Простой CW-передатчик на диапазон 40 метров

16 сентября 2020

Ранее в этом блоге был рассмотрен приемник прямого преобразования на диапазон 40 метров. Теперь пришло время сделать передатчик на этот диапазон. Мощность передатика будет небольшой. Естественным выбором в плане вида связи является телеграф, поскольку он эффективнее телефона. Кроме того, телеграфный передатчик сделать проще. От читателя ожидается знакомство со схемой приемника, так как в передатчике будут переиспользованы некоторые его компоненты.

Примечание: Для повторения проекта не требуется какое-либо сложное оборудование. Вполне достаточно мультиметра и RTL-SDR v3, ну и по мелочи немного аттенюаторов, коаксиальных кабелей и так далее. Если у вас еще нет радиолюбительской лицензии, это не страшно. Вы можете совершенно легально передавать все что захотите на ваш RTL-SDR по коаксиальному кабелю. Главное, чтобы ничего не излучалось в эфир.

Теория

В сущности, CW-передатчик — это просто генератор с усилителем и фильтром для подавления гармоник. Подключаем/отключаем схему к источнику питания, и в эфир уходит морзянка. Но есть пара нюансов. Во-первых, сам генератор лучше постоянно держать включенным. При включении генератору может требоваться некоторое время на стабилизацию, в течение которого частота будет немного меняться. В эфире это будет звучать, как «чириканье» (chirp). Во-вторых, подавать питание непосредственно через телеграфный ключ нежелательно. Контакты на ключе, а также идущие к нему провода, могут иметь сопротивление в несколько Ом, что приведет к падению напряжения и расходу энергии впустую. К тому же, телеграфный ключ и его провода не предназначены для того, чтобы через них протекал большой ток.

Поэтому применяются схемы вроде следующей:

Keying схема простого CW передатчика

Когда ключ разомкнут, напряжения на базе и эмиттере PNP-транзистора Q1 одинаковые благодаря подтягивающему резистору R2. Ток с эмиттера на базу не течет и транзистор закрыт, коллектор обесточен. Когда ключ замкнут, ток начинает течь с эмиттера на базу. Величина этого тока определяется резистором R1 и по закону Ома составляет около 0.2 мА. Для транзистора 2N3906 значение hFE (beta) составляет не менее 100, значит с коллектора мы можем снять не менее 20 мА. О роли конденсатора, обозначенного звездочкой, мы поговорим позже.

Пока же посмотрим, куда течет ток с коллектора Q1:

Схема каскада с общим эмиттером

Узнали? Это каскад с общим эмиттером из статьи про приемник прямого преобразования. Схема уже была подробно рассмотрена, поэтому не будем на ней задерживаться. Напомню лишь, что здесь сигнал от генератора переменной частоты, в роли которого был использован Super VXO, усиливается на 11 dB.

Эти 11 dB нужны для того, чтобы обеспечить необходимый уровень входного сигнала для усилителя:

Схема усилителя CW-передатчика

Усилитель класса C состоит из двух компонентов — это R6 и Q3. Катушка L3 препятствует протеканию ВЧ сигнала на остальную схему через шину питания. C2 и L4 выполняют двойную роль. Во-первых, это фильтр нижних частот. Он подавляет гармоники, коими богаты усилители класса С. Во-вторых, это схема согласования импеданса, преобразующая что-то около 150 Ом на выходе усилителя в 50 Ом.

Конденсатор C3 размыкает цепь по постоянному току, не особо портя при этом согласование импеданса. Этот конденсатор нужен обязательно! Дело в том, что антенна может представлять собой КЗ по постоянке, или иметь дроссель для защиты от статики. Как результат, мы получим КЗ источника питания. Хорошо, если им окажется не Li-Ion аккумулятор.

Q3 сильно греется и ему обязательно нужен радиатор. В качестве радиатора мной был использован небольшой отрезок медной трубы диаметром 10 мм. Конечно же, между радиатором и транзистором была нанесена термопаста. При нормальной работе на передачу температура транзистора не превышала 50°C. При передаче несущей в течение одном минуты температура не превышала 62°C.

Наконец, с усилителя сигнал идет на фильтр нижних частот. Схема фильтра такая же, как в статье про приемник прямого преобразования.

Домашнее задание: Как вы думаете, почему на транзистор Q3 постоянно подается питание 12 В? Есть ли причины, почему его нельзя включать и выключать так же, как Q2?

Практика

Окончательный вид передатчика получился таким:

Самодельный CW-передатчик на 40 метров

Выходная мощность была проверена при помощи модифицированного MFJ-971, а также при помощи осциллографа:

Осциллограмма сигнала самодельного CW-передатчика

Здесь цена одного деления по вертикали составляет 2 V. Получается около 12 Vpp в эквивалент нагрузки 50 Ом, что соответствует:

>>> from math import sqrt
>>> Vpp = 12
>>> Vrms = Vpp/(2*sqrt(2))
>>> pow(Vrms,2)/50
0.35999999999999993

… около 0.35 Вт, или 25 dBm:

>>> from math import log10
>>> P = 0.35
>>> 10*log10(1000*P)
25.440680443502757

Мощность, конечно, очень небольшая. Однако незамысловатыми расчетами можно показать, что снизив мощность со 100 Вт (50 dBm) до 0.35 Вт (25 dBm) вместо рапорта S9+20 вы получите S8, а вместо S9 — рапорт S4-S5. Звучит как что-то, на что вполне реально провести QSO.

Обратите внимание на острые края в сигнале, особенно в начале точек и тире. В эфире это будет звучать как клики (clicks), слышимые на ±1 кГц от частоты, на которой вы работаете, а то и дальше. Вот для сглаживания этих острых краев и нужен конденсатор со звездочкой на первой схеме. Мне показалось, что конденсатор на 22 мкФ неплохо сглаживает сигнал. Конечно, форму сигнала как у FT-891 такой простой схемой вы никогда не получите. Но и помех другим радиолюбителем скорее всего не создадите.

Домашнее задание: Спаяйте передатчик. Сравните спектр сигнала в RTL-SDR с конденсатором на 22 мкФ и без него. Попробуйте конденсаторы других номиналов. Что будет, если использовать конденсатор на 47 мкФ или 100 мкФ? Объясните результат.

С помощью анализатора спектра было установлено, что любые гармоники подавлены более, чем на 55 dB:

Гармоники в сигнале самодельного CW-передатчика

Здесь сигнал подается через аттенюатор на 20 dB. Типичный аттенюатор с eBay рассчитан на мощность до 2 Вт, так что вполне годится для задачи. Вертикальная шкала была нормализована по следящему генератору с уровнем 0 dBm. Таким образом, мы получили подтверждение, что мощность передатчика составляет чуть больше 25 dBm.

Для выхода в эфир потребуется антенный переключатель, приемник — самодельный, RTL-SDR или радиолюбительский трансивер, и, конечно же, антенна. Переключаться между приемником и передатчиком предстоит вручную. Это не очень удобно, но жить можно. Долго искать корреспондента, способного услышать мои 0.35 Вт, не пришлось. Им оказался Александр, UA1OJL/P. Александр работал из полей где-то под Архангельском, примерно в 950 км от меня. Был получен рапорт 599, но он скорее всего является символическим. По e-mail Александр рассказал, что в этот день работал на антенну диполь, а также вспомнил, что «слышал меня вполне прилично».

Заключение

Несмотря на небольшую мощность, передатчик оказался пригоден для проведения радиосвязей. Его не сложно повторить. Все использованные компоненты легко доступны и не стоят больших денег. Передатчик может быть использован, как основа для будущих экспериментов. Например, можно увеличить его мощность хотя бы до 5 Вт. Или оставить текущую мощность, и превратить передатчик в радиомаяк. Передатчик и ранее описанный приемник недаром используют одинаковые компоненты. Вместе они могут быть переделаны в трансивер.

Можно ничего и не менять. Работа в QRPp тоже интересна. Можно ли провести радиосвязи мощностью менее 1 Вт на 3000 км? А на 5000 км? 10 000 км? Представьте, как отвиснет челюсть у корреспондента из Новой Зеландии, когда ему придет QSL-карточка с фотографией передатчика.

Fun fact! Приведенная схема безусловно не является самой простой из возможных. В радиолюбительской литературе можно найти передатчики на двух транзисторах, способные выдавать 1-1.5 Вт. Однако в них используются компоненты, которые трудно достать в наши дни. Следует также учесть, что экономия на транзисторах происходит за счет буферов. Снижение изоляции между генератором и нагрузкой — верный способ получить «чирикающий» передатчик. Учитывая стоимость транзисторов, такое упрощение неоправданно.

Модель приведенного передатчика для LTspice вы можете сказать здесь. Как обычно, буду рад любым вашим вопросам и дополнениям.

Дополнение: Также вас могут заинтересовать статьи Простой усилитель 5 Вт на основе IRF510 и Самодельный QRP трансивер на диапазон 40 метров.

Метки: , , .