Многие из нас, особенно те, кто постарше, до сих пор называют электронные компоненты «радиодеталями». Потому что любительская электроника берёт своё начало с первой половины прошлого века, и собирали тогда почти исключительно радиоприёмники и радиограммофоны, то есть проигрыватели грампластинок с ламповым усилителем.
Высшим пилотажем для любителя электроники десятилетиями была постройка супергетеродина, то есть приёмника с преобразованием частоты. Не только потому, что у супергетеродина обычно больше деталей, а главным образом потому, что его гораздо сложнее настроить.
Сегодня я расскажу, как собрать супергетеродин, как его настроить, и что такое преобразование частоты. Познакомимся с историей радио и изучим схемы.
Со второго десятилетия XXI века и до сегодняшнего дня путь в электронику большинства любителей-энтузиастов начинается с платформ для разработки на микроконтроллерах наподобие Ардуино и одноплатных компьютеров.
В защиту «ардуинщиков»
Помигать светодиодом, вывести надпись "Привет, мир!" на экран, а затем управлять всем этим со смартфона — это действительно перспективно и актуально в наш век интернета вещей и умных домов.
Ардуино воспитало целое поколение, способное создать сложный аппаратно-программный комплекс, умеющее трассировать многослойные высокочастотные платы и паять BGA, владеющее микроконтроллерами на уровне и библиотек, и регистров. Но при этом они могут не знають, что такое операционный усилитель и RC-цепочка, и что у транзистора есть режимы работы кроме «включено-выключено».
На самом деле, это хорошо, несмотря на ворчание представителей «старой школы». И от любителя, и от профессионала требуются не энциклопедические знания, а результат в виде работающего устройства и его цифровой связи с внешним миром. Для этого нужно осваивать не столько знания, сколько умение находить нужные знания. И иметь вдохновляющий опыт успешных электронных проектов.
Эволюция радиоприёмников
А в прошлом веке путь в электронику чаще всего начинался с аналогового устройства, а именно радиоприёмника. Повсюду работали средневолновые и длинноволновые АМ радиостанции. Сигналы мощных и близких станций можно было принимать на простейший детекторный приёмник.
Это не сварочный реостат, а радиоприёмник Gillete Marvel. Фото с Ebay
В англоязычной литературе он называется «Crystal radio», от слова «кристалл», потому что в начале XX века привычные нам готовые высокочастотные точечные диоды в магазинах не продавались.
Говорящие камни
В качестве детекторного диода использовался кристалл галенита (сульфида свинца) или иного кристаллического минерала (например, сульфида кадмия или железа), закрепленный в металлической оправке. Поверхности кристалла касалась тонкая проволочка — «кошачий ус» («cat whisker»).
Типичный кристаллический детектор. Фото из Википедии
На поверхности кристалла нужно было найти точку, которая работала лучше всего, и установить оптимальную силу прижима. Также существовали детекторы на кристалле карборунда (карбида кремния), где вместо проволоки использовался подпружиненный плоский контакт.
Фиксированный карборундовый детектор 1924 года. Фото с сайта Museums Victoria, экспонат ST 15918
В отличие от галенита, карборунд очень прочный. Тонкой проволоки не требовалось, можно было смело давить пружиной, потому на его основе получалось создавать фиксированные детекторы — прообразы современных серийных диодов.
Окопное радио
В качестве полупроводника для детектора можно использовать не только кристаллы минералов, но и оксидную плёнку на поверхности лезвия безопасной бритвы. Получался диод Шоттки. На таком принципе в годы Второй мировой войны было изобретено «окопное радио», оно же "foxhole radio" или «blue Gillette radio».
«Окопное радио» с сайта techlib.com/area_50
Вместо «кошачьего уса» использовалась английская булавка, грифель карандаша или угольный стержень из элемента Лекланше, то есть марганцево-цинковой солевой батарейки.
Схема окопного радио из Википедии
Слева мы видим схему с батарейкой для карманного фонаря. Можно предположить, что она была нужна в качестве источника смещения, так как в этом варианте оба электрода детектора являются графитовыми, то есть он представляет собой два встречно включенных диода Шоттки.
Кристадинный эффект Олега Лосева
Напряжение смещения пробивало один из этих диодов, чтобы второй мог работать детектором. Возможно, имело место усиление по току, так как конструкция из лезвия и угольных стержней может иметь участок вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. То есть работать как туннельный диод.
Этот кристадинный эффект впервые наблюдали в первом десятилетии XX века ассистент Гульельмо Маркони и автор термина «диод» Уильям Экклз, а также Гринлиф Пиккард, ассистент Дэвида Юза, являющегося изобретателем «микрофонного детектора» на основе угольных дисков и стальных иголок, то есть прототипа окопного радио.
Первопроходцем практического применения кристадинного эффекта является Олег Владимирович Лосев, автор первого в мире патента на «световое реле» (прототип светодиода).
Фотопортрет Олега Лосева
Колебательный контур
Для настройки на несущую частоту нужной радиостанции в детекторном приёмнике применяется колебательный контур, состоящий из ёмкости и индуктивности. В качестве перестраиваемого элемента в современных приёмниках используется КПЕ — конденсатор переменной ёмкости.
Но КПЕ — технически сложное изделие, которое трудно изготовить. Потому многие ранние радиоприёмники использовали ползунки, как у реостатов, и вариометры — катушки переменной индуктивности с подвижными секциями.
Радиоприёмник Kleer-Tone model 100. Фото с Ebay
Кроме монументальных конструкций из дерева и металла, были и картонные коробочки, где вариометр представлял собой моток проволоки, скрепленный скобой с одной стороны. Этот моток следовало листать как книгу, добиваясь нужной индуктивности и, соответственно, нужной частоты. Просто, дёшево и эффективно.
Spencer «Pocket» radio. Фото с Ebay
В некоторых схемах и конструкциях мы не видим контурного конденсатора. Там его функции выполняет межвитковая ёмкость катушки.
Амплитудный детектор огибающей
Детектор пропускает электрический ток лишь в одном направлении. Таким образом, вместо модулированных синусоидальных колебаний высокой частоты получается сигнал огибающей, модулированный несущей частотой.
Схема детекторного радиоприёмника
Конденсатор C2 интегрирует колебания после детектора, и получается сигнал низкой частоты, которым был модулирован исходный сигнал. Этот интегрирующий конденсатор является важной деталью приёмника, потому что именно он преобразует высокочастотную энергию в низкочастотную.
При отсутствии C2 функцию интегратора будет выполнять катушка головного телефона, стальной сердечник которой не предназначен для высокой частоты, плюс дополнительно подмагничен постоянным магнитом, чтобы удерживать ферромагнитную мембрану. Энергию высокочастотных колебаний этот сердечник преобразует просто в тепло.
Устройство высокоомного телефонного капсюля ТОН-2
Потому детекторные приёмники без интегрирующего конденсатора звучат тише. Его суть не в регулировке тембра, а в преобразовании энергии.
Радиоприёмник прямого усиления
Однако для осуществления громкоговорящего приёма даже близкой мощной радиостанции (если она не в соседнем доме) сигнал после детектора нужно усилить. А чтобы поймать сигнал далекой станции, усиливать нужно высокую частоту до детектора.
Получится радиоприёмник прямого усиления (tuned radio frequency receiver, или TRF receiver). И у него есть большой недостаток.
Усиливать нужно не всю смесь высокочастотных сигналов, приходящих с антенны, а только сигнал несущей частоты нужной нам радиостанции. Если мы просто повысим коэффициент усиления радиочастоты, то в громкоговорителе услышим не только нужную радиостанцию, но и несколько соседних. Особенно плохо, если их сигналы сильнее того, что мы хотим слушать.
Одного колебательного контура для обеспечения нужной избирательности (селективности) становится недостаточно. Потому появились двухконтурные, трехконтурные и даже пятиконтурные приёмники. Иными словами, с полосовым LC-фильтром в каждом каскаде усиления высокой частоты (УВЧ).
Внутренности радиоприёмника Leutz Transoceanic «Phantom», 1927. Википедия
Каждый из контуров необходимо точно настроить на нужную частоту. Потому требуется либо использовать многосекционный КПЕ (или несколько механически связанных КПЕ) и позаботиться о стабильной идентичности ёмкостей и индуктивностей каждого контура, либо предусмотреть для каждого КПЕ отдельную ручку и превратить настройку приёмника в экстремальный спорт.
Настройка трёхконтурного приёмника Grebe Synchrophase, 1925. Википедия
Благодаря колёсикам вместо обычных ручек настройки, которые нужно обхватывать пальцами, можно одновременно настраивать три контура двумя руками.
Супергетеродин
А можно обойтись двухсекционным переменным конденсатором, если одна его секция настраивает входной контур, а другая — контур специального генератора, называемого гетеродином.
Структурная схема супергетеродинного радиоприёмника. Википедия
Сигналы усилителя радиочастоты (УРЧ, то же самое, что УВЧ) и гетеродина смешиваются особым двухвходовым усилителем, называемым смесителем или преобразователем. На выходе преобразователя образуются сигналы с частотами, равными сумме и разности входной частоты с УРЧ и частоты гетеродина.
Далее сигнал проходит через усилитель промежуточной частоты (УПЧ), который может иметь сколько угодно каскадов, контуров и фильтров, в том числе кварцевых и керамических.
В вещательных радиоприёмниках амплитудной модуляции (АМ) промежуточную частоту делают между верхней границей длинноволнового (ДВ) диапазона и нижней границей диапазона средних волн (СВ). Обычно это 455 или 465 кГц.
Входной контур является полосовым фильтром, выделяющим относительно широкую полосу частот с центром на частоте сигнала нужной станции. Дальше эта полоса проходит через смеситель, и УПЧ усиливает сигнал, причём практически только промежуточной частоты.
Разумеется, гетеродинный и входной контуры настроены так, чтобы ручка настройки перенастраивала их синхронно, и разность их резонансных частот точно равнялась промежуточной частоте на всём диапазоне.
А после УПЧ идёт амплитудный детектор огибающей, то есть выпрямитель с интегратором, и затем усилитель звуковой (низкой) частоты — УЗЧ, он же УНЧ. Совсем как в приёмнике прямого усиления.
Таким образом получаем очень чувствительный и избирательный радиоприёмник. Но его нужно суметь настроить. Это и есть самое интересное и сложное в создании супергетеродина. Так называется тот тип радиоприёмников, блок-схему которого мы сейчас рассмотрели.
Первый серийный транзисторный супергетеродин
Мне нравится изучать историю схемотехники. Кто, где, когда, в каком устройстве впервые применил данную схему? Какая была конструкция? Чем мотивированы именно такие технические решения?
В начале 1954 года компания Texas Instruments производила в основном компоненты оборудования для нефтедобывающей индустрии и задумалась о расширении рынка сбыта своей продукции.
Нужно было продемонстрировать возможности транзисторов в массовой аппаратуре. А что может быть более массовым и более впечатляющим в 1954 году, чем карманный радиоприёмник?
Regency TR-1. Википедия
Корпус Regency TR-1, а именно так назвали первый в мире серийный «транзистор», получился очень красивым. Настолько красивым, что стал классикой корпусов карманных приёмников на десятилетия.
Заставка чешского мультфильма «Крот и транзистор», 1968 год
Чувствительность и избирательность уступали ламповым конкурентам, которые, ко всему прочему, и стоили дешевле, даже переносные. Зато они были больше и тяжелее, требовали дорогих комплектов анодных и накальных батарей, которых хватало не более, чем на 5 часов.
Высоковольтная «Крона»
В то же время компактной батарейки Energizer № 412, она же NEDA 215, хватало малышу Regency на 20-30 часов работы.
Батарейка Energizer № 412. Википедия
Это не 9-вольтовая «крона», а карманная сухая батарейка напряжением 22.5 вольт. Такое высокое напряжение питания требовалось для того, чтобы заставить несовершенные германиевые транзисторы работать на высоких частотах.
Но даже с такой батарейкой транзисторы приходилось подбирать вручную. И промежуточную частоту пришлось установить низкую, 262 кГц.
Высокая цена Regency TR-1 еле покрывала себестоимость. Но основной проблемой продукта было не всё вышеперечисленное, а, как ни странно, музыкальные пристрастия публики.
В 1950-х годах состоятельные американцы слушали джаз, а он требует хорошего (по тем временам читать — большого) громкоговорителя и хорошего УНЧ. А «динамик» TR-1 был маленьким и несовершенным. К тому же разработчикам пришлось сократить число транзисторов с 6 до 4, и УНЧ получился просто каскадом с общим эмиттером, нагруженным на первичную обмотку выходного трансформатора.
Прошло всего несколько лет, и первые строчки музыкальных чартов надолго занял рок-н-ролл. А это, в отличие от джаза, стиль, где основная музыкальная информация и красота передаётся на средних и средне-высоких частотах аудиодиапазона.
Как раз эти частоты прекрасно передают маленькие дешёвые громкоговорители. Потому настал бум карманных радиоприёмников. К тому времени технологии производства транзисторов успели весьма усовершенствоваться, что позволило обходиться 9 вольтами питания вместо 22.5, применять в схеме больше транзисторов и при этом снизить цену продукта.
Regency TR-1 просто опередил время, появился на свет раньше, чем возник высокий спрос.
Транзисторные супергетеродины тогда и сейчас
Схема приёмника Regency TR-1 из патента US2892931
Транзистор Q1 совмещает целых 3 функции: УРЧ, гетеродина и смесителя. Коллекторной нагрузкой Q1 являются катушка связи гетеродинного контура (то есть это генератор Армстронга) и первый фильтр промежуточной частоты (ФПЧ).
Резистор 2.2 кОм не относится к коллекторной нагрузке, а выполняет функции термостабилизации путём ограничения коллекторного тока. Это видно из наличия конденсатора 1000 пФ, шунтирующего резистор по высокой частоте. А резистор 470 кОм задаёт ток смещения базы.
Далее имеем два одинаковых каскада УПЧ. RC-цепочки в верхней части схемы называются нейтродинными, и служат для подавления паразитной миллеровой ёмкости транзистора. Номинал конденсатора на схеме не обозначен, потому что он подбирался для конкретного экземпляра транзистора и находился в пределах 100-200 пФ.
С выхода УПЧ сигнал поступает на диодный детектор, к выходу которого подключены не один, а целых два RC-интегратора, они же ФНЧ — фильтры нижних частот.
После фильтра, состоящего из конденсатора 20000 пФ и регулятора громкости, пульсирующее отрицательное напряжение звуковой частоты поступает через конденсатор 2 мкФ на базу Q4 — УЗЧ. Там оно получает смещение благодаря резисторам на делителях 33 кОм и 3.9 кОм, и получается уже нормальный аудиосигнал.
Автоматическая регулировка усиления
Так же это напряжение проходит далее, через интегратор на резисторе 2.2 кОм и конденсаторе 40 мкФ, где превращается в сигнал огибающей, который противодействует положительному смещению с источника питания через резистор 100 кОм и вторичную обмотку первого фильтра ПЧ на базу Q2.
Таким образом, чем сильнее сигнал, тем выше амплитуда сигнала на выходе детектора, и тем ниже ток смещения базы Q2. Соответственно, снизится усиление первого каскада УПЧ.
Получается автоматическая регулировка усиления — АРУ, позволяющая настраивать радиоприёмник на сигнал как сильных, так и слабых станций без необходимости подстраивать усиление промежуточных каскадов.
Современный шеститранзисторный супергетеродин
Теперь посмотрим на схему радиоприёмника HX-6B из набора с Алиэкспресс. Прошло почти 70 лет, а изменений в схеме не так уж и много.
Схема радиоконструктора HX-6B
Совмещённый преобразователь, он же гетеродин-смеситель на одном транзисторе Q1 такой же, как в Regency TR-1. Разве что катушка связи антенного контура теперь включена последовательно со смещением базы, соответственно, разделительный конденсатор C1 перекочевал на другой конец этой обмотки.
Контурные катушки фильтра ПЧ получили отвод от середины для наилучшего согласования сопротивлений. Благодаря гораздо более совершенным высокочастотным транзисторам с прекрасной повторяемостью и стабильностью параметров необходимость в антимиллеровских нейтродинных RC-цепочках отпала. Коллекторный резистор теперь не нужен. А для питания схемы стало достаточно 3 вольт вместо 22.5 у TR-1 и 9 вольт у более поздних «"транзисторов».
УПЧ в китайском приёмнике однокаскадный, о чём можно догадаться по числу катушек фильтра. Транзистор T4 выполняет функцию эмиттерного детектора. А к его коллектору подключен интегратор, формирующий напряжение огибающей для АРУ.
УМЗЧ тут на трёх транзисторах, двухтактный, с трансформаторным фазоинвертором и без выходного трансформатора. Последнее считаю недостатком схемы.
Трансформаторный выходной каскад значительно повысил бы громкость и качество звучания такого убогого громкговорителя, которым укомплектован набор. Но для него не нашлось места на плате, габариты которой обусловлены корпусом.
Видимо, потому что корпус изначально предназначался для другого двухдиапазонного радиоконструктора, который я тоже скоро соберу. И один каскад УПЧ там, где напрашиваются два, скорее всего, тоже по этой причине.
Настройка супергетеродина
И теперь самое интересное. Как настроить такую сложную систему из транзисторов и резонансных контуров?
Настройка супергетеродина начинается с режимов транзисторов по постоянному току. На схеме мы видим 4 разрыва, обозначенные буквами от A до D.
Рядом с ними указано, какой ток должен протекать через этот проводник при отсутствии входного сигнала. Правильная сила тока обеспечивает отсутствие искажений и экономию заряда батареи.
На плате контрольные точки представляют собой посадочные места, каждое из которых следует закоротить каплей припоя для нормальной работы приёмника, либо убрать эту каплю и подключить миллиамперметр.
Перемычки на плате HX-6B
Настройка режимов транзисторов производится подбором сопротивлений резисторов смещения базы. Учитывая высокую точность современных компонентов, сегодня эта процедура необязательна и интересна лишь в учебно-исследовательских целях. Зато настроить все колебательные контуры для работы супергетеродина необходимо обязательно.
Хотя открою маленький секрет: в китайских радиоконструкторах все контуры чаще всего предварительно настроены, и обычно достаточно просто найти правильное положение катушек на стержне магнитной антенны, после чего закрепить катушки каплями парафина из хозяйственной свечки.
Желающему построить АМ радиоприёмник следует понимать, что средневолновых станций сегодня очень мало, а наилучшее прохождение радиоволн этого диапазона наблюдается вечером и ночью.
Конструкции помещений мешают радиоприёму, потому на открытом воздухе больше шансов услышать СВ радиостанцию. Но даже уютной летней ночью в деревне или саду велика вероятность того, что ваша самоделка, особенно такая, с однокаскадным УПЧ, ничего не поймает.
Вас выручит микромощный СВ АМ передатчик, например, собранный из конструктора AMT-MW207.
Частоту передатчика можно измерить осциллографом или мультиметром, имеющим режим частотомера, и таким образом проградуировать передатчик.
При помощи частотомера настраиваем контуры ПЧ от первого до последнего на частоту 465 кГц.
С помощью передатчика настраиваем границы диапазона и адекватность шкалы переменного конденсатора. Грубая настройка осуществляется перемещением катушки магнитной антенны, точная — подстроечным конденсатором Са на корпусе КПЕ.
И наконец, добиваемся сопряжения антенного и гетеродинного контуров по всему диапазону с помощью сердечника Т2 и подстроечного конденсатора Св. Тут частотомер уже не нужен, ориентируемся по громкости и чистоте звука.
Поздравляю, мы настроили наш супергетеродин! Как видим, это совсем не сложно, если есть частотомер и мощный сигнал радиостанции.
Но во времена расцвета СВ радиостанций у юных любителей электроники частотомера чаще всего не было. В лучшем случае у них был самодельный пробник-генератор, позволявший настроить в резонанс контуры ПЧ.
А потом методом итераций, проб и ошибок сопрягать антенный контур с гетеродинным по сигналу радиостанции. Не у всех это получалось, особенно с учётом низкого качества тогдашних радиодеталей, тем более откуда-то выпаянных, и возможности легко вывести из строя германиевый транзистор, перегрев его слишком мощным или слишком слабым паяльником.
Ведь слабым паяльником приходится нагревать место пайки дольше, оттого выше шанс перегреть полупроводниковый компонент. Выводы и монтажную фурнитуру приходилось зачищать, лудить. Плохо зачищенная или облуженная поверхность также приводила к более долгому нагреву при пайке.
В общем, электроника минувших лет вполне могла привести начинающего любителя к разочарованию и неверию в свои силы, в отличие от доступных современных радиоконструкторов, авторы которых сделали всё для того, чтобы создать ситуацию успеха.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
