Изучаем ёмкостную трёхточку и собираем FM передатчик
Сегодняшний опыт позволит нам увидеть на экране осциллографа, какие параметры цепи влияют на работу LC-генератора Колпитца, и откуда берутся искажения формы волны.
После чего соберём маленький транзисторный УКВ ЧМ передатчик на базе такого генератора. Не пугайтесь, он совсем маломощный (как MP3-модуляторы в гнезде автомобильного прикуривателя) и не нарушает законов о радиосвязи.
А чтобы услышать, что передатчик вещает, соберем ещё и FM радиоприёмник.
История LC-генераторов
Ёмкостная трёхточка, или генератор Колпитца, является очень распространённой топологией генераторов синусоидальных (гармонических) колебаний, то есть чистой волны определенной частоты без примеси гармоник. Для радиосвязи это очень важно, потому что гармоники не только искажают передаваемый сигнал, но и создают помехи каналам связи, работающим на других частотах.
Коль скоро заговорили об LC-генераторах, не помешает коснуться их истории. Буквой L обозначается индуктивность и, соответственно, катушка. Буквой С — ёмкость и ее материальный носитель — конденсатор.
LC-генераторы Колпитца и Хартли. С Википедии
LC-генератором называется электронная схема на основе колебательного контура из катушки индуктивности и конденсатора, обеспечивающая незатухающие электрические колебания в этом контуре. То есть имеющая положительную обратную связь (ПОС), которая подкачивает энергию в контур.
Генератор Герца
Но мы чуть не забыли про архаичный тип LC-генератора затухающих колебаний с ударным возбуждением. Оно действует подобно тому, как молоточек фортепиано сообщает энергию струне. Именно так работает первый в мире генератор электромагнитных волн с искровым возбуждением, который построил Генрих Герц на основе катушки Румкорфа в 1887 году.
Конструкция индукционной катушки Румкорфа. Harry Winfield Secor (1920) The How and Why of Radio Apparatus
Катушка Румкорфа — это высоковольтный вибропреобразователь. То есть устройство наподобие электрического звонка постоянного тока, которому добавили вторичную обмотку, многовитковую, многослойную. А у тех катушек Румкорфа, что питали старинные рентгеновские установки, она была ещё и секционированная. Чтобы не пробило изоляцию.
Иллюстрация работы электрического звонка. С Википедии
Звонок постоянного тока работает по такому принципу: ток в катушке создаёт магнитное поле, которое притягивает ферромагнитный язычок, который отклоняет подвижный контакт и разрывает цепь. Язычок перестаёт притягиваться, пружина возвращает его назад, и подвижный контакт снова касается неподвижного. Цепь замкнута, и всё повторяется, пока подключен источник питания.
Большинству из нас в XXI веке не приходится встречаться с катушками Румкорфа и электрическими звонками. Но вибрационные прерыватели нас всё же окружают. Это звуковые сигналы автомобилей и маленькие противные зуммеры в источниках бесперебойного питания. Как это ни странно, в них до сих пор нет микроконтроллеров и даже транзисторов. Со своими функциями прекрасно справляется простое электромеханическое устройство.
Схема передатчика Герца. С Википедии
Так вот, Генрих Герц при помощи искр от катушки Румкорфа возбуждал колебания в контуре. Который представлял собой… нет, не огромную индуктивность вторичной обмотки и её немалую межвитковую ёмкость, а индуктивность и ёмкость диполя — передающей антенны.
Школьный трансформатор Теслы, СССР. Фото с Авито (лот давно продан)
Это и был генератор Герца. Точно таким же образом работает и резонансный трансформатор Теслы с искровым возбуждением.
Шильдик школьного генератора Зворыкина, СССР. Фото с сайта «Музей странного»
Одно время катушками Румкорфа, искровыми трансформаторами Теслы и двухтактными ламповыми генераторами Зворыкина комплектовались кабинеты физики советских школ. Но эти приборы способны создавать значительные радиопомехи, потому от них отказались.
Генераторы Мейснера и Армстронга
В начале прошлого века немецкий физик и инженер Александр Мейснер, работавший в фирме «Телефункен», открыл принцип положительной обратной связи, на основе которого изобрел и получил в 1913 году патент на LC-генератор незатухающих колебаний с трансформаторной обратной связью.
Анимация работы генератора Мейснера с physik3d.de
По сути, генератор представлял собой усилительный каскад на вакуумном триоде с общим катодом, колебательным контуром и обмоткой обратной связи.
Генератор американца Эдвина Армстронга, запатентованный в 1914 году — почти то же самое. Но у Мейснера колебательный контур включен в анодную цепь, то есть на выход усилителя. А у Армстронга в цепь сетки, то есть на вход.
Получается, что в генераторе Мейснера катушка связи принимает от колебательного контура входной сигнал для усилителя. А в генераторе Армстронга эта катушка передаёт контуру мощность с выхода усилителя.
То есть генератор Армстронга позволяет делать мощной только катушку, а контур ею управляет. А при использовании схемы Мейснера необходима и мощная контурная катушка, и мощный конденсатор. Либо можно воспользоваться усилителем мощности, подключив его к выходу генератора.
Генератор Хартли
В 1915 году американский инженер Ральф Хартли, работавший тогда в Western Electric Company, (это производственное подразделение компании AT&T с 1881 по 1995 годы), применил для обратной связи автотрансформатор вместо трансформатора, и получилась индуктивная трёхточка — генератор Хартли.
Иллюстрация из патента Хартли US1356763
Кроме генератора, в честь Ральфа Хартли названа логарифмическая единица измерения информации либо энтропии, а также преобразование Хартли — разность между мнимой и действительной частью преобразования Фурье.
Генератор Колпитца
И наконец, в 1919 году Эдвин Колпитц, глава отдела исследований все той же Western Electric Company, вместо индуктивной трёхточки изобрёл ёмкостную.
Обратная связь в этом генераторе осуществляется делителем переменного напряжения на двух конденсаторах, соединённых последовательно и образующих вместе с катушкой индуктивности колебательный контур. Такую ёмкостную трёхточку мы сегодня и будем исследовать.
Про естественнонаучный эксперимент в школе
Среди великого множества товаров на Алиэкспресс имеются и учебные пособия для школьников и студентов, такие, как этот радиоконструктор, на базе которого я и проведу сегодняшний опыт.
Внешний вид экспериментальной платы
Технической документации и учебно-методического комплекта к таким наборам не прилагается, или почти не прилагается, но знания электроники позволяют понять, что к чему и зачем, и догадаться о замыслах разработчиков, который они вложили в печатную плату и кучку радиокомпонентов.
Состав DIY-комплекта. Фото с Aliexpress
Можно было не покупать набор, а смакетировать ёмкостную трёхточку на паечной или беспаечной макетной плате, или даже нарисовать в KiCAD и изготовить плату методом ЛУТ. (Как ни странно, это иногда быстрее, чем макетировать). Но разве не интересно, чему и как китайцы, лидеры планеты в разработке и производстве техники, учат своё подрастающее поколение?
Современная тенденция в преподавании естественнонаучных дисциплин, особенно для непрофильных классов, такова, что преподаватели и методисты предпочитают заменять демонстрационный и лабораторный эксперимент просмотром видеофильмов и работой с цифровыми моделями реальных объектов и процессов на интерактивной доске, планшетном ПК и так далее.
Оно, конечно, удобнее, проще, легче, чище и безопаснее. Не нужно утруждаться подготовкой оборудования и уборкой после опытов, никто ничего не разобьёт, не поранится, не обожжётся и так далее. Пока идет учебный видеофильм, или учащиеся работают с интерактивными моделями, преподаватель может проверять тетради, заполнять журнал или просто отдыхать.
Мне это никогда не нравилось, даже не из методологических соображений, а просто потому, что я люблю объективный предметный мир, трогать его руками и инструментами, взаимодействовать с ним. Это интересно, захватывающе, это вдохновляет, в том числе и на дела, не связанные с темой опытов и исследований.
Не поймите неправильно. Учебные фильмы и цифровые модели мне очень нравятся. Вот, например, модель ёмкостной трёхточки на сайте falstad.com. Там можно редактировать параметры компонентов, изменять схемы и добавлять свои.
Интерактивная модель ёмкостной трёхточки. Захват экрана с falstad.com
Такие модели прекрасно дополняют и обогащают реальный опыт. Но полноценно заменить его никогда не смогут. Вот и китайцы не только не отказались от «дедовских» учебных пособий, но изготовляют и разрабатывают их в огромном количестве и разнообразии. Может быть, потому и лидируют в мировом производстве. А может быть, это просто совпадение.
Опыт с генератором Колпитца
Итак, экспериментальная плата позволяет нам с помощью джамперов K1 и K2 изменять ток смещения базы транзистора Q1. K3 и K4 переключают катушки, а K5 и K6 — конденсаторы.
Принципиальная схема экспериментальной платы с Aliexpress
При сопротивлении смещения базы 10 кОм, ёмкости 0.01 мкФ и индуктивности 100 мкГн генерируемая частота составила 294 кГц, а амплитуда напряжения в точке TP2 — на выходе генератора — 2.6 В. Синусоида получается не идеальная: её нижняя часть слегка «смятая».
Оставляем всё как было, но переключим резистор, повысив сопротивление смещения базы в 22 раза. Что очень интересно, изменилось не только выходное напряжение, которое возросло до 2.84 В, но и частота. Она снизилась с 293 до 282 кГц.
Дело в том, что ток смещения базы изменяет проводимость транзистора, а соответственно, и эквивалентную ёмкость, от которой зависит резонансная частота колебательного контура.
Это свойство ёмкостной трёхточки на транзисторе позволит нам построить предельно простой радиопередатчик с частотной модуляцией.
Теперь переключим конденсатор на втрое более ёмкий. Частота снизилась не втрое, а всего-навсего с 282 до 225 кГц. Так и должно быть, ведь C4 и С2 или C3 соединены последовательно, а период колебаний пропорционален квадратному корню произведения ёмкости на индуктивность. Зато амплитуда колебаний упала вдвое — до 1.44 В.
Переключаем катушку, увеличивая индуктивность в 4.7 раз. Частота снизилась в 4.4 раза, — до 51 кГц. Амплитуда возросла в 2.25 раз, до 3.24 В. Но форма сигнала испортилась: нижняя часть синусоиды инвертирована. Чётко видим вторую гармонику с частотой вдвое выше основной. Резких заломов осциллограммы не наблюдается: снизу всё выглядит как нормальная синусоида, а не как форма волны после двухполупериодного выпрямителя.
После снижения ёмкости втрое — с 0.03 на 0.01 мкФ — частота возросла чуть более, чем вдвое: с 51 до 124 кГц. И снова видим идеальную синусоиду, амплитуда которой возросла ровно в полтора раза, до 4.88 В.
Снова снижаем сопротивление смещения базы в 22 раза. Частота возросла на 9%, а амплитуда снова упала в полтора раза: 135 кГц, 3.16 В.
Повышаем ёмкость конденсатора втрое. Частота упала всего-навсего на 19%. Амплитуда снова снизилась в полтора раза: 111 кГц, 2.12 В.
И наконец, испытаем последнюю, восьмую комбинацию трёх SPDT переключателей, функцию которой выполняют джамперы на плате. Снижаем индуктивность в 4.7 раз. Частота возросла в 2.2 раза, амплитуда упала на 30%.
При сопротивлении смещения 10 кОм несимметричное ограничение сигнала, видимое как смятая снизу синусоида, сохраняется во всех комбинациях ёмкости и индуктивности, кроме последнего, где синусоида слабая, но красивая.
Как мы увидели, режим транзистора и соотношение реактивностей, в том числе эквивалентной ёмкости транзистора, в значительной мере влияют на гармонический состав и амплитуду выходного сигнала ёмкостной трёхточки. Переставим джамперы на 220 кОм, 0.01 мкФ и 470 мкГн, чтобы получить красивую и сильную синусоиду.
Кроме генератора Колпитца, на нашей плате есть усилительный каскад на транзисторе Q2, а после него инвертирующий усилитель и компаратор со слабой отрицательной обратной связью на операционных усилителях. Посмотрим, как они будут искажать нашу эталонную синусоиду.
Почему транзисторная аудиоаппаратура плохо звучит?
В точке TP3 — на коллекторе Q2 — видим результат двухполупериодного выпрямления, плюс небольшой, но заметный горбик третьей гармоники. Именно так искажают сигналы кремниевые транзисторы, и эти нечётные гармоники считаются неприятными для слуха, в отличие от чётных ламповых.
В теории музыки третья гармоника соответствует интервалу дуодецимы, — чистой квинты через октаву. В случае гармонически простой композиции, основу которой составляют квинты и трезвучия, присутствие дуодецимы в усиленном сигнале не составит проблем.
В более сложной музыке используются ундецимаккорды и терцдецимаккорды, верхний тон которых составит с этой дуодецимой большую или малую секунду. А это диссонанс, неблагозвучный интервал.
И что ещё страшнее, подавляющее большинство музыкальных произведений младше творений Баха используют равномерно темперированный хроматический звукоряд. А наша транзисторная дуодецима натуральная, пифагорова, и в случае её одновременного звучания с хроматической нотой возникнет очень неприятное завывание «волчьей квинты».
Буферный усилитель на транзисторе Q2 у этой учебной платы на самом деле является эмиттерным повторителем, каскадом с общим коллектором (ОК). И на его выходе всё совершенно нормально, наблюдаем прекрасную чистую синусоиду.
Авторы набора специально добавили коллекторный резистор R5, который эмиттерному повторителю не нужен, чтобы наглядно показать гипертрофированно искажающий режим транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ).
Чтобы превратить каскад на Q2 в нормальную схему с общим эмиттером, следовало бы заземлить эмиттер по переменному току, зашунтировав эмиттерный резистор R6 конденсатором. Тогда выходной сигнал повторителя пропадёт, зато на коллекторе появится усиленная копия входного сигнала без таких страшных искажений. Правильно рассчитав ёмкость конденсатора, можно осуществить желаемую тонкоррекцию. Так что эксперименты с этой маленькой платой можно продолжать и продолжать.
Инвертирующий усилитель на IC1A, казалось бы, обязанный иметь минимум искажений, на деле, в зависимости от сопротивления подстроечного резистора RP1 в цепи отрицательной обратной связи (ООС), превращает красивую синусоиду с выхода в разнообразную помесь пилы и экспоненты, характерной для релаксационных генераторов.
И наконец, компаратор со слабой отрицательной обратной связью на операционном усилителе IC1B, подстройкой RP2 можно превратить в инвертирующий усилитель, но на его выходе будет не синусоида и не куски экспонент и парабол, а практически идеальная пила.
В итоге после нескольких минут увлекательной игры с маленькой печатной платой возникает множество захватывающих вопросов и идей. Кто-то на свете умеет создавать прекрасные учебные пособия. А их коллеги сумели создать прекрасный недорогой карманный осциллограф, благодаря которому мы увидели тайны ёмкостной трёхточки.
Микромощный УКВ ЧМ радиопередатчик
Чтобы воспринимать сегодняшнее исследование не как оторванный от действительности курьёзный технический фокус, воспользуемся генератором Колпитца для постройки реального радиопередатчика, способного вести монофоническое УКВ ЧМ вещание на расстояние нескольких метров. Это будет ещё один конструктор с Али.
На транзисторе Q1 собран микрофонный предусилитель. Его можно не собирать, если не предполагаете использовать передатчик в качестве уоки-токи или ещё чего-нибудь.
Схема FM радиопередатчика
На транзисторе Q2 собран генератор Клаппа. Это усовершенствованный вариант генератора Колпитца, отличающийся прежде всего конденсатором С8 последовательно с катушкой L4. Сигнал с коллектора Q2 поступает на вход усилителя мощности радиочастоты, выполненного на транзисторе Q3.
Это каскад с общим эмиттером, коллекторной нагрузкой которого является катушка L2. C7, C9, C10 и L3 образуют выходной фильтр, осуществляющий согласование с передающей антенной.
Частотная модуляция осуществляется инъекцией тока звуковой частоты на базу транзистора Q2.
И наконец, два одинаковых резистора R7 и R10 превращают стерео в моно. Ведь предполагается, что ко входу радиопередатчика будет подключаться мобильный телефон или MP3-плеер в качестве источника аудиосигнала. А его современные устройства выдают на наушники в стереофоническом виде.
Маленький красивый радиоприёмник своими руками
Такой радиоконструктор с цифровой индикацией частоты можно собрать уютным семейным вечером, а потом он будет приносить радость на даче и вылазках на природу. Кстати, звучит приёмник довольно-таки неплохо, несмотря на крошечный громкоговоритель.
С точки зрения изучения схемотехники, образовательная ценность именно этого набора не очень велика: радиоприёмник собран на цифровом SDR модуле, исходные коды прошивки микроконтроллера не предоставлены.
Схема радиоприёмника HU-017A с Aliexpress
Что тут можно изучать? Светодиодную индикацию на регистре сдвига в отрыве от микропрограммы? Простейший усилитель мощности звуковой частоты на одной микросхеме с минимальной обвязкой? Линейный стабилизатор напряжения на микросхеме и светодиод с резистором?
Но кроме изучения схемотехники и программирования, есть еще эстетическое удовлетворение от красивой платы и красивого корпуса, радость, уверенность и гордость, когда собранное своими руками устройство заработало, и выполняет реальные практические функции. Образование и самообразование — это не только знания, но и умения, навыки, вдохновение.
Радиоконструктор меня очень порадовал, и продолжает радовать получившийся приёмник. Прекрасное медитативное занятие с позитивным результатом. Но надо отметить, что тут есть микросхема в корпусе SOIC16, которую успешно припаяет не каждый новичок.
А также отметить и то, что когда-то надо начинать. Невозможно научиться чему-то новому, например, поверхностному монтажу, если никогда за него не браться. Сборка такого радиоприёмника — прекрасный вариант для начала.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
