Радиоволны. Принципы приема и передачи радиосигналов

Рис. 10 Антена и зазамление - открытый колебательный контур.

Такой контур, являющийся открытым колебательным контуром, тоже обладает собственной частотой колебаний. Включая между антенной и землей катушки индуктивности и конденсаторы, мы можем изменять его собственную частоту, настраивать его в резонанс с частотами разных радиостанций. Как это делается на практике, вы уже знаете. Я не ошибусь, если скажу, что колебательный контур является «сердцем» радиоприемника. И не только радиоприемника. Поэтому ему я и уделил побольше внимания. Перехожу ко второму элементу приемника - детектору.

Детектор и детектирование радиосигнала

Детектор - двухэлектродный полу - проводниковый прибор (высокочастотный диод), обладающий односторонней электропроводностью: хорошо проводит ток одного направления и не проводит или слабо проводит - ток обратного направления. Для простоты объяснения работы диода как детектора будем считать, что ток обратного направления он вообще не проводит и является для него как бы изолятором. Это свойство диода иллюстрирует график, изображенный на (рис. 11), диод беспрепятственно пропускает через себя положительные полуволны переменного тока и совсем не пропускает отрицательные полуволны. Отрицательные полуволны диод как бы срезает. В результате такого действия диода переменный ток преобразуется в пульсирующий ток одного направления, но изменяющийся по величине с частотой пропускаемого через него тока. Этот преобразовательный процесс, называемый выпрямлением переменного тока, лежит в основе детектирования принятых радиосигналов.

Рис. 11 Диод преобразующий переменный ток в пульсирующий.

Посмотрите на графики, показанные на (рис. 12). Они иллюстрируют процессы, происходящие в детекторной цепи простейшего приемника. Под действием  радиоволн в контуре приемника  возбуждаются модулированные колебания  радиочастоты (рис. 12, а). К контуру  подключена цепь, состоящая из диода  и телефонов.

Рис. 12 Графики иллюстрирующие детектирование модулированных колебаний радиочастоты.

Для этой цепи колебательный  контур является источником переменного  тока радиочастоты. Поскольку диод пропускает ток только одного направления, то модулированные колебания радиочастоты, поступающие в его цепь, будут  им выпрямлены (рис. 12,б), говоря иначе, продетектированы. Если провести штриховую линию, огибающую верщины выпрямленного тока, то получится «рисунок» тока звуковой частоты, которым модулирован ток, поступающий в антенну радиостанции во время передачи. Ток, получившийся в результате детектирования состоит из импульсов радиочастоты, амплитуды которых изменяются со звуковой частотой. Его можно рассматривать как суммарный ток и разложить на две составляющие: высокочастотную и низкочастотную. Их называют соответственно высокочастотной и составляющей звуковой частоты пульсирующего тока. В простейщем приемнике составляющая звуковой частоты идет через телефоны и преобразуется ими в звук.

Головной телефон и его устройство

Телефон - третье, последнее звено простейшего приемника, которое, образно выражаясь, «выдает готовую продукцию» - звук. Это один из старейших электротехнических приборов, почти без изменения сохранивший свои основные черты до наших дней. Для детекторных и многих простейших транзисторных приемников используют головные телефоны, например типов ТОН-1, ТГ-1, ТА-4. Это два последовательно соединенных телефона, удерживающихся на оголовье. Отвернем крышку одного из телефонов (рис. 13, а).

Рис. 13 Устройство электромагнитного телефона.

Под нею находится круглая  жестяная пластинка - мембрана. Сняв осторожно  мембрану, мы увидим две катушки, насаженные на полюсные наконечники постоянного  магнита, впрессованного в корпус. Катушки  соединены последовательно, а крайние  выводы припаяны к стерженькам, к  которым с наружной стороны при  помощи прижимных винтов подключен  шнур с однополюсными штепсельными вилками. Как работает телефон? Мембрана, издающая звук, находится возле полюсных наконечников магнита и операется на бортики корпуса (рис. 13, а). Под действием поля магнита она немного прогибается в середине, но неприкасается к полюсным наконечникам магнита (на рис. 13, б) - сплошная линия. Когда через, катушки телефона течет ток, он создает вокруг катушек магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Сила этого магнитного поля, а значит и сила притяжения мембраны к полюсным наконечникам зависит от направления тока в катушках. При одном направлении, когда направления магнитных силовых линий катушек и магнита совпадают и их поля складываются, мембрана сильнее притягивается к полюсам магнита (на рис. 13, б - нижняя штриховая линия). При другом направлении тока силовые линии катушки и магнита направлены встречно и общее поле становится слабее, чем поле магнита. В этом случае мембрана слабее притягивается полюсными наконечниками и выпрямляясь, несколько удаляется от них (рис. 13, б - верхняя штриховая линия). Если через катушки телефона пропускать переменный ток звуковой частоты, суммарное магнитное поле станет то усиливаться, то ослабляться а мембрана будет то приближаться к полюсным наконечникам магнита, то отходить от них, т. е. колебаться с частотой тока. Колеблясь, мембрана создаст в окружающем пространстве звуковые волны. С первого взгляда может показаться что постоянный магнит в телефоне не нужен: катушки можно надеть на железную ненамагниченную подковку. Но это не так. И вот почему. Железная подковка, намагничиваемая переменным током будет притягивать мембраму независимо от того, идет ли ток через катушки в одном направлении или другом. Значит, за один период переменного тока мембрана притянется во время первого полупериода, отойдет от него и еще раз притянется во время второго полупериода, т.е. на один период переменного тока (рис, 14, а) она сделает два колебания (рис. 14, б).

Рис. 14 Графики иллюстрирующие работу телефона: а - переменный ток в телефоне, б - без постоянного магнита, в - с постоянным магнитом.

Если, например, частота тока 500 Гц, то мембрана телефона за 1 с сделает 500 * 2 = 1000 колебаний и тон звука исказится - будет вдвое выше. Вряд ли нас устроит такой телефон. С постоянным же магнитом дело обстоит иначе: при одном полупериоде происходит усиление магнитного поля - уже притянутая мембрана прогнется еще больше; при другом полупериоде поле ослабевает и мембрана, выпрямляясь, отходит дальше от полюсов магнита. Таким образом, при наличии постоянного магнита мембрана за один период переменного тока делает только одно колебание (рис. 14, в) и телефон не искажает звук. Постоянный магнит, кроме того, повышает громкость звучания телефона. Теперь разберем такой вопрос: зачем параллельно головным телефонам подключают блокировочный конденсатор? Какова его роль? Электрическая емкость блокировочного конденсатора такова, что через него свободно проходят токи высокой частоты, а токам звуковой частоты он оказывает значительное сопротивление. Телефоны, наоборот, хорошо пропускают токи звуковой частоты и оказывают большое сопротивление токам высокой частоты. На этом участке детекторной цепи высокочастотный пульсирующий ток разделяется (на рис. 15 - в точке а) на составляющие, которые далее идут: высокочастотная - через блокировочный конденсатор Сбл, а составляющая звуковой частоты через телефоны. Затем составляющие соединяются (на рис. 15 - в точке б) и далее опять идут вместе.

Рис. 15 В точке а детекторной цепи составляющие пульсирующего тока разделяются, а в точке б, соединяются.

Назначение блокировочного конденсатора можно объяснить еще  так. Телефон из - за инертности мембраны не может отзываться на каждый высокочастотный импульс тока в детекторной цепи. Значит, чтобы телефон работал, надо как - то «сгладить» высокочастотные импульсы, «заполнить» провалы тока между ними. Эта задача и решается с помощью блокировочного конденсатора следующим образом. Отдельные высокочастотные импульсы заряжают конденсатор. В моменты между импульсами конденсатор разряжается через телефон, заполняя таким образом «провалы» между импульсами. В результате через телефон идет ток одного направления, но изменяющийся по величине со звуковой частотой, который и преобразуется им в звук. Еще короче о роли блокировочного конденсатора можно сказать так: он фильтрует сигнал звуковой частоты, выделенный диодом, т. е. «очищает» его от составляющей радиочастоты. Качество работы телефона оценивают главным образом с точки зрения его чувствительности - способности реагировать на слабые колебания электрического тока. Чем слабее колебания, на которые отзывается телефон, тем выше его чувствительность. Чувствительность телефона зависит от числа витков в его катушках и качества магнита. Два телефона с совершенно одинаковыми магнитами, но с катушками, содержащими неодинаковое число витков, различны по чувствительности. Лучшей чувствительностью будет обладать тот из них, в котором использованы катушки с большим числом витков. Чувствительность телефона зависит также от положения мембраны относительно полюсных наконечников магнита. Наилучшая чувствительность его будет в том случае, когда мембрана находится очень близко к полюсным наконечникам, но, вибрируя, не прикасается к ним. Телефоны принято подразделять на высокоомные - с большим числом витков в катушках, и низкоомные - с относительно небольшим числом витков. Для детекторного приемника пригодны только высокоомные телефоны. Катушки каждого телефона типа ТОН-1, например, намотаны эмалированным проводом толщиной 0,06 мм и имеют по 4000 витков. Их сопротивление постоянному току около 2200 Ом. Это число, характеризующее телефоны, выштамповано на их корпусах. Поскольку два телефона соединены последовательно, их общее сопротивление постоянному току составляет 4400 Ом. Сопротивление постоянному току низкоомных телефонов, например типа ТА - 56, может быть 50 - 60 Ом. Низкоомные телефоны можно использовать для некоторых транзисторных приемников. Как проверить исправность и чувствительность головных телефонов? Прижмите их к ушам. Смочте слюной штепсельные вилки на конце шнура, а затем коснитесь ими друг друга - в телефонах должен быть слышен слабый щелчок. Чем сильнее этот щелчок, тем чувствительнее телефоны. Щелчки получаются потому, что смоченный контакт между металлическими вилками представляет собой очень слабый источник тока. Грубо проверить телефоны можно с помощью батареи для карманного электрического фонарика. При подключении телефонов к батарее и отключении от нее должны быть слышны резкие щелчки. Если щелчков нет, значит, где - то в катушках или шнуре имеется обрыв или плохой контакт.

Практическая работа

В этой практической работе мы сконструируем простейший радиоприемник (детекторный приемник), без которого, на мой взгляд, немыслимо дальнейшее освоение любой радиоприемной аппаратуры. Спросите у любого специалиста в области радиоэлектроники (КВ - УКВ радиосвязи), что такое детекторный радиоприемник и я думаю, он без промедления даст вам вразумительный ответ. Одним словом это классика, основа - основ, с чего начинали наши отцы и деды. И мы от них постараемся не отставать.

Главное достоинство такого варианта простейшего радиоприемника заключается в том, что в нем  легко делать любые изменения  и дополнения, исправлять ошибки путем  переключения соединительных проводников, поскольку все его детали будут  лежать перед вами в развернутом  виде. Опыты с ним помогут вам  понять основные принципы работы любого радиовещательного приемника и  получить некоторые практические навыки радиотехнического конструирования. Для такого приемника понадобятся: катушка индуктивности, стержень из феррита марки 400НН или 600НН диаметром 7 - 8 мм и длиной 120 - 140 мм (такие стержни  используют для магнитных антенн транзисторных приемников), полупроводниковый  точечный диод, который в приемнике  будет детектором, несколько конденсаторов  постоянной емкости и головные телефоны (рис. 1).

Рис. 1 Самодельная катушка индуктивности (а), феритовый стержень (б), точечный диод (в), конденсаторы (г) и головные телефоны (д), необходимые для опытного приемника.

Катушку индуктивности сделайте сами (по предыдущим урокам вы знаете как это делается). Остальные детали готовые. Диод может быть любым из серий Д9, Д2. Конденсаторы также любых типов - слюдяные, керамические или бумажные емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч пикофарад (сокращенно: пФ). Головные телефоны высокоомные, т. е. с обмотками сопротивлением 1500 - 2200 Ом, например типа ТОН - 1 или ТА - 4. Несколько позже, когда приступите к экспериментам, нужны будут некоторые другие детали и материалы. Для катушки потребуется обмоточный провод марки ПЭВ - 1 (Провод с Эмалевой Высокопрочной изоляцией в один слой), ПЭВ - 2 (то же, но с изоляцией в два слоя) или ПЭЛ (Провод с Эмалевой Лакостойкой изоляцией) диаметром 0,15 - 0,2 мм. Обмоточные провода этих марок и их диаметр обозначают так: ПЭВ - 1 0,15, ПЭВ - 2 0,18, ПЭЛ 0,2. Годятся обмоточные провода и других марок, например ПБД - с изоляцией из двух (буква Д) слоев хлопчатобумажной пряжи (буква Б), или ПЭЛШО - с эмалевой лакостойкой изоляцией и одним (буква О) слоем натурального шелка (буква Ш). Важно лишь, чтобы изоляция провода была непопорченной, иначе между витками катушки может возникнуть замыкание, чего допускать нельзя. Внутренний диаметр каркаса катушки, склеенный из писчей бумаги в 3 - 4 слоя, должен быть таким, чтобы в него с небольшим трением входил ферритовый стержень. Прежде чем наматывать катушку, вставьте в каркас стержень. Провод сильно не натягивайте, иначе каркас сожмется и из него будет трудно вытащить стержень. Всего на каркас надо намотать в один ряд 300 витков провода, делая через каждые 50 витков отводы в виде петель. Получится однослойная шести - секционная катушка индуктивности с двумя крайними выводами и пятью отводами. Чтобы крайние витки провода готовой катушки не спадали, закрепите их на каркасе колечками, нарезанными из резиновой или поливинилхлоридной трубки, или обмотайте нитками. Дополнительно витки провода катушки можно скрепить тонким слоем клея "Момент". Концы каркаса аккуратно подрежьте острым ножом. Бывает, что во время намотки катушки провод оборвется или одного отрезка провода не хватит на всю катушку. В таком случае концы провода, которые нужно соединить, должны быть очищены от изоляции, крепко скручены, пропаяны и обязательно обмотаны тонкой изоляционной лентой. Если соединение приходится возле отвода, то лучше не жалеть нескольких витков провода и сделать его в петле. Вот теперь, приступайте к сборке своего первого радиоприемника (рис. 2).

Рис. 2 Соединение деталей опытного приемника.

Концы выводов и отводов, катушки зачистить от изоляции, только осторожно, чтобы не порвать провод. Один из крайних выводов назовем  началом катушки и обозначим  буквой (н). Соедините его с диодом. Второй крайний вывод катушки, ее конец (к), соедини с одним из контактных штырьков шнура головных телефонов. Оставшиеся свободными вывод диода и штырек телефонов тоже соедините между собой. К проводнику, идущему от начала катушки к диоду, прочно прикрутите провод антенны, предварительно зачистив его от изоляции. Этот проводник приемника будем называть антенным. К проводнику, соединяющему конец катушки с телефонами, прикрутите провод заземления. Это будет заземленный проводник. Во время опытов его придется переключать с одного вывода катушки на другой (на рис. 2 показано штриховой линией со стрелкой), не изменяя при этом соединения заземления с телефонами. Совершим «прогулку» по цепям получившегося приемника. От начала катушки (н) по антенному проводнику мы попадаем к диоду, а от него - к головным телефонам. Через телефоны, далее по заземленному проводнику и через все витки катушки приходим к отправной точке (н). Получилась замкнутая электрическая цепь, состоящая из катушки, диода и телефонов. Ее называют детекторной. Если в этой цепи где - либо окажется обрыв, плохой контакт между деталями или соединительными проводниками, например непрочная скрутка, приемник, естественно, работать не будет. Кратчайший путь из антенны в землю - через катушку. По этому пути пойдет ток высокой частоты, возбуждаемый в антенне радиоволнами. Этот ток создаст на концах катушки высокочастотное напряжение, которое вызовет ток такой же частоты во всей детекторной цепи. Цепь, состоящую из антенны, катушки и заземления называют антенной или антенным контуром. Обратите внимание: контурная катушка приемника входит как в антенную, так и в детекторную цепи. После такой прогулки по цепям приемника можно перейти к его испытанию. Наденьте на голову телефоны, прижмите их плотнее к ушам, прислушайтесь. Возможно, что сразу вы ничего не услышите даже при заведомо хороших антенне и заземлении, предварительно проверенных диоде и телефонах. Это потому, что приемник, видимо, не настроен на несущую частоту радиовещательной станции, сигналы которой хорошо слышны в вашем районе, или вы попали в перерыв передачи. Настраивать такой приемник можно изменением числа витков катушки, включаемых в антенный контур. На (рис. 2) в антенный контур включены все 300 витков катушки. Если заземленный проводник отсоединить от конца катушки и присоединить, например, к отводу 5, то в контур будет включено уже не 300, а 250витков. Если же этот проводник переключить на отвод 4, в контур будет включено 200 витков. При переключении его на отвод 3 в антенный контур будет включено 150 витков и т.д. При этом нижние секции окажутся не включенными в контур и в работе приемника участвовать не будут. Таким образом, переключением заземленного проводника вы можете включать в контур разное число витков через 50 витков. Запомните: чем больше длина волны радиовещательной станции, на которую можно настроить приемник, тем большее число витков катушки должно быть включено в антенный контур. Ваш опытный приемник можно настраивать на радиовещательные станции как средневолнового, так и длинноволнового диапазонов. Но, разумеется, передачи не всякой станции вы можете принять. На слабые сигналы отдаленных станций детекторный приемник реагировать не сможет - мала чувствительность. Теперь займитесь настройкой приемника путем присоединения заземленного проводника сначала к отводу 5, затем к отводу 4 и так до отвода 1. Одновременно следите, чтобы отводы катушки и соединительные проводники не соприкасались, а контакты в скрутках не нарушались. Иначе приемник совсем не будет работать или в телефонах будут слышны трески, шорохи, мешающие приему. Электрические контакты будут надежнее, если места соединений проводников и деталей пропаять. Настроив приемник на одну станцию, запомните число витков, включенных в контур, при котором станция слышна с наибольшей громкостью. Потом попытайтесь «найти» таким же способом другую станцию. Надеюсь, что вы добились некоторого успеха. Попробуте улучшить работу приемника. Не изменяя настройки приемника, присоедините параллельно телефонам (между его контактными штырьками) конденсатор. Емкость этого конденсатора, называемого в данном случае блокировочным, может быть от 1000 до 3000 пФ. При этом громкость звучания телефонов должна несколько увеличиться. А если радиовещательные станции находятся более чем в 150 - 200 км от того места, где вы живете, блокировочный конденсатор включайте в самом начале опыта. Способ настройки приемника только скачкообразным изменением числа витков катушки очень прост. Но он не всегда позволяет настроить приемник точно на несущую частоту станции. Точной настройки можно добиться дополнительным способом, например, с помощью гвоздя. Попробуйте настроить приемник уже знакомым вам способом на волну радиостанции и введите внутрь каркаса катушки толстый гвоздь или подходящего диаметра железный стержень. Что получилось? Громкость приема немного возрастет или, наоборот уменьшится. Вытащите гвоздь из катушки - громкость станет прежней. Теперь медленно вводите гвоздь в катушку и так же медленно извлекате его из катушки - громкость работы приемника будет немного, но плавно изменяться. Опытным путем, можно найти такое положение металлического предмета в катушке, при котором громкость звучания будет наилучшей. Этот опыт позволяет сделать вывод, что металлический стержень, помещенный в катушку, влияет на настройку контура. С таким способом настройки приемника, только, разумеется, с применением лучшего, чем гвозь, ферромагнитного сердечника, вы познакомитесь в дальнейшем. А пока предлагаю следующий опыт - настроить приемник на сигналы радиовещательной станции с помощью конденсатора переменной емкости. Для удобства проведения этого и не скольких последующих опытов с детекторным приемником, на фанерной дощечке размерами примерно 30 х 70 мм смонтируйте колодку со штепсельными гнездами, два зажима, блокировочный конденсатор, соединив их под дощечкой, как показано на рис. 3.