PŘIJÍMAČ PRO AMATÉRSKÁ PÁSMA

V sérii článků "přijímače s přímým směšováním" jsem uvedl jejich princip, a popsal několik jednodušších typů. Pokud ale vyžadujeme opravdu špičkové parametry, srovnatelné s profesionálními přijímači, musíme dbát určitých pravidel, která se zde pokusím nastínit jako jednotlivé bloky, po jejíchž propojení získáme opravdu dobrý přijímač.

Na obrázku 1 je blokové schema tohoto typu přijímače. Přijímaný signál je zesílen a přiveden do směšovače spolu s kmitočtem místního vysokofrekvenčního oscilátoru. Na výstupu směšovače je v ideálním případě (dle jeho typu) rozdíl a součet obou přiváděných kmitočtů, přičemž součtový kmitočet je nevyužit a bývá před dalším zpracováním odfiltrován. Rozdílový kmitočet tvoří požadovaný nízkofrekvenční signál, který je zpracován v dalších dílech přijímače.

Obrázek 1 – blokové schema přijímače

1 – vstupní obvody, 2 – vf zesilovač, 3 – směšovač, 4 – oscilátor.

VSTUPNÍ OBVODY

Začneme tedy tou částí přijímače, do které se signál z antény dostává jako do prvé. Při realizaci vstupní části musíme zajistit tyto požadavky:

1. Nízkou vstupní a výstupní impedanci.
2. Maximální potlačení nežádoucích kmitočtů
3. Malý útlum
4. Vhodnou šířku propouštěného pásma.

Pro splnění těchto požadavků se používají buď synchronně laděné obvody s vícenásobným ladicím kondenzátorem (starší, elektricky výborná ale v praxi méně vhodná metoda), nebo v poslední době pásmová propust. Na obrázku 2 je praktické zapojení takové pásmové propusti se třemi obvody. Cívky navinuté na feritových jádrech by měly mít činitel jakosti Q minimálně 100. Hodnoty cívek a kondenzátorů pro jednotlivá amatérská pásma jsou uvedeny v tabulce 1.

Obrázek 2 – pásmová propust

Tabulka 1 – Hodnoty součástek pásmových propustí pro amatérská pásma.

Poměr počtu závitů odbočky k celkovému počtu závitů cívky je 1:7 pro všechny pásma.

Charakteristika této pásmové propusti je na obrázku 3. Takové zapojení se dvěma laděnými obvody potlačí nežádoucí kmitočty asi o 30 dB, se třemi laděnými obvody asi o 50 dB.

Obrázek 3 – kmitočtová charakteristika pásmových propustí.

Při konstrukci přijímače pro více rozsahů je ale nutno nějakým způsobem vyřešit způsob přepínání vstupních obvodů pro jednotlivá pásma. Můžeme použít buď mechanický přepínač, nebo použít přepínač s diodami. Kolem vhodnosti použití diodových přepínačů bývají často nejrůznější, i protichůdné názory, ale všeobecně jsou doporučovány diody typu PIN. Prakticky je však ověřeno, že se dají použít i běžné diody řady KA, ovšem za dodržení určitých pravidel:

1. Přepínat v bodě s nízkou impedancí.
2. Používat přiměřeně velké spínací napětí, aby dioda byla co nejvíce otevřená.

Diodový přepínač vstupních obvodů je znázorněn na obrázku 4.

Obrázek 4 - přepínání vstupních obvodů pomocí diod

Diody jsou připojeny vždy na odbočku cívky v místě s nízkou impedancí 50 (75) ohmů. Při protékajícím proudu 20 mA má dioda stejnosměrný odpor kolem 40 ohmů, což může být v některých případech dost vysoká hodnota. Pak musíme proud diodou zvýšit třeba až na 50 mA, při němž má dioda odpor kolem 15 ohmů. Velmi dobré výsledky dávají diody s přivařeným zlatým hrotem, OA5, OA9 případně GAZ51, které se ještě dají najít ve vyřazených zařízeních, novější jsem nezkoušel – nemám.

Další věc, na kterou musíme dbát abychom docílili dobrého potlačení nežádoucích kmitočtů, je nutnost dokonalého vzájemného stínění jednotlivých částí filtru a také důsledné blokování spínacího napětí. V opačném případě signál pásmovou propust "obchází".

Pokud hodláme pro přepínání použít diody, je velice vhodné (ne-li nutné) zařadit do vstupu přijímače útlumový článek. Jedno takové řešení je na obrázku 5. Tím docílíme toho, aby při silnějších signálech dioda nepracovala jako detektor.

Obrázek 5 – vstupní útlumový článek.

VYSOKOFREKVENČNÍ ZESILOVAČ

A dostáváme se k dalšímu obvodu našeho přijímače, kterým je vstupní nízkošumový vf zesilovač. Jeho použití na vstupu přímosměšujícího přijímače není bezpodmínečně nutné. Správně navržený a naladěný vstupní díl bez vf zesilovače může sám o sobě zabezpečit citlivost přijímače ve zlomcích mikrovoltu. Hlavní a jediný důvod, proč se zde vf zesilovače používají, je zlepšení selektivity –  pásmové propusti pomohou zeslabit nežádoucí rušivé signály z oblasti mimo přijímané pásmo, například od silných rozhlasových stanic, avšak zavádějí do přijímače určitý útlum – zeslabení signálu. Aby se však příliš nezhoršila reálná selektivita, nemělo by jejich zesílení přesáhnout řádově jednotky, pouze tolik, aby se vyrovnal útlum vstupních laděných obvodů.

Vhodné ověřené zapojení se dvěma tranzistory je na obrázku 6. Takto zapojený zesilovač má výtečné vlastnosti a zajišťuje linearizaci charakteristik tranzistorů bez nutnosti zavádění záporné zpětné vazby. Optimálních šumových poměrů je možno dosáhnout volbou emitorového odporu v rozsahu 75 až 100 ohmů, podle vlastností použitých tranzistorů. Velkou výhodou tohoto zapojení je nízká průchozí kapacita. Vlastnosti zesilovače je možno vylepšit výběrem tranzistorů. Jelikož používám součástky z vraků starých zařízení (obrovská výhoda je u odporů a kondenzátorů, které jsou již "vystárlé" a tedy časem nemění svou hodnotu, což je zvláště důležité v obvodech oscilátoru), použil jsem ve vzorku jako T1 typ KF524 ze starého TV přijímače TESLA, na místo T2 doporučuji KFW16, KF622 a podobné. V nouzi samozřejmě vyhoví libovolné VF typy, ba dokonce i tranzistory řady KC, které mají dostatečně vysoký mezní kmitočet.

Obrázek 6 – kaskádní vf zesilovač

SMĚŠOVAČ

Tak zde se zastavíme chvilku déle, neboť toto je obvod, který podstatně ovlivní parametry našeho přijímače. V odkazovaném článku o přímosměšujících přijímačích mu bylo věnováno dosti místa, ale nezaškodí si vše zopakovat. Takže – k čemu vlastně slouží. Jak již vyplývá z názvu, dochází zde ke směšování dvou kmitočtů – vstupního, přicházejícího od antény, a signálu z místního oscilátoru. Na výstupu obdržíme tak zvaný mezifrekvenční signál, tedy (většinou požadovaný) rozdíl obou těchto kmitočtů, který pak dále zesilujeme. U superhetů po zesílení signál přivedeme k demodulátoru (detektoru), za kterým získáváme nízkofrekvenční signál. Je známo, že čím je mezifrekvenční kmitočet nižší, tím lépe se zesiluje a přijímač má větší zisk, tedy i citlivost. U zde popisovaného přímosměšujícího přijímače získáme po směšování přímo nízkofrekvenční signál, který se dá zesílit poměrně snadno, a odpadá několik dalších obvodů přijímače, které by mohly i zbytečně zavádět do signálu zkreslení a šum.

           a) jednoduchý směšovač                                       b) dvojitý směšovač

c) vyvážený směšovač

Obrázek 7

Na obrázku 7 jsou zakresleny základní typy směšovačů, v dalším uvedu bližší podrobnosti.

Jednoduchý směšovač (a) je tvořen jednou diodou, nebo jedním tranzistorem, Vstupní kmitočet je označen f1, kmitočet oscilátoru f2. Na výstupu směšovače se objeví jejich součty, násobky a rozdíly. Požadovaný výstupní kmitočet je označen jako f3. Toto zapojení je málo výhodné, jelikož zde není možno docílit uspokojivých výsledků, a to ani při použití polem řízených tranzistorů (FET).

Dvojitý směšovač (b) má výhodu v tom, že potlačuje sudé harmonické kmitočty, takže je možno docílit podstatně lepších výsledků. Nevýhoda je v tom, že oba přiváděné kmitočty, tedy jak přijímaný, tak i oscilátorový se objeví na jeho výstupu.

Nejlepší výsledky dává vyvážený směšovač (c), na jeho výstupu se objeví pouze součet a rozdíl obou přiváděných kmitočtů.

V dalším se tedy budeme věnovat právě tomuto zapojení. Pro jeho správnou funkci je zapotřebí:

-         Zajistit symetrii celého zapojení, což znamená že vineme všechny tři cívky transformátoru současně. Jednoduše se to dá provést tak, že si připravíme tři vodiče, které jedním koncem upneme do svěráku a druhým konec do ruční vrtačky a opatrně je zkroutíme tak, abychom dosáhli na každý centimetr délky kolem pěti až osmi zkrutů, čímž vznikne trojitý vodič,  který navineme dle obrázku 8, při zapojování musíme dodržet smysl jednotlivých vinutí.

Obrázek 8 – vinutí transformátoru

-         Jednotlivé vstupy a výstup směšovače ukončíme reálnou zátěží.

-         Použité diody musí být párované. Dobrých výsledků lze docílit s Ge diodami s přivařeným zlatým hrotem, v nouzi i s GA206 a podobnými. Při použití křemíkových diod musíme použít větší výkon oscilátoru.

Často používané kvalitní zapojení směšovače je dvojité vyvážené, dle obrázku 9.

Obrázek 9 – dvojitý vyvážený směšovač.

Dále se používá tak zvané "kruhové" zapojení směšovače, na rozdíl od předešlého můstkového zapojení jsou zde všechny čtyři diody zapojeny sériově – do kruhu.

Obrázek 10 – kruhový směšovač

OSCILÁTORY

Jsou dalším, neméně důležitým dílem přijímače (ale i vysílače). Hlavní požadavky na ně kladené jsou zejména:

-         Dobrá stabilita kmitočtu v závislosti na čase a teplotě.

-         Konstantní výstupní napětí

-         Jemné ladění

-         Malý šum

Pozor, i oscilátor může svým šumem přispět ke snížení citlivosti přijímače!

Obrázek 11 – zapojení oscilátoru

Na obrázku 11 je schema zapojení osvědčeného oscilátoru. Výhodou je možnost použití ladicího kondenzátoru C5 s velkou kapacitou. Pro jemné rozlaďování je použita kapacitní dioda (varikap) D1. Napájecí napětí oscilátoru musí být dokonale stabilizováno.

Pro stavbu kvalitního oscilátoru musíme samozřejmě použít také kvalitní součástky, odpory používáme metalizované TR151, TR152, a pro zvláště náročné aplikace TR161 či TR162. Stabilita také velmi záleží na provedení cívky, proto volíme raději cívková tělíska s větším průměrem a snažíme se pokud možno vyhnout použití ladicích jader. Feritová ladicí jádra mají velký teplotní součinitel, v některých případech, když již není vyhnutí, je možno použít nanejvýš mosazných ladicích jader. Cívku umístíme do kovového krytu většího průměru, který je dokonale spojen s kostrou přístroje.

Co se týče kondenzátorů v obvodech oscilátorů, tak zde musíme postupovat opět velice pozorně. Zásadně nebudeme používat polštářkové kondenzátory označené písmenem N a keramické trubičkové kondenzátory červené barvy. Tyto jsou totiž z hmoty s velkou permitivitou s příliš velkým teplotním součinitelem a jejich použití je vhodné pouze v nízkofrekvenčních obvodech. Z vlastních zkušeností mohu doporučit použití kondenzátorů ze starších zařízení, které jsou již dostatečně vystárlé, a tedy časem již své hodnoty nemění, jak jsem o tom psal výše.

Při konstrukci přijímače pro více pásem musíme mimo vstupních obvodů přepínat také laděné obvody oscilátoru. Na obrázku 12 je znázorněno zapojení, které stejně jako přepínání vstupních obvodů používá spínací diody.

Obrázek 12 – přepínání rozsahu oscilátoru.

Cívka L1, která je určena pro nejnižší používaný kmitočet, je v obvodu připojena trvale. Pomocí diodového přepínače paralelně k ní připojujeme vždy jednu z dalších cívek. V tomto zapojení je ale také jedna nevýhoda – obtížnější nastavení kapacitního děliče C1 – C2 – CL, který nastavíme na střední přijímané pásmo, ale vzhledem k jednoduchosti přepínání rozsahů, tedy oscilátoru i vstupních obvodů, kdy nám stačí pouze jedna deska přepínače, jsem pro svou konstrukci zvolil právě toto zapojení. Zde totiž přepínáme pouze stejnosměrné napětí, takže laděné obvody mohou být od přepínače vzdálené a nemusí všechny být pouze na jednom místě plošného spoje.

Filtry.

Za směšovačem, ještě před vstupem do nf zesilovače, obvykle zařadíme ještě selektivní obvody, které nám nepustí k dalšímu zpracování nepotřebné kmitočty. Pokud si uvědomíme, že pro vyhovující přenos řeči nám postačí kmitočty v rozsahu od 300 do 3000 Hz, můžeme se všech ostatních zbavit, aby nás nerušily a zbytečně nezatěžovaly další stupně. Mnoho zapojení těchto filtrů je popsáno ve výše uvedeném článku "Přímosměšující přijímače" (na tomto webu, viz odkazy na konci tohoto článku), jak v zapojení typu DOLNÍ PROPUST, HORNÍ PROPUST tak i PÁSMOVÁ PROPUST. Přijímač sice bude "chodivý" i bez těchto doplňků, ale není to to pravé ořechové. Vřele proto doporučuji se tam podívat. Pěkný nf filtr je také uveden v: http://www.njqrp.org/sop/schematic rev b.html

Nízkofrekvenční zesilovače.

Toto téma vezmu jen tak "žaves", jelikož předpokládám, že jste se již s těmito obvody dostatečně seznámili při svých radioamatérských začátcích a že víte, k čemu zde slouží jednotlivé odpory a kondenzátory. Nejprve alespoň základní požadavky na takovýto zesilovač. Předně by měl mít dostatečné zesílení, řádově 10⁴ až 10⁶, no a samozřejmě co možná nejnižší úroveň vlastního šumu. Z praxe vyplývá, že nejmenší šum tranzistorového zesilovače obvykle bývá při kolektorovém napětí 0,5 až 1,5 V a proudu 0,1 až 0,5 mA. Vstupní vysokofrekvenční zesilovač obvykle zajišťuje zesílení pouze kolem 10 dB, proto pro příjem slabých vzdálených stanic potřebujeme další zesílení kolem 130 až 140 dB, které nám má zajistit právě ten nízkofrekvenční zesilovač.

Zesilovače nízkofrekvenčního signálu si pro svou potřebu můžeme rozdělit do dvou skupin:

-         Předzesilovače.

-         Výkonové zesilovače.

Výkonový zesilovač v přijímači obvykle potřebuje vyšší úroveň vstupního signálu, okolo 10 mV. Takové napětí při příjmu slabších stanic obvykle není za směšovačem k dispozici, proto musíme zařadit předzesilovač, například podle obrázku 13.

Obrázek 13 – nízkofrekvenční předzesilovač.

Tento předzesilovač má zesílení kolem 300, takže v mnoha případech vyhoví. Zajímavé je použití kondenzátorů C11 a C14, které zabraňují vzniku kmitů v oblasti vysokých kmitočtů, tedy taková "neutralizace", jaká se používá i u VF zesilovačů, zvláště výkonových.

Jako další stupeň zesilovače máme několik možností, buď použít integrovaný zesilovač, nebo jej poskládat z jednotlivých součástek.

Takže nejprve si zde uvedeme oblíbený a velmi často používaný integrovaný obvod LM386. Je to ne příliš kvalitní nízko výkonový zesilovač, jeho jediná výhoda je v ceně. Co se týče výkonu, mohl by pro KV přijímač vyhovět, jelikož zde preferujeme poslech na sluchátka, nebo maximálně na menší reproduktorek. Jeho hlavní vlastnosti jsou:

- Minimální počet součástek

- Je ideální pro bateriové napájení

- Napájecí napětí od 4V do 18V

- Zisk 20 až 200

- Malé zkreslení

Obrázek 14 – nf zesilovač s IO LM386

Signál od směšovače (případně od nf filtru a předzesilovače) je zde přiveden k integrovanému obvodu LM386 přes vazební kondenzátor a regulátor hlasitosti. Reproduktor je připojen přes vazební elektrolytický kondenzátor 50M k zemi (zápornému pólu napájení). Použijeme raději reproduktor s vyšší impedancí, kolem 8 Ohmů a větší, pokud máme k dispozici jen reproduktorek například 4 Ohmy, zapojíme do série s ním odpor 4,7 Ohmů. Samozřejmě je zde možnost připojit také sluchátka, pak doporučuji přepínací zásuvku (jack), který při zasunutí sluchátek odpojí vnitřní reproduktor.

Požadujeme-li větší výstupní výkon, třeba pro větší reproduktor, zvolíme zapojení podle obrázku 15.

Obrázek 15 – nf zesilovač s operačním zesilovačem

 

Vstupní signál je přiveden přes vazební kondenzátor C1 a odpor R1 na neinvertující vstup operačního zesilovače. Tento signál je v operačním zesilovači zesílen a přiveden na bázi výkonových tranzistorů T1 a T2. OZ tedy funguje jako budič koncových tranzistorů. Koncové tranzistory zesílí signál na potřebnou výstupní úroveň signálu. Celkové zesílení zesilovače jako celku je dáno odpory R1 a R2. Děličem z odporů R3 a R4 je vytvořena umělá nula pro operační zesilovač. Výstupní výkon je určen velikostí napájecího napětí a výběrem koncových tranzistorů. Zesilovač není odolný proti zkratu na výstupu.

Operační zesilovač lze použít jakkoliv dostupný (např. MAA 741, 1/2 MAA 1458, MAC 157 nebo ekvivalenty LM 741, 1/2 LM 1458, NE 5534). Výběr koncových tranzistorů je určen požadavky na výstupní výkon zesilovače, BC 337 a BC 327 pro výkon do 500mW, BD 244 a BD 234 pro větší výkony (desítky Wattů) případně s použitím chladiče příslušné velikosti.

Literatura:

 

http://ok1ike.c-a-v.com/web1/soubory/dil1.htm

 

http://ok1ike.c-a-v.com/web1/soubory/dil2.htm

 

http://ok1ike.c-a-v.com/web1/soubory/dil3.htm

 

Přijímač pro amatérská pásma, J. Boček, J.Winkler, ÚV Svazu pro spolupráci s armádou 1985

 

QST March 1999: A Binaural I-Q Receiver (článek možno stáhnout ZDE)

 

A Single Transistor-Level Direct-Conversion Mixer for Low-Voltage Low-Power Multi-band Radios: ETRI Journal, Volume 27, Number 5, October 2005

 

...... a mnoho dalších, postačí si do vyhledávače GOOGLE zadat heslo "Direct Conversion Receiver", najde hodně přes milion odkazů.