Superreakcyjne, lampowo-tranzystorowe radio UKF FM

Lampowy radioodbiornik był niegdyś jedynym dostępnym oknem na świat. Starsi osobiście pamiętają noce spędzone z wysłużonym, charczącym „Pionierem”, dla młodszych jest to nieodłączny element babcinej komody. Niestety, czas nieubłaganie płynie do przodu i postęp techniczny raz na zawsze wyparł te cudeńka z powszechnego użytku, zastępując je tranzystorowymi. Niniejszy projekt pozwala – choćby i częściowo – przenieść się myślami w tamte czasy, zachowując przy tym funkcjonalność i niewielkie gabaryty, zaś drobna pomoc ze strony tranzystorów wyeliminuje konieczność nawijania i zestrajania cewek.

Na rysunku 1 pokazano schemat blokowy superreakcyjnego odiornika radiowego. Jako głowica pracuje strojony napięciowo moduł typu „Gloria”. Niska cena, małe gabaryty, prosta aplikacja i dobre osiągi predysponują ją do pracy w tym miejscu, tym bardziej, że za cenę kilkunastu złotych nie musimy zestrajać obwodów wielkiej częstotliwości, co znacząco ułatwia zadanie.
 

Rysunek1. Schemat blokowy odbiornika radiowego. Prostokąty niebieskie to część półprzewodnikowa, czerwone – lampowa. Legenda: 1 – zasilacz; 2 – głowica UKF FM; 3 – detektor; 4 – przedwzmacniacz; 5 – wzmacniacz mocy.

Zasilacz jest zbudowany z podzespołów półprzewodnikowych i dostarcza następujących napięć: 130V do zasilania anod lamp, stabilizowanego 12,6V do zasilania żarników lamp, stabilizowanego 9V do zasilania głowicy.
W tym miejscu pałeczkę przejmują lampy. Dokładniej, cztery pentody typu 12Ж1Л, radzieckie odpowiedniki niemieckich RV12P2000. Są one zamknięte w aluminiowych kubeczkach gwarantujących odporność mechaniczną i dobre ekranowanie. Niska cena (w granicach od 50 gr. do 2 zł. za sztukę) i dostępność są kolejnymi atutami tych lamp. Wybrane dane techniczne znajdują się w tabeli 1.
 

Wychodzący z głowicy sygnał ma częstotliwość 10,7MHz, amplitudę rzędu 1÷3mV i jest zmodulowany częstotliwościowo. W typowym odbiorniku superheterodynowym zostałby on wzmocniony w kilkustopniowym wzmacniaczu pośredniej częstotliwości, a następnie zdemodulowany na detektorze diodowym. Zapewnia to wysoką jakość dźwięku oraz znakomitą czułość i selektywność, lecz jest zbyt trudne do zbudowania od podstaw w warunkach domowych. W tym układzie zostają upieczone dwie pieczenie na jednym ogniu – tylko jedna lampa jest odpowiedzialna za wzmocnienie i detekcję sygnału otrzymywanego z głowicy, używając do tego tylko jednego obwodu strojonego. Na potrzeby małego, monofonicznego odbiornika jest to całkowicie wystarczające. Niestety, tak daleko idące uproszczenie uniemożliwia dołożenie stereodekodera, a to z tego powodu, że detektor superreakcyjny, który został tu zastosowany, w znacznym stopniu tłumi częstotliwości powyżej ok. 12kHz. Na potrzeby odbioru stereofonicznego konieczne jest pasmo przenoszenia o szerokości ok. 60kHz.
Na czym tak naprawdę polega odbiór superreakcyjny? Na to pytanie trzeba sobie odpowiedzieć przed przystąpieniem do dalszych rozważań. Najpierw jednak trzeba zamienić modulację częstotliwościową na amplitudową, gdyż jest ona dużo łatwiejsza do demodulacji. Nie jest to trudne – potrzebny jest obwód rezonansowy (zwany dyskryminatorem), który nie jest dostrojony do nośnej, lecz wypada ona na prostoliniowym zboczu jego charakterystyki (rysunek 2 i rysunek 3).

Rysunek 2. Charakterystyka częstotliwościowa poprawnie dostrojonego obwodu dyskryminatora. Zmiana napięcia na wyjściu jest proporcjonalna do zmiany częstotliwości w całym przedziale.

Rysunek 3. Charakterystyka częstotliwościowa nieprawidłowo dostrojonego dyskryminatora. Częstotliwość nośna wypada zbyt blisko zakrzywienia charakterystyki, co skutkuje zniekształceniami nieliniowymi.

Kluczowym elementem detektora superreakcyjnego jest wzmacniacz pobudzany do drgań własnych pod wpływem napięcia pochodzącego z dyskryminatora (rysunek 4). Amplituda tych drgań jest proporcjonalna do napięcia wejściowego, ponadto mają tendencję do samoistnego zanikania. Są one stosunkowo krótkie, rzędu mikrosekund, lecz jest ich na tyle dużo, że wiernie odwzorowują kształt zmian napięcia na dyskryminatorze. Im więcej, tym lepsze jest odwzorowanie, tym szersze jest pasmo przenoszenia. Niestety, wraz ze wzrostem tzw. częstotliwości samowygaszania (ilości generowanych „pików” na okres) spada – i tak nienajlepsza – selektywność całego układu. Zadaniem filtra wyjściowego jest odtworzenie napięcia małej częstotliwości z dostarczanych nań oscylacji.

Rysunek 4. Uproszczony schemat detektora superreakcyjnego z triodą.

Opis działania

Po takim wstępie można przejść do omówienia schematu ideowego prezentowanego odbiornika. Pokazano go na rysunku 5. Transformator zasilający TR2 dostarcza wymaganych napięć przemiennych: 100V i 13V. Mostek prostowniczy B2 wraz z filtrem wykonanym z kondensatorów C1-C4 i rezystora R1 dostarczają napięcia dla lamp V1-V4. Natomiast prostownik B1 z kondensatorami C5 i C6 zapewniają wygładzone napięcie dla zasilania głowicy i żarników lamp. Zajmują się tym stabilizatory odpowiednio US1 i US2 wraz z kondensatorami. W środkowe wyprowadzenia US2 wtrącona jest dioda D1 po to, by zapewnić lampom jak najbardziej optymalne warunki pracy. Do takich zalicza się napięcie żarzenia wynoszące 12,6V.

Rysunek 5. Schemat ideowy odbiornika UKF.

Rolę głowicy w tym układzie pełni wspomniany już moduł typu „Gloria”. Potencjometrem P1 ustalane jest napięcie warikapowe, zaś rezystorami R3 i R4 – żądane wzmocnienie. Rezystor R2 ogranicza płynący prąd. Na nóżkę AGC podawane jest ok. 4,5V, co jest równoznaczne z niemal najwyższym możliwym wzmocnieniem. OSC to wyjście oscylatora heterodyny, służy do realizacji PLL, tutaj pozostaje niewykorzystane.
Wzmocniony i wyselekcjonowany sygnał w.cz. o częstotliwości 10,7MHz przekazywany jest przez kondensator C11 celem oddzielenia głowicy od wysokiego napięcia na anodzie lampy. Dyskryminator złożony jest z obwodu zawierającego cewkę L2 i kondensatory: stały C16 i trymer C15. Dostrojenie tego obwodu z powodzeniem można przeprowadzić bez użycia przyrządów pomiarowych. Rezystor R5 i kondensator C14 tworzą wspomniany już obwód powstawania i zanikania drgań własnych. Cewka L1 oraz kondensatory C12 i C13 pracują jako filtr wyjściowy, przekształcając serie oscylacji na użyteczny sygnał małej częstotliwości, jednocześnie separując składową zmienną małej częstotliwości od stałej. Potencjometr P2 oraz rezystor R6 ustalają punkt pracy detektora superreakcyjnego. Rezystor R7 wraz z diodą D2 tworzą stabilizator o napięciu wyjściowym ok. 100V. C17 i C18 zapobiegają przedostawaniu się zakłóceń w.cz. przez zasilanie. Zasilanie lampy V1 napięciem stabilizowanym zapewnia niezmienność parametrów detekcji w funkcji czasu.
Amplituda odfiltrowanego sygnału m.cz. regulowana jest potencjometrem P3, po czym trafia na siatkę sterującą pentody V2. Pracuje ona w klasycznym układzie wzmacniacza o wspólnej katodzie z obciążeniem oporowym, realizowanym przez rezystor R8. Rezystor R9 podnosi potencjał katody (tzw. polaryzacja automatyczna) po to, aby wspomniana już siatka była względem niej na potencjale ujemnym. Powoduje to pracę w klasie A na możliwie prostoliniowym odcinku charakterystyki, co ma na celu minimalizację zniekształceń. Kondensator C19 zwiera rezystor R9 dla sygnałów zmiennych, przez co podnosi wzmocnienie stopnia. Kondensator C20 ponownie oddziela składową zmienną od niepożądanej składowej stałej.
Wzmacniacz końcowy zbudowany został analogicznie do poprzedzającego go stopnia, z różnicą w postaci równoległego połączenia dwóch lamp dla podniesienia mocy wyjściowej. Rezystory R10 i R11 to tzw. rezystory antyparazytowe. Poprzez zwiększenie impedancji obwodu siatkowego utrudniają powstawanie w nim oscylacji. Elementy R12, R13 i C21 to omówiony już wcześniej układ polaryzacji automatycznej. Transformator głośnikowy TR1 dopasowuje wysoką impedancję obwodu anodowego lamp V3 i V4 do niskiej impedancji cewki głośnika. Podłączenie jednego końca uzwojenia wtórnego do masy utrudnia występowanie w nim oscylacji. Dzielnik złożony z rezystorów R14 i R15 ma dwojakie zadanie. Po pierwsze, ustala napięcie siatek ekranujących lamp V2, V3 i V4 na optymalnym poziomie. Po drugie, zapewnia rozładowanie kondensatorów w filtrze napięcia anodowego. C22 blokuje składową zmienną. Mnogość kondensatorów blokujących składową wielkiej częstotliwości wynika z dbałości o nie rozchodzenie się jej po układzie, gdyż mogłaby być przyczyną powstawania uciążliwych interferencji i wzbudzeń.

Montaż

Układ został zmontowany na płytce jednostronnej o wymiarach 190 mm x 97 mm. Jej wzór jest w załaczniku – pokazano ją też na rysunku 6.

Rysunek 6. Wzór płytki układu (dostępny w załaczniku - plik w formacie Eagle).

Uwagę należy zwrócić na sposób zamontowania lamp elektronowych. Bezpośrednie przylutowanie ich nóżek do płytki odpada w przedbiegach, ze względu na ryzyko pęknięcia szkła podczas nierównomiernego rozgrzewania. Podstawki pod ten typ cokołu są osiągalne, lecz drogie i trudno dostępne. Dlatego wygrało rozwiązanie tanie i skuteczne, co oczywiście nie zmienia faktu, że można zastosować tradycyjną podstawkę. Z żeńskiego złącza DB-25 wyjąć należy poszczególne piny. Jest to proste po rozpołowieniu blaszek mocujących (fotografia 7).

Fotografia 7. Złącze DB-25 po rozpołowieniu.

Uzyskane w ten sposób gniazda na poszczególne nóżki należy wlutować w płytkę, możliwie prostopadle (fotografia 8). Drobne nierówności zostaną skorygowane podczas wsadzania lampy w tak uzyskaną podstawkę.

Fotografia 8. Przykład wlutowania pinów pod nóżki lampy.

Należy również uchronić lampę przed przypadkowym wypadnięciem. W tym celu, po dokonaniu montażu dwóch zworek, wszystkich elementów i wsadzeniu lamp w swoje miejsca (pamiętać należy o zgodności między garbem na trzpieniu a zaznaczeniem na płytce) należy użyć cienkiego, miedzianego drucika. Po lekkim odkręceniu czarnego klucza na górze lampy, owija się ów drucik wokół jego śruby jednym, ciasnym zwojem, a następnie klucz dokręca. Końce drucika wlutowuje się w przygotowane pod to otworki na płytce, co dodatkowo połączy ekranującą puszkę lampy z masą układu. Nic nie stoi na przeszkodzie, by w te otworki wlutować oczka lutownicze pod śruby M3, a następnie przez nie przewlec i zalutować drucik. Powstanie mocowanie pewne i niekłopotliwe w demontażu.
Żarzenie lamp nie widnieje w układzie ścieżek, a to z tego względu, że znacznie komplikowałoby ich układ i mogłoby być przyczyną przenikania zakłóceń. Dlatego też przy każdej lampie znajdują się dwa otworki prowadzące do żarzenia, oznaczonego literą H. Takie same dwa otworki znajdują się w pobliżu stabilizatora US2. Należy je połączyć równolegle cienkim, izolowanym przewodem, biegunowość nie ma żadnego znaczenia.
Potencjometr P1, jaki zastosowano w prototypie, jest 10-obrotowym potencjometrem typu Helipot, dzięki czemu możliwe jest dokładne dostrojenie się do stacji. Na potencjometr P3 również nie przewidziano miejsca na płytce – połączenia z nim należy bezwzględnie wykonać przewodami ekranowanymi, pamiętając o tym, by nie zrobić przy tym pętli masy. P2 jest ustawiany tylko raz, podczas uruchamiania, lecz nic nie stoi na przeszkodzie by wyprowadzić go na zewnątrz i swobodnie eksperymentować z jego położeniem.
Transformator sieciowy wykonany został w firmie Selenoid s.c. (ul. 11 Listopada 127, 62-030 Luboń, e-mail: kacper@selenoid.pl) za cenę ok. 50 zł. Ma on następujące parametry:
  - Uzwojenie pierwotne: 230V AC
  - Uzwojenie wtórne I: 13V/1A
  - Uzwojenie wtórne II: 100V/50mA
Transformator głośnikowy pochodzi z demontażu i współpracuje z głośnikiem 8Ω. Jego oznaczenie to TG2-20, lecz nic nie stoi na przeszkodzie, by zastosować inny, o podobnej przekładni – w tym układzie zapewnia lampom impedancję obciążenia na poziomie 16kΩ.
Pewną uwagę trzeba poświęcić kondensatorowi C14. Powinien on być wysokiej jakości, gdyż od niego zależy poprawna praca detektora. Dlatego warto w tym miejscu użyć elementu pochodzącego ze starej, polskiej produkcji lub nowoczesnego, ale nie najtańszego. Oscylacje mogą się nie inicjować.
Gotową płytkę warto jest zaekranować, przede wszystkim od spodu. W prototypie została ona zamocowana w rowkach wyciętych w drewnianych listwach, odsunięta o ok. 15mm od ścianki. Na tę ściankę naklejona została folia aluminiowa. Kontakt elektryczny z masą układu zapewnia sprężynka wystająca u spodu płytki.
Słówko jeszcze na temat obudowy. Powinna przede wszystkim izolować elektrycznie. Ekranowanie od zewnętrznych pól EM jest pożądane, lecz niewymagane przy warunku dobrego, ścisłego montażu. Obudowa modelu ma wymiary (szer. x wys. x gł.) 245 x 220 x 115mm. Wykonano ją ze sklejki o grubości 10mm i oklejono łuszczką o grubości 2mm. W przednie okienko wklejona została szybka z przezroczystego poliwęglanu, zaś głośnik jest oddzielnym modułem. Jednakowoż, kwestię obudowy można rozwiązać na wiele sposobów.

Uruchomienie

Po zmontowaniu układu, podłączeniu głośnika i niedużej (30-50cm przewodu) anteny, można przystąpić do jego uruchamiania. W tym celu należy najpierw skręcić potencjometr głośności i detektora na minimum i zmierzyć napięcia zasilające układ – tj. 130V na anody, 100V na detektor, 12,6V na żarniki i 9V na głowicę. Po pozytywnie przeprowadzonym teście można przystąpić do strojenia odbiornika. W tym celu potencjometr głośności należy skręcić na maksimum oraz zaopatrzyć się w cienki, izolowany śrubokręt. Potencjometrem strojenia wyszukujemy stosunkowo silną stację, a następnie tak stroimy trymer C15, by była ona możliwie bez zniekształceń. Na czas przeprowadzania tej operacji należy wyłączyć źródła zakłóceń elektromagnetycznych w pobliżu, a masę układu uziemić.
Pamiętać należy o zasadzie działania dyskryminatora – musi on być lekko odstrojony od częstotliwości nośnej, zatem najgłośniejszy odbiór, przypadający na szczyt charakterystyki, będzie silnie zniekształcony.
Procedurę dostrajania przeprowadza się kilkukrotnie, najlepiej na różnych stacjach dla uzyskania rozsądnego kompromisu między jakością odbioru a poziomem głośności. Regulacji należy dokonać także potencjometrem P2 – im większy będzie jego opór, tym lepsza czułość układu, lecz większa skłonność do niewygaszania oscylacji superreakcyjnych przy silnych stacjach. W układzie prototypowym został on skręcony prawie na minimum oporności.
Eksploatacja odbiornika nie nastręcza problemów. Trzeba jedynie pamiętać o tym, aby zawsze miał podłączone obciążenie w postaci odpowiedniego głośnika – w przeciwnym razie może dojść do uszkodzenia transformatora wyjściowego. Nie jest on wyposażony w jakąkolwiek stabilizację częstotliwości, toteż może być konieczne jego sporadyczne dostrajanie, aczkolwiek było to konieczne tylko raz podczas dwugodzinnej próby generalnej. Pobór mocy z sieci 230V wynosi ok. 15W. Komplet nieużywanych lamp powinien zapewnić trzyletnią eksploatację przy średnim użytkowaniu (2h dziennie).

Michał Kurzela
futrzaczek@o2.pl

Wykaz elementów:

Rezystory (wszystkie rezystory o mocy 0,25W jeżeli nie napisano inaczej)
R1: 220Ω/0,5W
R2: 100Ω
R3, R4: 470Ω
R5: 10MΩ
R6: 4,7kΩ
R7: 5,6kΩ/1W
R8, R15: 150kΩ
R9: 680Ω
R10, R11: 22kΩ
R12: 1MΩ
R13: 330Ω/0,5W
R14: 18kΩ
P1: 22kΩ (potencjometr 10-obrotowy)
P2: 4,7kΩ (potencjometr montażowy, pionowy)
P3: 470kΩ/B (potencjometr)

Kondesatory
C1, C3: 220µF/200V
C2, C4: 100nF/250V
C5: 4700µF/25V
C6, C8, C10: 100nF/63V
C7, C9: 220µF/16V
C11, C18: 220nF/250V
C12: 3,3nF/250V
C13: 10nF/250V
C14: 39pF (opis w tekście)
C15: trymer 3÷10pF
C16: 10pF
C17: 2,2µF/250V
C19: 22µF/16V
C20: 22nF/250V
C21: 47µF/16V
C22: 22µF/160V

Półprzewodniki
B1, B2: Mostek Graetza 1A/1000V
D1: 1N4148
D2: Zener 100V/1,3W
US1: LM7809
US2: LM7812

Inne
Głowica typu „Gloria” (opis w tekście)
V1...V4: lampa 12Ж1Л
L1: dławik osiowy 15µH
L2: dławik osiowy 12µH
TR1: transformatro opis w tekście
TR2: transformator opis w tekście
F1: bezpiecznik sieciowy 200mA z oprawką
S1: wyłącznik sieciowy
Dwa złącza żeńskie DB-25 do montażu we wtyczce (opis w tekście)