Сегодня я расскажу про сборку и наладку довольно продвинутого и мощного средневолнового радиопередатчика, способного оживить винтажные приёмники в радиусе не только угла комнаты, но и целой квартиры, загородного дома или даже приусадебного участка.
Главное — не переборщить. Если в вашем регионе не слышно средневолновых радиостанций, то это не значит, что данный частотный диапазон можно засорять. К счастью, радиоконструктор предусматривает ограничение мощности передачи.
А если у вас есть радиолюбительская лицензия не ниже третьей категории, открывающая «джентльменский» 160-метровый диапазон, то можно перенастроить передатчик и попробовать связаться с коллегами на мощности 400 милливатт (не путать с киловаттами).
Начнём со схемы
Схема радиопередатчика содержит четыре транзистора структуры N-P-N, одну интегральную микросхему, один универсальный импульсный диод 1N4148 и один светодиод, задействованный в качестве индикатора включения.
Схема из инструкции по сборке передатчика
На что способен обычный светодиод?
Как мы помним из текста про гениальные схемотехнические решения однотранзисторного рефлексного регенератора, который смог принять сигнал китайской радиостанции, светодиод может служить не только индикатором, но и стабистором — стабилитроном, работающим в режиме прямого смещения, а не зенеровского пробоя P-N перехода.
Вариант схемы приёмника «My little radio» на одном кремниевом транзисторе
Именно благодаря стабилизации тока смещения базы транзистора BG, достигаемой посредством постоянства напряжения на аноде светодиода D1, этот карманный радиоприёмник не нуждается в ручке управления регенерацией и может быть однократно настроен на максимальную чувствительность во время наладки.
А если амплитуда сигнала радиостанции в колебательном контуре магнитной антенны L1С1 чрезмерно велика, то коэффициент передачи нашего рефлексного транзисторного каскада будет снижен благодаря схемотехническому узлу АРУ — автоматической регулировки усиления. Для этого электролитический конденсатор С4 выполняет функции интегратора детектора огибающей аудиосигнала.
Получается, что амплитудное детектирование в этой маленькой простой схеме происходит дважды. Точнее, выпрямленное удвоителем напряжение дважды интегрируется с разными постоянными времени.
Сигнал звуковой частоты отправляется на высокоомный головной телефон, а постоянное (или медленно изменяющееся с частотой ниже звукового диапазона) напряжение, пропорциональное амплитуде, поступает в цепь смещения базы транзистора.
В отличие от «моего маленького радио», схема сегодняшнего передатчика основана на совсем другой философии. Здесь каждый компонент выполняет одну функцию, и эта функция самая что ни на есть стандартная, за одним единственным исключением.
Интегральный УМЗЧ TA7638P
Речь идёт о микросхеме TA7638P, которая разработана в лабораториях замечательной компании Toshiba.
На схеме средневолнового супергетеродина с пьезокерамическим фильтром промежуточной частоты этот интегральный усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) используется в соответствии со своим изначальным предназначением — для вывода звука на миниатюрный громкоговоритель.
Схема простого супергетеродина с пьезокерамическим ФПЧ. Aliexpress
А в нашем радиопередатчике данная винтажная микросхема с однорядным корпусом SIP9-P-2.54A выполняет функцию предусилителя для амплитудного модулятора.
Микросхема представляет собой операционный усилитель с двухтактным выходным каскадом на биполярных транзисторах структуры N-P-N.
Блок-схема интегрального усилителя TA7368 из справочного листка от Toshiba
Для защиты предусилителя от помех по линии питания предусмотрен фильтр пульсаций (RIPPLE FILTER), между выходом которого и общим проводом следует подключить электролитический конденсатор. Это повысит степень подавления пульсаций питающего напряжения с -25 до -45 децибел.
«Чистая» земля предусилителя выведена на отдельную ножку микросхемы, тогда как «грязная» силовая земля — на другую ножку. Вывод PHASE предназначен для подключения цепи внешней фазовой компенсации и не используется ни в одном из известных мне практических решений, содержащих микросхемы TA7368 или CD7368.
Инвертирующий вход предусилителя соединён с выходом усилителя мощности через резистор сопротивлением 10 килоом. Чтобы получить максимальный коэффициент передачи по напряжению, задаваемый внутренним резистивным делителем отрицательной обратной связи (NF, negative feedback) на уровне +40 децибел, необходимо соединить соответствующий вывод микросхемы с землёй через конденсатор.
+40 децибел означает усиление входного сигнала в 100 раз. Настолько большое усиление требуется далеко не всегда. Резистор последовательно с конденсатором позволяет задать нужный коэффициент передачи, а если воспользоваться переменным резистором, то получится регулятор громкости.
Схема петли отрицательной обратной связи TA7368 из справочного листка от Toshiba
Однако в таком случае громкость будет регулироваться не от нуля. Если разорвать цепь нижнего плеча делителя отрицательной обратной связи, то получится единичное усиление. Иными словами, микросхема будет действовать как повторитель напряжения.
Благодаря выведенному наружу инвертирующему входу предусилителя, можно не только регулировать коэффициент передачи и корректировать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) аудиотракта, но и осуществить, например, расширение стереобазы без необходимости применения дополнительных микросхем и транзисторов.
Дифференциальные каскады
А в стандартном включении можно обойтись даже без разделительного конденсатора по неинвертирующему входу, так как последний имеет внутреннюю подтяжку к земле резистором R1 сопротивлением 27 килоом.
Эквивалентная схема входного каскада микросхемы TA7368 из справочного листка от Toshiba
Это стало возможным благодаря эмиттерному повторителю на транзисторе Q1, подсоединённому перед входной дифференциальной парой Q2Q3, а также благодаря тому, что все эти три транзистора имеют структуру P-N-P.
В микросхеме UTC7642, на которой мы собирали простой средневолновый приёмник прямого усиления, на входе также используется дифференциальный каскад T2T3, которому предшествует эмиттерный повторитель на транзисторе T1.
Эквивалентная схема из справочного листка UTC7642 от Unisonic Technologies
Однако здесь все транзисторы имеют N-P-N структуру. Для нормальной работы такого входного каскада необходима подтяжка не к минусу, а к плюсу.
В нашем приёмнике эту подтяжку обеспечивает резистор R1, причём он соединён не с плюсом питания, а с выходом детектора, благодаря чему осуществляется автоматическая регулировка усиления.
Схема радиоприёмника прямого усиления на одной микросхеме и двух транзисторах
Ёмкостный трёхточечный генератор Колпитца моего старого средневолнового радиопередатчика AMT-MW207 также построен на основе дифференциальной пары, состоящей из двух транзисторов BG1 и BG2.
Принципиальная схема амплитудного модулятора AMT-MW207
Так как передатчик AMT-MW207 является комнатным, оконечного усилителя высокой частоты (УВЧ) не предусмотрено. Контурная катушка генератора Колпитца L1 намотана прямо на сердечнике передающей магнитной антенны из ферритовой керамики.
Фото радиопередатчика AMT-MW207 v. 1.2r-7 в сборе
Паразитные гармоники и их подавление
Качество звучания AMT-MW207 получается весьма неплохим, однако если присмотреться, то на экране осциллографа можно заметить некоторую вертикальную асимметрию формы передаваемой волны при отсутствии входного сигнала.
Слегка вытянутая верхняя полуволна и сплюснутая нижняя (или наоборот) свидетельствуют о присутствии в спектре синусоидального сигнала второй гармоники основной частоты.
Для комнатного модулятора это некритично, но сколько-нибудь мощный передатчик с таким выходным сигналом будет засорять эфир гармониками, в том числе выходящими за пределы частотного диапазона. В большинстве случаев это недопустимо.
В отличие от AMT-MW207, наша сегодняшняя конструкция имеет многие функциональные узлы, свойственные «взрослым» радиопередатчикам.
В частности, катушки индуктивности L2 и L3 вместе с конденсаторами С26 и С27 образуют пассивный фильтр нижних частот (ФНЧ) второго порядка, не пропускающий в передающую антенну ANT верхних гармоник выходного сигнала.
Граничная частота данного выходного фильтра равняется 7 мегагерцам, входное сопротивление — 50 омам, а выходное — 68 омам.
Радиоконструктор комплектуется 26-витковыми катушками L2 и L3, настроенными на одинаковое значение индуктивности, равное 8.3 микрогенри.
Для получения максимальной мощности передачи сердечник L2 следует подстроить при помощи немагнитной отвёртки, контролируя дальность связи и осциллограмму выходного сигнала, а при наличии продвинутого осциллографа или спектроанализатора — также и спектр сигнала на выходе передатчика.
Изначально данный набор разрабатывался для ежегодных китайских конкурсов юных радистов, чтобы старшеклассники и студенты профессионально-технических училищ могли соревноваться в дальности радиосвязи с применением самодельного оборудования, а также организовать беспроводное вещание на территории летнего лагеря.
Для такого случая, когда имеется и разрешение, и чуткое руководство опытных старших коллег, имеет смысл «раскачать» передатчик на полную. Но если мы всего лишь проверяем самодельные приёмники в радиусе одной-двух комнат, то имеет смысл оставить настройку сердечника катушки L2 как она есть с завода.
Генератор Армстронга
Задающий генератор несущей частоты нашего радиопередатчика собран на транзисторе Q1. Здесь мы имеем каскад с общей базой, заземлённой по переменному току конденсатором С18.
Несущая частота вещания задаётся колебательным контуром, перестраиваемым при помощи конденсатора переменной ёмкости CV. Отвод контурной катушки через резистор R10 и конденсатор С19 соединён с эмиттером транзистора, то есть входом усилительного каскада. А коллекторной нагрузкой Q1 cлужит катушка связи.
Это значит, что перед нами классическая топология генератора Армстронга — первого в истории человечества генератора незатухающих гармонических колебаний на основе электронного усилителя.
Эдвин Армстронг демонстрирует регенеративный приёмник участникам Американского радиоклуба. 1922 год
До Эдвина Армстронга генераторы радиочастоты уже существовали, но были электромашинными либо использовали ударное возбуждение колебаний. В результате выходной сигнал радиостанции был модулирован функцией затухания колебаний в контуре.
А генератор Армстронга стал не только прекрасным радиопередатчиком, но и… отличным радиоприёмником! Регенератор, сверхрегенератор и впоследствии супергетеродин изобрёл тоже он — выдающийся американский радиотехник Эдвин Армстронг.
Если отрегулировать положительную обратную связь (ПОС) генератора гармонических колебаний так, чтобы она оказалась недостаточной для их поддержания в незатухающем состоянии, то эффективная добротность колебательного контура станет очень высокой, что позволяет получить прекрасную избирательность и высокий коэффициент усиления.
Именно поэтому характеристики однотранзисторного приёмника из конструктора «My little radio» сравнимы с супергетеродинами на четырёх-пяти транзисторах, не считая аудиотракта, и даже с довольно продвинутыми вариантами на специализированных микросхемах, снабжёнными высокодобротными пьезокерамическими фильтрами промежуточной частоты.
А если ПОС настроена так, что радиочастотный тракт находится на грани генерации, которая буквально запускается входным сигналом с антенны, то получается сверхрегенератор — вещь капризная, но позволяющая достигать рекордной дальности радиосвязи.
Подстройку верхней границы частотного диапазона, перекрываемого поворотом ручки переменного конденсатора CV, предлагается осуществлять с помощью встроенного в последний подстроечного конденсатора.
Нижняя граница диапазона настраивается сердечником экранированной контурной катушки B1. Диапазон несущих частот передатчика должен составлять 530-1600 килогерц, причём максимальная эффективность радиопередачи достигается в верхней половине этого диапазона — от 1 до 1.6 мегагерца.
Стабилизация режима транзистора
Для получения устойчивой генерации и максимально приближённой к идеальной синусоиде формы колебаний следует обеспечить правильный режим работы транзистора Q1. Иначе мы рискуем получить на выходе генератора Армстронга совсем не то, чего хотелось бы. Например, вот осциллограмма моего опыта с ёмкостной трёхточкой.
Искажение формы колебаний в генераторе Колпитца
Как вы думаете, зачем в схеме генератора несущей частоты нашего передатчика нужен резистор R8?
В супергетеродине из радиоконструктора HX-6B мы видим такой же генератор Армстронга на таком же транзисторе 9018 под обозначением VT1. И этот каскад с общей базой прекрасно обходится одним единственным резистором смещения R1.
Схема приёмника HX-6B
Дело в том, что режим работы транзистора находится в зависимости от температуры и напряжения питания. В случае сравнительно некритичного узла, такого как каскад предварительного усиления высокой частоты на транзисторе Q2, можно стабилизировать режим посредством эмиттерного резистора автосмещения R12.
Допустим, что коэффициент передачи тока транзистора S9018 равен 100, а напряжение база-эмиттер составляет 0.7 вольта. Тогда для напряжения питания 9 В и коллекторного тока 11 мА получаются следующие параметры:
- падение напряжения на резисторе R12 11 мА * 10 Ом = 110 мВ;
- напряжение на базе Q2 0.7 + 0.11 = 0.81 В;
- напряжение на R11 9 — 0.81 = 8.19 В;
- ток базы Q2 11 мА / 100 = 110 мкА;
- сопротивление R11 8.19 В / 110 мкА = 74.4 кОм.
Чтобы достичь наилучшей стабилизации режима транзисторного каскада, нужно уменьшить влияние тока базы на ток через резистор смещения базы. Но как это осуществить, если ток базы и ток через резистор один и тот же?
Для этого нужно просто добавить ещё один резистор между базой и землёй. В «обвязке» транзистора Q1 именно так и сделано.
Ток через R7 равняется сумме тока базы Q1 и тока через R8. Отношение тока базы к току верхнего резистора называется коэффициентом стабилизации тока. Выберем для этого коэффициента значение 25.
Тогда для коллекторного тока 2 мА и сопротивления резистора в эмиттерной цепи R9 2 кОм получается следующее:
- напряжение на R9 2 мА * 2 кОм = 4 В;
- напряжение на R8 4 + 0.7 = 4.7 В;
- напряжение на R7 9 — 4.7 = 4.3 B;
- ток базы Q1 2 мА / 100 = 20 мкА;
- ток через R7 20 мкА * 25 = 0.5 мА;
- сопротивление R7 4.3 B / 0.5 мА = 8.6 кОм;
- ток через R8 0.5 — 0.02 = 0.48 мА;
- сопротивление R8 4.7 В / 0.48 мА = 9.8 кОм.
Благодаря такой стабилизации, в диапазоне питающих напряжений от 5 до 9 В генератор несущей частоты выдаёт вполне достойную синусоиду. Однако далее творится нечто неожиданное и, на первый взгляд, ужасное.
Потусторонние сигналы
Наверное, это какая-то ошибка монтажа или неисправный компонент. На коллекторе Q4 мы видим типичный «звон» — затухающие переходные процессы, характерные для ударного возбуждения колебательного контура с низкой добротностью.
Осциллограмма сигнала на коллекторе Q4
И модуляция тут ни при чём: входного сигнала нет. Однако если его включить, то звучание в громкоговорителе приёмника получается адекватное. И на антенном выходе синусоида, как ни странно, довольно красивая.
Осциллограмма сигнала на J3
Так откуда берутся эти странные искажения сигнала и куда исчезают? То, что происходит в транзисторе Q4, как будто совсем из другого устройства. Или другого мира?
На данном этапе проекта можно поверить в басни про страшные тайны Николы Теслы, радиантную энергию с торсионными полями и посвятить остаток жизни разработке приборов со сверхъединичным КПД, отвлекаясь только на поиски тяжёлой красной субстанции, не отражающейся в зеркале, отталкивающейся от чеснока, притягивающей золото и как-то связанной с шаровыми молниями. (Согласно убеждениям любителей альтернативной физики и истории, это необходимый ингредиент вечных двигателей и прочих невозможных устройств).
Усилитель класса C
На самом деле наш осциллограф отобразил не сигналы из неведомого измерения, а всего-навсего адекватную работу усилителя класса С. Именно такие усилители высокой частоты применяются в настоящих, больших, взрослых радиостанциях.
Наверное, все вы знаете про усилители класса D — так называемые «цифровые». Теперь давайте вспомним, что всегда стоит на выходе такого усилителя.
Совершенно верно, катушка индуктивности. Точнее, фильтр нижних частот. А ещё точнее — силовой интегратор, потому что именно в этой индуктивности происходит преобразование энергии высокочастотных импульсов в аудиосигнал.
То есть усилитель класса D — это по сути импульсный блок питания, только он не стабилизирует напряжение на выходе, а изменяет его, создавая усиленную копию входного сигнала.
Так вот, наш выходной фильтр второго порядка не только отсекает ненужные гармоники и согласует сопротивления выходного каскада и антенны, но и преобразует мощность.
А оконечный усилитель здесь не класса D, и не двухтактный класса AB: Q3 не усиливает радиочастоту, а служит амплитудным модулятором. Зато на транзисторе Q4 собран оконечный усилитель, и работает он в классе C.
Откуда берётся смещение базы транзистора Q4? Его просто нет. Есть защитный диод D2, срезающий отрицательную полуволну входного сигнала, что предохраняет эмиттерный переход от пробоя обратным смещением.
В отсутствие входного сигнала транзистор закрыт, и открывается он только тогда, когда мгновенное значение напряжения положительной полуволны достигнет напряжения база-эмиттер.
Дроссель L1 служит коллекторной нагрузкой этого УВЧ, а питается последний от ИТУН — источника тока, управляемого напряжением, представляющего собой эмиттерный повторитель на транзисторе Q3 с токозадающим шунтом R15.
Ток покоя ИТУН при отсутствии входного аудиосигнала регулируется подстроечным резистором SW3 в цепи базы Q3. Этот ток подлежит настройке при согласовании передатчика с антенной: следует добиться как можно более красивой синусоиды на J3.
Глубина модуляции и громкость входного аудиосигнала регулируются 50-килоомным переменными резисторами SW4 и SW1-R.
В итоге на коллекторе Q4 возникают усиленные положительные полуволны несущей частоты, модулированные звуковой частотой. А выходной ФНЧ отсекает лишние гармоники, и остаётся модулированный синусоидальный радиосигнал.
Ограничение мощности
Чтобы не создавать радиопомех, существует целый ряд способов снижения мощности передачи, а именно:
- заводское положение сердечника L2;
- вещание в нижней половине частотного диапазона;
- снижение напряжения питания;
- применение более короткой антенны;
- регулировка мощности подстроечным резистором SW2.
Результаты и выводы
В качестве источника питания я использую батарею из четырёх элементов «пальчикового» типоразмера AA, а в качестве передающей антенны — отрезок провода, намотанный на горизонтально расположенную картонную гильзу от рулона нетканых одноразовых салфеток.
Даже при таком низком напряжении питания и несоответствии характеристик антенны длине волны наблюдается уверенный приём на расстоянии нескольких метров, в том числе через стены.
Качество звучания не уступает модулятору AMT-MW207, а удовольствия от проекта гораздо больше. Спасибо разработчикам конструктора, вложившим в него столько интересностей!
Тем не менее начинающим любителям электроники я порекомендую AMT-MW207, не нуждающийся в наладке и неспособный вещать на расстояние дальше полутора метров, и то в случае достаточно чувствительного приёмника.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
Автор: Люблю радио
