Опасный радиоконструктор с Aliexpress: будьте осторожны

Сегодня я расскажу про сборку и наладку довольно продвинутого и мощного средневолнового ^[1] радиопередатчика ^[2], 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 ^[3] можно засорять. К счастью, радиоконструктор предусматривает ограничение мощности передачи.

А если у вас есть радиолюбительская ^[4] лицензия не ниже третьей категории ^[5], открывающая «джентльменский» 160-метровый диапазон ^[6], 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 ^[7] структуры N-P-N ^[8], одну интегральную микросхему ^[9], один универсальный импульсный диод ^[10] 1N4148 и один светодиод ^[11], 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 ^[12], который смог принять сигнал китайской радиостанции, светодиод может служить не только индикатором, но и стабистором ^[13] — стабилитроном ^[14], работающим в режиме прямого смещения ^[15], а не зенеровского пробоя ^[16] P-N перехода ^[17].

Вариант схемы приёмника «My little radio» на одном кремниевом транзисторе

Именно благодаря стабилизации тока смещения ^[18] базы транзистора BG, достигаемой посредством постоянства напряжения на аноде ^[19] светодиода D1, этот карманный радиоприёмник не нуждается в ручке управления регенерацией ^[20] и может быть однократно настроен на максимальную чувствительность во время наладки.

А если амплитуда ^[21] сигнала радиостанции в колебательном контуре ^[22] магнитной антенны ^[23] L1С1 чрезмерно велика, то коэффициент передачи ^[24] нашего рефлексного транзисторного каскада будет снижен благодаря схемотехническому узлу АРУ — автоматической регулировки усиления ^[25]. Для этого электролитический конденсатор ^[26] С4 выполняет функции интегратора ^[27] детектора огибающей ^[28] аудиосигнала.

Получается, что амплитудное детектирование в этой маленькой простой схеме происходит дважды. Точнее, выпрямленное удвоителем ^[29] напряжение дважды интегрируется с разными постоянными времени ^[30].

Сигнал звуковой частоты отправляется на высокоомный головной телефон ^[31], а постоянное (или медленно изменяющееся с частотой ниже звукового диапазона ^[32]) 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 ^[33].

На схеме средневолнового супергетеродина с пьезокерамическим фильтром промежуточной частоты ^[34] этот интегральный усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) используется в соответствии со своим изначальным предназначением — для вывода звука на миниатюрный громкоговоритель ^[35].

Схема простого супергетеродина с пьезокерамическим ФПЧ. Aliexpress

А в нашем радиопередатчике данная винтажная микросхема с однорядным корпусом SIP9-P-2.54A ^[36] выполняет функцию предусилителя для амплитудного модулятора ^[37].

Микросхема представляет собой операционный усилитель ^[38] с двухтактным выходным каскадом ^[39] на биполярных транзисторах структуры N-P-N ^[8].

Блок-схема интегрального усилителя TA7368 из справочного листка от Toshiba

Для защиты предусилителя от помех по линии питания предусмотрен фильтр пульсаций ^[40] (RIPPLE FILTER), между выходом которого и общим проводом следует подключить электролитический конденсатор. Это повысит степень подавления пульсаций питающего напряжения с -25 до -45 децибел ^[41].

«Чистая» земля ^[42] предусилителя выведена на отдельную ножку микросхемы, тогда как «грязная» силовая земля ^[43] — на другую ножку. Вывод PHASE предназначен для подключения цепи внешней фазовой компенсации ^[44] и не используется ни в одном из известных мне практических решений, содержащих микросхемы TA7368 или CD7368.

Инвертирующий вход ^[45] предусилителя соединён с выходом усилителя мощности ^[46] через резистор сопротивлением 10 килоом. Чтобы получить максимальный коэффициент передачи по напряжению, задаваемый внутренним резистивным делителем ^[47] отрицательной обратной связи ^[48] (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 ^[49], 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 ^[50]. Иными словами, микросхема будет действовать как повторитель напряжения ^[51].

Благодаря выведенному наружу инвертирующему входу предусилителя, можно не только регулировать коэффициент передачи и корректировать амплитудно-частотную характеристику ^[52] (АЧХ) аудиотракта, но и осуществить, например, расширение стереобазы ^[53] без необходимости применения дополнительных микросхем и транзисторов.

Дифференциальные каскады

А в стандартном включении можно обойтись даже без разделительного конденсатора ^[54] по неинвертирующему входу, так как последний имеет внутреннюю подтяжку ^[55] к земле резистором R1 сопротивлением 27 килоом.

Эквивалентная схема входного каскада микросхемы TA7368 из справочного листка от Toshiba

Это стало возможным благодаря эмиттерному повторителю ^[56] на транзисторе Q1, подсоединённому перед входной дифференциальной парой ^[57] 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 ^[58], 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 ^[59], благодаря чему осуществляется автоматическая регулировка усиления.

Схема радиоприёмника прямого усиления на одной микросхеме и двух транзисторах

Ёмкостный трёхточечный генератор Колпитца ^[60] моего старого средневолнового радиопередатчика AMT-MW207 ^[61] 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 ^[62] высокой частоты ^[63] (УВЧ) не предусмотрено. Контурная катушка ^[64] генератора Колпитца L1 намотана прямо на сердечнике передающей магнитной антенны из ферритовой керамики ^[65].

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 ^[66] 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 ^[67] L2 и L3 вместе с конденсаторами С26 и С27 образуют пассивный фильтр ^[68] нижних частот (ФНЧ ^[69]) второго порядка, не пропускающий в передающую антенну ^[70] ANT верхних гармоник выходного сигнала.

Граничная частота ^[71] данного выходного фильтра равняется 7 мегагерцам, входное сопротивление ^[72] — 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 ^[73] — 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 ^[74] нашего радиопередатчика собран на транзисторе Q1. Здесь мы имеем каскад с общей базой ^[75], заземлённой по переменному току конденсатором С18.

Несущая частота вещания задаётся колебательным контуром, перестраиваемым при помощи конденсатора переменной ёмкости ^[76] 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 ^[77].

Это значит, что перед нами классическая топология генератора Армстронга ^[78] — первого в истории человечества генератора незатухающих гармонических колебаний ^[79] на основе электронного усилителя ^[62].

Эдвин Армстронг демонстрирует регенеративный приёмник участникам Американского радиоклуба. 1922 год

До Эдвина Армстронга ^[80] генераторы радиочастоты ^[81] уже существовали, но были электромашинными ^[82] либо использовали ударное возбуждение колебаний ^[83]. В результате выходной сигнал радиостанции был модулирован функцией затухания колебаний ^[84] в контуре.

А генератор Армстронга стал не только прекрасным радиопередатчиком, но и… отличным радиоприёмником! Регенератор ^[85], сверхрегенератор ^[86] и впоследствии супергетеродин ^[87] изобрёл тоже он — выдающийся американский радиотехник Эдвин Армстронг.

Если отрегулировать положительную обратную связь ^[88] (ПОС) генератора гармонических колебаний так, чтобы она оказалась недостаточной для их поддержания в незатухающем состоянии, то эффективная добротность ^[89] 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 ^[87], не считая аудиотракта, и даже с довольно продвинутыми вариантами на специализированных микросхемах ^[78], снабжёнными высокодобротными пьезокерамическими фильтрами ^[90] промежуточной частоты ^[91].

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 ^[92] 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 ^[60].

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 ^[87] 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 ^[93] R12.

Допустим, что коэффициент передачи тока ^[8] транзистора S9018 равен 100, а напряжение база-эмиттер ^[8] 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 ^[94]. 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 ^[95], 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 ^[96], радиантную энергию ^[97] с торсионными полями ^[98] и посвятить остаток жизни разработке приборов со сверхъединичным КПД ^[99], отвлекаясь только на поиски тяжёлой красной субстанции ^[100], не отражающейся в зеркале, отталкивающейся от чеснока, притягивающей золото и как-то связанной с шаровыми молниями ^[101]. (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 ^[102]. Именно такие усилители высокой частоты применяются в настоящих, больших, взрослых радиостанциях.

Наверное, все вы знаете про усилители класса D ^[103] — 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 ^[104] 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 ^[105] 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 ^[106] 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 ^[107], 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:

1. заводское положение сердечника L2;
2. вещание в нижней половине частотного диапазона;
3. снижение напряжения питания;
4. применение более короткой антенны;
5. 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 ^[108] (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS