Opis działania odbiornika superheterodynowego

Ten rozdział opisuje w pełnych szczegółach konstrukcję, zasadę działania, metody badania i pomysły leżące u podstaw konstrukcji odbiornika superheterodynowego. Opis będzie dotycznył prawdziwej konstrukcji, odbiornika radiowego firmy Philips, typu 4-38A. Jego schemat znajduje się tutaj. Warto go otworzyć w nowym oknie albo nowej zakładce, bo cała reszta tekstu będzie się do niego odwoływać.

Analiza zostanie rozpoczęta od początku, czyli od gniazda antenowego. Sygnał w.cz. przychodzący z anteny trafia na przełącznik zakresów, w tym modelu wykonany w postaci dość skomplikowanego obrotowego bębna ze stykami. Przełącznik w pozycji narysowanej na schemacie ustawiony jest na fale krótkie, jego obrót w kierunku wskazanym strzałką przełączy odbiornik na fale średnie, a w jeszcze następnej pozycji na fale długie. Jak widać sprzęzenie z anteną jest czysto indukcyjne dla fal krótkich i mieszane, indukcyjno-pojemnościowe dla fal srednich i krótkich. Obwody wejściowe schowane są w ekranujących kubkach, na schemacie symbolizowanych przez linie przerywane. Jak widać dla fal krótkich sygnał z anteny podany jest na cewkę sprzęgającą, umieszczoną w drugim kubku obwodów wejściowych. Sygnał z cewki siatkowej, sprzęgniętej indukcyjnie z siatkową trafia poprzez przełącznik na siatkę czwartą oktody AK2. przełącznika, przy siatce podłączony jest też jedna z sekcji kondensatora strojeniowego, która wraz z cewką siatkową tworzy obwód rezonansowy dostrojony do częstotliwości odbieranej stacji. Widać tu wyraźnie, że dla fal krótkich układ wejściowy składa się tylko z jednego, prostego obwodu rezonansowego.

Po obróceniu przełącznika do pozycji fal średnich lub długich sygnał z anteny trafia do cewki wejściowej lewego obwodu. Z tą cewką jest indukcyjnie sprzężona druga cewka, na które pojawia się sygnał w.cz. Cewka ta wraz z jedną z sekcji kondensatora strojeniowego tworzy jeden obwód rezonansowy, dostrojony do częstotliwości odbieranej stacji. Jak widać, sprzężenie anteny tu jest bardziej skompikowane, oprócz sprzężenia indukcyjnego pomiędzy cewkami przekazującego sygnał jest jeszcze dodatkowe sprzężenia anteny z obwodem rezonansowym przez niewielki kondensator o pojemności 20pF. Taka konstrukcja powoduje, że czułość odbiornika jest równomierna na obu krańcach zakresu. Ponieważ pojemność kondensatora strojeniowego zmienia się ponad dziesięciokrotnie to bardzo silnie zmienia się oporność dynamiczna tego obwodu, a co za tym idzie siła sprzężenia indukcyjnego. Dodanie sprzężenia pojemnościowego zmniejsza te różnice, co się objawia bardziej równmierną czułością odbiornika przy przestrajaniu. Obie cewki tego filtru składają się z dwóch części. Przy odbiorze fal średnich obie dolne części są zwierane przez odpowiednie styki przełącznika, tak że pracuje tylko część górna, przy odbiorze fal długich pracują obie części cewek. Równolegle do cewki antenowej dołączony jest szeregowy obwód rezonansowy dostrojony do częstotliwości pośredniej, dostrajany trymerem 2.5-30pF. Obwód ten ma na celu usunięcie jakiegokolwiek sygnału o częstotliwości równej częstotliwości pośredniej odbiornika przenikającego z anteny, gdyż wywołałby on bardzo przykry gwizd w głośniku, uniemożliwiając odbiór.

Sprzężenie pierwszego i drugiego obwodu filtru jest dość skomplikowane w tym odbiorniku. Sprzężenie zachodzi "od dołu", poprzez kondensatory 10nF i 40nF, oraz 'od góry' przez małą pojemność rzędu 2pF pomiędzy oboma sekcjami kondensatora zmiennego. Kondensator to nie jest uwidoczniony na schemacie, bo niewystępuje jako oddzielny element, wykorzystane są pojemności montażowe. Dodatkowe ceweczki poza kubkami służą do lepeszego eliminowania częstotliwości lustrzanej. Dodatkowo do 'zimnych' końców cewek doprowadzone jest stałe napięcie automatycznej regulacji wzmocnienia, które razem z sygnałem użyecznym oddziałuje na siatkę czwartą oktody.

Generator lokalny (heterodyna) zbudowany jest na tej samej lampie co mieszacz, wykotrzystuje siatki pierwszą i drugą oktody. Obwód katoda, siatka pierwsza i siatka druga zachowuje się jak trioda, co umożliwia zbudowanie generatora. Generator heterodyny pracuje w układzie Meissnera (ze sprzężeniem transformatorowym). Siatka druga oktody pracująca jak anoda pomocniczej triody zasila prądem zewki sprzęgające. Cewki dla fal średnich i długich połąćzone są szeregowo, cewka dla fal krótkich jest do nich równoległa. Prąd do cewek kierowany jest w zależności od pozycji przełącznika. Przy odbiorze fal średnich cewka długofalowa jest zwierana. Cewki będące elementami obwodu rezonansowego heterodyny są połączone analogicznie jak cewki sprzęgające - dla fal średnich i krótkich są one połączone szeregowo, dla dal krótkich równolegle. Odpowiednia cewka dołączana jest do sekcji kondensatora zmiennego za pomocą przełącznika. Przy odbiorze fal średnich cewka długofalowa jest zwierana.

Jeden koniec cewki obwodu rezonansowego połączony jest do kondensatora zmiennego, drugi do masy poprzez dwa szerergowo połączone kondensatory skracające (paddingi) 670pF i 1536pF. Są one niebędne przy odbiorze superheterodynowym, ze względu na inne zakresy przestrajania obwodów wejściowych i heterodyny. Odbiór superheterodynowy polega na zmieszaniu sygnału z anteny i przebiegu z heterodyny, tak, aby uzyskać sygnał częstotliwości pośrednej o stałej częstotliwości. Oznacza to, że heterodyna i obwody wejściowe muszą być przestrajane o taką samą wartość. Inny jest jednak zakres przestrajania. Najbardziej widać to w przypadku fal długich. Odbiornika odbiera je w zakresie od 150kHz do 450kHz, Oznacza to trzykrotną zmianę częstotliwości obwodów rezonansowych obwodów wejściowych, czyli dziwięciokrotną zmianę pojemności kondensatora strojeniowego. Częstotliwość pośrednia w tym odbiorniku wynosi 128kHz, czyli heterodyna musi zmieniać swoją częstotliwość w zakresie od 278kHz do 578kHz. Jest to tylko dwukrotna zmiana co oznacza, że kondensator strojeniowy musi zmienić swoją pojemność czterokrotnie. Gdyby częstotliwość pośrednia miała większą wartość, to różnica w zakresach przestrajania byłaby jeszcze większa. Kondensatory skracające służą właśnie takiemu zmniejszeniu zakresu zmian pojemności w obwodzie. Dla sygnału są one włączone szeregowo z kondensatorem strojeniowym zmniejszając efektywny zakres przestrajania. To zmniejszenie jest tym większe im mniejsza jest pojemność paddingu. Tak więc dla fal długich, gdzie to skrócenie musi być największe pracują oba paddingi połączone szeregowo, dla fal średnich tylko jeden z nich, 1536pF, drugi jest zwarty przełącznikiem. W przypadku fal krótkich, gdzie skrócenie jest praktycznie niepotrzebne oba paddingi są zwarte, Powoduje to że obwody wejściowe są strojone odrobinę inaczej niż heterodyna, ale ponieważ różnica ta jest nieduża, a selektywność obwodów wejściowych dla fal krótkich jest niewielka, nie ma to praktyczneog znaczenia.

Prąd anody oktody zawiera w sobie wiele składowych, z których najważniejsze to składowe o częstotliwości sygnału, częstotliwości heterodyny, o częstotliwości będącej różnicą częstotliwości heterodyny i sygnału, oraz o częstotliwości będącej ich sumą. Te dwie ostatnie składowe są produktem mieszania sygnału z anteny i lokalnego generatora (heterodyny), czyli tym po co w odbiorniku stosowany jest mieszacz. Oczywiście potrzebna jest tylko jedna składowa, najczęście jest to sygnał o częstotliwości będącej różnicą pomiędzy częstotliwością heterodyny, a częstotliwością sygnału. Do ich wydzielenia służy dwuobwodowy filtr pasmowy umieszczony w anodzie mieszacza. Filtr ten (wraz z analogicznym filtrem w anodzie lampy wzmacniacza p.cz.) odpowiada za selektywność odbiornika. Dwuobwodowy filtr, taki jak ten charakteryzuje się dobrym kształtem charakterystyki - praktycznie płaskim w zakresie przenoszenia i stromo opadającym poza nim. Poprzez regulację sprzężania obu obwodów ze sobą można zmieniać szerokość pasma, choć omawiany odbiornik nie jest w tę funkcję wyposażony.

Sygnał o częstotliwości pośredniej z drugiego obwodu filtra pasmwego trafia na siatkę selektody typu AF3. Lampa ta jest wzmacniaczem częstotliwości pośredniej, pracującym z analogicznym dwuobwodowym filtrem pasmowym. Ten stopień odbiornika odpowiada za większość czułości odbiornika. Wzmocnienie uzyskiwane w mieszaczu jest sporo mniejsze, zwłaszcza na zakresie krótkofalowym. Lampa ta jest objęta pętlą ARW, dość silnie działającą, lampa AF3 pozwala na regulację wzmocnienia w zakresie 1000:1, czyli bez problemu potrafi skompensować kilkusetkrotną zmianę siły sygnału wejściowego. W znakomitej większości odbiorników, poodbnie jak w tym Philipsie wzmacniacz p.cz. składa się z jednego stopnia. Czasami stosowane są dwa stopnie wzmacniania p.cz., głównie w celu uzyskania większego zakresu działania ARW i większej selektywności niż większej czułości. Konstrukcja tego stopnia odbiornika jest bardzo prosta, zwłaszcza w porównaniu z mieszaczem. Napięcie ARW podane jest na zimny koniec cewki wtórnego obwodu, gdzie razem z sygnałem dostaje się na syaitkę lampy. Bezpośrednio do anody podłączony jest dwuobwodowy filtr pasmowy, stanowiący obciążenie stopnia. Siatka druga seklektody zasilana jest przez opornik 16kΩ, który jednocześnie w celu uproszczenia układu zasila siatkę drugą, trzecią i piątą selektody. Napięcia zasilania tych siatek odsprzęgnięte jest kondensatorem 100nF do masy. W katodzie znajduje się opornik 320Ω zbocznikowany kondensatorem 100nF ustalający początkowy punkt pracy lampy.

Następnym elementem radia jest detektor, dający zdemodulowany sygnał akustyczny i napięcie ARW. Jako element detekcyjny służą diody lampy ABC1. Do detekcji sugnału m.cz. i napięcia ARW wykorzystane są oddzielne diody, co pozwala na lepsze wykorzystanie parametrów obu detektorów. Sygnał o częstotliwości pośredniej z wtórnego obwodu filtru pasmowego podany jest na anodę diody, drugi koniec tego obwodu podłączony jest oporniki 400kΩ, 160kΩ i potencjometr do masy, kondensator 100pF usuwa resztki napięcia w.cz. ze zdetekowanego sygnału audio. Prąd diody detekcyjnej płynie w obwodzie anoda diody, katoda diody, oporniki, obwód wtórny. Ponieważ katoda lampy nie jest podłączona do masy (dlaczego - będzie opisane za chwilę) to prąd diody detekcyjnej płynie dla dowolnie małego napięcia w.cz. dając skuteczną detekcję bez zniekształceń. Katoda tej lampy znajduje się na niewielkim (kilka woltów) dodatnim potencjale względem masy wywołanym przepłyem pradu katody przez oporniki 4kΩ i 25kΩ, gdyby oporniki detektora były dołączone do masy a nie do katody lampy to prąd w obwodzie detekora płynąłby tylko wtedy, gdy amplituda napięcia p.cz. przekroczy tą wartość, co oznacza niedziałanie detektora dla słabych sygnałów i zniekształcenia polegające na obcięciu dolnego fragmentu ptrzebiegu dla sygnałów silniejszych. Dodatkowej uwagi wymaga jeszcze podłączenie diody detektora. Nie jest ona włączona bezpośrednio do końca cewki obwodu wtórnego, ale do jej odczepu. Taka sytuacja zmniesza co prawda trochę czułość radia (bo tylko część amplitudy jest podawana na detektor), ale poprawia selektywność. Dzieję się tak, gdyż przewodząca dioda obciąża obwód rezonansowy zmniejszając jego dobroć, co powoduje zwiększenia pasma przenoszonego przez ten obwód i pogorszenie kształtu charakterystyki przenoszenia p.cz. Dołączenie detektora do części cewki a nie do całości zmniejsza ten wpływ detektora na dobroć.

Z kolei sygnał p.cz. do drugiej diody, pracującej jako detektor ARW podłączony jest zupełnie inaczej. Przede wszystkim brany jest z anody lampy, czyli z obwodu pierwotnego filtru, przez niewielki kondensatorek 10pF, po drugie opornik będący obciążeniem detektora (500kΩ) podłąćzony jest nie do katody diody, ale do masy. Na anodzie lampy wzmacniacza p.cz. występuje znacznie większa amplituda sygnału p.cz. niż na wtórnym obwodzie filtru pasmowgo, dodatkowo jeszcze zmnieszona przez zastosowanie odczepu. Oznacza to, że wartość napięcia ARW może być większa co daje skuteczniejszą regulację ARW i lepsze wyrównywanie zaników. Podłączenie opornika obciążającego detektor do masy a nie do katody powoduje tzw. opóźnienie ARW. Na katodzie jest niewielkie napięcie dodatnie, aby płynął prąd anody diody (i zadziałał detektor) napięcie anody musi być większe od napięcia katody. Przez to detektor ARW pracuje dopiero powyżej pewnej amplitudy napięcia p.cz. (czyli jest opóźniony), co jest bardzo korzystne, bo dla najsłabszych sygnałów wzmocnienie mieszacza i wzmacniacza p.cz. jest największe możliwe.

Sygnał z detektora poprzez potencjometr regulacji głośności trafia na wzmacniacz wstępny m.cz. Odbiornik jest wyposażony dodatkowo w wejście do podłąćzenia adaptera gramofonowego, które w tym odbiorniku jest podłąćzone bezpośrednio do potencjometru, bez żadnego dodatkowego przełącznika. W związku z tym, aby słuchać niezakłóconej muzyki z płyt radio należy odstroić od stacji, albo, najlepiej, odłączyć od niego antenę. Sygnał m.cz. z potncjometru regulacji głośności trafia na siatkę lampy wzmaniacza wstępnego małej częstotliwości, zbudowanego na triodzie lampy ABC1. Jest to konwencjonalny wzmacniacz oporowy, z napięciem anodowym dodatkowo wygładzanym przez filtr złożony z opornika 100kΩ i kondensatora 64nF. Układ polaryzacji triody jest odrobinę zmodyfikowny. Prąd katody płynie przez dwa szeregowo połączone oporniki, 4kΩ i 25kΩ, ale napięcie polaryzacji siatki brane jest z punktu połąćzenia tych oporników, a nie jest łączone do masy. Oznacza to, że w polaryzacji lampy bierze udział tylko opornik 4kΩ, opornik 25kΩ nie wpływa na potencjał siatki, a więc i na prąd katody, jego obecność tylko podnosi napięcie katody. Ten opornik właśnie jest używany do uzyskiwania napięcia ARW, zmiana jego wartości nie wpływa na punkt pracy triody, ale pozwala dobrać optymalny próg opóźnienia.

Po wstępnym wzmocnieniu sygnał małej częstotliwości zasila końcowy wzmacniacz mocy. Układ ten wykorzystuje popularną pentodę głośnikową typu AL4, zdolną dostarczyć do 4W mocy do głośnika. Układ wzmacniacza mocy jest bardzo prosty i stanowi typowe połączenie pentodody głosnikowej. Lampa polaryzowana jest za pomocą polaryzacji automatycznej, poprzez opornik 160Ω w katodzie, zbocznikowany dla prądu zmiennego kondensatorem elektrolitycznym o wartości 25μF. Dodatkowo w siatce sterującej lampy jest opornik 1kΩ, zabezpieczający wzmacniacz mocy przed wzbudzeniem się na wysokiej częstotliwości. Lampa typu AL4 przystosowana jest do zasilania siatki ekranującej napięciem o wartości równej napięciu anody, toteż jest ona podłączona bezpośrednio do napięcia zasilającego odbiornik. Obciążeniem wzmacniacza mocy jest głośnik podłączny poprzez transformator głośnikowy. Transformator jest niezbędny, gdyż głośnik posiada niewielką impedancję, około 5Ω, a optymalna oporność obciążenia lampy AL4 to 7kΩ. Zastosowanie transformatora pozwala na dopasowanie oporności głosnika do oporności wymaganej przez lampę. Ponieważ odbiornik ten jest dość późny, pochodzi z 1938 roku, to zaciski głośnika zewnętrznego podłączone są do wtórnego uzwojenia transformatora głośnikowego, co oznacza, że zewnętrzny głośnik podpinany do tego radia powinien posiadać małą oporność. Radia starsze miały wyjścia głośnikowe podłączone do uzwojenia pierwotnego tranaformatora głosnikowego, co pozwalało stosować głosniki starego typu, o oporności cewki rzędu kiloomów. Jednak w 1938 roku głosnik takie wyszły już z użycia, a zastosowanie niskoomowegowyjścia głosnikowego pozwoliło wyeliminować konieczność stosowania transformatora głośnikowego w niskoomowym głosniku dostawnym co potaniało jego konstrukcję. Dodatkowo odbiornik wyposażony jest w regulację barwy tonów, która odbywa się bardzo prosto - poprzez tłumienie wysokich tonów na wyjściu wzmacniacza mocy za pomcą szeregowego połączenia potencjometru regulacji barwy i kondensatora 50nF.

Ostatnim obwodem w tym odbiorniku jest zasilacz. Radio to dostosowane jest do zasilania z sieci, wyłącznie prądem zmiennym. W związku z tym zastosowano w tym radiu transformator sieciowy, dostarczający wszystkich niezbędnych napięć. W uzwojeniu pierwotnym tego transfortmatora zaprojektowano szereg odczepów powzalających na zasilanie odbiornika z sieci o różnych napięciach (110V, 125V, 145V, 200V, 220V i 245V), gdyż w tym czasie napięcie sieci nie było ustarnadryzowane i jednakowe w całym kraju. Uzwojenia wtórne dostarczają wysokiego napięca dla zasilania lamp odbiorczych i napięć żarzenia dla lamp odbiorczych i lampy prostowniczej. Napięcie żarzenia lamp odbiorczych jest symetryzowane względem masy, co pozwala zmniejszyć poziom przydźwięku jaki przenika do syganału akustycznego z obwodów żarzenia lamp. W odbiorniku zastosowanuo prostownik dwupołówkowy, pracujący na diodzie AZ1, co zoancza, że uzwojenie anodowe jest dzielone na dwie sekcje. Równolegle do jednej z sekcji włączony jest kondensator 20nF zwierający składowe w.cz. przenikające z sieci zasilającej, co pozwala wyeliminować tzw. przydźwięk strojony. Gdyby go nie było silna składowa w.cz. pochodząca z lokalnej stacji nadawczej zmodulowałaby się na diodzie prostowniczej sygnałem o częstotliwości sieci (50Hz) i dodałaby się do sygnału w.cz. na wejściu radia. Objawiałoby się to odbiorem stacji lokalnej wraz z brumem przydźwięku sieciowego, przy jednoczesnym zaniku przydźwięku przy odstrojeniu radia od stacji. Wyprostowane napięcie sieciowe filtrowane jest w filtrze typu Π złożonym z dwóch kondenstorów elektrolitycznych o pojemności 32μF i opornika 2kΩ. Układ ten nie jest bardzo skuteczny w porównaniu z droższym w wykonaniu filtrem zawierającym dławik zamiast opornika. ale wystarczająco skuteczny w przypadku wzmacniacza końcowego opartego na pentodzie. Zaś fragmenty toru odbiorczego bardziej wrażliwe na przydźwięk pochodzący z zasilania, np. stopień wstępny m.cz., posiadają dodatkowe obwody filtrujące RC.

Powrót