Данный урок - о приемниках электромагнитных волн, для начала о самых простых. Кому интересна история создания радио, с первыми искровыми передатчиками и приемниками на когерерах, могут прочитать статьи, ссылка на которые даны в конце статьи.
Но искровые передатчики и приемники с когерерами со временем достигли предела своих возможностей. Увеличение дальности и качества радиосвязи стало возможным с появлением новой техники. В 1906-1908 годах был изобретен кристаллический детектор (предшественник современного п/п диода), и появилась возможность создать детекторный приемник (схема разобрана в 8 уроке).
Детекторный приемник никуда не исчез - центральное положение в любом современном радиоприемном устройстве занимает детекторный каскад, окруженный множеством прочих каскадов, с целью улучшения его работы. Но главная задача в каждом приемнике - выделение из модулированных полезным сигналом (тональным, звуковым или иным), излучаемых передающим центром колебаний, остается за детектором.
Детекторный приемник не обладает усилением, не требует источника питания, прием возможен только на головные телефоны, и дальность связи могла быть увеличена лишь за счет выбора благоприятных для распространения радиоволн частот передачи, громоздких приемных и передающих антенн, и что самое главное - увеличение мощности искрового передатчика.
Генерация ВЧ-колебаний и усиление в приемных устройствах колебаний ВЧ и НЧ (звуковых) частот посредством электронных вакуумных ламп стала возможной с 1907 года в связи с изобретением триода - электронной лампы с управляющим электродом (сеткой).
Все разработанные с использованием ламповой техники приемы были перенесены на п/п приборы в 1960-х и последующих годах, а новые техники приема отрабатывались уже на новой элементной базе.
Приемники прямого усиления
Как было выяснено выше, "центром" приемника является детекторный каскад, с колебательным контуром на входе и телефонными наушниками на выходе. Поскольку появилась возможность создавать усилители радиочастоты (т.е. на частоте принимаемого сигнала) и звуковой частоты, детекторный каскад можно снабдить усилителями ВЧ "слева" от детектора и НЧ "справа" от него. Ниже структурная схема приемника прямого усиления.
Отсюда и система обозначений приемника прямого усиления из букв и цифр, по типу n-V-m, где V обозначает детекторный каскад, n - число каскадов ВЧ, а m - низкой. Соответственно детекторный приемник обозначается как 0-V-0, а приемник с 1 каскадом усиления радиочастоты и 2 каскадами УНЧ как 1-V-2.
Выход каскада усиления радиочастоты подключен к детектору, а сигнал с выхода детектора вместо головного телефона поступает на вход первого каскада УНЧ, как правило с регулятора громкости.
Единственный каскад УНЧ мог быть нагружен на головной телефон, а при 2 каскадах УНЧ обычно обеспечивается громкоговорящий прием, для чего последний каскад УНЧ нагружается на громкоговоритель.
Остается вопрос с колебательным контуром. Его можно было оставить при детекторе, а первый каскад УРЧ сделать апериодическим (т.е. усиливающим в равной степени все поступающие с антенны сигналы без выделения отдельных частот). Но при этом мощные местные радиостанции могут "задавить" слабые дальние станции, и единственный колебательный контур переносится на вход УРЧ, оставив апериодическими УРЧ и детектор.
Но более благодарным оказывается включение в схему второго настраиваемого колебательного контура, в цепи нагрузки каскада УРЧ, что существенно повышает избирательность приемника (его возможность отстраиваться от соседних по частоте станций).
Но эти 2 колебательных контура, прежде всего, потребовали 2-секционного конденсатора переменной емкости (Урок 2), и совместной настройки обеих контуров, что было изложено в уроке 10.
Ниже, в качестве примера, схема простейшего приемника прямого усиления 2-V-2.
Уже то, что схема пестрит знаками *, является свидетельством того, что отсутствуют стандартные схемы установки режимов транзисторов, и режимы работы каскадов устанавливаются индивидуально подбором сопротивлений резисторов в цепи баз, соответственно R1, R3, R6 и R7, для чего на схеме указаны токи коллекторов.
Все транзисторы включены по схеме с ОЭ. Обратите внимание, что токи коллекторов первых 3 каскадов примерно одного уровня, и лишь оконечный каскад, наиболее мощный, с нагрузкой на низкоомные головные телефоны или микрофонный капсюль ДЭМШ (сопротивлением 400-1000 Ом, работает и как маломощный громкоговоритель), требует тока коллектора 3-4 мА для должной раскачки телефона и удовлетворительной громкости приема.
Колебательный контур всего один, совмещен с магнитной антенной на входе приемника W1. Индуктивность L1 и конденсатор С1 настроены на частоту принимаемой станции, катушка L2 служит для связи антенны с первым каскадом.
Конденсаторы С2, С3, С5 и С6 - разделительные. Обратите внимание - конденсаторы С2 и С3 пропускают радиочастоту, и их емкость сравнительно мала. С5 и С6 уже рассчитаны на пропускание звуковых частот, это электролитические конденсаторы, подключаемые согласно своей полярности.
Детекторный каскад на п/п диоде V3 для лучшего согласования со 2-м каскадом УРЧ (на транзисторе V2) подключен не напрямую на выход каскада, а через согласующий трансформатор на ферритовом кольце L3/L4. Для своей нормальной работы этот каскад требует на входе напряжения не ниже 20-30 мВ.
Поняв работу данного простейшего приемника прямого усиления, нам будет проще разобрать работу более сложных приемных устройств. Одним из недостатков приемника прямого усиления является необходимость перестраивать одновременно несколько колебательных контуров, при этом параметры перестраиваемого контура меняются по диапазону, что не позволяет обеспечить одинаковое усиление и избирательность.
Радикальный путь усовершенствования радиоприемников состоял в использовании супергетеродинной схемы, предложенной и внедренной в 1917-1919 годах. Но об этом в следующем уроке 22, сейчас же необходимо рассмотреть несколько схем приемников, предшествовавших супергетеродину; несколько схемных решений начала 20-го века, со временем признанных устаревшими, но время от времени вновь реанимируемыми, на иной элементной базе и с добавлениями.
Автодинный приемник
Автодинный приемник (автодин) - это по сути генератор незатухающих колебаний. В схему генератора добавляется цепь связи с антенной и телефонные наушники для приема звукового канала. Автодинный приемник предназначен для приема незатухающих телеграфных сигналов.
Посредством ручки настройки частота собственных колебаний устанавливается очень близкой к частоте принимаемого сигнала, разность частот составляет 400-1000 Гц). В колебательном контуре, в пределах его полосы пропускания, присутствуют собственные колебания и принимаемые. Суммируемый сигнал представляет собой один сигнал с изменяющейся амплитудой, это т.н. сигнал биений.
Амплитуда суммарного сигнала изменяется с частотой биений (т.е. частотой расстройки принимаемых и собственных колебаний). Эти изменения попадают в телефон, и в нем слышен звуковой тон биений.
Автодин позволял принимать незатухающие колебания, при работе на передающий станции ключом в соответствии с азбукой Морзе. Чувствительность автодинного приемника очень высокая, и он оказался идеальным для приема телеграфных сигналов.
Принимать станции с амплитудной модуляцией автодинам мешал свист (вследствие биений между частотой сигнала и собственными колебаниями). Но ведь частоту биений можно было уменьшить до 0, настроив автодин в точности на несущую частоту сигнала. Собственные колебания при этом синхронизировались принимаемыми, и приемник назвали синхродином (другое название - приемник прямого преобразования).
Приемник прямого преобразования
Ниже схема простого синхродина на радиолюбительские диапазоны 40 и 80 м.
Верхняя часть схемы - входная часть (до диодов Д1, Д2) и УНЧ (после разделительного конденсатора С11).
Нижняя часть схемы - генератор ВЧ (гетеродин) на транзисторе Т1. Входной контур настроен на среднюю частоту диапазона (переключение диапазонов подсоединением катушки L1) и не перестраивается. Настройка на принимаемую станцию осуществляется КПЕ С5, смешение 2 частот происходит посредством 2 встречно-параллельно включенных диодов Д1, Д2, на которые одновременно подается сигнал с антенны (от части витков катушки L2) и гетеродина через катушку связи L4.
Сигналы биений проходят через ФНЧ L5C10, отфильтровывающий ВЧ-частоты.
Работа синхродина очень неустойчива, поскольку малейший уход частоты вновь приводил к свисту.Решение с устранением недостатков автодина было найдено в 1922 году, когда был предложен регенеративный приемник.
Регенеративный приемник
Схема регенеративного приемника схожа со схемой автодина, но через катушку обратной связи осуществляется ПОС, что существенно повышает добротность контура, при этом ПОС устанавливается на пороге колебаний, но при их отсутствии. Регенеративные приемники обладают очень большой избирательностью и чувствительностью. При этом биения не возникают, поскольку схема не доводится до генерации собственных колебаний.
Резистор R2 регулирует глубину ПОС. Телефон BF1 высокоомный. Напряжение питания 4,5 В.
Сверхрегенеративный приемник
Сверхрегенеративный приемник (сверхрегенератор) обладает при исключительной простоте коэффициентом усиления по напряжению до 100.000-1.000.000. Это означает, что входные сигналы с уровнем в доли микровольта могут быть усилены до долей вольта. Обычным способом такое усиление в одном каскаде получить невозможно, но в сверхрегенераторе используется совершенно иной способ усиления.
Схемы сверхрегенераторов мало отличаются от схем регенераторов: если у последнего периодически увеличивать обратную связь до порога генерации, а затем уменьшать ее до срыва колебаний, то получаем сверхрегенеративный приемник. Вспомогательные гасящие колебания с частотой 20...50 кГц (частота за пределами диапазона звуковых частот!), периодически изменяющие глубину ПОС, получаются либо от отдельного генератора, либо возникают в самом устройстве (сверхрегенератор с самогашением).
Ниже схема простого сверхрегенератора.
Глубина ПОС устанавливается потенциометром 20 кОм, ПОС обеспечивается емкостью коллектор/эмиттер транзистора, с регулировкой верхним по схеме КПЕ 1-10 пФ.
Конденсатор 0,001 мкФ заряжается от источника питания 9 В через резистор 10 кОм, при достижении достаточного для самовозбуждения напряжения возникает "вспышка" генерации, конденсатор начинает разряжаться, и генерация прекращается, после чего процесс повторяется; таким образом осуществляется самогашение колебаний.
Рефлексные приемники
В рефлексном радиоприемнике некоторые каскады используются одновременно для усиления радио- и звуковых частот. Преимуществом этих приемников является сокращение количества используемых радиодеталей, прежде всего транзисторов или радиоламп. Например, приемник прямого усиления 1-V-1 (т.е. с одним каскадом усиления радиочастоты и одним низкой частоты), можно построить на одном транзисторе вместо двух. Среди недостатков рефлексных приемников склонность к самовозбуждению и искажение принимаемых сигналов.
Ниже пример простейшего рефлексного приемника 3-V-3.
Принцип работы понятен из схемы. Сигнал с магнитной антенны WA через разделительный конденсатор С2 усиливается по ВЧ 3 каскадами с гальванической связью, детектируется диодом VD1 и через резистор R3 вновь подается на первый транзистор VT1. Усиленный 3 каскадами НЧ сигнал поступает на телефонный капсюль BF1.
Следующий урок по супергетеродинным приемникам и приемникам однополосной модуляции.
Схемотехника для начинающих
Приложение. Статьи по истории радио
История радио-01. Секрет невидимых лучей
История радио-02. Первооткрыватель электромагнитных колебаний: Генрих Герц
История радио-03. Эпоха когерера: Бранли, Лодж, Риги, Тесла, Попов, Шнайдер
История радио-04. Волшебник эфира Маркони
История радио-05. Радио в Германии