Современный регенеративный приёмник Армстронга

Изобретение Аудиона, сделанное Ли де Форестом в 1906 году привело к чудесному развитию радиоприёмной техники. Чуть позже Едвин Армстронг произвёл всестороннее исследование принципа работы новой трёхэлектродной лампы, что привело к новому технологическому скачку. В 1913 году мистер Армстронг подал заявку на получение патента на изобретение регенеративного приёмника, одного из самых известных изобретений, что привело к длительной судебной тяжбе с изобретателем Аудиона. Тем не менее, ему удалось разработать большое количество радиосхем, использующих принцип регенеративного усиления, или, что то же самое, положительной обратной связи в усилительных схемах.

Пионерская работа Армстронга, регенеративный приёмник, дошёл до наших дней в виде так называемой схемы Армстронга, это самый популярный приёмник, который использовался экспериментаторами и радиолюбителями по всему миру. Его базовая схема изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Основная схема регенератора Армстронга.

L1 - Основная катушка колебательного контура L2 - Катушка связи с антенной L3 - Катушка обратной связи

C1 - Конденсатор настройки C2 - Конденсатор управления регенерацией C3 - Конденсатор ВЧ фильтра

Рассмотрим работу этой схемы. Сигнал радиостанции, принятый антенной, через катушку связи L2 поступает на резонансный контур L1C1. Через сеточные элементы схемы, конденсатор Cg = 100пФ и резистор Rg = 1мОм сигнал подаётся на вход триода. Усиленный ВЧ ток, протекающий в цепи анода, создаёт магнитное поле вокруг катушки L3, в результате чего ВЧ энергия поступает обратно в контур в фазе, совпадающей с фазой принимаемого сигнала, усиливая его (при правильной фазировке обмоток!). Теперь мы имеем более сильный ВЧ ток на катушке L3, больше энергии подаётся обратно в контур в фазе, и эта энергия снова усиливается и так далее.

Если достаточно энергии подаётся обратно в контур, и триод обеспечивает при этом достаточное усиление, то в схеме возникнут незатухающие колебания. Для приёма сигналов амплитудной модуляции (АМ) схема не должна находиться в режиме генерации. Поэтому с помощью дроссельного конденсатора переменной ёмкости C2 нужно ограничить ток, протекающий через катушку L3, что бы генерация не возникала. Конденсатор С2 настраивается таким образом, что бы получить максимальное усиление входного сигнала. Как правило, это происходит тогда, когда схема находится на пороге возникновения колебаний.

Регенеративным приёмникам необходимы сравнительно небольшие рабочие токи, и для них не является необычной возможность удовлетворительно работать при низком анодном напряжении. Кроме того, слабый ток также делает управление регенерацией плавным.

AM демодуляция осуществляется через сеточное детектирование. Рисунок 2 объясняет принцип работы этого вида детектирования. На этом рисунке вход триода смоделирован как диод, смотрящий вниз. Когда сетка оказывается под положительным напряжением относительно катода лампы, из-за наличия положительного полупериода несущей, некоторые электроны, испускаемые катодом притягиваются сеткой, и дальше двигаются по внешней цепи к сеточному конденсатору. В результате сеточный конденсатор заряжается. Во время отрицательного полупериода несущей, проводимость между катодом и сеткой прекращается и заряд стекает из конденсатора через внешнюю цепь (L1 и сеточный резистор) на землю. Далее цикл повторяется. Сочетание Cg = 100пФ, Rg = 1M и эквивалент диода действуют как выпрямитель.

Рис. 2. Принцип работы сеточного детектирования.

Триод детектирует АМ сигнал, используя детектирование с помощью гридлика. Вход лампы работает как диод.
Конденсатор 100пф, резистор 1мОм и эквивалент диода работают как схема, срезающая положительные полупериоды сигнала. Среднее напряжение на диоде имеет отрицательную величину с амплитудой, повторяющей модулирующий сигнал.

Конечным результатом является то, что отрицательное среднее напряжение равное амплитуде огибающей, подаётся на вход триода. Если несущая промодулирована амплитудной модуляцией, то среднее напряжение будет повторять модулирующий сигнал. Интересно отметить, что в отсутствие несущей напряжение сетка-катод падает почти до нуля. После детектирования несущей среднее напряжение становится отрицательным, так что будет наблюдаться падение среднего анодного тока. Если несущая с амплитудной модуляцией, то средний анодный ток будет уменьшаться пропорционально модуляции.

Должно быть ясно, что усиленный модулирующий сигнал присутствует на выходе лампы в виде низкочастотных вариаций анодного тока. ВЧ дроссель предотвращает проникновение высокочастотных составляющих этого тока на высокоомные наушники, которые являются нагрузкой по ЗЧ. (рисунок 1).

Однако блокирование ВЧ сигнала дросселем не всегда эффективно, и часть ВЧ энергии может просочиться на наушники или на вход УЗЧ. Это может привести к очень странным эффектам, таким как низкочастотный гул, прослушиваемый при некоторых положениях дроссельного конденсатора C2, или приёмник может перейти в режим генерации при установке конденсатора C2 в положение минимальной ёмкости. Обычно использование ВЧ дросселя достаточной индуктивности устраняет все эти проблемы. Так же может помочь развязывающий конденсатор. На рисунке 1 через конденсатор C3 на общий провод замыкаются остаточные ВЧ компоненты, низкочастотный же сигнал практически без ослабления подаётся на головные телефоны.

Что бы детектирование гридликом работало правильно, постоянная времени сеточной цепи t должна быть гораздо больше периода несущей T:

t = Rg x Cg = 1M x 100pF = 0.0001 сек = 1E-04 сек = 100 мксек

Т.е t >> T.

Например, для приёма средневолнового вещательного диапазона низшая частота настройки будет составлять 530 кГц. В этом случае T = 1.887E-06 сек, или 1.887 мксек. Очевидно, что t >> T. Однако величина t не может быть слишком большой, иначе в продетектированном сигнале появятся нелинейные искажения. Если T_A является периодом наивысшей частоты модуляции, то неравенство должно выполняться T_A. Пусть максимальная частота модуляции будет 3 кГц. Тогда
T_A = 3.33E-04 сек = 333 мксек, что больше чем t = 100 мксек.
Таким образом выбранные значения для Rg и Cg являются верными. Из-за особенностей схемы сеточного детектирования колебательный контур нагружен сопротивлением величиной примерно Rg/3, в нашем случае 333,33 кОм.

Регенератор Армстронга на полупроводниковых элементах

Схема Армстронга имеет свои аналоги, собранные на полупроводниках - биполярных и полевых транзисторах с p-n переходом, а так же полевых транзисторах с изолированным затвором (МДП).

Но существует важное отличие в способе детектирования в полупроводниковой версии приёмника. Рассмотрим схему приёмника Армстронга, изображённую на рисунке 3, способную принимать сигналы АМ радиостанций средних волн диапазона 530 кГц-1700кГц.

Рис. 3. Регенератор Армстронга на современной элементарной базе.

L1 - ферритовая магнитная антенна индуктивностью 200 мГн, намотана проводом ПЭЛ сечением 0,4 мм
L2 - намотана монтажным проводом в пластиковой изоляции с сечением жилы 0,5 мм, содержит 4 витка, располагается на расстоянии 1 см от катушки L1.
T1 - миниатюрный аудио трансформатор с коэффициентом трансформации сопротивления 1 кОм к 8 Ом. Первичная обмотка используется как НЧ дроссель. Большая величина её индуктивности улучшит воспроизведение низших частот и повысит громкость.
Наушники - пьезокерамические или пьезокристаллические.
УНЧ имеет усиление около 1000 и входное сопротивление 6 кОм на частоте 1кГц.

Вакуумная электронная лампа является очень надёжным прибором. Она может выдержать разумную перегрузку входным сигналом и некоторые другие нарушения режимов работы. Полупроводники же являются очень тонкими приборами и нуждаются в защитных цепях. Полевой транзистор J310 не является исключением. Ему нужен резистор, установленный в цепь истока для защиты и обеспечения смещения. Без этого резистора ток покоя будет слишком большим, примерно 30 мА согласно паспорту. Для наших целей этот ток слишком велик. Переход затвор-исток был бы уязвим для слишком сильных сигналов, поступающих на вход приёмника.

На схеме, изображённой на рисунке 3, резистор номиналом 18 кОм ограничивает ток стока I_D до 0,157 мА при напряжении питания 4,5 вольт. Падение напряжения на резисторе составляет 2,82 вольта. Соответственно напряжение смещения затвор-сток тоже составляет 2,83 вольта. При использовании источника питания напряжением 9 вольт ток стока увеличится всего лишь до 0,16 мА. Мы получили очень стабильный рабочий ток относительно изменений питающего напряжения. Резистор в цепи истока зашунтирован конденсатором номиналом 1 нФ для развязки по ВЧ. Рекомендуется использовать майларовый плёночный конденсатор. Слишком большой номинал конденсатора использовать не рекомендуется, так как это может привести к возникновению релаксационных колебаний при высоком уровне регенерации (уровень регенерации регулируется с помощью КПЕ 200 пФ). Это явление нежелательное.

При этом детектирование гридликом практически отсутствует. Потребуется очень сильный сигнал, что бы преодолеть смещение затвора-истока и сделать соответствующий p-n переход проводящим. Такое детектирование будет ключевым. Нелинейные характеристики полевого транзистора позволяют это. "Сеточные" RC компоненты не влияют на детектирование сигнала и были сохранены для ностальгических соображений. Похоже селективность приёмника будет чуть лучше, если эти компоненты оставить в схеме, хотя каких-либо объяснений не было найдено для этого.

Сигнал звуковой частоты снимается с точки соединения ВЧ дросселя и первичной обмотки НЧ трансформатора Маузер TM003, используемого в качестве дросселя. Конденсатор номиналом, 3,3 нФ, так же майларовый плёночный, отфильтровывает остаточные ВЧ компоненты, оставшиеся после прохождения через ВЧ дроссель номиналом 3,3 мГн, которые могут попасть на вход УЗЧ. Двухтранзисторный усилитель звуковой частоты обеспечивает усиление примерно в 1000 раз и имеет входное сопротивление 6 кОм на частоте 1 кГц. Пьезокерамические или пьезокристаллические наушники обеспечивают комфортное прослушивание радиостанций. И наконец последнее замечание, под печатной платой необходимо разместить металлический экран для обеспечения стабильной работы и уменьшения влияния ёмкости рук оператора на настройку. Общий провод схемы следует соединить с этим экраном.

Ссылки

1. Едвин Х. Армстронг, "беспроводная приёмная система", US Patent 1,113,149
2. http://oz6gh.byethost33.com/regenerative_vacuum_valve.htm

Рамон Варгас-Патрон
Лима - Перу, Южная Америка
2006, Январь 19.

BACK