Супергетеродин
Радио всем, 1926 №12, 1927 №1, №6
Часть 1.
Супергетеродинные схемы в заграничной радиолюбительской практике пользуются большим успехом: почти все многоламповые приёмники, особенно для волн ниже 600 метров, строятся по этим схемам.
Наши радиолюбители, окрепши практически и теоретически в области простых ламповых схем, естественно начинают стремиться к многоламповым сложным схемам, позволяющим получить большое усиление и обладающим значительной селективностью (избирательностью).
Черт. 1. Принципиальная схема супергетеродина.
Как показывает ниже приводимая таблица, в смысле избирательности приёма, супергетеродинный приёмник не имеет конкурентов.
| СХЕМА | Число ламп | Приём возможен при отличии принимаемой волны от волны местного передатчика в %. |
| Регенеративная | 1 | 35%-50% |
| Рейнарца | 1 | 20%-25% |
| Рейнарца + 1 выс. част | 2 | 12%-20% |
| Регенеративная + 1 выс. част | 2 | 25%-35% |
| Нейтродинная | 2..4 | 5%-15% (зависит от числа ламп). |
| Рефлексная | 1..3 | 25%-35% |
| Суперрегенеративная | 1 | 10%-35% (зависит от схемы) |
| Супергетеродинная | 6..9 | 2%-3% (приём на антенну) |
| Супергетеродинная | 6..9 | 1%-2% (приём на рамку) |
Из таблицы следует, что наилучшей схемой, для приёма дальних станций при работе местного передатчика, является супергетеродин. Ценные качества супергетеродина выявляются особенно рельефно при приёме волн длиною ниже 600 метров; как известно, для получения наилучшего усиления следует применять комбинированную схему, т.е. вначале усилить приходящие колебания на высокой частоте (до получения сигналов достаточной силы), затем, выпрямив детекторной лампой, усилить ещё раз на низкой частоте; этот метод усиления даёт хорошие результаты при сравнительно длинных волнах; при волнах же, примерно, ниже 600 метров, вследствие замыкания токов высокой частоты на различные паразитные ёмкости (например, ёмкость между электродами лампы), эффект усиления на высокой частоте падает весьма значительно, и здесь единственной схемой, позволяющей осуществить усиление на высокой частоте, следует признать супергетеродин.
|
Черт. 2. Процесс приёма незатухающих колебаний. |
Черт. 3. Приём модулированных колебаний. |
Остановимся на принципе действия супергетеродина.
Сначала рассмотрим процесс приёма незатухающих колебаний. Принципиальная схема для этого случая дана на черт. 1. Работу супергетеродина проследим на численном примере: положим, что длина принимаемой волны равна 300 метрам или частота колебаний 1.000.000 периодов в секунду (т.е. 1 мГц); изобразив в определённом масштабе эти колебания, получаем кривую 1 чертежа 2-го. Далее, первый гетеродин (черт. 1) настроим на длину волны 315,78 метра или частоту 950.000 пер. в секунду (0,95 мГц) - это колебания представленные второй кривой черт. 2. Сложив эти два колебания (1 и 2 черт. 2), мы получим в контуре приёмника некоторое результирующее колебание (кривая 3 черт. 2), которое носит название "биений". Частота биений, как известно, равна разности частот слагающихся колебаний, т.е. в нашем случае "биения" будут иметь частоту 50.000 периодов в секунду (50 кГц) или длину волны 6.000 метров (1.000.000-950.000=50.000).
Как следует по черт. 1, "биения" из приёмника подаются в первый детектор, которым они и выпрямляются - кривая 4 чертежа 2. Выпрямленный ток (кривая 4), после сглаживания его блокировочным конденсатором, примет вид кривой 5 (черт. 2).
Кривую 5 можно рассматривать, как бы состоящей из двух отдельных токов - постоянного - кривая 6 (черт. 2) и переменного - кривая 7 (черт. 2). Действительно, суммируя кривые 6 и 7, мы получим кривую 5.
Выпрямленные колебания (кривая 5) далее (см. черт. 1) поступают в фильтрующий контур, который свободно пропускает переменный ток (кривая 7), но задерживает постоянный (кривая 6). Прошедший через фильтр переменный ток (кривая 7) затем усиливается так наз. "усилителем промежуточной частоты".
В качестве усилителя промежуточной частоты может быть применён обыкновенный усилитель высокой частоты.
Усилив сигналы до желаемой силы на промежуточной частоте, которая, как следует из предыдущих вычислений, равна 50.000 периодов в секунду, накладываем в последнем каскаде усилителя на эти колебания (кривая 7), ещё колебания второго гетеродина - кривая 8 (черт. 2). Настроив второй гетеродин на частоту 50.500 периодов в секунду (50,5 кГц) или длину волны 5940 метров, мы получим в результате сложения кривых 7 и 8 опять "биения" - кривая 9. Частота этих биений, вычисленная по тому же правилу, что и при наложении колебаний первого гетеродина, будет равна 500 периодов в секунду (50.500-50.000=500).
Выпрямив "биения" (кривая 9) вторым детектором (черт. 2), получим кривую 10, которая после сглаживания блокировочным конденсатором примет вид кривой 11.
Этот ток (кривая 11) затем окончательно усиливается обыкновенным низкочастотным усилителем.
Из всего изложенного следует, что супергетеродинная схема может быть рассматриваема как обыкновенный комбинированный усилитель, в котором затруднение с усилением коротких волн на высокой частоте обойдено путём понижения частоты принимаемых колебаний первым гетеродином (усиление на промежуточной частоте).
В случае приёма радиотелефонной передачи можно пользоваться той же схемой (черт. 1), но без второго гетеродина, необходимость которого здесь отпадает. Действительно: модулированные приходящие колебания (кривая 1 черт. 3), после наложения на них колебаний первого гетеродина, изменяют только частоту несущей волны, сам же характер кривой остаётся без изменения (кривая 2 черт. 3).
Усилив эти колебания на промежуточной частоте до желаемой силы, подаём их прямо на второй детектор, после которого непосредственно получаем разговорную (низкую) частоту.
Часть 2.
Рассмотрев в предыдущей статье принцип работы супергетеродина, остановимся несколько детальнее на его отдельных частях.
Супергетеродин, предназначенный для приёма радиотелефонных станций, можно разделить на три основные части:
1. Приборы, предназначенные для приёма сигналов и понижения их частоты.
Сюда относятся - приёмник, первый гетеродин, первый детектор и фильтр.
2. Усиление на промежуточной частоте - междучастотный усилитель и второй детектор.
3. Усиление низкой частоты.
Вначале рассмотрим наиболее типичные схемы для приёма сигналов и понижения частоты. Простейшая схема такого устройства дана на черт. 1. Здесь на приходящие колебания накладываются колебания местного гетеродина; получающиеся вследствие этого биения выпрямляются детекторной лампой Л и, пройдя через фильтр, дальше усиливаются усилителем промежуточной частоты. Единственной деталью этой схемы, работу которой следует осветить несколько подробнее, является фильтр. Для того, чтобы основательно разобраться в действии фильтра, следует вспомнить два положения, известных из элементарной электротехники.
Черт. 1.
1. Сопротивление колебательного контура, включённого в цепь переменного тока, будет наибольшим в том случае, когда частота этого тока будет равна частоте собственных колебаний контура (резонанс токов).
2. Падение напряжения на каком-либо сопротивлении пропорционально величине этого сопротивления, т.е. чем больше сопротивление, тем больше расходуется (падает) на нём напряжения.
Применим эти положения к нашей схеме (черт. 1). Положим, что приёмный провод нашего приёмника настроен на определённую частоту (длину волны); если теперь начать менять частоту гетеродина, то эта частота, накладываясь на приходящие колебания, даст определённую частоту биений. Регулируя частоту гетеродина, мы можем подобрать её таким образом, чтобы частота биений как раз была бы равна собственной частоте фильтра. В этот момент, как было сказано, сопротивление фильтра будет максимальным и на его зажимах будет падать наибольшее напряжение. Возрастание напряжения на зажимах фильтра вызовет в катушке L2 также соответствующее повышение напряжения, в результате чего громкость сигналов также увеличится. Таким образом, настроив заранее фильтр, на определённую частоту (длину волны) можно быть спокойным в том, что всегда именно эта частота будет усиливаться междучастотным усилителем; другими словами, фильтр обеспечивает автоматическую и правильную установку промежуточной частоты.
Следующие две схемы (черт. 2 и 3) являются разновидностью основной схемы Армстронга: в первой из них (черт. 2) гетеродин действует на цепь сетки детекторной лампы, а во второй (черт. 3) - на цепь анода.
Черт. 2.
Черт. 3.
В качестве гетеродина в схемах черт. 1, 2, 3 может быть применена хотя бы простейшая трёхточечная схема (черт. 4). Широкое распространение имеет также схема Lacanet'a (черт. 5). Весьма оригинально включён гетеродин в так называемая "модуляторной" схеме Lacanet'a (Lacault ultradyne); иначе эту схему называют ультрадинной (черт. 6). Здесь лампа 1 является гетеродином с контуром в цепи сетки (LC); вместе с тем, этот же контур является включённым в цепь анода лампы 2 и таким образом анод этой лампы питается переменным напряжением, получающимся на зажимах контура LC. Лампа 2 работает только при положительных амплитудах переменного напряжения контура LC, т.е., иначе, эти колебания в цепи анода 2-ой лампы выпрямляются; далее эти детектированные колебания ещё изменяются (модулируются) переменным напряжением, создаваемым на сетке 2-ой лампы приходящими колебаниями. В конечном результате в цепи анода 2-й лампы получается выпрямленные биения, которые затем далее усиливаются на промежуточной частоте.
Черт. 4.
Черт. 5.
Черт. 6.
Рассмотренные нами схемы дают хорошие результаты и широко распространены в заграничной практике. Единственным недостатком этих схем является необходимость в отдельной гетеродинной лампе.
Желая обойти это затруднение, вначале применяли обыкновенную регенеративную схему (черт. 7); но эта схема была быстро оставлена, так как известно, при приёме по методу биений регенеративный приёмник должен быть расстроен относительно принимаемой длины волны, что, конечно, влечёт за собой уменьшение чувствительности.
Черт. 7.
В других схемах включали и приёмный и гетеродинный контура в цепь сетки одной лампы (черт. 8); но в этом случае настройка одного контура сильно влияла на настройку другого. Однако, это затруднение легко устраняется в так. называемой "Схеме второй гармоники" Houck'а (черт. 8). Работа этой схемы происходит следующим образом: допустим, мы принимаем волны 200 метров или частоту 1.500.000 пер/сек; на эту волну, очевидно, должен быть настроен контур LC (черт. 8); далее, желая получить частоту биений 50,000 пер/сек. (50 кГц), нам следовало бы настроить контур гетеродина L1C1 на волну 207 метров (частота 1,450,000 пер/сек.(1,45 мГц)), но в этом случае настройка контуров была бы затруднительной.
Черт. 8.
Houck предложил в этих условиях настраивать контур гетеродина L1C1 (черт. 8) на волну 414 метров (частота 725.000 пер/сек. (725 кГц)), тогда вторая гармоника этих колебаний (1.500.000 пер/сек.) как раз даст желательную частоту биений (1.500.000-1.450.000=50.000 пер/сек. (1,5 мГц - 1,450 мГц = 50 кГц)).
Теперь контура LC и L1C1 расстроены один относительно другого более чем на 100%, и настройка их не вызовет затруднений.
Несколько иначе устраняется взаимное влияние контуров в двух последних схемах: в схеме Скотт-Таггарта (черт. 9) контур приёмника LC и гетеродинный L1C1 включены в ветви сбалансированного конденсаторного мостика; в другой схеме (черт. 10) так называемой "тропадинной" схеме Fitch'а влияние контуров ослабляется соединением приёмного контура LC со средней точкой катушки гетеродинного контура L1C1. Рассмотренные нами одноламповые схемы, за исключением простой регенеративной (ч. 7), также пользуются распространением в заграничной практике; хотя следует отметить, что эти схемы менее надёжны, чем схемы с отдельным гетеродином.
Черт. 9.
Черт. 10.
Большинство из приведённых схем имеют обратное излучение; поэтому для супергетеродина следует пользоваться рамочной антенной, что, кроме того, значительно повышает селективность установки.
В следующей статье мы остановимся на остальных частях супергетеродина.
Часть 3.
Заключительную статью посвятим рассмотрению усиления на промежуточной и низкой частоте.
Полученные при помощи ранее разобранных схем (см. «Радио Всем» № 12), колебания промежуточной частоты поступают затем в междучасточный усилитель для дальнейшего усиления.
Промежуточная частота, как известно, выбирается порядка 50.000 периодов в секунду (50 кГц) (λ = 6.000 метров); при такой, сравнительно низкой частоте может быть с успехом применена любая из существующих схем усиления высокой частоты. Таким образом можно воспользоваться для усиления промежуточной частоты одной из ниже приведённых схем:
1. Усилитель на сопротивлениях.
2. Усилитель на дросселях (апериодических).
3. Усилитель на настроенных дросселях (схема с настроенным анодом).
4. Усилитель на апериодических трансформаторах.
5. Усилитель на настроенных трансформаторах.
Из этих усилителей лучшие результаты дают «настроенные» схемы, как обладающие наибольшей чувствительностью и селективностью. Приводить все эти схемы, конечно, не имеет смысла, так как они, как было уже указано, ничем не отличаются от обычных высокочастотных усилителей. Необходимо только отметить, что при применении апериодического усилителя следует, для получения должной избирательности, включать не менее двух колебательных контуров: один в фильтре, и один в цепи сетки второго детектора (контуре LC, черт. 1).
Черт. 1.
После усиления на промежуточной частоте, колебания детектируются вторым детектором, который обычно выполняется по схеме гридлика (черт. 1), хотя иногда применяется детектирование на сгибе характеристики анода.
Выпрямленные вторым детектором сигналы поступают либо непосредственно в телефон, либо, если приём ведётся на репродуктор в усилитель низкой частоты. Для усиления на низкой частоте включают не более одной-двух ступеней трансформаторного усилителя.
Черт. 2.
Черт. 3.
В заключение приведём наиболее употребительную схему (настроенную) усилителя промежуточной частоты, второго детектора и усилителя низкой частоты (черт. 2). Эта схема должна быть понятна всякому, работающему хотя бы немного с ламповыми усилителями; остановимся только на потенциометре (черт. 2). При помощи потенциометра R, включённого параллельно батарее накала, сообщается сеткам ламп, усиливающих промежуточную частоту, некоторое отрицательное напряжение, которое, ослабляя ток сетки, уменьшает потери в контурах усилителя и тем самым повышает селективность и громкость приёма. Выбор наилучшего смещения производится опытным путём: устанавливают возможно большее смещение, следя, однако, за тем, чтобы в контурах усилителя не возникла самогенерация, являющаяся причиной искажения и свистов.
Б.П. Асеев