidido todas las opciones hardware que hay? ¿El brillo de la pantalla LCD va a ser fijo o regulable por software? ¿Vas a poner un solo BS170 o vas a poner varios para conseguir más potencia? El paso final ¿lo va a alimentar a 5 voltios o a 12? 

Bolsas con los módulos tal como llegaron

Yo elegí en todos los casos las opciones más sencillas. Un solo BS170, alimentación a 5 voltios. La opción de bobinado bifilar con el toroide instalado en horizontal. Es un poco más complicado, pero tiene mejor rendimiento. Como solo puse un filtro paso bajos simple, soldé los puentes W0-W1 y W2-W3. Conecté el puente A0-A3 para regular por software el brillo de la pantalla. Puse el puente entre +PA y +5V para alimentar el paso final a 5 voltios. No puse el puente entre +5V y Heat, puesto que no usé la opción OCXO para el oscilador local. No puse la resistencia R3 para reprogramar el firmware, en su lugar puse el puente indicado en el manual. En cambio, sí que puse la resistencia R4 para encontrar un punto de ajuste más fino para el contraste de la pantalla LCD. 

¿Seguro que ya te has leído el manual (por cierto, en inglés) y has comprendido y decidido todas las opciones de hardware? Bien. Pues ahora empieza lo divertido. Siguiendo el manual, empiezas soldando el zócalo del procesador, los cinco condensadores de 100 nF, el cristal de 20 MHz y los botones S1 y S2. 

A continuación, viene el paso más complicado, el toroide bobinado. En el paquete vienen todo lo necesario para el montaje completo, incluido el toroide y el hilo esmaltado. Yo enrollé sobre sí mismo un trozo de hilo esmaltado tal como muestra en la foto del manual. Recuerda que cada vez que pasas el hilo por dentro del toroide cuenta como una espira. Tienes que quitar el esmalte de los extremos de los hilos. Comprueba con cuidado los extremos de los hilos A y B. ¡Vuelve a comprobarlo! Verifica la continuidad de los hilos ahora. No te equivoques al poner cada hilo en su agujero. Una vez soldado no será posible comprobar si has equivocado algún extremo. Habrá continuidad entre todos los extremos. Suelda los hilos y comprueba que, en efecto, hay continuidad entre todos los hilos.

Suelda los zócalos para el módulo paso bajo. Procura que quede en ángulo recto con respecto a la placa. A continuación, los zócalos para el módulo sintetizador de frecuencia Si5351A, poniendo el mismo cuidad de que queden en ángulo recto y que el módulo encaje sin problemas. Después soldamos el potenciómetro R1 de 100 K y lo dejamos ajustado “todo a la derecha”. A máximo volumen, podríamos decir. Soldamos después el potenciómetro R5 de 4K7 (pondrá 472 en un lateral), y lo dejamos ajustado “todo a la izquierda”. Volumen mínimo. Esto es importante. Habrá que buscarle su punto de ajuste una vez instalado todos los componentes.

El Ultimate3S a medio montar en su caja

Ponemos los puentes de hilo que corresponda según nuestras opciones de hardware. Aconsejan usar hilo rígido y dejarlo formando un arco que sobresalga un poco de la placa para poder cortarlos con facilidad si fuera necesario. Soldamos, por fin, el transistor BS170. En la placa hay un dibujo que nos guía para instalarlo correctamente. Ninguna dificultad. Si optamos por instalar más transistores, hasta tres, es el momento.

El paso siguiente es soldar el zócalo para conectar la pantalla LCD. Son dos tiras de conectores de 16 patillas cada una. En el manual aconsejan poner los terminales macho sobre la placa principal y los hembra en la placa de la pantalla LCD. Dato importante: en la placa de control, hay que soldar los terminales por la parte de abajo. Por el lado contrario a los componentes. ¡Es muy fácil equivocarse y muy difícil arreglarlo!

Una vez acabado el montaje, las tarjetas de control y de pantalla van unidas por esto conectores y por cuatro separadores de nylon de 12 mm. Si soldamos las tiras de pines sin cuidado, no harán conexión correctamente, puesto que los terminales macho no entrarán del todo en los hembra. Para evitar este problema, proponen soldar primero los terminales hembra en la placa display LCD, a continuación, instalar los terminales macho, sin soldar, sobre la placa de control. Unir las dos placas con los separadores de 12 mm, poniendo los tornillos de fijación para que no se mueva. Tener la precaución de que los terminales macho entren hasta abajo, conectando perfectamente con los terminales hembra. Solo ahora debemos soldar por la parte de arriba los terminales macho. Los pines sobresaldrán muy poco sobre la placa, pero los suficiente para que la soldadura quede bien hecha y las conexiones perfectas. Puedes fijarte en los dibujos del manual que lo explican todo bastante bien.

No instalé los terminales para programación del circuito. En cambio, sí que soldé dos terminales macho sobre RF output y Ground, los lugares donde hay que soldar el coaxial de salida de radiofrecuencia. De otra manera será muy difícil soldar el coaxial fino y no hacer un cortocircuito. Con esto ya casi tienes terminada la placa de control. Pero antes de soldar todos los cables, deberemos montar el sintetizador de frecuencia Si5351A y el módulo de filtro paso bajo.

Montaje del módulo Si5351A

El módulo sintetizador de frecuencia basado en el integrado Si531A es mucho más sencillo de montar que la placa principal. Hay poco que soldar.

El integrado Silicon Labs Si5351A es capaz de generar cualquier frecuencia entre 8KHz y 160MHz. El integrado que usa este módulo tiene hasta tres salidas de frecuencia independientes. El chip se controla por un puerto I2C. Tiene una gran estabilidad de frecuencia, que lógicamente, depende del cristal de referencia, en este caso a 27MHz. Se alimenta a 3,3 voltios. En todo caso, su salida es una onda cuadrada sobre una impedancia de salida de 50 ohmios. Es un chip SMD, pero, no te preocupes, ya viene soldado.

El módulo ya montado

El módulo se alimenta a 5 voltios, lo mismo que el módulo principal. Lleva un regulador integrado con salida de 3,3 voltios para alimentar el chip Si5351A.

Solo debemos soldar unos pocos componentes con terminales: un cristal de cuarzo, seis resistencias, tres condensadores, el regulador LM317 y dos transistores. Una vez soldados los componentes, debemos soldar los terminales de conexión, teniendo cuidado de que formen ángulo recto con la placa.

Montaje del filtro paso bajo

El módulo de filtro paso bajo se encarga de filtrar la señal de salida, que en realidad es una onda cuadrada con muchos armónicos, y conseguir que la señal emitida esté dentro de las normas de emisión previstas y sin armónicos fuera de control. Se trata de un filtro en PI formado por tres bobinas y cuatro condensadores. Lógicamente, los valores de las bobinas y condensadores varían según la banda de emisión.

En la bolsa vienen todos los componentes necesarios para el montaje. Hay que pedir el filtro para la banda de misión que vamos a usar. Las bobinas tenemos que hacerlas sobre cada uno de los tres toroides que nos suministran. Los condensadores son cerámicos con coeficiente de temperatura próximo a cero, tipo NP0 o C0G.

En el manual de montaje tenemos una tabla con los valores de los condensadores y de las bobinas, junto con el tipo de toroide a usar y el número de espiras que debemos bobinar. Esta tabla incluye los valores necesarios para todas las bandas de radioaficionados entre la banda de 4 metros (válida en USA) y la banda de 2.200 metros en la zona VLF.

Tabla de valores para montar el filtro paso bajo

El montaje en sí mismo es muy sencillo. La única “complicación” es bobinar los toroides y soldarlos sin olvidarse de quitar el esmaltado de los extremos de las bobinas. Son tres toroides con un solo bobinado cada uno. Los condensadores son de agujero, y se sueldan sin problemas.

Al módulo hay que soldarle dos tiras de 4 terminales cada una para conectarla sobre la placa principal. Siempre hay que tener cuidado de que queden en ángulo recto para conectarlos sin problemas.

Yo no tuve ningún problema para montar este módulo. Sí que hay indicaciones especiales para los módulos de frecuencias extremas: 222 MHz, 145 MHz y para las longitudes de onda más largas: 600 y 2200 metros.

Ajuste polarización

Antes de montar el módulo GPS es conveniente ajustar la polarización, o punto de trabajo, del paso final del módulo principal. ¿Recuerdas que dejamos el potenciómetro R5 totalmente girado a la izquierda? Esto polariza la etapa final al corte y no amplifica nada. Ahora es el momento de buscar el punto correcto para que amplifique sin distorsionar ni pasar continuamente a conducción.

El manual propone dos modos sencillos de buscar el punto de trabajo:

• Por el consumo de corriente. Mejor no conectar más módulos para que consuma menos y tener más sensibilidad para encontrar el punto correcto
• Con un medidor de potencia QRP. Recuerda que la potencia de transmisión está alrededor de los 200 milivatios. 

Yo utilicé el primer método, que me pareció el más sencillo. Al menos requiere una herramienta muy común: un tester. Si se trata de medir la corriente que consume el circuito, significa que hay que poner el medidor “en serie” con la alimentación de 5 voltios. Por tanto, hay que abrir el circuito si ya hemos soldado los cables de alimentación. Mejor no soldarlos hasta hacer este ajuste.

Potenciómetro R5 para ajustar el punto de trabajo del BS170

Ponemos el tester para medir corriente. En mi caso, con el GPS ya soldado, la corriente consumida estaba alrededor de los 100 miliamperios. El kit debe estar en reposo: sin transmisión, sin pulsar ningún botón. No es necesario que esté conectado el módulo Si5351A. Medimos la corriente que consume. Giramos el potenciómetro R5 a la derecha hasta que haya un ligero incremento de consumo de corriente. ¡Y ya está! Según el manual, ese es un punto de polarización razonablemente bueno. Al menos, a mí me funciona.

El otro método es poner una carga artificial de 50 ohmios en el conector de antena, sirven dos resistencias de 100 ohmios en paralelo. Tenemos que tener el módulo Si5351A conectado y configurar el software para que pase a transmisión. Monitorizamos la potencia de emisión. Mientras, giramos a la derecha el potenciómetro R5, la potencia de emisión se incrementará gradualmente. En algún punto, más allá de la mitad del recorrido del potenciómetro, la potencia será máxima. De tal forma que, si sigues girando a la derecha, la potencia volverá a disminuir. ¡Ya nos hemos pasado! El transistor BS170 se calentará, incluso mucho. Giramos hacia atrás, a la izquierda el potenciómetro. Hasta un poco menos del punto de máxima potencia. Este es el punto recomendado de polarización. Este método me parece más preciso, pero hay que tener algo que sea capaz de medir una potencia tan baja como 200 mW.

Montar módulo GPS

Considero que el módulo receptor GPS es imprescindible. Hay dos motivos muy importantes: 

• Hay que tener la hora perfectamente sincronizada para el momento de emitir 
• Necesitamos una precisión muy alta en la frecuencia de emisión 

El receptor GPS cumple perfectamente con estas dos condiciones de funcionamiento. Hay que recordar que los receptores GPS no sirven solo para posicionar geográficamente al receptor, que es su uso primario. Sirven también como reloj patrón, tanto para tener una hora como una frecuencia precisas.

Recordemos que un receptor GPS recibe las emisiones de los satélites NAVSAT-GPS que orbitan a 20.000 Km sobre la superficie terrestre. Cada satélite lleva un reloj atómico sincronizado con el del resto de satélites y con las estaciones de control. Para que el receptor GPS pueda ser útil, debe recibir al mismo tiempo, al menos, tres satélites. El receptor es capaz de sincronizar su reloj con la constelación de satélites. De esta forma tenemos una hora perfecta, con una precisión de milisegundos. Muchos receptores GPS también son capaces de generar pulsos de sincronización de gran precisión. Este receptor genera, una vez sincronizado con la red GPS, un pulso cada segundo. Este pulso sirve como patrón de frecuencia con el que se corrigen los errores de frecuencia del sintetizador de frecuencia de la tarjeta principal.

Hay que tener en cuenta que las señales WSPR tienen un ancho de banda muy estrecho. Dentro de cada banda, los receptores WSPR están a la escucha en una franja de solo 200 hercios. Si estás fuera de esta banda, nadie te escuchará. Dato muy importante. Por tanto, tienes que tener una precisión muy alta en la frecuencia de emisión.

Todo el montaje terminado en su caja

El módulo receptor GPS viene ya completo. Solo hay que soldar un conector SMA y, si quieres, un conector USB tipo B. La tarjeta tiene diversas opciones para configurar la tensión de funcionamiento, añadir una pantalla LCD, incluso está preparado para instalar un supercondensador para mantener en hora el reloj y permitir que el GPS esté operativo en unos segundos. Quizá lo pruebe en algún momento. Yo solo instalé el conector SMA. El módulo está diseñado para ser totalmente compatible con el Ultimate3S. De hecho, las tarjetas tienen el mismo tamaño.

Como comentaba, yo solo tuve que soldar el conector SMA en vertical. Aconsejan tener cuidado al instalar este conector. Hay que evitar que quede pegado a la tarjeta y haga cortocircuito. Tenemos que poner algo que separe el cuerpo del conector del propio circuito en el momento de hacer las soldaduras. A estas soldaduras hay que añadir los cables de alimentación, positivo y negativo, el cable de salida de un pulso por segundo (1pps) y el cable de salida de señal del GPS (TxD). Estos cables van directos al módulo principal. Ninguna dificultad.

Como he contado, yo también compré la caja para poner todo dentro. Bonita y útil. Pero no viene preparada para poner el conector SMA externo para la antena del GPS. Y esto es imprescindible. La solución que yo busqué consistió en comprar un alargador SMA macho-SMA hembra de panel, y hacer un nuevo agujero en el panel trasero de la caja para sujetar el terminal donde conectar la antena. El alargador tiene unos 10 centímetros de longitud, es muy barato y resultó muy sencillo todo.

Antena GPS

La antena exterior es una antena activa. Por lo tanto, lleva alimentación. Me pareció bastante sensible e incluye un cable de 2 metros de longitud.

Todos los módulos son apilables entre sí. Entre los componentes suministrados hay unos separadores de nylon adecuados para apilar todos los módulos. Todos no. El módulo GPS necesita más separación de los 12 milímetros que proporcionan los separadores incluidos en el kit. Yo me hice con un buen suministro añadido de este tipo de separadores. Poniendo dos separadores unidos entre sí, conseguí los 22 milímetros de separación. Suficientes para apilar todos los módulos, incluido el receptor GPS. Ver foto superior.

Todos los módulos unidos entre sí se sujetan dentro de la caja. La caja viene con todo lo necesario: dos pulsadores, dos interruptores, (uno para encendido y el otro no lo uso), conector tipo D de 9 terminales, que instalé, pero no usé, conector para la alimentación, conector BNC para la antena. Tiene toda la tornillería necesaria y cuatro tacos de goma a modo de patas. Estos me duraron poco.

Como he comentado, tuve que hacer un agujero nuevo para el conector SMA del GPS. Luego he visto que hay gente que no pone el conector tipo D de 9 terminales y aprovechando ese hueco, sujeta una chapa de aluminio agujereada para el conector SMA. 

Estos módulos se alimentan a 5 voltios. Es importante usar una fuente de alimentación estable, de calidad, que no genere ruido eléctrico ni variaciones de tensión. Yo compré un alimentador de dos amperios y va sobrado. Todo consume algo más de 100 mA.

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