Простой регенеративный радиоприёмник для начинающих
QST 2000 сентябрь
Нужна простая, интересная схема - возможно, для получения скаутского значка за заслуги в области радио? Этот проект прекрасно подойдёт для ознакомления детей всех возрастов с миром электроники и приёмом коротких волн.
Здесь представлен недорогой, простой в постройке переносной приёмник. К его конструкции не предъявляется строгих требований и её легко наладить. Приёмник позволяет принимать дюжины коротковолновых международных широковещательных станций в ночное время - даже в помещении - используя всего лишь 1-метровую штыревую антенну. Этот небольшой приёмник прекрасно подходит для знакомства с радиообменом на любительских диапазонах, приёма новостей, музыки и всего другого, что есть на коротких волнах.
Хотя эта конструкция имеет неплохую чувствительность, она не может конкурировать с коммерческими радиоприёмниками, и если вы раньше никогда не пользовались регенеративным приёмником, вам придётся попрактиковаться в его настройке. Большинство сегодняшних опытных самодельщиков начинали с постройки простых конструкций, таких как эта. Вы приобретёте опыт в наматывании катушек и понимании схемы. По мере роста интереса к радиосвязи, позже вы сможете строить и более сложные конструкции.
Этот приёмник содержит всего одну катушку индуктивности с одной обмоткой и потребляет всего лишь 5 мА тока от 9 - вольтовой батареи. Это значит, что одной щелочной батареи хватит приблизительно на 40 часов непрерывной работы. При использовании наушников от плеера качество звука у приёмника превосходное. К аудио выходу можно так же подключить небольшой громкоговоритель. Детали приёмник смонтированы на печатной плате. Корпусом может служить любая подходящая пластиковая коробка.
Описание схемы
Взгляните на схему, изображённую на рисунке 1. Сигнал со штыревой антенны подаётся на колебательный контур L1C1. Регенеративный каскад на транзисторе Q1 является генератором Хартли с заземлённой базой. Положительная обратная связь этого каскада обеспечивает усиление сигнала в примерно 100 000 раз. Комбинация очень низкой рабочей мощности транзистора, 30 мкВт, и простой штыревой антенны делает приёмник легко переносимым и предотвращает создание помех другим приёмникам, работающим поблизости. Регенеративные приёмники, кроме всего, являются ещё и генераторами. Резистор R2 управляет положительной обратной связью (регенерацией).
Рис. 1.
Пояснение к схеме:
** - см. описание в тексте; * - см. врезку в нижнем левом углу схемы;
Все постоянные резисторы - МЛТ-0,125; Конденсаторы C2, C3, C4,С6, C9, C10, C11, C14 - дисковые керамические;
Неиспользуемые выводы микросхемы LM386 не показаны;
Возможно сопротивление резистра R3 потребуется увеличить до 100 кОм.
Диод D1 и конденсатор C4 составляют плавающий детектор, который обеспечивает высокую чувствительность при небольшой нагрузке на транзистор Q1. Относительно низкое обратное сопротивление германиевого диода 1N34 (не используйте здесь кремниевый диод или диод Шоттки!) обеспечивает необходимый разряд конденсатора C4.
Регулятором громкости резистором R5 регулируют уровень аудиосигнала, поступающего на усилитель LM386. Конденсатор C5 совместно с выходным сопротивлением детектора является фильтром низких частот, предотвращая проникновение высокой частоты на вход аудио усилителя. Резистор R4 изолирует низкочастотный фильтр от детектора при установке движка резистора R5 в положение максимальной громкости. Нижний по схеме вывод резистора R5 и вывод 3 усилителя LM386 "плавают" относительно общего провода, так что оба входа усилителя соединены по переменному току. Это позволяет использовать переменный резистор сопротивлением 100 кОм; такое высокое сопротивление предотвращает чрезмерную перегрузку детектора. Диод D5 защищает схему от неправильного подключения батареи питания.
Катушка L1 намотана на стандартной пластиковой упаковке от от фотоплёнки или на контейнере от таблеток диаметром 2,5 см. Конденсатор C1 может быть использован любой с воздушным диэлектриком с максимальной ёмкостью лежащей в районе 100..365 пФ. Перекрытие по частоте зависит от ёмкости используемого конденсатора, но в любом случае будет перекрыт 40-метровый любительский диапазон и несколько международных широковещательных диапазонов. При использовании конденсатора переменной ёмкости 10..365 пФ настраиваться на радиостанции будет затруднительно. То есть настроиться на выбранную станцию будет сложнее, так как в полный диапазон перестройки конденсатора попадёт больше станций, чем попало бы при использовании КПЕ меньшей ёмкости (например, 10..150 пФ.). Тем не менее рекомендуется применение дополнительного устройства для плавной настройки (см. врезку на рисунке 1) при использовании КПЕ большой ёмкости.
Постройка приёмника
Некоторых начинающих любителей пугает то, что придётся самому наматывать катушку индуктивности. Иногда для этого может потребоваться дополнительная пара рук. Для обмотки используется медный изолированный монтажный провод толщиной без изоляции 0,6 мм. Перед тем как вы начнёте наматывать катушку, просверлите монтажное отверстие на дне каркаса. Далее просверлите два отверстия наверху, там где начинаются витки катушки. (Наматывая катушку на каркасе сверху вниз необходимо оставить достаточное свободное место на торце каркаса, что бы катушка была подальше от печатной платы - это предотвратит попадание в магнитное поле катушки любых металлических частей, что может ухудшить добротность, и как следствие снизит селективность.) Проденьте один конец монтажного провода внутрь каркаса, и вытащите через соседнее отверстие. Завяжите узел в том месте, где провод входит в отверстие - это удержит провод на месте и предотвратит дальнейшее ослабление витков. Оставьте у каждого отвода по 5..7,5 см провода, что бы можно было подключить катушку к схеме. Наматывать можно в любом направлении, по часовой или против часовой стрелки. Плотно натягивайте витки, считая их по мере намотки. Наматывайте катушку виток к витку и не давайте виткам ослабнуть; для этого придётся немного попрактиковаться.
Что бы сделать отвод, намотайте 11 витков. Удерживая провод большим и указательным пальцем, пометьте место отвода и удалите в этом месте изоляцию с провода. Припаяйте к отводу кусок провода длиной 5..7,5 см. Продолжайте намотку, пока не намотаете остальные витки (катушка содержит всего 13 витков). Удерживайте конец провода на месте с помощью клейкой ленты, и просверлите ещё два отверстия в каркасе, где кончается намотка. Просуньте провод в одно отверстие и вытащите из другого, и завяжите узел на конце, что бы удержать намотку на месте. Когда катушка будет закончена, удалите клейкую ленту и аккуратно припаяйте три вывода (верхний, отвод и нижний) к своим местам на плате, стараясь при этом делать соединения как можно короче.
Для получения лучших результатов плавающий детектор должен быть подсоединён используя короткие, прямые проводники. Но не все компоненты монтируются на печатной плате. Смонтируйте регулятор громкости, R5 ближе к настроечному конденсатору C1. Соедините диод D1, конденсатор C4 и резистор R4 последовательно между "горячим" выводом (статором) переменного конденсатора C1 и верхнем по схеме выводом регулятора громкости.
Дополнения
Точная настройка
К приёмнику можно добавить узел точной настройки, используя схему, изображённую на врезке к рисунку 1. Диод D6 работает в качестве варикапа. По мере того как напряжение со среднего вывода переменного резистора точной настройки R8 повышается, ёмкость обратновключённого диода понижается. Узел точной настройки простой и его легко добавить в схему, но он вносит дополнительную ёмкость в колебательный контур, что снижает частотный диапазон приёмника. Это можно компенсировать уменьшением количества витков катушки L1.
Добавление второго диапазона
Если вы хотите иметь двухдиапазонный приёмник с нормальной настройкой, используйте КПЕ ёмкостью 150 пФ и установите дополнительный переключатель с короткими выводами, который будет подключать дополнительный слюдяной конденсатор ёмкостью 250 пФ параллельно конденсатору переменной ёмкости C1. При подключённом дополнительном конденсаторе приёмник будет перекрывать 80-метровый диапазон.
Установка приёмника в корпус
Рекомендуемый корпус от Радио Шэк имеет в своём составе металлический и пластиковый верх. Используйте верхнюю металлическую пластину в качестве передней панели, привинтив её к боку корпуса с помощью двух маленьких винтов и гаек с помощью предварительно просверленных отверстий. Далее просверлите отверстия под органы управления и разместите на передней панели два переменных резистора, один конденсатор переменной ёмкости и выключатель. Приёмником будет легче пользоваться если разместить конденсатор настройки и резистор, управляющий регенерацией с противоположных краёв передней панели. Регулятор громкости и регулятор регенерации лучше разместить внизу передней панели, что бы проводники, идущие к печатной плате, были как можно короче. Можно использовать монтажный провод из Радио Шэка для подключения регуляторов громкости и регенерации, если свить эти провода, и длина этих проводников должна быть как можно короче. Так же можно использовать экранированный провод для этих соединений. Выключатель питания может быть смонтирован в любом удобном месте. Используйте одно из двух оставшихся отверстий передней панели для подключения общего провода к печатной плате. Прикрутите печатную плату и катушку индуктивности ко дну корпуса, используя небольшие винты. Смонтируйте разъём под наушники на задней стороне корпуса, ближе к печатной плате и усилителю LM386. Прикрепите 1-метровую антенну к одному из задних углов корпуса с помощью винтов и гаек.
Если вы используете гнездо для наушников J1 из РадиоШэка (RS 274-276), то соедините вместе контакты 2 и 5, и подсоедините их к конденсатору C8. Соедините контакт 1 с общим проводом. Если вы собираетесь использовать небольшой громкоговоритель, то подсоедините его к контактам гнезда 1 и 3. В этом случае если в гнездо вставить разъём наушников, то динамик автоматически отключится.
Тестирование и работа с приёмником
Установите регуляторы громкости и регенерации в среднее положение, подключите наушники, разверните антенну, подключите батарею и включите питание. Для проверки работы аудио усилителя поднесите палец к среднему выводу регулятора громкости, в наушниках должен будет появится гул переменного тока. Если аудио усилитель исправен, покрутите регулятор регенерации, что бы в наушниках появился звук, говорящий о том, что транзистор Q1 работает. Если генерации нет, внимательно проверьте монтаж и измерьте напряжения в точках, отмеченных на схеме с помощью высокоомного цифрового вольтметра или мультиметра. Наиболее часто встречающиеся ошибки - это неправильное подключение транзистора (перепутаны местами коллектор и эмиттер) или неправильное подключение выводов катушки индуктивности к плате.
Используйте обе руки для управления приёмником: одна для настройки, другая - для регулирования регенерации. Для приёма широковещательных АМ радиостанций диапазонов 40 метров необходимо установить уровень регенерации чуть ниже порога возникновения колебаний. Для приёма телеграфных (CW) и однополосных (SSB) радиостанций уровень регенерации нужно чуть увеличить, что бы возникли колебания небольшой амплитуды. Приёмник может принимать множество станций со штыревой антенной, применение заземления сильно уменьшит эффект влияния ёмкости рук на настройку. Что бы можно было принимать больше радиостанций в дневные часы, в качестве внешней антенны следует использовать изолированный монтажный провод длиной 3..4,5 метров (или длиннее). Просто обмотайте несколько раз конец этого провода вокруг штыревой антенны.
Если вы работаете с этим приёмником поблизости от других радиоприёмников, то 30 микроваттный генератор может им помешать. Тем кто заинтересован в постройке более совершенного регенеративного приёмника для серьёзного приёма CW и SSB станций должны прочитать статью "Конструкция регенеративного приёмника с высокими характеристиками". Вы так же можете посмотреть проекты по адресу http://www.electronics-tutorials.com/receivers/regen-radio-receiver.htm
Примечания
Хотя эта схема содержит мало компонентов, её конструкция и принцип действия не просты. Этот проект эволюционировал из нескольких (менее эффективных) ранних версий, и он является результатом многих лет экспериментирования и тестирования.
Колебательный контур, состоящий из конденсатора C1 и катушки L1, настроен на входной сигнал, поступающий со штыревой антенны. Регенеративный ВЧ усилитель на транзисторе Q1 включён по схеме генератора Хартли с заземлённой базой. Его положительная обратная связь обеспечивает усиление сигнала примерно в 100 000 раз. Селективность так же увеличивается, так как регенерация создаёт отрицательное сопротивление в регенеративной цепи транзистора Q1, в результате чего снижается положительное сопротивление катушки L1 (а так же снижаются потери в конденсаторе C1). Так как добротность Q индуктивности L1 равна XL/R, то селективность увеличивается по мере увеличения уровня регенерации. Комбинация очень низкой рабочей мощности, всего 30 мкВт и использования простой штыревой антенны делают приёмник мобильным и предотвращают создание им помех другим радиоприёмникам, расположенным поблизости.
Биполярный транзистор Q1 имеет очень высокое усиление. Хотя он обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность, плавное управление регенерацией было бы невозможно без применения специальных схемотехнических решений. Во-первых, на диодах D2-D4 собран простой стабилизатор напряжения, обеспечивающий низкое напряжение питания транзистора Q1, так что этот транзистор работает на начальном участке своей вольт-амперной характеристики. Стабилитрон здесь не использовался, так как необходимое напряжение стабилизации в схеме всего лишь 1,4 Вольт и нужно что бы схема потребляла как можно меньше энергии (кроме того, кремниевые диоды недороги и их легко найти). Во-вторых, резисторы R1 и R2 обеспечивают очень большое отрицательное смещение, которое так же помогает смягчить обычно резкий переход к генерации транзистора Q1. И наконец переменный резистор R2, управляющий регенерацией, при установке в положение минимального сопротивления обеспечивает максимальный коэффициент усиления транзистора Q1 (т.к. смещение стало меньше), но в то же время низкое сопротивление переменного резистора уменьшает регенерацию, так как сильнее ослабевает сигнал, поступающий на эмиттер транзистора Q1 с индуктивности L1 через конденсатор C2. Эти два противоположных условия помогают линеаризовать обычно очень экспоненциальное увеличение регенерации по мере того, как сопротивление резистора R2 уменьшается при регулировке. В результате получается очень плавное управление регенерацией, чего обычно не наблюдается при использовании биполярных транзисторов в регенеративных схемах.
Несколько важных особенностей этой схемы позволяют получить высокую селективность и сохранить высокий коэффициент усиления регенеративного каскада. Во-первых, применяется простая штыревая антенна. Поэтому коллектор транзистора Q1 не перегружается, и не вносится существенная ёмкость параллельно конденсатору C1 (в противном случае рабочий диапазон частот приёмника снизился бы). На диоде D1 и конденсаторе C4 собран "плавающий" детектор, который обеспечивает очень большую чувствительность при небольшой нагрузке на транзистор Q1. Обратите внимание, что относительно небольшое обратное сопротивление диода 1N34 обеспечивает необходимый разряд конденсатора C4. Комбинация регенеративного ВЧ каскада с большим коэффициентом усиления и очень чувствительного диодного детектора обеспечивает чувствительность, не хуже чем у многих супергетеродинных приёмников, при этом потребляя ток около 16 мкА (при среднем положении движка переменного резистора R2, около порога возникновения генерации).
Регулятор громкости R5 устанавливает уровень аудиосигнала на входе усилителя звуковой частоты LM386. Конденсатор C7 устанавливает коэффициент усиления LM386 равный 200. Что бы сильно не нагружать транзистор Q1, нижний по схеме вывод регулятора громкости R5 и вывод 3 усилителя LM386 "плавают" выше уровня земли, так что оба входа микросхемы соединены по переменному току. Это очень важно. Выходное напряжение микросхемы LM386 внутри неё смещено до половины напряжения питания. Однако если бы регулятор громкости 100 кОм был бы соединён по постоянному току с LM386 (нижний вывод по схеме резистора R5 и вывод 3 LM386 были бы соединены с общим проводом), то высокие входные токи смещения вызвали бы очень большое напряжение смещения на выходе, порядка нескольких вольт (на входе микросхемы LM386 стоит резистор сопротивлением 50 кОм, а типичный входной ток её смещения равен 250 нА - если умножить 50 кОм на 250 нА и на коэффициент усиления 200 (0.000250мА * 50кОм * 200) получим 2,5 Вольт на выходе). Не соединяя с общим проводом нижний по схеме вывод регулятора громкости и вывод 3 микросхемы LM386, оба её входа будут теперь под одинаковыми потенциалами по постоянному току независимо от входных токов смещения (и сопротивление обоих входов будет по 50 кОм).
Конденсатор C5 является элементом фильтра низкой частоты, который блокирует попадание высокой частоты на вход аудиоусилителя. Без этого высокая частота может пройти через усилитель LM386 в наушники или громкоговоритель, откуда может попасть в антенну, и в результате этого образовавшаяся обратная связь может привести к самовозбуждению схемы. Конденсатор C5 так же улучшает качество аудиосигнала и немного увеличивает аудиоселективность. Резистор R4 изолирует низкочастотный фильтр от детектора при верхнем положении движка регулятора громкости, иначе происходила бы расстройка приёмника. Конденсаторы C10, C12 и C13 блокируют цепи питания по переменному току и изолируют высокочастотные и аудио каскады. Из-за долгого времени заряда конденсатора C12 через резистор R7 детектору понадобится примерно 7 секунд после включения, что бы перейти в рабочий режим, что в общем-то не проблема.
Диод D5 защищает приёмник от неправильного подключения батареи питания. Катушка L1 намотана на стандартном футляре от фотоплёнки диаметром 35 мм или на ёмкости из-под лекарств диаметром 25 мм. Здесь не использована катушка на ферритовом кольце по той причине, что её магнитопровод может войти в насыщение (и тем самым расстроить контур) при критическом уровне регенерации, но в основном потому, что начинающим нужно то, что легко найти и что их не спугнёт. Заметьте что селективность схемы более чем адекватна (для приёмника начинающего) при использовании футляра от фотоплёнки и это ещё вопрос, принесёт ли использование тороидального магнитопровода существенное улучшение параметров приёмника (хотя было бы интересно это проверить).
В качестве конденсатора C1 можно использовать любой конденсатор переменной ёмкости с воздушным диэлектриком с максимальной ёмкостью от 100 до 365 пФ. Перекрытие по частоте будет разным с разными КПЕ, но в любом случае будет перекрыт 40 метровый любительский диапазон плюс несколько международных вещательных диапазонов. При использовании переменного конденсатора с широким диапазоном перестройки (например, 10..365 пФ) будет сложнее настраиваться на станции, чем при использовании конденсатора меньшей ёмкости (например, 10..150 пФ). Поэтому при использовании конденсаторов большой ёмкости рекомендуется использовать устройство плавной настройки.
Увеличивая ёмкость конденсатора C1 (или увеличивая количество витков катушки L1) можно снизить диапазон принимаемых частот вплоть до средних или даже длинных волн. Но очень важно ограничить диапазон полного перекрытия по частоте, что бы было легко настраиваться на радиостанции. Поэтому максимальная ёмкость переменного конденсатора выбрана равной 365 пФ. Ещё лучше, что бы она была в диапазоне 100..150 пФ. Вы всегда можете подключить дополнительные конденсаторы параллельно КПЕ что бы сдвинуть вниз рабочий диапазон частот.
В приёмник может быть добавлено устройство точной настройки, в котором в качестве варикапа используется диод D6. При увеличении напряжения, снимаемого с подвижного контакта переменного резистора R8, ёмкость обратновключённого диода будет уменьшаться. Узел точной настройки простой и его легко добавить в схему, но он вносит дополнительную ёмкость в колебательный контур, что снижает частотный диапазон приёмника. Это можно компенсировать уменьшением количества витков катушки L1 (но необходимо поддерживать пропорциональное количество витков от отвода катушки - например, если уменьшить общее количество витков на 25%, то и отвод нужно делать от числа витков, на 25% меньше изначальных, и т.д.).
Обратите внимание, что в качестве R8 используется логарифмический резистор. Он должен быть включён так, что бы при движении его подвижного контакта вверх напряжение на диоде D6 увеличивалось. Применение логарифмического потенциометра помогает линеаризовать настройку, иначе бы ёмкость D6 снижалась бы экспоненциально. Ёмкость конденсатора C15 должна быть очень маленькой - не более 10 пФ. При большей ёмкости увеличится диапазон перекрытия частот узлом плавной настройки, но диод D6 будет нагружать контур L1C1, что приведёт к снижению усиления и селективности.
При использовании штыревой антенны и приёме слабых станций (например днём) этот приёмник легко расстроить изменением ёмкости рук. Это можно компенсировать несколькими способами. 30 или 60 см провода можно подключить к металлической передней панели или подключить внешнюю антенну (кусок провода произвольной длины), обмотав её концом штыревую антенну. Будьте осторожны и не перегрузите регенеративный каскад на транзисторе Q1, используя слишком сильную связь с внешней антенной.
Чарльз Китчин, N1TEV