Как собрать FM-радиоприемник на лампах

FM-радиоприемник на лампах

Раньше, когда компьютеры были громоздкими, прототипы первых транзисторов еще не покинули стены исследовательских лабораторий Bell Labs, а про формат МР3 никто не слышал, аудиофилы находились в своем аналоговом раю, получая удовольствие от теплой ламповой музыкы из радиоприемников и виниловых проигрывателей. В этой статье я покажу, как собрать FM-радиоприемник на лампах.

Как и любые другие виды данных, звук сейчас хранится как правило в цифровом виде. Разумеется, качество звука на выходе очень зависит от характеристик конкретного устройства — используемого ЦАП (цифро-аналогового преобразователя) и ОУ (операционного усилителя). Но в целом от дискретности и квантования сигнала уже никуда не деться.

Здесь, конечно, можно вспомнить про кассеты, винил и проигрыватели — «вертушки». У них есть свои ценители, и даже сегодня достать экземпляры такой техники в хорошем состоянии не составляет большого труда. Но собрать нечто похожее «на коленке» уже не получится: тут нужна достаточно сложная механика. Что делать в такой ситуации?

Выход есть! Сигнал можно взять из радиоэфира. Тем более раньше это было совсем тривиально: открываешь книжку для радиолюбителей и собираешь себе ДВ/СВ-приемник 1V1 или 1V2 — схемы там очень простые. И уже через несколько часов можно слушать любимое радио «Маньяк».

Приемники прямого усиления классифицируются по количеству каскадов усиления до и после детектора. Таким образом, 1V1 означает, что приемник содержит один каскад УВЧ (усилитель высокой частоты), детектор и один каскад УНЧ (усилителя низкой частоты). Подробнее смотри на страницах Википедии.

Но это было раньше, а с 2014 года вещание в ДВ- и СВ-диапазоне на территории России было прекращено полностью (эфир зашумлен, да и нерентабельно). Впрочем, справедливости ради можно отметить, что высококачественного звука на длинных и средних волнах никогда и не было. Это объясняется узкой полосой вещания (около 10 кГц), а ее ширина напрямую связана с шириной диапазона передаваемого звукового сигнала. Таким образом, наши запросы удовлетворит только FM-диапазон.

Тут дела обстоят несколько сложнее, так как приемники прямого усиления уже неэффективны. Хотя, конечно, их тоже иногда собирают, но это скорее экзотика. Более-менее приемлемых результатов можно добиться, только собрав сверхрегенератор. У сверхрегенеративного приемника, пожалуй, лучшее соотношение простоты конструкции и эффективности. Буквально из десятка деталей можно собрать работающую схему. Однако качество звучания оставляет желать лучшего, и вот с этим практически ничего не поделать.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Перехват и анализ радиосигнала

Иными словами, чтобы добиться хороших результатов, мы вынуждены остановить свой выбор на супергетеродине. Современный FM-приемник можно реализовать на одной микросхеме RDA5807, содержащей в себе полный тракт супергетеродина с цифровым управлением. Она поддерживает стерео и RDS, но об этом как-нибудь в другой раз.

Наиболее прост в реализации супергетеродин с низкой промежуточной частотой и частотно-импульсным детектором. Такой приемник может содержать лишь одну перестраиваемую цепь, что очень упрощает конструкцию. Разберем принцип его работы подробнее.

Супергетеродин

Супергетеродинный приемник, в отличие от приемника прямого усиления, предполагает преобразование принимаемого сигнала в промежуточную частоту, на которой выполняется селекция. Такое решение позволяет сократить количество перестраиваемых элементов, что значительно облегчает задачу.

Блок-схема типичного гетеродинного приемника
Блок-схема типичного гетеродинного приемника

На схеме хорошо видно, что принимаемый сигнал усиливается и поступает в смеситель, туда же подается выход с гетеродина (вспомогательного генератора). В результате сигнал смесителя содержит биения, частота которых равна разности принимаемого сигнала и сигнала гетеродина. Из смесителя поток попадает в полосовой фильтр, который выделяет сигнал промежуточной частоты.

Именно в этом месте выполняется селекция. Далее промежуточная частота усиливается и поступает в детектор, выделяющий аудиосигнал. Последний преобразовывается УНЧ и подается на динамик или наушники. Схема в целом достаточно сложная, но зато она выигрывает с точки зрения стабильности работы.

Можно ли в этой схеме что-нибудь упростить? Да, можно! Если сделать промежуточную частоту достаточно низкой (~200 кГц), то полосовой фильтр можно заменить фильтром низких частот, что существенно упрощает конструкцию (собственно, так работает микросхема К174ХА34). А еще упростить схему можно? Конечно! Можно совместить смеситель с гетеродином, подобные приемники еще называют автодинами.

Подробнее прочитать про принцип работы супергетеродинного приемника можно в Википедии.

Частотно-импульсный детектор

Теперь остановимся подробнее на детекторе. Из его названия следует, что частотная модуляция подразумевает изменение частоты несущего сигнала под действием модулирующего сигнала. Продемонстрировать это можно следующим графиком.

Суть частотной модуляции
Суть частотной модуляции

Для обратной процедуры, то есть выделения аудиосигнала, и используется ЧМ-детектор. Существует много видов частотных детекторов, но особняком среди них стоит так называемый счетный детектор.

Принцип работы счетного детектора достаточно прост для понимания. Частотно-модулированный сигнал пропускают через ограничитель, получая на выходе меандр переменной частоты. После этого по восходящему или нисходящему сигналу генерируют импульс постоянной ширины. Таким образом, из сигнала переменной частоты мы получили импульсы с изменяющимся периодом следования, а так как ширина импульсов постоянна, то коэффициент заполнения тоже меняется. То есть мы получили ШИМ-сигнал. Полученный ШИМ-сигнал интегрируют, что дает на выходе аудиосигнал.

В общем, частотно-импульсный детектор работает точно так же, как ЦАП, на ШИМ-генераторе. Однако у такого детектора есть некоторые ограничения, и это прежде всего частота входного сигнала, которая должна быть ниже 1 МГц (при условии, что отклонение частоты составляет 50 кГц, характерное для широкополосной FM-модуляции), так как на больших частотах начинает падать эффективность детектора. Впрочем, в нашем случае это, наоборот, преимущество.

Есть замечательное видео, где разбирается работа счетного детектора с осциллограммами.

Интересно отметить, что в отечественной радиолюбительской литературе данный детектор упоминается редко, а ламповых конструкций в рунете и вовсе не сыскать, тогда как в Европе и Австралии эти схемы достаточно популярны. Например, одним из самых известных приемников с частотно-импульсным детектором был Sinclair Micro FM. Да, это тот самый Синклер, который разработал ZX Spectrum.

Принципиальная схема

Итак, приступим к сборке такого девайса. В качестве исходной точки возьмем вот эту конструкцию.

Схема приемника радиоприемника на лампах
Схема приемника радиоприемника на лампах

Начнем с ламп. Очевидно, что в Австралии, где была разработана исходная схема, доступны немного другие лампы, поэтому адаптируем набор деталей под то, что есть у меня в наличии. Так, на входе стоит 6BL8, а это полный аналог нашей 6Ф1П, которая всегда применялась для УРЧ и конвертеров.

В анодных цепях радиоламп используется высокое напряжение, опасное для жизни и здоровья! Если у тебя нет достаточного опыта работы с высоковольтными схемами, категорически не рекомендуется повторять все описанное ниже на практике, по крайней мере без помощи опытного специалиста.

От ламп 6AU6, аналога 6Ж4П, я также отказался и сначала хотел собрать УПЧ на триодах, например 6Н1П или 6Н23П. Однако, поскольку усиление триодного каскада ниже, в усилителе на триодах нужно больше каскадов, а это может привести к самовозбуждению. Тем не менее некоторые радиолюбители успешно делали триодные УПЧ.

Остановив свой выбор на пентодах, я хотел применить пентод 6Ж1П, но у меня не нашлось необходимого количества соответствующих панелек, поэтому я решил использовать неведомо откуда взявшиеся у меня E83F (отечественных аналогов нет). Ограничитель собран на той же E83F. В детекторе использован отечественный аналог 6AL5 6Х2П — это детекторный двойной диод. В усилитель звуковой частоты вместо 6BM8 (наш аналог 6Ф3П) я использовал 6Ф5П, схему тоже немного изменил, взяв одну из описанных в интернете, благо ламповых УЗЧ существует великое множество. В итоге схема получилась такая.

Адаптированная и переработанная схема радиоприемника на лампах
Адаптированная и переработанная схема радиоприемника на лампах

Рассмотрим появившиеся в моей схеме изменения и дополнения подробнее.

УВЧ и смеситель

Отличий здесь не так много: просто поставим в цепь накала два дросселя, «холодные» концы которых заземлим через блокировочные конденсаторы. Кроме того, добавим блокировочный конденсатор на анод пентодной части.

Эти изменения делают схему гораздо менее капризной. Кроме того, добавим АРУ (автоматическая регулировка усиления) во входной каскад. Впрочем, каких-то изменений от добавления АРУ я не заметил, но с АРУ лучше, чем без него. Управлять усилением можно, подавая отрицательное напряжение на сетку триода УВЧ.

УПЧ

Здесь изменения более существенные. Поскольку я использовал совершенно другую лампу, необходимо было пересчитать номиналы всех резисторов. Впрочем, если не выбирать режим лампы, а использовать рекомендованный, то рассчитать номиналы достаточно легко. Итак, рассмотрим типичный усилительный каскад на пентоде.

Усилительный каскад на пентоде с общим катодом
Усилительный каскад на пентоде с общим катодом

Нам необходимо рассчитать значения Ra, Rk и Rg2, так как именно они определяют режим работы лампы, номиналы прочих элементов можно не трогать. В этих нехитрых расчетах нам поможет закон Ома: I = U/R. Из даташита на E83F мы видим, что рекомендованы следующие параметры:

  • напряжение анода 210 В;
  • ток анода 10 мА;
  • ток второй сетки 2 мА;
  • напряжение второй сетки 120 В;
  • резистор в цепи катода 165 Ом;
  • крутизна при указанных параметрах 10 мА/В.

Получается, что на катоде должно быть (Ia + Ig2) * Rk = 0,012 * 165 = 1,98 В, то есть около двух вольт. Под рукой были резисторы на 220 Ом, их я и поставил вместо рекомендованных 165 Ом. Теперь рассчитаем резистор в цепи второй сетки. Мы планируем питать УПЧ от напряжения примерно 220 В, то есть на резисторе должно быть падение напряжения U – Ug2 = 220 – 120 = 100 В при токе 2 мА. Таким образом, требуемое сопротивление Rg2 = (U – Ug2)/Ig2 = 100/0,002 = 50 000 = 50 К.

Рассчитаем сопротивление резистора в анодной цепи, зная, что коэффициент усиления пентодного каскада примерно равен Ra * S. Имеет смысл взять сопротивление побольше, однако опускать напряжение на аноде ниже 80 В не стоит, поэтому заложим анодное напряжение 120 В с запасом. Тогда Ra = (Uпит – Ua)/Ia = (220 – 120)/0,01 = 10 000 = 10 К. Под рукой оказались одноваттные резисторы на 8,2 К, их я и поставил. Здесь нужно использовать минимум одноваттные резисторы, так как на них будет рассеиваться 0,82 Вт. Теплый ламповый звук, однако!

Это, конечно, упрощенный способ расчета пентодного каскада, но он вполне рабочий. Таким же образом можно легко пересчитать номиналы под другой пентод. В УПЧ нет никаких строгих требований к характеристикам, а линейность и вовсе не важна, так что подойдет любой маломощный пентод.

Со схемами каскадов мы разобрались, теперь вернемся к общей схеме УПЧ. Строить трехкаскадный УПЧ для приемника, работающего в крупном мегаполисе, нет никакого смысла. Кроме того, добавление каждого нового каскада повышает риск самовозбуждения. Эксперименты показали, что двух каскадов вполне хватает и они выдают достаточный сигнал для работы ограничителя.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Как из видеоадаптера сделать SDR-передатчик

Примерный расчет показывает, что усиление двухкаскадного УПЧ будет 82 * 82 = 6724, а реальное усиление, как будет продемонстрировано далее, заметно ниже, но и этого вполне достаточно. Более того, для приема мощных станций достаточно и одного каскада. Так, при уверенном приеме на сетку второго каскада поступает сигнал до одного вольта!

Между смесителем и УПЧ я установил фильтр низкой частоты (ФНЧ) с частотой среза около 150 кГц, это позволяет поднять селективность по соседнему каналу, в упомянутой выше статье фильтра не было. В качестве фильтра работала ограниченная полоса пропускания УПЧ. Дополнительный фильтр повышает селективность приемника, что актуально при большом количестве близкорасположенных мощных станций.

Ограничитель и счетный детектор

Последний каскад УПЧ — ограничитель, от первых двух его отличает пониженное напряжение питания и малое напряжение смещения на управляющей сетке 1 В. Из-за такого режима и достаточно сильного сигнала, приходящего на вход (до нескольких вольт), каскад работает практически в ключевом режиме с сеточным током. Наличие последнего нам удобно как источник отрицательного напряжения, пропорционального величине сигнала, которое используется для индикатора настройки и АРУ.

То есть при наличии сеточного тока происходит отсечка положительных полуволн сигнала и с сетки можно снять отрицательное напряжение. А ключевой режим дает практически меандр на выходе с амплитудой примерно 70 В. Ограничитель, помимо прочего, позволяет подавить паразитную амплитудную модуляцию, что положительно сказывается на качестве звучания.

Затем следует формирователь импульсов. Он состоит из конденсатора и двух диодов. Через один диод конденсатор заряжается, а через второй идет разряд на резистор. Так как емкость конденсатора мала, то за время одного импульса конденсатор успевает полностью зарядиться (восходящий фронт), а затем полностью разрядиться (нисходящий фронт). За счет этого и достигается формирование импульсов примерно одинаковой длительности. Форма этих импульсов, конечно, далека от меандра и больше похожа на пилу, которую я завсегда смогу отличить от сойки, когда ветер южный, а погода — ясная.

Если усложнить схему, можно получить импульсы более приглядной формы, но профит от этого небольшой. Далее эти импульсы поступают на RS ФНЧ, похожий на тот, что был на выходе смесителя, только у этого фильтра частота среза ниже. И на его выходе мы имеем желанный аудиосигнал, а остаточные пульсации с частотой ПЧ отфильтруются полосой пропускания первого каскада УЗЧ. Во всяком случае, на осциллограммах сигнала на сетке оконечного каскада УЗЧ их не видно.

УЗЧ

Особо расписывать УЗЧ не вижу смысла, так как он выполнен по типичной схеме, которых в интернете великое множество. Схема совершенно обычная: предусилитель на триодной части 6Ф5П и оконечный каскад на пентодной части ее же. Почему именно 6Ф5П? Потому что у меня был трансформатор ТВЗ-1-9, который рассчитан на работу с лампами 6П14П и 6Ф5П. В сущности, усилитель может быть любой, детектор на выходе дает сигнал до нескольких вольт, а этого вполне достаточно, чтобы раскачать УЗЧ. Ориентировочная мощность моего усилителя составляет 3 Вт, этого хватает для наглядной демонстрации работы приемника.

Волшебный глаз

Вакуумно-флюоресцентный индикатор настройки, или, как его обычно называют, «волшебный глаз», — вещь совершенно необходимая ламповому радиоприемнику. Во-первых, он облегчает настройку на станцию, а во-вторых, придает устройству особый шарм. В качестве индикатора настройки использовалась отечественная лампа 6Е1П, включенная по типовой схеме. Управляющее отрицательное напряжение, как уже упоминалось, берется с сетки ограничителя через резистор большого сопротивления.

Конструкция приемника

Конструктивно приемник выполнен навесным монтажом внутри сборной алюминиевой коробки размером 50 х 120 х 240 мм. Крышка изготовлена из алюминия толщиной 2,5 мм, стенки и дно — из алюминия толщиной 1 мм. Дном можно пренебречь, но это несколько ухудшит стабильность работы приемника. На крышке расположены восемь панелек для ламп (одна из них осталась незадействованной), также на ней закреплен трансформатор УЗЧ и переменный конденсатор.

Если ты когда-нибудь хотя бы задумывался о покупке Hi-End лампового усилителя высокого ценового сегмента, фотографии ниже могут причинить тебе моральную травму.

FM-радиоприемник на лампах. Вид сверху
FM-радиоприемник на лампах. Вид сверху

Шасси соединено с общим проводом, внутри размещены шины из медной проволоки диаметром 2 мм, соединенные с шасси и играющие роль общего провода. Монтаж навесной. Конечно, туда стоило добавить несколько стоек с лепестками контактов, но я поленился.

Монтаж высокочастотной части, а именно УРЧ и смесителя, должен быть по возможности более жестким и выполненным проводниками минимальной длины, в противном случае работа устройства будет нестабильна, что выражается в дрейфе частоты. Идеальный вариант — поместить ВЧ-часть в отдельный экран.

FM-радиоприемник на лампах. Вид снизу.
FM-радиоприемник на лампах. Вид снизу.

На передней стенке закреплены резисторы регулировки громкости и режима работы смесителя, туда же выведена ручка переменного конденсатора.

FM-радиоприемник на лампах. Вид спереди.
FM-радиоприемник на лампах. Вид спереди.

На задней стенке закреплены разъемы блока питания, динамика и антенны.

FM-радиоприемник на лампах. Вид сзади.
FM-радиоприемник на лампах. Вид сзади.

Блок питания выполнен в отдельном корпусе, но такое исполнение не принципиально. Правильнее было бы немного увеличить размеры девайса и смонтировать блок питания в одном корпусе с ним (трансформатора на 100 Вт хватит с избытком). Впрочем, это можно рассматривать как фичу: в двадцатых годах прошлого века блоки питания тоже часто делали отдельными.

Блок питания радиоприемника на лампах
Блок питания радиоприемника

Дроссели, примененные в приемнике, самодельные. Дроссели в цепи накала наматываются на резисторы 0,25 Вт сопротивлением больше 100 К и включают 150 витков эмалированного провода диаметром 0,12 мм. Высокочастотные дроссели представляют собой 75 см (четверть длинны волны на 100 МГц) эмалированного провода диаметром 0,7 мм, намотанного на бумажный каркас диаметром 5 мм. Контурная катушка содержит четыре витка эмалированного провода диаметром 2 мм.

Настройка

Приемник достаточно неприхотлив и при правильной сборке начинает работать сразу. Тем не менее есть ряд общих рекомендаций по его настройке.

  1. После включения проверяют наличие накала ламп. Если накала нет, то следует проверить исправность лампы или искать обрыв/замыкание в цепи накала. Нити подогревателей прогретой лампы должны светиться оранжевым.
  2. Следует проверить наличие анодных напряжений. Некоторые напряжения указаны на схеме.
  3. Проверь режим работы ламп, установив требуемые напряжения в катодной цепи. Если отклонения существенны (больше 50%), следует подобрать соответствующие резисторы.
  4. Проверь работу УНЧ: при прикосновении к движку резистора пальцем должен слышаться характерный шум в динамике. Проверить работу УПЧ без осциллографа сложнее, но, если напряжения установлены верно и ошибок при сборке нет, он будет работать.
  5. Проверь работу смесителя. Когда вращаешь ручку управления режимом работы смесителя в месте начала генерации, должен появляться шум в динамиках.
  6. Проверь работу УВЧ: при касании антенного входа отверткой в динамиках раздаются характерные щелчки.

Прикасаться к элементам схемы, находящейся под напряжением, категорически не рекомендуется, это может привести к поражению электрическим током! Это опасно для жизни и здоровья.

Если все работает, то ручкой регулировки режима смесителя получаем появление шума в динамиках, после чего переменным конденсатором настраиваемся на радиостанцию. Затем более точной подстройкой режима смесителя и частоты добиваемся наилучшего качества приема. В этом помогает индикатор настройки. Все! Можно наслаждаться теплым ламповым звуком. Качество звучания этого приемника оказалось достаточно хорошим, во всяком случае, с качеством звучания сверхрегенератора оно не сравнится.

Ну и напоследок самое интересное, то, ради чего все и затевалось, — осциллограммы сигнала в разных точках схемы. Осциллограмм работ смесителя у меня нет по причине того, что щупы осциллографа сильно влияют на режим его работы, поэтому начнем с УПЧ.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Прием и декодирование сигналов из космоса

Рассмотрим сигнал на входе и выходе первого каскада УПЧ. На осциллограмме входного (снизу) сигнала видно, что из смесителя, кроме сигнала ПЧ, проходит высокочастотный шум, и его амплитуда даже больше амплитуды нужного сигнала. Но это не страшно, так как он отфильтруется полосой пропускания каскада. И действительно, в осциллограмме выходного сигнала виден только сигнал ПЧ с амплитудой около 200 МВ. Обрати внимание, что у осциллограмм разный масштаб. Из этих осциллограмм можно увидеть, что реальный коэффициент усиления каскада составляет около 30 против расчетных 80.

Сигнал на входе и выходе первого каскада УПЧ
Сигнал на входе и выходе первого каскада УПЧ

Уже в этом месте с помощью осциллографа можно увидеть настройку на станцию, что выглядит как повышение амплитуды сигнала и пульсирующее изменение его частоты (частотная модуляция).

Частотная модуляция сигнала ПЧ
Частотная модуляция сигнала ПЧ

Далее посмотрим на работу второго каскада УПЧ. Тут все просто и понятно, входной сигнал усиливается примерно в 30 раз, и на выходе мы получаем уже около 5 В.

Сигнал на входе и выходе второго каскада УПЧ
Сигнал на входе и выходе второго каскада УПЧ

После второго каскада сигнал попадает в ограничитель, в котором он дополнительно усиливается и амплитуда ограничивается на уровне 70 В. Здесь хорошо видно подавление паразитной амплитудной модуляции и почти меандр на выходе.

Сигнал на входе и выходе ограничителя
Сигнал на входе и выходе ограничителя

Также тут можно посмотреть на частотную модуляцию.

Частотная модуляция в ограничителе
Частотная модуляция в ограничителе

Теперь взглянем на осциллограммы работы счетного детектора. Видно, что на каждом восходящем фронте сигнала из ограничителя регенерируется импульс примерно одинаковой длительности и амплитуды.

Импульсы в счетном детекторе
Импульсы в счетном детекторе

Также здесь отчетливо видна частотная модуляция. Например, изменение частоты входного сигнала меняет частоту следования импульсов на выходе детектора.

Импульсы в счетном детекторе
Импульсы в счетном детекторе

Затем импульсы идут на интегрирующую RC-цепочку, что приводит к формированию низкочастотного сигнала на выходе. На осциллограмме отчетливо видно влияние частотной модуляции на выходной сигнал.

Формирование звукового сигнала
Формирование звукового сигнала

Суммарно работа детектора выглядит так, как показано на рисунках ниже. Здесь видно, что аудиосигнал несколько запаздывает относительно модулированной ПЧ, это связано с интегрирующей RC-цепочкой.

Работа ЧМ-детектора
Работа ЧМ-детектора

C детектора сигнал идет на первый каскад УЗЧ, где он усиливается, а кроме того, отфильтровываются остаточные шумы из детектора.

Работа первого каскада УЗЧ
Работа первого каскада УЗЧ

На этом можно и остановиться.

Заключение

Что мы имеем в сухом остатке? Мы удостоверились в том, что возможно относительно небольшими усилиями и с привлечением скромных инвестиций собрать теплый ламповый приемник, который не «режет ухо» и выглядит в стиле лютого киберпанка. Особенно удачно из этого приемника звучит джаз, аутентично так. Ретро, одним словом.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Как передавать радиосигнал с помощью SDR и GNU Radio

Что можно доработать или изменить в конструкции? Можно соорудить деревянный корпус в стиле двадцатых или тридцатых годов. Еще можно прицепить цифровой синтезатор частоты в качестве гетеродина, изменив схему смесителя. В результате мы получим бонусом цифровую шкалу и повод для холивара с фанатами лампового звука.

Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий