В нашей статье из серии "расследований" по конструкциям зари радиолюбительства, мы привели данную схему из старого журнала.
Входная цепь самая простая, без вариометра и конденсатора переменной емкости, антенна подключена к входной катушке напрямую, детектор также подключен к катушке без возможности изменения связи с антенной цепью. Да и приемник предназначен для приема всего одной станции - имени Коминтерна с длиной волны 1450 метров. Других просто не было, не считая Парижа, Берлина и прочих столиц, а также Нижнего Новгорода.
Далее мы рассмотрели схему эпохи радиолюбительства среди юных пионеров 60-х годов, более сложную, с возможностью настройки в пределах уже устоявшихся к тому времени радиовещательных диапазонов длинных и средних волн.
Для нас здесь интересно то, что на входе приемника самый настоящий колебательный контур, с переменным конденсатором 9-495 пФ и переключением индуктивности согласно выбранному диапазону. А отчего бы не перекрыть оба диапазона без переключения катушки? Давайте считать.
В те годы диапазон ДВ перекрывал частоты 150-408 кГц, СВ 525-1605 кГц. Коэффициент перекрытия на ДВ равен 408/150=2,72; на СВ 1605/525=3,06; а в пределах объединенного диапазона ДВ и СВ 1605/150=10,7.
При неизменности индуктивности изменение частоты колебательного контура обратно пропорционально квадрату емкости контура, тем самым для изменения частоты конденсатором в пределах объединенного диапазона требуется изменение его емкости в 10,7*10,7=115 раз.
А конденсатор обеспечивает изменение емкости всего в 495/9=55 раз. Как видим, отвод от катушки и переключатель диапазонов обязательны. Но все еще хуже. Даже с перекрытием 115 раз конденсатор иногда, в зависимости от схемы соединения входного контура с антенной, не может обеспечить перекрытия даже одного диапазона.
Дело в том, что к минимальной емкости конденсатора 9 пФ следует прибавить емкость катушки и монтажа, всего несколько пФ. Но самое главное, что приемник должен работать с любой антенной, внешней и комнатной, и даже, при близости к передающей станции, безо всякой антенны.
А любая антенна имеет свою собственную емкость и индуктивность, которые вносят свою настройку во входной контур. Данные мы приводили в нашей упомянутой выше статье. В 20-е годы предпочитали подключать антенну напрямую к приемнику, что обеспечивало максимальную громкость вследствие минимума потерь.
А вот по схеме 60-х годов антенна зачем-то подключена через конденсатор емкостью 47 пФ. Зачем нужен этот конденсатор, и как выбрана его емкость?
Проведем мысленный опыт: подключим вместо антенны генератор высокой частоты к приемнику, непосредственно на колебательный контур. Если генератор идеальный (как и всякий источник напряжения, обладает нулевым внутренним сопротивлением, и выдерживает любую нагрузку без просадки напряжения), то входной контур настраиваться не будет ни на какую частоту: все частоты проходят к детектору без потерь.
Но на практике генераторы ВЧ обладают строго регламентированными параметрами, выходным сопротивлением, и подключаются к приемнику не напрямую, а через эквивалент антенны. Эквивалент антенны - это некая конструкция из конденсаторов, индуктивностей и резисторов (не все перечисленное обязательно, бывают и простые эквиваленты), и считается, что все это эквивалентно некой антенне, типичной или рекомендованной для приемников подобного класса. Оттого и эквивалентов существует великое множество. Также, по понятным причинам, эквивалент заключен в экранированный кожух.
Радиовещательные приемники рассчитывались для работы со стандартной однолучевой антенной действующей высотой 4 м, настроенной на длину волны 120 м. Эквивалентом антенны выступали последовательно соединенные индуктивность 20 мкГн, конденсатор 200 пФ и резистор 20 Ом.
Но представим по схеме "пионерского" приемника, что к нему подключена некая антенна с огромной емкостью (например, протянутая на сравнительно небольшой высоте 3-лучевая антенна из толстого провода). В таком случае, если бы не было разделительного конденсатора 47 пФ, к емкости переменного конденсатора была бы подключена параллельно емкость антенны, порядка сотен пФ.
Коэффициент перекрытия, даже при емкости антенны 100 пФ, оказался бы равным корню из (495+100)/(9+100), или 2,3; не тянет ни на один радиовещательный диапазон. А вот с разделительным конденсатором, при любой соединенной последовательно с ним емкости, результирующая емкость не может быть выше 47 пФ, и коэффициент перекрытия корень из (495+47)/(9+47)=3,1 гарантирован. Ровно столько (3,06) необходимо для СВ. Автор схемы рассчитал все тютелька в тютельку.
А теперь переходим к сабжу статьи. Ниже еще один приемник из ранних журналов, более сложный.
Характерная особенность - наличие на катушке колебательного контура отводов с возможностью подключения как конденсатора переменной емкости, так и детектора к части витков катушки. Возможно даже зависание части витков катушки в воздухе без влияния на работу схемы.
Антенна по-прежнему подключена к контуру напрямую, первые радиолюбители не позволяли части принимаемой энергии бесполезно теряться на разделительной емкости. Тем самым, если емкость антенны уже не обеспечивала, совместно с КПЕ, необходимое перекрытие, достаточно было изменить число витков подключением к левому по схеме отводу.
Т.е. назначение левого отвода - также настройка на волну (а также изменение характеристического сопротивления контура, что также может способствовать улучшению приема). А вот с правым отводом все гораздо более интереснее. Перемещая правый отвод, добивались наибольшей громкости звука в телефоне. Но по схеме видно, что катушка с правым отводом представляет собой своего рода автотрансформатор высокой частоты, аналог хорошо известного лабораторного автотрансформатора ЛАТР, предназначенного для регулирования напряжения на подключенной к сети нагрузке.
Тогда, по самым простым соображениям, чем ниже (по схеме) отвод, тем больше напряжение на детекторе (и соответственно на телефоне). Но на практике наибольшая громкость достигается при некотором среднем положении отвода. В чем причина?
Аналогия с сетевым автотрансформатором не работает, по причине того, что мощность сети мы можем считать неограниченной ("внутреннее сопротивление" сети как источника напряжения гораздо меньше сопротивления располагаемой нами нагрузки; если, конечно, мы не устраиваем короткое замыкание).
А в случае детекторного приемника сопротивление нагрузки (детектор совместно с телефоном) мало и сопоставимо с сопротивлением источника сигнала, оттого оптимальная передача энергии в нагрузку требует согласования сопротивлений источника и нагрузки.
В схеме рисунка 1 отсутствует шунтирующий нагрузку (телефон) конденсатор, в схемах 2 и 3 он присутствует. Наличие конденсатора увеличивает коэффициент передачи детектора; так, в схеме однополупериодного выпрямителя без конденсатора выходное постоянное напряжение составляет 0,45 от эффективного значения подаваемого на вход переменного напряжения, а при достаточной емкости конденсатора оно достигает 1,41 его эффективного значения (т.е. амплитудного значения); разница более чем в 3 раза, а если точнее, то в пи раз (3,14).
Вопрос с шунтирующим нагрузку детектора конденсатором достоин выделения в отдельную статью, но здесь вкратце отметим, что недостаточная емкость ухудшит коэффициент передачи, а слишком большая ухудшит передачу полезного сигнала НЧ, внесет нелинейные искажения. Ниже все выводы делаются для детектора с конденсатором некоторой оптимальной емкости.
Этот конденсатор заряжается через прямое сопротивление диода, а разряжается через сопротивление нагрузки. При увеличении прямого сопротивления диода конденсатор не успевает заряжаться до амплитуды входного напряжения, поскольку конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки, и выходное напряжение падает. Тем самым, коэффициент передачи зависит от отношения прямого сопротивления диода Rпр к сопротивлению нагрузки Rн. Ниже график, которым можно пользоваться на практике.
График рассчитан по самым "правильным" формулам, поскольку в пособиях и сети гуляют упрощенные формулы (вы их узнаете по наличию корня 3-й степени), которые справедливы не во всем диапазоне изменения отношения.
Так, если диод Д9Б имеет прямое сопротивление 10 Ом, а нагрузка - головные телефоны без регулятора громкости с капсюлями Тон-2А с сопротивлением постоянному току 100 Ом , то с учетом сопротивления телефонов переменному току 1000 Гц следует считаться с сопротивлением нагрузки порядка 600 Ом. По графику рисунка 4 коэффициент передачи для отношения 100/600=0,017 равен 0,87.
Прямое сопротивление диода в выбранной рабочей точке определяется по его ВАХ как отношение приращения напряжения на диоде к приращению тока через диод, пример на рисунке ниже.
Приращение напряжения 0,5 - 0,4=0,1 (В), соответствующее приращение тока 26,3 - 5,8 = 20,5 (мА). Прямое сопротивление Rпр = 0,1/0,0205=4,9 (Ом). Расчет произведен для рабочей точки 0,45 В. Для точки 0,35 В сопротивление равно 20 Омам. Как видно, прямое сопротивление диода существенно зависит от выбора рабочей точки. В среднем для Д9Б его принято считать равным 10 Ом.
Данный пример расчета мы производим для т.н. линейного режима детектора, когда принимаемая радиостанция обеспечивает высокий уровень напряжения на входе детектора (при близости к мощной станции и высокой наружной антенне). Этот режим также применяется при наличии до детектора усилительных каскадов. В линейном режиме полупроводниковый диод работает при напряжении на диоде более 0,5 В.
Входное сопротивление детектора имеет емкостную и активную составляющую, но емкостная может быть скомпенсирована настройкой входного контура, и обычно под входным сопротивлением детектора понимают активное сопротивление, которое шунтирует входной контур и ухудшает его добротность.
Иногда можно встретить утверждение, что входное сопротивление детектора равно половине сопротивления нагрузки. Это справедливо для линейного режима детектирования при определенных условиях, малости сопротивления диода и большому сопротивлению нагрузки. Если уточнить, то для оценки входного сопротивления детектора необходимо сопротивление нагрузки умножить на некий коэффициент, зависящий от отношения прямого сопротивления диода к сопротивлению нагрузки. Ниже график этого коэффициента.
Для отношения 0,017 коэффициент равен 0,59; тем самым, входное сопротивление детектора равно 0,59*600 = 354 (Ом).
Но работа детектора в линейном режиме - редкое явление, при приеме удаленных станций детектор работает в т.н. квадратичном режиме, где его ВАХ аппроксимируется квадратичной зависимостью, параболой (с целью теоретического рассмотрения студентами, по факут экспоненциальное приближение лучше). Напряжение ВЧ-сигнала не превышает нескольких десятков милливольт, и диод работает на начальном участке характеристики, без выхода на линейный режим. В квадратичном режиме соотношения по коэффициенту передачи и входному сопротивлению совершенно иные. ВАХ диода принято аппроксимировать параболой при напряжении на диоде до 0,3 В.
Входное сопротивление квадратичного детектора почти не зависит от сопротивления нагрузки и равно внутреннему сопротивлению диода. Но внутреннее сопротивление диода при малых напряжениях (квадратичном детектировании) существенно выше сопротивления при больших напряжениях (линейном детектировании).
(В сети на обучалках для студентов можно встретить безответственное утверждение, что недостаток квадратичного детектора в низком входном сопротивлении. Подоплеку этой глупости нетрудно угадать: с одного источника списано, что входное сопротивление не зависит от нагрузки и определяется сопротивлением диода, а с другого, что сопротивление диода 10 Ом. То, что значение 10 Ом относится к большому уровню сигнала, а при малом оно а тысячи раз больше, игнорируется).
Если мы подсчитаем прямое сопротивление диода Д9Б, то при напряжении сигнала порядка 50 мВ оно окажется равным порядка 10-15 кОм, а при нулевом сигнале и все 40 кОм (считается, что обратное сопротивление как параметр 400 кОм). В детекторном приемнике, работающем на телефоны (мы рассматриваем приемники 1920-х годов), сопротивление диода при малых уровнях сигналов и определит входное сопротивление детектора.
Можно прикинуть: при сопротивлении диода гораздо выше сопротивления нагрузки он работает как источник тока, и входное сопротивление детектора окажется вдвое выше прямого сопротивления диода, тут уже под сотню кОм подбирается.
Коэффициент же передачи квадратичного детектора пропорционален уровню сигнала, тем самым сигнал на выходе детектора будет пропорционален квадрату сигнала на входе. Это очень неблагоприятное соотношение, приводящее к тем большему ослаблению сигнала, чем он слабее. Чтобы избежать этого, радиолюбители старались сместить рабочую точку диода, вывести ее на участок характеристики, где крутизна изменяется наиболее сильно. Об этом мы писали в статье "Смещение кристаллического детектора или диода - ушедшее в небытие схемное решение".
Так оценим, какое влияние на колебательный контур окажет линейный детектор с входным сопротивлением 354 Ома. Приемник по рисунку 3 настроен на радиостанцию имени Коминтерна, работавшую на частоте 207 кГц. Если колебательный контур настроен на станцию при средней емкости 250 пФ, характеристическое сопротивление контура (индуктивное или емкостное сопротивление в колебательном контуре) составит 3,07 кОм.
При верхней частоте передаваемого звукового диапазона 5 кГц (более качественное вещание вряд-ли было возможно в начале прошлого века, да и телефон не передавал частот выше) ширина полосы пропускания колебательного контура не должна быть уже 10 кГц, откуда максимально допустимая добротность контура равна 207/10=20,7.
Эквивалентное сопротивление параллельного контура не должно превышать 3,07*20,7=63,5 кОм. Нагрузить его на детектор с входным сопротивлением 354 Ома - значит полностью исключить его настройку.
Но положение спасает частичное включение, путем подключения к отводу от катушки. Известно, что трансформатор или автотрансформатор преобразует сопротивление нагрузки как квадрат коэффициента передачи трансформатора/автотрансформатора (равного отношению витков или отношению напряжений при полной связи между обмотками).
Если считать, что катушка и конденсатор не имеют потерь, то предстоит преобразовать сопротивление 354 Ома к 63.500 Омам. 63.500/354=179, корень из этого числа ~13. Детектор следует подключить к отводу от 1/13 числа витков катушки.
В старых схемах рекомендовалось делать отвод через 20 витков при общем числе витков 100-150. Даже при подключении к самому первому отводу нагрузка продолжает шунтировать контур, но в любом случае положение выправляется. Также, телефоны Тон-2 выпускались и с сопротивлением 2200 Ом, что безусловно позволяет путем подбора отвода произвести согласование. Это были рассуждения на тему линейного детектирования.
Что же касается квадратичного, то здесь желательны высокоомные телефоны, поскольку они питаются практически от источника тока, а не напряжения, и подключение к катушке оптимально полное.
В некоторых схемах телефоны подключаются к приемнику через понижающий трансформатор НЧ, идея также понятна: низкоомный капсюль преобразуется в высокоомную нагрузку. Примерно как низкоомный громкоговоритель подключается к анодной цепи выходной лампы УНЧ через выходной трансформатор.
При этом согласование свое для каждой станции, в зависимости от ее частоты и напряженности поля в месте приема, конструкции антенны. Станций было мало, и азарт состоял в приеме дальних станций, о факте приема немедленно извещалось в радиолюбительском журнале. До эпохи массового производства многоламповых супергетеродинов на пентодах было еще далеко.
P.S.
К данной статье написано дополнение, с примером расчета блокировочного конденсатора на основе противоречивых к нему требований.