Записки программиста

Существует много различных схем радиоприемников. В современной электронике нередко используется супергетеродинный приемник с несколькими преобразованиями сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Также бывают, например, радиоприемники прямого преобразования и регенеративные приемники. Но, будучи начинающим радиолюбителем, я решил начать изучение приемников с наиболее простой схемы — детекторного приемника.

Теория

Так выглядит схема простейшего детекторного AM-приемника:

Антенна подключается к разъему J1. L1 и C1 представляют собой уже знакомый нам полосно-пропускающий фильтр. С его помощью производится настройка на интересующую частоту и подавление всех остальных частот. Германиевый диод D1 работает, как выпрямитель. В былые времена вместо диодов использовались кристаллические детекторы (crystal detector). Отсюда схема и получила свое название, детекторный приемник (crystal radio).

Далее с диода сигнал поступает на резистор R1 и пьезоэлектрические наушники, подключаемые к разъему J2. Пьезоэлектрические наушники обладают очень высоким сопротивлением (мегаомы), а также обладают емкостью (десятки-сотни пикофарад). Вместе вся конструкция работает, как фильтр нижних частот. То есть, она пропускает нижние частоты, коими на выходе диода является интересующий нас звуковой сигнал, и отрезает высокочастотную составляющую. R1 типично используют номиналом 22-82 кОм.

Вместо пьезоэлектрических наушников также допускается использовать высокоомные электромагнитные наушники. Такие наушники имеют сравнительно низкое сопротивление (килоомы) и не проявляют емкостных свойств. Поэтому при их использовании резистор R1 заменяют на конденсатор номиналом 500-2000 пФ. В итоге схема получается аналогичной. Стоит отметить, что электромагнитные наушники в наше время стоят заметно дороже пьезоэлектрических.

Можно заметить, что схема не имеет какого-либо питания. Для работы ей достаточно энергии самих электромагнитных волн. Но чтобы фокус удался, в схеме обязательно должен использоваться германиевый диод 1N34 или аналогичный, а также высокоомные наушники. Обычные низкоомные наушники не годятся, потому что приемнику не хватит энергии их раскачать. В более сложных вариантах детекторного приемника могут применяться транзисторные усилители (соответственно, нужно питание), каскады из нескольких фильтров, и так далее. Однако в рамках этой статьи будет рассмотрена только базовая схема.

Примечание: Тема германиевых диодов и российских аналогов 1N34 ранее поднималась в заметке Собираем индикатор напряженности поля.

Практика

Было решено изготовить детекторный приемник на интервал частот где-то от 7 до 8 МГц. Во-первых, в этот интервал попадает радиолюбительский диапазон 40 метров (7.0-7.2 МГц), и у меня есть на него несколько неплохих антенн. Во-вторых, в интервале 7.2-7.45 МГц находится широковещательный диапазон 41 метр. По опыту работы в эфире мне известно, что ночью на нем много мощных AM-станций, проходящих с уровнем S9+30 и выше.

Вот что у меня получилось в итоге:

Можно заметить, что схема несколько раз перепаивалась и переклеивалась. Связано это с тем, что вообще-то детекторные приемники довольно капризны. Как результат, было проведено немало времени за экспериментами с различными катушками и конденсаторами. Ниже описан наилучший вариант, который мне удалось получить.

Я использовал переменный конденсатор на 12-365 пФ и катушку индуктивности на ~7.3 мкГн с 12-ю отводами. Последняя, как обычно, была рассчитана при помощи онлайн-калькулятора Coil32. В качестве каркаса был использован кусок трубы ПВХ диаметром 16 мм. Намотка производилась эмалированным проводом толщиной 0.6 мм. Сначала (начиная от земли) я сделал 3 витка и первый отвод. Затем по отводу через каждые 2 витка. Таким образом, на 6-м отводе (13-ый виток) катушка имеет индуктивность около 3 мкГн, при которой приемник должен без проблем попадать в интересующий интервал частот:

В цепи всегда присутствуют паразитная емкость и другие нежелательные эффекты, индуктивность катушки редко идеально совпадает с расчетной, и так далее. Поэтому нужен некоторый запас по емкости и большое число отводов у катушки, чтобы иметь неплохие шансы все эти эффекты скомпенсировать.

Пьезоэлектрический динамик как на фото можно найти на eBay по запросам вроде «crystal earphone» или «piezoelectric earphone». Его цена вместе с доставкой составляет не более 10$. Прочие компоненты и их номиналы были описаны выше по тексту.

Полученные результаты

Начнем с чего-нибудь попроще. Подключим к приемнику телескопическую штыревую антеннку длиной около полуметра. С ее помощью можно уверено принимать сигнал в AM или CW, передаваемый с мощностью 5 Вт при помощи собственного трансивера на находящуюся неподалеку КВ-антенну. Неэффективная приемная антенна использована намеренно, для аттенюации сигнала. В итоге эксперимент более-менее аналогичен приему на эффективную полноразмерную антенну реальной AM-станции, передающей сигнал с мощностью, измеряемой киловаттами. При кручении ручек приемника сигнал исчезает. Выглядит так, как если бы полосно-пропускающий фильтр работал должным образом.

Затем я попробовал принять сигнал от трансивера на полноразмерную КВ-антенну, установленную от передающей антенны на расстоянии около 20 метров. В итоге даже сигнал с минимальным уровнем 5 Вт оказался слишком сильным. Приемник слышит его практически при любом положении ручек, а динамик довольно быстро залипает и перестает передавать звук. В моем случае, спустя несколько минут он отлипал обратно. Но вообще, много раз повторять такой эксперимент я бы не советовал.

Наконец, попробуем принять какую-нибудь широковещательную AM-станцию. Тут есть пара тонкостей.

Первая состоит в том, что приемник имеет не очень понятно какой импеданс. Если подключить к нему 50-иомный коаксиальный кабель, идущий к согласованной антенне, то шансы принять какую-либо станцию будут не велики. Большая часть принятой энергии отразится от приемника и уйдет обратно в антенну. Кроме того, часть энергии потеряется в кабеле и в согласующем устройстве, ежели такое используется. По этой причине детекторные приемники обычно подключают напрямую (без СУ) к антенне «длинный провод». Импеданс все еще никак не согласован, но по крайней мере мы избавились от лишних потерь в кабеле и СУ. За счет этого повышаются шансы что-нибудь принять.

Вторая тонкость вот какая. Лучше всего проводить тестирование где-нибудь в деревне, как это делал я, или даже в лесу. Этим также увеличиваются шансы принять какие-нибудь станции. Дело в том, что на коротких волнах уровень шума очень высок в черте города. Чем дальше вы от крупных городов, тем ниже уровень шума, тем больше отношение сигнал/шум, и тем лучше слышен сигнал.

«Длинного провода» у меня сейчас нет, и делать его специально под детекторный приемник не хотелось. Вместо этого я подключил приемник к своей антенне delta loop. При этом согласующее устройство антенны лежало в сторонке и в эксперименте не участвовало. Ночью, когда открывается дальнее прохождение, принимается множество радиостанций. На удивление громко слышна речь на разных языках, некоторые из которых я не могу распознать, а также музыка из самых отдаленных уголков Земли. Неплохо для цепи, состоящей всего из пяти компонентов!

В принципе, днем тоже слышны какие-то радиостанции. Но их меньше, и уровень сигнала намного ниже. Если попытаться использовать ту же delta loop с согласующим устройством и коаксиальным кабелем, то ничего не слышно ни ночью, ни днем. Точнее, какое-то слабое присутствие вроде как есть, но разборчивость нулевая.

Заключение

Подведем итоги. Сигнал передавали? Передавали. Приемник его принимал? Принимал. Дальние AM-станции слышали? Слышали. Считаю, что работающий AM-приемник засчитан. Да, он совсем простенький. Но как познавательный эксперимент такой приемник имеет безусловную ценность. Понимание принципов его работы пригодится при изготовлении более сложных приемников.

Дополнение: Схема AM-модулятора на одном транзисторе

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.