Радиоприемник своими руками

Я рад обнародовать напечатанный на 3D принтере и собранный своими руками радиоприемник. Меня вдохновили самодельные детекторные радиоприемники начала 20 века, я создал свою конструкцию радиоэлектроники и постарался, чтобы она была как можно проще и была доступна для сборки в домашних условиях даже начинающим.

Мне пришлось потрудиться над созданием видео. Из него все должно быть понятно, так что смотрите как сделать радио своими руками.

ШАГ 1: Материалы

Ссылка на макет для 3D деталей:

  • 1 пьезоэлектрический наушник
  • 1 катушка эмалированного обмоточного провода диаметром 0,51 мм (24 AWG)
  • 1 германиевый диод 1N34A (российский аналог Д310, Д311)
  • 1 кусочек алюминиевой фольги
  • 1 канцелярская скрепка
  • 1 пакет наконечников для шнуров (пружинки длиной 10 и диаметром 5 мм)

Шаг 2: Общий вид

Прежде, чем начнем, хочу показать, как выглядит схема и как все друг с другом соединяется.

Шаг 3: Катушка

Это самая важная деталь. Плотно намотайте провод на сердечник, напечатанный на 3D-принтере, убедитесь что витки не перехлестываются и плотно прилегают друг к другу. Не торопитесь, выполняя намотку и закрепляйте концы провода, а также сам провод в процессе намотки скотчем, если вам надо прерваться. На видео это хорошо видно.

Теперь аккуратно ошкурьте эмаль с передней части витков, чтобы обнажить металл. Если ошкурить слишком много, витки могут замкнуть. Протрите витки, чтобы удалить опилки.

Шаг 4: Сборка

Сердечник катушки вставляется в основание, напечатанное на 3D принтере. Пропустите левый конец провода в маленькое отверстие в основании, обрежьте до нужной длины и загните в сторону. Правый конец провода закрепите в пружине на правой стороне основания, только сначала ошкурьте эмаль, чтобы обеспечить контакт, и обрежьте лишнее.

Шаг 5: Скрепка, диод и наушник

Распрямите скрепку. Ее концы входят в отверстия на противоположных сторонах основания перед катушкой. Скрепка должна быть близко к катушке, но не касаться ее. Отрежьте кусочек провода, ошкурьте концы и соедините левый конец скрепки с левой пружиной.

Закрепите диод в левой и средней пружинах, какой конец куда не имеет значения.

Подключите пьезоэлектрический наушник к центральной и правой пружинам.

Шаг 6: Тюнер

Вырежьте и сложите кусочек фольги и пропустите между скрепкой и катушкой. Фольга должна касаться и скрепки и катушки. Прикрепите фольгу к язычку напечатанного на 3D-принтере движка тюнера.

Шаг 7: Установка

Провод антенны должен быть длиной 4,5 – 6 м, чем длиннее, тем лучше. Антенна соединяется с левой пружиной. Ошкурьте несколько сантиметров провода заземления и плотно обмотайте вокруг металлического водопроводного крана. Другой конец провода заземления соедините с правой пружиной, предварительно ошкурив.

Шаг 8: Как пользоваться

Медленно передвигайте движок тюнера в одну и другую сторону, пока не услышите шум, а затем слабый радиосигнал!

Поиск неисправностей:

  1. Присоедините к усилителю, если громкость слишком низкая.
  2. Убедитесь, что все соединения сделаны правильно, консультируйтесь с видео.
  3. Металлические предметы и ваше тело могут влиять на прем, так что попробуйте отойти.
  4. Убедитесь, что для хорошего контакта концы всех соединительных проводов ошкурены до металла.
  5. Поэкспериментируйте с радиоантенной. Попробуйте подвесить ее повыше, измените ориентацию или удлините ее.

Надеюсь, вам понравилось.

Шаг 9: Альтернативный способ

Это всего лишь еще один вариант. Диод можно заменить булавкой, прижатой к грифелю кусочка карандаша, конец которого контактирует с лезвием безопасной бритвы. Лезвие предварительно надо нагреть, пока оно не станет голубым. При этом ток будет протекать только в одном направлении, как в диоде. Заставить работать эту конструкцию гораздо труднее, но возможно.

Комментарии (31): #1 Филюк Виктор Октябрь 31 2014

Здравствуйте. На сколько я понял,частота приема устройства лежит в рамках УКВ «нашего диапазона».А как нужно изменить данные катушки ,что-бы можно было перекрыть весь FM диапазон??? .Спасибо.

#2 root Октябрь 31 2014

Для FM диапазона нужно будет уменьшить количество витков катушки индуктивности L1. Значение количества витков подбирается экспериментально, также расширение/уменьшение расстояния между витками катушки влияет на рабочую частоту контура L1C2.

Для диапазона 65.8-73(МГц) транзистор должен быть П416 с буквой Б или другой более высокочастотный.
Для диапазона 88-108(МГц) нужен более высокочастотный транзистор нежели П416Б. Для нового диапазона можно попробовать использовать ГТ308Б-Г(порог 120 МГц), а также КТ361 с любой буквой (порог 250 МГц) или КТ3107 (порог 200МГц).

#3 В. Боровков Декабрь 01 2014

Здравствуйте! Я как-то не уверен, что вот в наушниках (в телефонах) будет слышан даже шум регенерации, полезный сигнал, шум очень мал. Вы сами такой приёмник делали и, он работал у Вас?? Вот хоть не уверен, но интересно возможно ли, что так будет, как написано, работать…

#4 March Декабрь 25 2014 #5 root Декабрь 25 2014

March, спасибо за замечание. Убрали из статьи упоминиание о кт603 чтобы не путать новичков. Сейчас есть достаточно много высокочастотных транзисторов которыми можно заменить старые германиевые П416.

#6 March Декабрь 26 2014

Не думаю что уже П416 нет, еще по загашникам лежит множество от П401 до 416*422, старых ГТ308 и т.д. А германий вообще то получше работает. ( кому надо вышлю.. )

#7 root Декабрь 26 2014

Да есть еще на барахолках такие транзисторы, сам недавно купил за копейки несколько ГТ308 — продавци удивлялись что кому-то эти раритеты еще нужны ))
У германиевых транзисторов действительно есть некоторые преимущества перед кремниевыми. В статье Лампово-транзисторный УНЧ для наушников есть табличка где сравниваются физические свойства кремния и германия.
Приведу кратко приемущества германия перед кремнием:

  • плотность выше более чем в 2 раза;
  • подвижность электронов и дырок выше примерно в 3 раза;
  • продолжительность жизни электрона выше в 2 раза.

Для радиоприемной и звуковоспроизводящей аппаратуры германий может проявить себя очень интересно! К тому же на германиевых транзисторах можно собирать очень экономичные конструкции, к примеру:

  • Экономичные радиоприемники с низковольтным питанием (0,3-0,7В) от земляной батареи;
  • Экономичный приемник с питанием от солнечных батарей.

Поэтому в данной конструкции УКВ приемника на одном транзисторе тоже будет плюсом использование германиевого транзистора.

#8 Clide Январь 07 2015

Здравствуйте, я начинающий в этом деле. Напишите пожалуйста на счет конденсаторов C1 и C3 какие там единицы измерения, и на сколько принципиальна та емкость, которая указана в схеме

#9 root Январь 08 2015

Конденсатор С1 = 12 пФ(пикоФарад) — здесь можно допустить некоторое отклонение, скорее всего что емкость конденсатора в пределах 10-15 пФ не скажется на работе.
Конденсатор C3 = 36 пФ(пикоФарад) — в данной схеме желательно минимальное отклонение, можно попробовать 30-40пФ.

Также любую емкость, если нет точного номинала в наличии, можно сложить из нескольких конденсаторов включив их параллельно — при этом емкость всех конденсаторов суммируется.
Пример: нужен конденсатор на 36пФ — соединяем параллельно два конденсатора 10пФ и 25пФ, получится 35пФ что вполне подходит для установки в схему.

#10 Clide Январь 16 2015

Здравствуйте снова. Большое вам спасибо за помощь, благодаря вам я собрал свой первый приемник!
Ps: Ловит фм налегке 🙂

#11 March Январь 16 2015

Транзистор П416Б можно заменить на ГТ308А или другой высокочастотный N-P-N структуры. Ну вот опять..не N-P-N a P-N-P.

#12 root Январь 16 2015

Когда правил статью допустил ошибку из-за невнимательности. Почему я привязался так к N-P-N, сказывается видать тесное общение со схемами на КТ315 )) Исправил! Спасибо, March.

Clide, єто отлично! Если не затруднит то напишите какие детали меняли и какие использовали наушники.

#13 Clide Январь 16 2015

Транзистор п422 c1 и c3 по 30пф C2 — КПЕ с воздушным зазором, L1 11мм(кстати, это же четко пальчиковая батарейка) 10 витков сечением 0.4мм. Выход наушники от плеера через резистор 500-1000Ом, также параллельно резистору 500Ом через конденсатор поставил выводы на усилитель унч
Так как транзистор довольно таки слабенький, боюсь спалить его своим недостатком теоретических знаний

#14 Clide Январь 28 2015

Мне снова нужна помощь, в общем добавил я один усиливающий каскад на составном транзисторе, приемник стал громче, вроде бы все как надо, но когда я увеличил питание с 2.5В до 5В он начал работать наоборот, а именно создавать очень сильные помехи, полностью глушит телевизор, при этом функция приемника практически полностью пропадает. Подскажите хотя бы примерно от чего такое может происходить.


Вот полная схема этого врага соседей.
И да,старый транзистор я все таки сжег, нечаянно)

#15 root Январь 29 2015

Вполне рабочее решение. Передатчиком схема становится потому, что вы дали для транзистора КТ603 очень много тока — попробуйте вместо резистора 100 Ом поставить переменный резистор на 2-5 кОм и поэкспериментировать, также попробуйте уменьшить емкость входного конденсатора на 10мкФ до 0,47 — 1 мкФ и меньше. Номиналы для изменения подчеркнуты красным на вашей схеме.

В статье Схема УКВ (FM) сверхрегенератора на двух транзисторах есть похожее решение, можете попробовать подсоединить усилитель таким же образом только с составным транзистором.

Вот некоторые схемы и статьи из которых можно взять идеи и знания по простым самодельным FM радиоприемникам на транзисторах:

  • Простой регенеративный УКВ-ЧМ приемник на четырех транзисторах
  • Сверхгенеративные транзисторные УКВ приемники с низковольтным питанием (1,5В)
  • Транзисторные УКВ (FM) приемники с кольцевым стереодекодером

#16 Clide Январь 29 2015

Да, действительно в помехах был виноват резистор 100ом. временно поставил переменный, и поставил конденсатор на 1мкф. От помех избавился, но к сожалению, почему то именно от 5 вольт приемник по прежнему отказывается нормально работать, а именно звук очень искаженный, и появляется чрезмерная чувствительность, кпе приходится крутить по микрону, и самому нельзя шевелится. В общем, я думаю что это какая-то особенность транзистора, поищу другой, попробую, если не получиться, уменьшу напряжение да и все, или соберу по другой схеме

#17 root Январь 29 2015

Подключите питание 5В и попробуйте поставить переменный резистор на 200-300 кОм вместо R1, вращая ручку посмотрите как изменится работа приемника.

В схеме усилителя резистор 280 Ом заменить на 2-3 кОм, а режим работы подобрать резистором который у вас на схеме 52 кОм.

#18 van Июль 26 2015

Попробуйте поставить транзистор ГТ313 или ГТ311. У них граничная частота около 400МГц. Первый структуры p-n-p также как и П416, П422. Второй n-p-n, меняеться полярность питания. ГТ313 можно найти в блоках СКМ или УКВ блоках советских радиоприемников, таких как Окаен и т.п.

#19 Сергей Октябрь 10 2018

Какое сопротивление р1 просто я не вижу?

#20 root Октябрь 10 2018

Сергей, сопротивление резистора R1 — 330 кОм (330 000 Ом).

#21 Александр Компромистер Октябрь 11 2018

У меня вопрос, предложение и замечание: во-первых, почему резистор R1 имеет относительно большую мощность 0.5 Вт вместо распространенных мощностью 0.125 Вт (см. схему Захарова-Сапожникова)? — В связи с этим катушку L1 можно намотать непосредственно на резисторе R1 (но при этом нужно подобрать число ее витков). — Это во-вторых, а в третьих, замечание: по правилам ЕСКД ключ питания чертится в обратном направлении, т.е. не от источника питания, а от нагрузки.

#22 root Октябрь 12 2018

Схема перерисована. Резистор R1 — маломощный, можно ставить на 0,125Вт или на любую другую мощность. Катушка L1 — бескаркасная.

#23 Kostya Май 06 2019

Здравствуйте. Делаю курсовую по вашей схеме. Помогите с выбором динамика. Подключил динамик, но он даже не шипит. Поподробней если можно!

#24 root Май 06 2019

Здравствуйте. К этой схеме нельзя подключать напрямую динамики на 4-8 Ом, а также наушники на 16-50 Ом. Если так сделать, то транзистор выйдет из строя. Схема рассчитана на подключение телефонов с сопротивлением 1600-2200 Ом. Для использования таких динамиков и наушников нужно подключить согласующий трансформатор.

Миниатюрный согласующий трансформатор можно извлечь из старого радиоприемника или изготовить самому.

Подключать его к схеме нужно обмоткой I с сопротивлением более 1кОм, а к динамику или наушникам — обмоткой II, с сопротивлением в несколько десятков Ом.

#25 Александр Компромистер Май 07 2019

Трансформатор из абонентского громкоговорителя подойдёт ?

#26 root Май 08 2019

Александр, подойдет, но громкость воспроизведения будет ниже чем с применением трансформатора, извлеченного из переносного радиоприемника.

#27 Александр Компромистер Май 08 2019

А можно ли использовать в этом случае режим D работы выходного транзистора и увеличить напряжение? — Какое значение частоты дискретизации выбрать в данном случае? — Да, явно fд>=2fв, но чему принять равным fв?

#28 Seawar Май 08 2019

Це суто аналогова схема. Вихідний транзистор одночасно є і вхідним — і гетеродином, і змішувачем, і УРЧ, і УНЧ. Можна (і оптимально) підключити додатковий УНЧ, а який уже його режим вибрати — справа смаку.

#29 Николай Сентябрь 16 2019

Решил сделать такой приемник, все детали есть, НО источника питания 9 вольт не нашел. Поэтому решил собрать трансформатор на 9 вольт из 220 вольт (я пока новичок). И у меня от таких 9 вольт схема заработала, но у меня абсолютный слух и радио работает, но в телефоне постоянно слышен звук на ноте «соль» нижней октавы (станция+ нижняя нота). Как это исправить? Если я вставлю нормальную батарейку крона, этот звук прекратится?

Общая схема радиосвязи довольно проста: в радиопередатчике специальным генератором формируются электрические колебания высокой частоты, которые затем смешиваются с полезным сигналом (модулируются) и при поступлении в антенну, преобразуются в электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Достигнув антенны приемника, электромагнитные волны наводят в ней переменный ток, который усиливается, демодулируется и поступает на устройство воспроизведения.

За кажущейся простотой этой схемы скрыты десятилетия упорных исследований и экспериментов нескольких поколений ученых. И хотя основным принципам передачи и приема электромагнитных волн более 100 лет, до сих пор ученые бьются над повышением и понижением, увеличением и уменьшением, удешевлением и… Но реальность далека от идеала – увеличение в одном месте зачастую приводит к уменьшению в другом. И нет предела совершенству.

ПЕРЕДАТЧИК

Принцип работы передатчика можно понять из простого опыта. Для его проведения понадобятся батарейка, пара отрезков провода, фабричный или самодельный компас. Примитивный компас сделать очень просто: потрите магнитом обычную стальную швейную иголку, проткните ею кусочек пенопласта или другого легкого изоляционного материала и поместите конструкцию в чашку или блюдце с водой. Стрелка импровизированного компаса обязательно должна повернуться на север. Теперь все готово к построению передатчика.

Если вы проложите провод возле стрелки компаса на расстоянии 3–5 см и затем перемкнете им полюса батарейки, то в момент подключения вы сможете заметить небольшое отклонение или движение стрелки. Это говорит о том, что вы получили магнитное поле из электрического тока (поля). Заметьте, что отклонение стрелки происходит только в момент замыкания и размыкания провода. Это говорит о том, что магнитное поле возникает только при изменении направления тока, в нашем случае в начале и прекращении. Более научно: движение электронов создает электрическое поле в проводнике, изменения которого создают вокруг проводника магнитное поле и это поле влияет на стрелку. Просто и понятно. Мы открыли явление электромагнитной индукции, которое независимо от нас еще в 1831 сделал Майкл Фарадей. Так что лавры первооткрывателя, к сожалению, принадлежат не нам.


Опыт Фарадея.

Давайте усложним опыт. Возьмем два провода и разместим их параллельно на расстоянии примерно 3–5 см друг от друга. В цепь второго провода подключим чувствительный вольтметр (тестер или микроамперметр). Теперь при подключении первого провода к батарейке, прибор должен фиксировать возникновение тока во втором проводе. Ток конечно очень мал и вашему прибору может не хватить чувствительности, чтобы его зафиксировать. Но поверьте, он есть. Мы передали энергию на небольшое расстояние. Кстати это также сделал независимо от нас Генрих Герц в 1889.

Подведем итоги:

  • Напряжение батарейки создает поток электронов в первом проводе;
  • Движущиеся электроны создают магнитное поле вокруг провода;
  • Магнитное поле влияет на второй провод и вызывает в нем движение электронов или электрическое поле;
  • Электрическое поле во втором проводе появляется только тогда, когда изменяется магнитное поле, то есть в момент включения или выключения.

Мы пришли к важному выводу, что при изменении электрического поля изменяется магнитное поле, и его энергия может передаваться без проводов. Для того чтобы магнитное поле могло распространиться на большое расстояние, нашему передатчику не хватит мощности. Для дальней радиопередачи нужен мощный генератор переменного тока – устройство, которое бы самостоятельно «включало и выключало» ток или изменяло его полярность. Причем частота колебаний генератора должна быть довольно высокой (например, для средних волн не менее 300 кГц). Чем выше частота генератора, тем меньше энергии будет затрачиваться на передачу и потребуются антенны меньших размеров. Но повышение частоты предъявляет более жесткие требования к элементам радиопередатчика. Нужны более высокочастотные (читай – дорогие) элементы и более стабильный генератор.

Сложность изготовления и настройки элементов и узлов передатчика (и приемника тоже) напрямую зависит от частоты. Больше частота – сложней изготовление и выше стоимость. В свою очередь, отклонение частоты влияет на согласованную работу передатчика и приемника. Например, отклонение частоты средневолнового (300 кГц) передатчика на 1% вызовет изменение частоты на ±3 кГц, что в принципе допустимо. А отклонение на 1% передатчика, работающего на частоте 450 МГц, даст отклонение частоты на ±4.5 МГц. А это по ширине больше длинноволнового, средневолнового и частично коротковолнового диапазонов вместе взятых!

В качестве генератора высокочастотных колебаний на заре радиотехники применялся искровые генераторы, в которых между контактами проскальзывала мощная искра, создающая магнитное поле. В качестве примера подобного устройства можно привести свечу в автомобильном двигателе, которая создает электромагнитное поле при работе, но, к сожалению, эти «радиоволны» не доставляют радости ни владельцам автомобилей, ни владельцам радиоприемников, расположенных поблизости. Затем в передатчиках стали применять электрическую дугу – непрерывную «искру». «Бытовым» примером которой является электрический сварочный аппарат. Позднее появились так называемые машинные генераторы, в которых магнитное поле создавалось электродвигателем. Технология развивалась, и в наши дни полупроводниковые приборы вытеснили искру, генераторы, вакуумные лампы и многое из того, что считалось классическим для своего времени. Но, несмотря на достижения электроники, в современных передатчиках используются те же принципы, что и на заре радио.

Первые радиопередатчики работали в телеграфном режиме, т.е. сообщения передавались точками и тире кода Морзе. Для таких систем было не важно качество сигнала, а было важно его наличие. Довольно просто отличить точку от тире при любом качестве передачи. Все начало усложнятся с появлением голосовой связи. Понадобились новые открытия, и они не замедлили появиться.

Допустим, мы построили генератор высокочастотных колебаний. Что же дальше? Как заставить электромагнитные волны «нести» полезную информацию, в частности наш голос? Еще в 1900 американский инженер Реджинальд Фессенден предложил использовать для этих целей модуляцию. Давайте рассмотрим этот процесс подробней.

Полезный звуковой сигнал, например голос, представляет собой акустические колебания или звуковые волны. Очевидно, что эти колебания должны быть преобразованы в электрический вид. Мы не будем подробно останавливаться на этом процессе, так как он должен быть всем хорошо известен из школьного курса физики. Для тех, кто забыл, напомним, что преобразование обычно осуществляется с помощью микрофона.

Допустим, мы имеем электрический сигнал звуковой частоты и имеем высокочастотную электромагнитную волну – несущую. То есть у нас есть информация и несущая для ее транспортировки. Как же «нагрузить» электромагнитную волну звуком? Для этого и применяется модуляция.

Модуляция это процесс объединения информационного, в нашем случае звукового сигнала, с частотой генератора. Модуляция определенным образом изменяет форму ВЧ колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ) и частотную модуляцию (ЧМ).


Принцип модуляции.

Как видите все очень просто. Модулирующий сигнал изменяет либо амплитуду несущей, либо ее частоту. И в том, и в другом случае несущая нагружается полезным сигналом. Мы заставили электромагнитную волну нести наш голос и в результате получили радиопередатчик.


Упрощенная структурная схема радиопередатчика.

Конечно на практике все намного сложней, ведь еще необходимо усилить сигнал, отфильтровать шумы и помехи, обеспечить возможность перестройки на разные частоты и т.д. А сколько различных сервисных функций в обычной портативной радиостанции или в сотовом телефоне! Это и вызовы конкретных абонентов, и контроль канала или частоты, и индикация режимов работы и т.д. и т.п. Но принцип работы от этого не меняется. Кстати, в современных радиопередатчиках основные режимы управления обычно возложены на одну единственную микросхему – микропроцессор, который заведует функционированием устройства и взаимодействием всех блоков.

Теперь мы можем послать наш голос в окружающее пространство. Что же дальше? Кто оценит наше ораторское искусство? Настала пора позаботиться о слушателях.

ПРИЕМНИК

Все мы пользуемся устройствами приема электромагнитных волн, но редко задумываемся о принципах их работы. В опыте, описанном выше, мы могли убедиться, что для приема радиосигналов достаточно обычного куска провода. Но провод позволяет только обнаружить сигнал. Чтобы его можно было выделить из множества других и услышать потребуется уже более сложное оборудование.

В первых приемниках созданных Поповым и Маркони для передачи информации использовался телеграф (точки и тире кода Морзе). В то время не особенно беспокоились над приемом сигналов конкретной радиостанции. Эфир был относительно чист. Кроме того, при приеме телеграфных сигналов можно было не задумываться о его качестве. Код Морзе можно было передавать хоть тоном, хоть треском, хоть скрипом. Главное – отличить точку от тире. Дальность связи в основном определялась мощностью передатчика и эффективностью (габаритами) антенн. В качестве регистратора сигналов в то время использовалось специальное устройство – когерер, представляющее собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. При прохождении электрического сигнала опилки спекались и становились проводником тока.


Когерер. Для наглядности металлические пластины изображены раздвинутыми.

При включении когерера в цепь, состоящую из источника питания (батареи) и сигнального устройства (звонка или самописца) можно было фиксировать принятые точки и тире. При всей простоте способа, когерер не позволял принимать голос. Для этого требовались приборы, работающие на других принципах.

Радио развивалось. На смену когереру пришли более чувствительные устройства, такие как кристаллические детекторы, жидкостные бареттеры, магнитные детекторы и т.п. Большим достижением стало появление электронных ламп и полупроводниковых приборов.

НАСТРОЙКА НА ВОЛНУ

Для работы в эфире множества радиопередатчиков без помех друг другу, каждому из них выделяется строго определенная частота. В свою очередь радиоприемник должен быть также настроен на эту частоту. Во всех радиоприемных устройствах для этого используется колебательный контур – специальное устройство, представляющее собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора. Катушка (ее иногда называют просто индуктивностью) – свитый в спираль провод, а конденсатор – близко расположенные металлические пластины, которые позволяют накапливать заряд (электрическую энергию).


Колебательный контур.

Если присоединить батарею к пластинкам (более научно – обкладкам) конденсатора, на нем появится электрический заряд. Нетрудно догадаться что пластина, соединенная с отрицательным полюсом батареи, зарядится отрицательно, а соединенная с положительным – положительно. На пластинах появится электрическое напряжение, которое будет возрастать до тех пор, пока конденсатор не зарядится до предела, соответствующего его электрической емкости. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд «войдет» в него при данном напряжении, тем больше электрической энергии сосредоточится в электрическом поле между пластинами.

Запасенная энергия останется в конденсаторе и после отключения батареи. Если заряженный конденсатор подсоединить к катушке индуктивности, то накопившийся заряд вызовет протекание электрического тока через катушку. А мы уже знаем, что вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Электрическая энергия конденсатора превратится в катушке в магнитную энергию, которая создаст магнитное поле.

Энергия, запасенная магнитным полем, разумеется, не может исчезнуть бесследно, она должна куда-то деться (перейти в другой вид энергии). Как это ни парадоксально, но магнитная энергия вызовет возникновение в породившей его катушке электрическое поле. В катушке возникнет ток, напряжение которого начнет заряжать конденсатор.

Подведем итоги:

Внешнее воздействие.

  • Внешнее напряжение заряжает конденсатор;
  • После заряда конденсатора до максимума, напряжение отключается.

Автономная работа.

  • Конденсатор разряжается через катушку;
  • В катушке возникает электрическое поле;
  • Электрическое поле создает вокруг катушки магнитное поле;
  • После окончания разряда конденсатора магнитное поле достигает максимума (тока в цепи нет);
  • Магнитное поле начинает «возвращаться» в катушку;
  • Влияние магнитного поля вызывает в катушке электрическое поле (возникает ток);
  • На обкладках конденсатора появляется напряжение;
  • Напряжение заряжает конденсатор;
  • Заряд достигает максимума, магнитное поле минимума;
  • Конденсатор начинает разряжаться через катушку;
  • Через катушку течет ток, создавая электрическое поле… и т.д.

Следует отметить, что каждый цикл перехода энергии между электрическим и магнитным полем вызывает изменение направления тока в цепи и, следовательно, заряд на пластинах конденсатора меняется с положительного на отрицательный и наоборот. Полный цикл процессов происходящих в контуре называется колебанием, из-за чего контур и получил название колебательного.

Напрашивается идея создания «вечного двигателя» на основе колебательного контура. К сожалению «ничто не вечно под луной» и со временем колебания тока в контуре прекратятся подобно тому, как постепенно затухают колебания маятника. Ведь проводники из которых сделан контур обладают электрическим сопротивлением, из-за чего часть энергии затрачивается на его преодоление и превращается в тепло. Это основная причина энергетических потерь в контуре.

Колебания в электрическом контуре совершаются с очень большой частотой – тысячи и миллионы раз в секунду, т.е. тысячи и миллионы герц. Это частота определяется емкостью конденсатора и индуктивностью катушки. Чем больше число витков в катушке, тем меньше ее индуктивность (тем быстрее изменяется сила тока в контуре). Чем меньше емкость конденсатора, тем меньше времени нужно на его заряд и разряд. Меняя величину емкости или индуктивности, легко настроить контур на любую частоту.

ПОРА ОГЛЯНУТЬСЯ

Теперь мы можем более конкретно объяснить, как же работает передатчик.

Электромагнитное поле возникает при электрических колебаниях в контуре, т.е. в замкнутой цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности. При каждом изменении направления электрического тока в контуре вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, а оно (согласно теории Максвелла и из практики), обязательно рождает электрическое поле. Замкнутые силовые линии полей как бы отрываются от пластин конденсатора и отправляются путешествовать в пространство.

К ЧЕМУ ВСЕ ЭТО?

Могут спросить нетерпеливые читатели. К чему столько сложностей, ведь мы говорим о радиосвязи? Дело в том, что на колебательном контуре базируется вся наука передачи и приема радиосигналов (и не только она).

При воздействии на контур внешней энергией, например, переменным электрическим током, в нем возникают так называемые вынужденные колебания. Если частота сигналов совпадет с частотой колебаний контура, возникнет явление резонанса – амплитуда колебаний достигает наибольшей величины. При этом не надо увеличивать амплитуду подводимого колебания, нужно только, чтобы частота этих колебаний равнялась частоте настройки контура. Именно это явление и позволяет настраивать приемник на определенную частоту и выделять нужную станцию среди множества других. Физическую сущность этого явления можно продемонстрировать на примере качелей. Для того чтобы они не остановились необходимо их подталкивать в такт с собственными колебаниями. Даже если каждый толчок очень слаб, он передаст качелям небольшую порцию энергии и постепенно их можно раскачать достаточно сильно. Так же можно «раскачать» и электрический контур, если подавать в него энергию в такт его собственным колебаниям. Из электрических колебаний различных частот контур выделит только ту, которая вызовет явление резонанса. Из слабых «подталкиваний» контур постепенно накопит значительную энергию. Конечно, контур не сможет собирать «толчки» и увеличивать амплитуду колебаний беспредельно. Чем больше амплитуда напряжения на контуре, тем через него течет больший ток и, естественно, тем больше потери (больше энергии рассеивается в виде тепла).


Колебательный контур «пропускает» только резонансную частоту.

Чтобы настроить контур в резонанс необходимо менять его частоту. Как уже было сказано, это достигается изменением параметров индуктивности или емкости. Технологически менять емкость проще, чем индуктивность, поэтому в основном применяют именно изменение емкости. Классическим элементом, позволяющим изменять емкость, является конденсатор переменной емкости (КПЕ), которым и осуществляют настройку на частоту резонанса.


Слева – схематичное устройство КПЕ. Справа – внешний вид двухсекционного КПЕ.

Раньше механический КПЕ был единственным устройством настройки, но в процессе развития радио появились более удобные и надежные элементы. Например, варикап – полупроводниковый элемент у которого емкость меняется изменением управляющего напряжения. Или так называемый электронный эквивалент конденсатора, который представляет собой не традиционное устройство с двумя пластинами, а интегральную схему, функционально выполняющую те же задачи.

Теперь мы знаем, как выделить из эфирного хаоса нужную частоту. Что же дальше? Ведь полученные таким образом сигналы являются высокочастотными, а наш голос – низкочастотный звуковой сигнал.

ЗАБЕГАЯ НАЗАД

Давайте сделаем небольшое отступление. Настала пора вспомнить об антеннах. Эти устройства и позволяют улавливать (и передавать) электромагнитные волны. Может быть у кого-то вызовет недоумение, почему речь о них заводится не в начале повествования. Это не ошибка. Мы преднамеренно подняли вопрос об антеннах после описания колебательного контура, так как антенна, по сути, тоже колебательный контур, но со слабо выраженными резонансными свойствами. Обычно антенну рассматривают как катушку индуктивности, а емкостью будет… она же, выступающая в роли одной из обкладок конденсатора, второй же обкладкой будет поверхность земли. Становится очевидным, что параметры антенны также влияют на способность приемника принимать определенную радиостанцию. Индуктивность и емкость антенны, определяется ее геометрическими размерами, конструкцией, материалом и т.п. Рассчитать антенну гораздо сложнее, чем обычный колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора. Со времен изобретения радио ученые бьются над созданием идеальной антенны, эффективность которой была бы максимальной, а размеры минимальны. Но, к сожалению, идеальность недостижима.

Антеннам посвящена масса всевозможных публикаций в различных источниках, кого это интересует, могут «порыться» в Интернете. Не будем усложнять и без того непростой рассказ, а приведем лишь общие тезисы.

Антенна – колебательная система и для достижения максимальной эффективности ее необходимо настроить в резонанс с принимаемой (в приемнике) и передающей (в передатчике) частотой.

Антенна способна принимать сигналы всех радиочастот, но из-за своих колебательных свойств будет более эффективно работать в пределах определенного диапазона, на который она рассчитана.

В самом простом виде антенна это кусок провода. В радиостанциях и высококачественных приемниках антенна представляет собой довольно сложную конструкцию, от которой в большой степени зависит способность приемника принимать слабые сигналы.

ПЕРЕХОДИМ НА ПРИЕМ

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

  • Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;
  • Эти токи поступают на входной контур;
  • Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;
  • Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем полезный сигнал низкой частоты (звук, цифровые данные);
  • Электрический сигнал низкой частоты надо преобразовать либо в звуковой сигнал, который можно прослушать, либо, если идет обмен цифровыми данными, в вид, воспринимаемый конечным потребителем.

ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЕМНИК

Процесс выделения звука или данных из высокочастотного сигнала называется демодуляцией (процесс обратный модуляции) или иначе – детектированием. Осуществляется демодуляция детектором. За долгую историю радио в качестве детектора использовались различные устройства. Вначале это были кристаллические, жидкостные или магнитные детекторы, затем появились вакуумные диоды (электронные лампы) и, наконец, в качестве детектора стали применяться полупроводниковые элементы.

Наглядно процесс детектирования высокочастотного сигнала можно рассмотреть на примере детекторного радиоприемника – прадедушки современных систем связи.

Выпрямление электрического тока диодом.

Схема детекторного приемника и форма сигналов в различных точках.
1 – ВЧ сигнал, выделенный колебательным контуром; 2 – сигнал после выпрямления детектором; 3 – НЧ сигнал, поступающий на наушники.

Из принятых антенной ВЧ сигналов выделяется тот, в резонанс с которым настроен колебательный контур. Форма сигнала в точке 1 представляет собой высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде. Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну, которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды – так называемую огибающую (показана пунктирной линией). Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать, для этого нужна звуковая частота. Для удаления ВЧ составляющей в схему после диода включен конденсатор, емкость которого выбрана таким образом, чтобы он пропускал только низкочастотную составляющую сигнала, а высокочастотную, как говорят на радиотехническом сленге, «замыкал на землю». В результате мы имеем сигнал эквивалентный переданному радиопередатчиком.

Конечно, детекторные приемники не используются для серьезных задач и представляют скорей академический интерес. Но на их примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах.

К недостаткам детекторных приемников следует отнести низкую чувствительность и избирательность (возможность принимать конкретную станцию без помех со стороны других станций с близкой частотой), слабый уровень воспроизводимого сигнала. Как видно из схемы, в детекторном радиоприемнике нет даже источника питания – он работает на энергии радиоволн. Уровень этой энергии настолько мал, что позволяет прослушивать на наушники сигналы только мощных близлежащих радиостанций. Детекторный приемник позволяет принимать только амплитудно-модулированные сигналы, которые в настоящее время используются в основном только в коротковолновом и средневолновом радиовещании. В локальном городском радиовещании и телевидении, в системах коммуникаций используют более совершенные виды модуляции: частотную, фазовую, импульсную и т.п.

Несмотря на недостатки, для многих наших пра- или прапрадедушек и бабушек детекторный приемник был единственным окном в информационный мир радио. С его помощью принимались радиосигналы в течение двух десятилетий с начала XX века. Дальнейшие изобретения более совершенных схем и элементов хотя и потеснили первый приемник, но не вытеснили полностью. Детекторные приемники совершенствовали и улучшали, украшали и дорабатывали. Для многих изготовление детекторных приемников было увлечением, а для кого-то становилось профессией. Вплоть до начала третьего тысячелетия для большинства мальчишек путь в электронику начинался с изготовления именно детекторного приемника, несмотря на его вековой возраст.

СУПЕРГЕТЕРОДИН

Революция произошла в 1913 году, когда гениальный американский изобретатель Эдвин Армстронг предложил схему супергетеродинного приемника. Схема оказалась настолько удачной, что до настоящего времени девять из десяти приемников работают на этом принципе. Смысл загадочного слова супергетеродин заключается в том, что выделенный входным контуром высокочастотный сигнал сначала преобразуется в другую частоту, постоянную для данного типа приемника, а затем на этой, так называемой промежуточной частоте, производится усиление основного сигнала и ослабление мешающих. Благодаря постоянству промежуточной частоты в супергетеродине удается сравнительно простыми средствами получить высокую чувствительность и избирательность приемника.

Блок-схема классического супергетеродинного приемника.

В чем же прелести супергетеродина и почему он завоевал такую популярность?

Как видно из блок-схемы, настройка на радиостанцию осуществляется таким же колебательным контуром, как и в детекторном приемнике. Но дальше начинается самое интересное. Диковинное слово гетеродин – это маломощный перестраиваемый генератор (кстати, давший название принципу). «Но это же не передатчик – спросите вы, – зачем в приемнике генератор?». И будете совершенно… не правы. Оказывается, генератор применяется во всех современных приемниках, но его функции отличаются от функций выполняемых в радиопередатчиках.

В приемнике генератор вырабатывает колебания, которые в дальнейшем складываются с радиочастотой. Причем, как видно из схемы, частота гетеродина синхронно изменяется вместе с настройкой входного контура (с помощью многосекционного КПЕ). Это нужно для того, чтобы частота сигнала, полученная после сложения, всегда оставалась постоянной. Это будет промежуточная частота (ПЧ). Она не зависит от выбранного диапазона настройки и от частоты принимаемой радиостанции. Постоянство ПЧ, получаемой на выходе смесителя, позволяет гораздо эффективней отфильтровать нежелательные сигналы соседних радиопередатчиков, эфирные помехи и т.п. Это связано с тем, что конструктивно легче создать качественный фильтр на постоянную частоту, нежели на меняющуюся. Промежуточная частота выбирается таким образом, чтобы ее значение не попадало в область частот передающих радиостанций (обычно 465 кГц в отечественной аппаратуре и 455 кГц – в импортной). Кроме того, относительно низкая ПЧ не так требовательна к качеству применяемых элементов (транзисторов, микросхем, фильтров, конденсаторов). Они могут быть низкочастотными и, следовательно, более дешевыми.

Кроме выделения сигнала входным колебательным контуром, сигнал проходит еще через один настраиваемый контур (после усилителя ВЧ, см. схему). Это позволяет еще в большей степени избавиться от нежелательных входных сигналов. В ламповую эпоху развития радио супергетеродинные приемники оснащались несколькими резонансными каскадами, каждый из которых подстраивался своей секцией КПЕ, управляемой общей ручкой. Появление качественных полупроводниковых приборов позволило упростить механическую часть схемы, а в дальнейшем и вовсе отказаться от механических КПЕ. В современных радиоприемных устройствах механические конденсаторы переменной емкости встречаются очень редко.

«СУПЕР-СУПЕРГЕТЕРОДИН» ИЛИ СУПЕРГЕТЕРОДИН С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ

В приемной части современных радиостанций в большинстве случаев применяется более сложный вид супергетеродинной схемы. Так называемый супергетеродин с двойным преобразованием частоты. От обычного супергетеродина он отличается наличием второго преобразователя и второй промежуточной частоты. Это позволяет обеспечить еще большую чувствительность, избирательность и помехозащищенность. Схема супергетеродина с двойным преобразованием похожа на схему обычного супергетеродина, но с добавлением еще одного гетеродина, смесителя, а также соответствующих каскадов усиления и фильтрации. Первая промежуточная частота обычно более высокая (10.7, 17, 21, 45… МГц), а вторая более низкая (455 кГц).

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты.

Большинство приемников современных радиостанций и другого радиосвязного оборудования собираются по схеме супергетеродина с двойным преобразованием. В некоторых случаях, в частности в высококлассных любительских приемниках и в специальной технике, применяются супергетеродинные схемы с тройным преобразованием. Их принцип работы очевиден из названия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *