Forsterker, andre del

Har nå jobbet mange lange kvelder for å få ferdig neste del av forsterkerprosjektet jeg har jobbet med siden i høst; denne gangen er det forforsterkeren jeg har fått ferdig.

Jeg bestemte meg tidlig for å ha digital inngang, for i dag er alle mine lydkilder digitale. SPDIF var enklest og mest praktisk, så jeg måtte i hvertfall ha en SPDIF-dekoder og en DAC. Som en konsekvens av dette bestemte jeg meg også for å gjøre alle tradisjonelle forforsterkeroperasjoner (volum, equalizer, inngangsvelger etc) i det digitale domenet, så jeg la til en ganske kraftig FPGA som jeg kan bruke til signalbehandling. Dette betyr at for å støtte analoge innganger så måtte jeg også legge til en ADC. Til fjernkontroll ønsket jeg å bruke min smarttelefon, så det forutsetter nettverkstilkobling og en mikrokontroller, jeg valgte EFM32 og en ethernet-chip til dette. I tillegg har jeg lagt til funksjoner som optisk digitalinngang, SD-kortleser (for lagring av konfigurasjoner) og knotter til frontpanelet.

Forforsterkeren, ferdig loddet

Forforsterkeren, ferdig loddet

Kretskortet ble nokså komplekst for et hobbyprosjekt. Fire lag og bare overflatemonterte komponenter, med pitch ned i 0,65mm. Loddingen gikk likevel lett, takket være min måkevinge-loddespiss. Vanskeligste loddejobb var FPGA-en som kom i en BGA-pakke. Denne prøvde jeg å «bake» i en reflow-ovn, noe jeg ikke hadde erfaring med fra før. Det gikk heldigvis stort sett bra.

Alle enkeltfunksjoner ser ut til å virke, men det gjenstår likevel en del programmering og FPGA-utvikling før alt jeg har planlagt er på plass. Det som mangler nå er hovedsaklig signalbehandlingen, hvor målet er å få til digital romkorreksjon, dvs en automatisk korrigering for imperfekte høytalere og romklang. HW-messig er alt ferdig, så jeg er nå klar til å putte all elektronikken inn i en metallkasse.

Forsterker, første del

Har nå vært på fastlandet en stund og må finne noe annet å gjøre enn å gå på vulkaner. Et av flere prosjekter er å designe og bygge en forsterker til bruk i stua. Dette har jeg planlagt et års tid nå etter at min gamle NAD306 tok kvelden, men begynte ikke selve designet før på Jan Mayen i september.

Kraftforsterkeren, som er det jeg har fått ferdig nå, er en nokså typisk tretrinns forsterker basert på teorien i [1] og [2]. Det er likevel fascinerende mye interessant å sette seg inn i for å lage noe slikt. Har brukt KiCad til å tegne skjemategninger og legge ut kretskort. Det har fungert veldig bra. Eksportfunksjonen til KiCad ga meg også mulighet til å simulere hele kretsen i ngspice, noe som ga ekstra tiltro til at designet fungerer som det skal. Det er viktig fordi jeg får lagd selve kretskortet i Kina, noe som tar nærmere en måned. Etter så lang tid er det kjedelig å finne ut at man har gjort noe feil i designet.

Jeg bestemte meg for 40W per kanal, og bare én kanal på kretskortet. I den ferdige forsterkeren må jeg derfor lodde opp to like kretskort for å få stereo. På lørdag fikk jeg endelig kretskortene i posten og jeg har brukt de siste par dagene på å lodde ett av de og teste. Alt ser ut til å fungere som det skal, noe som er over all forventning. Det er likevel mye som gjenstår. Nå skal jeg begynne med forforsterkeren, som jeg planlegger til å bli noe utenom det vanlige. Etter det blir det å lage en boks å putte alt sammen i. Dette vil nok enda ta noen måneder å få ferdig.

[1] Douglas Self, Audio Power Amplifier Design, 6th edition, Focal Press, 2013
[2] Bob Cordell, Designing Audio Power Amplifiers, 1st edition, McGraw-Hill, 2010

Tegner kretskortet i KiCad

Tegner kretskortet i KiCad

Kretskortet slik det kommer fra fabrikken

Kretskortet slik det kommer fra fabrikken

Ferdig loddet

Ferdig loddet

Testoppsett

Testoppsett

Ikke helt klar for stua enda, men lyden er fin

Ikke helt klar for stua enda, men lyden er fin

Linseskyer

Det kan se ut som om ishavståka begynner å miste grepet. Jeg har nå hatt min andre friperiode på rad med solskinn. Ikke kontinuerlig, riktignok, men bra likevel. Jeg benyttet sjansen til å gå til Rudolftoppen, som er Sør-Jans høyeste fjell.

Turen begynte i Loran C-senderen, hvor elektronikksjefen ga meg en grundig omvisning. Artig utstyr, dette er litt kraftigere enn jeg er vant med. 250kW utgangseffekt og en antennemast på 200m. Loran C, i hvertfall slik systemet er i dag, planlegges nedlagt til neste år.

Loran C, timere og styring, basert på Cesium-klokker

Loran C, timere og styring, basert på cesium-klokker

Loran C pulsgenerator

Loran C pulsgenerator

Loran C sendehytte, mastefoten til vesntre

Loran C sendehytte, mastefoten til venstre

På Rudolf er det fin utsikt over det meste av øya. Denne dagen var Beerenberg godt i gang med å produsere linseskyer. Linseskyer, Altocumulus Lenticularis, dannes av høye fjelltopper og er en av mine favorittskytyper. Jeg hadde tenkt å spare nettet for enda et bilde av Beerenberg, men det må bli noen denne gangen også.

Altocumulus lenticularis over Beerenberg

Altocumulus lenticularis over Beerenberg

Altocumulus lenticularis over Beerenberg

Altocumulus lenticularis over Beerenberg

Værobservasjoner

Noen ord om det jeg har drevet med de siste seks månedene. Dette er en værstasjon så nesten all arbeidstid går med til observasjon av været. Selv om jeg er tekniker så er jobben i hovedsak den samme som for meteorologifullmektigene, bare at jeg i tillegg må se etter noen intrumenter og stille opp i tilfelle problemer med data eller elektronikk.

Det er én person på vakt hele døgnet og alle dager i uka. Vi skifter hver 6. time.

Vaktperioden begynner med at vi sender værballong. Ballongen er en stor gummiballong som fylles med hydrogengass vi produserer ved hjelp av elektrolyse.

Jeg sender opp værballong en godværsdag. Foto: Edel

Under ballongen henger en radiosonde som måler temperatur, trykk og duggpunkt på sin ferd oppover i atmosfæren. I tillegg har den GPS mottaker slik at vindstyrke også kan beregnes. Alle data sendes ned i sanntid til stasjonen helt til ballongen sprekker et sted på mellom 20 000 og 30 000 meters høyde. Dette er godt inn i stratosfæren og derfor høyt nok til at den har passert alt vær av betydning.

Adiabatisk graf over ballongoppstigningen 29. november kl 12 UTC. Rød strek er temperatur, blå strek er duggpunkt. Ut fra denne grafen kan jeg se i hvilke høyder det finnes skyer og hvor stabil lufta er (dvs om bygeskyer kan dannes og vokse). Andre grafer gir oss vindretning og styrke i forskjellige høyder.

Ballongslipp er stort sett ganske enkelt, men kan være temmelig vanskelig når kulingen sender ballongen rett i en radiomast eller bygning.

Jeg sitter vakt på obs-rommet. Foto: Edel

Etter at ballongen er sluppet består resten av vakta av værobservasjoner hver time. Mellom ti over halv og fem på hel går vi ut og sjekker sikt, skydekke, skyhøyde og skytyper. I tillegg har vi noen målinger som bare gjøres en eller to ganger i døgnet (sjøtemperatur, nedbør, snødekke). Disse noterer vi ned og sender elektronisk til meteorologisk institutt, som sammen med automatiske måledata (temperatur, trykk, duggpunkt, vind) settes sammen til den internasjonale SYNOP-meldinga som går ut til hele verden.

En observasjon tar fra 5 til 15 minutter, avhengig av hvor vanskelig det er å bedømme skytypen. Resten av tiden sitter vakta på obs-rommet og svarer på telefon, radio og epost. Kl. 10:05 og 22:05 UTC leser vakta opp værmelding på VHF og MF for båtene som er i Barentshavet, og fire ganger i døgnet lager vi en METAR-melding som beskriver været for eventuelle flygere i området.

Denne rutinen følger vi, med noen få justeringer, hele året. Det er ikke stressende, og man har god tid mens man sitter på vakt til å lese eller gjøre kontorarbeid. Vaktordningen er lagt opp slik at vi tar hver tredje vakt i tre dager, for så å ha tre dager helt fri til hytteturer eller andre hobbyprosjekter.

Nordlys

Vi har nordlys nesten hver natt, vi ser det bare ikke på grunn av alle skyene. Jeg har nettopp vært på hyttetur i Russehavna og fikk en flott stjerneklar kveld med kraftig og aktivt nordlys. Jeg skulle helst hatt litt måneskinn også så landskapet hadde blitt opplyst, men bilder ble det likevel.

Nordlys over Russehavna

Nordlys over Russehavna

Bjørnøya ligger i nordkanten av «nordlysbeltet». Vi har et magnetometer her som driftes av Universitetet i Tromsø. Dette registrerer endringer i jordens magnetfelt og brukes blant annet til å registrere nordlysaktivitet. Nordlys påvirker jordens magnetfelt og dermed også kompassmisvisningen, noe magnetometerne registrerer og lager grafer over.

Plot fra magnetometer, Bjørnøya 13. okt 2012 (http://flux.phys.uit.no/stackplot/)

Universitetet i Tromsø legger ut data fra alle magnetometer i Norge på sine hjemmesider.

Masteklatring

Vi har flere høye radiomaster her på Bjørnøya. Bodø radio har to MF-master og meteorologisk har en MF-mast. I tillegg er her tre andre master med diverse radioantenner i.

Skjer det noe i en av mastene må jeg opp og fikse. Det er ikke så vanskelig fordi det eneste som stort sett kan gå galt er at lyspæra i toppen slutter å lyse, og klatreseler er jeg heldigvis fortrolig med.

Her om dagen gikk jeg opp i DSC-masta til Bodø radio og skiftet to lyspærer. Toppen av mastene er de eneste stedene på nordsiden med utsikt så kameraet var med opp.

På tur opp masta (foto: Reidar)

Skifter lyspære (foto: Reidar)

Utsikt mot Herwighavna og Gravodden

TrollSat

Helt på slutten vil jeg skrive litt om Kongsberg Satellite Services (KSat) og deres stasjon i Antarktis: TrollSat. TrollSat er et av forskningsteknikerens største ansvarsområder.  KSat har hovedkontor i Tromsø og driver hovedsaklig med bakkestasjoner for satellitter.

Det er KSat som leverer kommunikasjonstjenestene (internett og telefon) til Norsk polarinstitutt på Troll.  Dette gjør de ved hjelp av antenna “com2″ som er rettet mot en geostasjonær kommunikasjonssatellitt.  Com2 har et speil på over 6m og er i stand til å kontinuerlig korrigere azimuth og elevasjon slik at den får godt signal selv om satelittbanen ikke er helt perfekt geostasjonær.

KSat har også en rekke andre antenner og utstyr som andre kunder av ulike årsaker ønsker plassert i Antarktis.  Den viktigste er Troll1-antenna på Sofietoppen.  Dette er en antenne med omtrent samme diameter som com2 men denne brukes til å kommunisere med satellitter som går i polare baner (fra pol til pol).  Det er veldig fordelaktig å ha bakkestasjoner for polare satellitter nær polene for da kan man få radiokontakt på de fleste av omløpene til satellittene.


Com2 i forgrunnen og Troll1 (Sofietoppen) i bakgrunnen

Satellittene i polarbane bruker gjerne bare 1-2t på en runde rundt jorda og er typisk synlige over Troll i ca 10 minutter.  Siden disse satelittene ikke står stille på himmelen er antenna i stand til å “tracke” en hvilken som helst satellittbane.  Det er fascinerende hvor nøyaktig og hurtig den svære parabolantenna er i stand til å justere posisjon.  Noen av de viktigste brukerne av Troll1 er GeoEye og DigitalGlobe. Begge har satellitter som tar bilder av jordoverflaten, bl.a brukt til GoogleEarth. Bildedata lastes ned og sendes til kundene over com2-linken samtidig som at nye instruksjoner sendes opp til satellitten.


Inne i radomen til Troll1 på Sofietoppen. Speilet står nå i “hvilestilling” og peker rett opp.

Min jobb har vært å hjelpe til med det tekniske når noe går galt.  Overvåkning skjer stort sett i Tromsø som ringer ned til Troll hvis de oppdager noe som må gjøres.

Mer om NILUs målinger på Troll

Dette innlegget forteller om resten av NILUs aktivitet her på Troll.

UV-målinger

Ozonlaget beskytter oss mot UV-stråler fra sola. “Ozonhullet” over Antarktis som det ble snakket så mye om på 80-tallet er fortsatt reelt, men mengden ozon i ozonlaget varierer mye gjennom året. Selv om “hullet” er større enn noensinne har en enorm innsats på slutten av 80-tallet redusert bruken av ozonlagnedbrytende stoffer radikalt.  Det var særlig forbudet mot KFK-gasser som var viktig.  Ozonlaget vil trolig kunne friskmeldes innen 2050 [1].

Det er ikke bare BAS som er interessert i ozonlag, NILU gjør også målinger relatert til ozonlaget.  NILU har en UV-måler som måler intensiteten i UV-strålingen fra sola, noe som igjen kan kobles til tykkelsen på ozonlaget.  Jeg sjekker kalibrering en gang i måneden ved å belyse den med lys fra UV-lamper, men ellers står den og samler data helt uten min innblanding.

NILU UV-måler
NILU UV-måler

Referanser:

[1] Q. Schiermeier: Fixing the Sky, Nature vol 460, s. 792-795, august 2009

Filterprøver

Det er ikke alle målinger som kan analyseres automatisk her på Troll. En del prøver blir tatt ved at prøveluft suges gjennom filtre. Disse filtrene fraktes til NILU og analyseres med kromatografi eller andre metoder.


EK-sampler (filterholder til høyre)

EK-sampleren er et filterinstrument som brukes til å undersøke uorganiske stoffer i lufta. Instrumentet suger luft gjennom en stakk på tre forskjellige filtre. Aerosoler avsettes på det ytterste filteret. Det neste filteret er satt inn med kaliumhydroksid og tar til seg sure gasser (HNO3, HCl, SO2). Det siste filteret er satt inn med oksalsyre og tar til seg basiske gasser (NH3).


PUR-sampler

PUR-sampleren er et annet filterinstrument som brukes til å undersøke forekomst av organiske giftstoffer, såkalt “langlivet organisk forurensing” (POP). Eksempler på slike stoffer er DDT, PCBer og dioksiner. Disse brytes ned veldig sakte og kan derfor spre seg med vinden svært langt. Tilsvarende som for EK så er det et ytre filter som tar til seg aerosoler og større partikler. Innenfor dette sitter en skumgummipropp som tar til seg POP-stoffene.

Både EK- og PUR-filtrene skifter jeg en gang i uken.

Luftprøver på flaske

En del stoffer kan verken analyseres automatisk her på Troll eller avsettes på filtre. For disse så tar jeg ukentlige luftprøver hvor jeg fyller 30psi med prøveluft ned på små stålflasker. CFC og hydrokarboner (NMHC) er eksempler på stoffer som undersøkes ved hjelp av disse luftprøvene.


NMHC-prøvetaking, disse tar jeg 20m fra NILU-bua et sted opp mot vinden

Radio Troll

Første fly kommer om et par uker og det blir full aktivitet her fra begynnelsen av november. Men hva brukte jeg egentlig tiden til når det var mørketid og storm?

Må innrømme at noe tid gikk med til slashdot, filmer og annet uproduktivt. En ting jeg planla å bruke tiden til allerede før jeg dro fra Norge var å lære mer om analog elektronikk og da særlig radioteknologi som var et blankt område for meg. Jeg okkuperte ganske raskt sambandsrommet og gjorde det om til en elekronikklab hvor jeg kunne sitte og leke på fritiden. Komponenter og testkort hadde jeg tatt med hjemmefra og gamle faglitterære klassikere som Nilsson/Riedel og Horenstein var med i Zargeskassa. KSAT stilte (uvitende) opp med masse fint labutstyr: Oscilloskop, spektrumanalysator, multimeter, powersupply og loddestasjon.

Elektronikklab
Elektronikklab

Etter å ha repetert en rekke basiskretser begynte jeg å jobbe med design av en FM-sender. Her nede er det ingen som klager til post- og teletilsynet så jeg tenkte at det måtte være trygt.

Poenget var aldri å bygge en bra sender men å lære hvordan den virker. Jeg måtte derfor lese en del teori for så å prøve meg fram på testkortet. Etter en del feiling fikk jeg radiosenderen til å fungere. Rekkevidden var begrenset (ca. 5 meter innendørs) men jeg klarte å overføre musikk (i mono) til vanlige radiomottagere. Det var skikkelig artig å høre musikk på radioen for første gang, jeg hadde ikke ventet at senderen skulle virke så bra som den faktisk gjorde.

FM-sender
FM-sender koblet opp på testkortet. Enkle saker.

FM-sender
Skjemategning. Ingenting revolusjonerende og ikke spesielt bra. Ikke bygg denne selv, du finner mye bedre design hvis du googler. Kretsen er bygd som en slags Colpits oscillator. Dioden tar seg av frekvensmoduleringen ved å endre kapasitansen i oscillatoren avhengig av spenning. Det er en vanlig likeretterdiode fordi det var alt jeg hadde. Spolen er lagd av en leder snurret rundt et skrujern noen få runder (grønn krøllete ledning på testkortet).

Carrier
Spektrumanalysator. Måler bærebølgen til 97,4MHz.

Det naturlige neste skritt var å øke rekkevidden med en forsterkerkrets men der måtte jeg gi opp. Jeg fikk ikke mine transistorer til å forsterke så høyfrekvente signaler. Kanskje like bra for da måtte jeg ha vært forsiktig så jeg ikke ødela for all den følsomme elektronikken vi har her nede.

Nå pakker jeg sammen laben. Jeg har gjort mindre denne vinteren enn jeg hadde ambisjoner om. Det er slett ikke noe problem å bruke opp tiden, den flyr av seg selv. De som tar en overvintring med håp om å få gjort det de ikke har tid til å holde på med hjemme i Norge tar nok ikke vintersløvheten med i beregninga. Noe av hensikten med å dra ned hit er å koble fullstendig av fra sivilisasjonens mas og da får man heller finne seg i at avkoblingen kan bli noe større enn planlagt.

NILUs aerosolmålinger

Mange av NILU-instrumentene her på Troll brukes til å undersøke aerosoler, det vil si svært små partikler som svever i lufta. Aerosoler spiller en viktig rolle for klimaet på mange områder så det er interessant å kjenne til aerosolsammensetningen i atmosfæren.

Spesielle hendelser, ikke minst fra menneskelig aktivitet, kan føre til typiske aerosolsammensetninger som er gjenkjennelige i målinger gjort på Troll. Sammenlignet med andre kontinenter har Antarktis svært lite lokal forurensing så forekomster av aerosoler som ikke “hører hjemme” her forteller oss derfor om hvordan luftbåren forurensing kan spre seg fra fjerne strøk og hit til Troll.

Vinteren 2007 ble det målt en sterk forekomst av aerosoler med en sammensetning typisk for brent biomasse [1].  Dette kunne ikke stamme fra lokal forurensing, noe som både vindretning og aerosolsammensetning indikerte.  En værsimulering ble kjørt i revers for å undersøke hvilke områder aerosolene kunne komme fra.  Sammen med satellittmålinger viste simuleringene at kilden sannsynligvis var skogbranner i Brazil, 11-12 dager før målingene på Troll.  Dette var første gang det ble påvist langtransport av partikler fra tropiske områder til Antarktis på vinterstid.  Den vanlige oppfatningen er at den  polare vortexen jeg skrev om i innlegget om BAS hindrer partikkeltransport inn på kontinentet vinterstid.

Referanser:

[1] M. Fiebig, C. R. Lunder og A Stohl: Tracing biomass burning aerosol from South America to Troll Research Station, Antarctica, Geophysical Research Letters, Vol. 36, july 2009

DMPS


DMPS-instrument

DMPS (Differential Mobility Particle Sizer) er et instrument som undersøker partiklenes størrelse. Partikler i prøvelufta gis en elektrisk ladning og sendes inn i et kammer med et kraftig elektrisk felt. Feltet fører til at partikkelstrømmen bøyes av. Partiklenes bane gjennom feltet avhenger både av partikkelstørrelse og feltstyrke. Det elektriske feltet kan derfor settes opp slik at bare partikler av en gitt størrelse treffer den lille utgangen av kammeret. Disse utvalgte partiklene sendes deretter videre til en enhet kalt CPC (Condensation Particle Counter). Her vil butanoldamp kondensere på partiklene slik at de kan detekteres og telles av en laser. Ved å variere det elektriske feltet vil man kunne få ut en fordeling av aerosolenes størrelse i prøvelufta.  Denne fordelingen kan brukes til å gjenkjenne kilden.


Fordeling av partikkelstørrelse fra 10nm til 1um, målt av DMPS over to forskjellige “sveip”

Nephelometer


Nephelometer

Nephelometeret er et annet partikkelinstrument som ser på luftens evne til å spre lys.  Prøvelufta sendes inn i et kammer og blir belyst av en lampe.  Tre lyssensorer (rød, grønn og blå) sitter på tvers av strålen fra lampa slik at disse bare fanger opp lyset som har blitt spredd av prøvelufta.  Det er partikler i lufta som sprer lyset.  Partikler med forskjellig størrelse vil spre lys i forskjellige bølgelengder forskjellig.  Tre sensorer gir derfor mulighet til å si noe om partikkelstørrelse i tillegg til mengden partikler.

Sotmeter


Sotmeter

NILU har også et sotmeter som undersøker sotmengden i lufta. Prøveluft presses gjennom et filter hvor sotpartikler fester seg. En lyskilde gjennomlyser filteret, både der prøvelufta har avsatt partikler og et rent område slik at forskjellen i gjennomlysning kan måles. Når sotinnholdet i lufta øker vil filteret bli mørkere og slippe gjennom mindre lys. Dette måles og registreres kontinuerlig.

PFR og himmelkamera


PFR montert på en soltracker

Mens de andre partikkelinstrumentene undersøker aerosoler i prøveluft tatt i stasjonshøyde så er PFR (Precision-Filter-Radiometer) et instrument som ser på partikkelinnhold i høyere lag av atmosfæren. Instrumentet er til enhver tid rettet mot sola og måler solstråling ved fire forskjellige bølgelengder. Solas stråling er noenlunde konstant så målte variasjoner kommer av aerosoler i lufta som sprer og absorberer noe av sollyset.  PFR minner derfor om nephelometeret i virkemåte.  Når aerosolinnholdet i atmosfæren øker vil vi se det direkte som mindre utslag på PFR-målingene. Skyer foran sola påvirker selvsagt resultatet så et himmelkamera tar bilder av hele himmelen hvert tiende minutt. Disse bildene brukes så under tolkningen av data fra PFR-instrumentet.


Himmelkamera og et typisk bilde av himmelen