SUPERHETERODINĂ CU UN TRANZISTOR

Articol publicat in cartea 25 SCHEME CU TRANZISTOARE

 

Superheterodina a fost concepută şi realizată de către inginerul francez Lucien Levy. Faţă de radioreceptoare cu amplificare directă, superheterodina s-a impus încă de început prin calităţile sale incontestabile în ceea ce priveşte selectivitatea, sensibilitatea, stabilitatea în funcţiune etc. Astăzi acest principiu stă la baza tuturor instalaţiilor de radioreceptie, indiferent că este vorba de televiziune, radio, comunicaţii, radiorelee sau alte instalaţii. Un mare avînt au luat în ultima vreme superheterodinele realizate cu tranzistoare, care pe lîngă faptul că au un consum extrem de mic, sînt şi de dimensiuni reduse.

Pentru cititorii noştri, care doresc să se iniţieze în taine montajelor superheterodină, dăm în schema de faţă construcţia unui montaj functionînd cu un singur tranzistor, care prin ingeniozitatea cu care a fost conceput permite începătorilor să ia cunoştinţă cu o serie de principii ce stau la baza funcţionării lui.

Într-o superheterodină semnalul f_s captat de antenă nu este condus către detecţie, ca în montajele cu amplificare directă, ci este „amestecat” cu un semnal local de frecvenţă f₀. În urma acestui proces, numit heterodinare sau conversie uită o serie de componente printre care şi diferenţa f₀-f_s numită frecvenţă intermediară şi notată de obicei cu f_i.

Valoarea frecvenţei intermediare pentru radioreceptoare este în general standardizată la valoarea de 465 kHz. În superheterodină, frecvenţa intermediară este selectată de etaj FI, echipat cu un filtru care lasă să treacă prin el o undă de frecventă în jurul valorii de 465 kHz, toate celelalte frecvenţe fiind atenuate. Astfel, dacă recepţionăm un post cu frecvenţa de f_s = 1 375 kHz, iar frecvenţa locală f₀ este 1 840 kHz, vom avea f_i= 465 kHz.

Dacă în acelaşi timp intră în antenă şi un alt post cu frecvenţa de 1 390 kHz, va rezulta o altă frecventă intermediară, dată de relaţia:

f_o-f_s’=f_i’

adică:

1 840 – 1 390 = 450 kHz

Se observă că frecvenţa rezultată are altă valoare decît aceea pentru care este construit filtrul de frecvenţă intermediară ca atare f_s‘ nu va fi pusă în evidentă. Schema prezentată în figura 8 cuprinde elementele esenţiale pentru o superheterodină şi de buna lor înţelegere depinde rezolvarea altor montaje mai complicate. Aşadar, să vedem în continuare cum funcţionează montajul.

Antena filară conectată la borna A va „aduce” în bobină, o serie întreagă de frecvenţe, ce reprezintă diversele radiaţii de emisie aflate în funcţiune. În circuitul L₂—Cv₁ va fi selecţionată dintre acestea o singură frecvenţă, corespunzătoare frecvenţei de rezonanţă a circuitului respectiv care în ultimă instanţă poate fi modificată prin rotirea condensatorului variabil Cv₁. Din L₂, semnalul de radiofrecvenţă trece în înfăşurarea L₃, iar prin L₄ ajunge la baza tranzistorului T₁. Circuitul se închide la masă prin condensatorul C₈. În acelaşi timp circuitul oscilant L₅—Cv₂, împreună cu înfăşurarea de reacţie L₄ şi cu tranzistorul T₁ formează un oscilator, ce generează în permanenţă o frecventă f₀, modificabilă prin rotirea lui Cv₂. Condensatorii Cv₁ şi Cv₂ sunt montaţi pe acelaşi ax, fiind comandaţi de butonul de acord. Drept rezultat, la baza tranzistorului T1 vom găsi atît frecventa f_s, cît şi frecvenţa f₀.

Prin construcţie, s-a ales ca pentru orice poziţie a condensatorului variabil, f₀ să fie mai mare decît f_s, şi anume în ele să existe diferenţa f_i, adică tocmai frecvenţa intermediară. După funcţia de oscilator, tranzistorul T₁ îndeplineşte doua funcţie a sa, aceea de amestecător, în sensul că cele două frecvente f_s şi f₀ se mixează, rezultînd printre alte combinaţii de amestec şi aceea care ne interesează, adică f_i care totdeauna are valoarea de 465 kHz. Această frecventă este selectată de circuitul oscilator L₆C₄, celelalte frecvente fiind scurse la masă prin C₃. Din circuitul de frecventă intermediară L₆C₄, f_i trece — prin inducţie — în înfăşurarea L₇. Aici circuitul se închide prin dioda detectoare D₁ şi prin potenţiometrul P₁, aceste piese formînd etajul detector.

În urma procesului de detecţie rezultă semnalul de audiofrecvenţă, care se culege prin C₅ de la cursorul lui P₁. De alfel, audiofrecvenţa este condusă prin L₃ şi L₄ la baza lui T₁, care de această dată va lucra ca amplificator de audiofrecventă şi montaj reflex. Semnalul audio este amplificat şi pus în audienţă în căştile de 2 000 ohmi, conectate în serie cu circuitul de colector. Componentele de radiofrecvenţă nu pătrund în căşti, ele fiind scurse la masă prin C₃.

Rezultă, deci, că tranzistorul îndeplineşte în acelaşi timp trei funcţii: de oscilator, de amestecător şi de amplificalor de audiofrecvenţă; tranzistorul va trebui să fie de tipul celor de radiofrecvenţă. Sînt indicate tipurile: EFT-308, Π1, Π401, SB-100, EFT-317, CK760, 2SA102 etc., cu un factor β de peste 50; dioda va fi de tipul Д 2E, EFD-108. Polarizarea tranzistorului se face prin intermediul rezistenţei R2 de 0,25 M Ω. Alimentarea montajului se face de la o sursă de 4,5 volţi, consumul de curent fiind de cca. 5 mA.

Montajul este conceput a funcţiona în gama undelor medii. Pentru realizarea lui constructorul va trebui să-şi confecţioneze bobinele circuitului de intrare L₁—L₂—L₃, ale oscilatorului L₄—L₅, precum şi ale transformatorului de frecvenţă intermediară L₆—L₇. Aceste bobine se pot confecţiona pe miezuri magnetice (ferită, ferocat) sau pe carcase fără miez magnetic.

Cînd avem la dispoziţie o carcasă cu rniez reglabil, pentru L₁, vom bobina în primul şanţ 30 spire cu sîrmă de 0,15 mm diametru, emailată, iar pentru L₂ un număr de 80 spire cu sîrmă de 0,2 mm diametru sau cu liţă de radiofrecvenţă. Pentru L₃ vom bobina, peste spirele lui L₂, un număr de 1-6 spire, cu sîrmă de 0,2 mm diametru izolată cu email, eventual şi cu mătase sau bumbac.

Pentru oobinele oscilatorului local vom folosi tot o carcasă cu miez reglabil. Înfăşurarea L₅ cuprinde un număr total de 70 spire, priza fiind scoasă în aşa fel ca între 2—3 să avem 15 spire. Înfăşurarea L₄ are 4 spire, bobinate peste L₃. Pentru ambele înfăşurări vom folosi sîrmă de 0,15—0,2 mm diametru, izolată cu email. în timpul reglajului, dacă oscilatorul nu funcţionează, va trebui să inversăm între ele capetele bobinei de reacţie L₄.

Bobina de intrare şi oscilatorul se pot realiza şi pe carcase fără miez. În acest scop vom procura pentru carcasă ţeavă de material plastic cu diametrul exterior de 18 mm, folosind curent în instalaţiile electrice. Pentru circuitul de intrare ne este necesară o ţeavă lungă de 90 mm. Pentru L₁ se bobinează, cu sîrrnă de 0,1 mm diametru, un număr de 30 spire la o distanţă de 4—5 mm se începe bobinajul L₂ care cuprinde 120 spire, cu sîrmă emailată de 0,3 mm diametru. Peste …. în partea de jos, vom aşeza o foiţă de hîrtie lată de 6 mm pe care vom bobina, cu sîrmă de 0,3 mm diametru, un număr de 7 spire, reprezentînd bobinajul L₃.

Oscilatorul se va realiza pe o carcasă asemănătoare şi cuprinde în total 110 spire (1—2 are 70 spire, iar 2—3 40 spire). Peste această înfăşurare vom bobina pe L₄, care cuprinde 7 spire. Pentru ambele înfăşurări se va folosi sîrmă de 0,2 diametru.

Transformatorul de frecvenţă intermediară format din inductanţele L₆ şi L₇ va trebui realizat numai pe o carcasă cu miez magnetic (ferită, ferocat), ca să se obţină un factor de calitate cît mai ridicat şi ca atare o selectivitate cît mai bună. Pentru aceasta vom procura fie o carcasă cu miez cilindric, fie un miez tip „oală” [2]. Inductanţa va trebui să aibă o valoare de cca. 250 microhenry şi un factor de calitate Q ≥ 100. În primul caz vom bobina, sub formă de galeţi, un număr de 160 spire, iar în cazul folosirii „oalelor”, un număr de 10 spire. Priza 2 se va scoate la jumătatea bobinajului. Pentru L₇ vom bobina, peste L₆, un număr de 50 spire. Sîrma folosită în ambele cazuri va fi liţă de radiofrecvenţă, izolată cu email şi bumbac sau mătase.

Aparatul este conceput spre a funcţiona în limitele de gamă 500—1 500 kHz  (600—200 metri). În acest interval de frecvenţă va trebui să lucreze şi circuitul L₂—Cv₁. Cablatorul local va trebui să acopere, în schimb, un interval de frecventă cuprins între 500 + 465 = 965 kHz si 1500 + 465 = 1 965 kHz.

Condensatoarele variabile Cv₁ şi Cv₂ montate pe acest ax, permit o comandă simultană a acordului  circuitelor pe liecare capacitatea maximă de 500 pF şi cea minimă de cca 50 pF (în această valoare se includ şi capacităţile paraziţi). Aplicînd formula lui Thomson, putem constata că pentru cazul cînd condensatorul variabil este deschis, adică are valoarea minimă de 50 pF, frecvenţa de rezonantă a circuitului va fi maximă, adică:

f_max = 1/6,28√LC_min

şi pentru cazul cînd condensatorul este închis complet (LC_max), frecvenţa de rezonanţă va fi minimă:

f_min = 1/6,28√LC_max

Fcînd raportul celor două frecvente vom găsi:

f_max/f_min = (1/6,28√LC_min) / (1/6,28√LC_max) = √(C_max/C_min)

În cazul nostru, unde C_max = 500 şi C_min = 50, găsim:.

f_max/f_min = √(500/50) = 3 fmin

Într-adevăr, circuitul de intrare a lui L₂—Cv₁ are limitele de lucru încadrate între 500 kHz şi 1 500 kHz, adică se află în raportul 3.

Care este însă raportul frecventelor de lucru pentru oscilatorul local? Din calcul rezultă:

f_osc.max/f_osc.min = 1965 kHz/965 kHz = 2,04.

Aceasta dă un raport între capacitatea maximă şi cea minimă de 4,16. Cum Cv₂ are aceeaşi valoare ca şi Cv₁, respectiv are un raport între C_max şi C_min de 3, rezultă că va trebui să modificăm într-un anumit fel circuitul L₅—Cv₂, spre a obţine raportul de capacitate de 4,16. Acest lucru este absolut necesar, deoarece trebuie ca pentru orice poziţie a condensatorului variabil între frecvenţele de rezonanţă ale celor două circuite să existe diferenţa de 465 kHz.

Metoda prin care este posibilă realizarea raportului necesar pentru circuitul oscilant constă în legarea în serie cu Cv₂ a unui condensator fix (C₂) denumit în mod curent a condensator pading. Practic, nu se obţine însă o concordanţă perfectă între cele două circuite, în sensul obţinerii în permanenţă a diferenţei de 465 kHz care reprezintă frecvenţa intermediară, ci acest lucru se petrece în 2 sau 3 puncte, pentru restul punctelor existînd abateri în plus şi în minus. În cazul schemei noastre condensatorul C₂ are valoarea de 450 kHz.

După definitivarea construcţiei şi după o atentă verificare a montajului, se trece la acordul superheterodinei. Pentru acordul aparatului se înţeleg toate operaţiile ce trebuie efectuate asupra circuitelor acordate, pentru ca acestea să lucreze în gama sau limitele de gamă necesare.

La o superheterodină, deci şi în cazul montajului nostru sînt necesare operaţii de acord asupra etajului de frecvenţă intermediară, asupra circuitului de intrare şi asupra oscilatorului.

Vom începe cu descrierea modului în care trebuie facut acordul etajului de frecvenţă intermediară, acord de care depinde, după cum ştim, selectivitatea aparatului.

În practica curentă acordul se poate face cu ajutorul aparatelor de măsură sau fără aparate (practică denumită „după ureche”).

În primul caz avem nevoie de un generator de semnal (heterodină modulată) şi un voltmetru sensibil. Înainte a începe acordul frecvenţei intermediare, va trebui să blocam oscilatorul local. Pentru aceasta, cu ajutorul unui fir vom scurtcircuita bobina L₅ sau vom deconecta unul din capetele condensatorului C₂.

Generatorul de semnale se conectează printr-un condensator de aproximativ 1 000 pF între baza tranzistorului şi masă, iar voltmetrul (preferabil un voltmetru electronic de c. a.) se conectează în derivaţie pe difuzor. Se alimentează receptorul şi aparatele de măsură. Fixăm generatorul 1a frecvenţa de 465 kHz şi cu un grad de modulaţie cuprins între 30 şi 50%. Potenţiometrul P₁ va fi adus în poziţia de audiţie maximă.

În această situaţie va trebui să ascultăm în difuzor tonul de audiofrecvenţă al heterodinei modulate. Dacă acesta nu se întîmplă, vom roti cu o şurubelniţă confecţionată dintr-o bară de plexiglas sau altă masă plastică miezul magnetic al bobinei L₆. Rotirea poate avea loc în sensul introducerii miezului sau scoaterii acestuia.

După cîteva încercări, vom găsi poziţia miezului pentru ca deviaţia acului voltmetrului va fi maximă, respectiv audiţia în difuzor va fi de asemenea maximă.

Rotind în dreapta şi în stînga butonul de schimbarea frecvenţei generatorului, va trebui ca semnalul de audiofrecvenţă să se micşoreze.

În acest mod putem ridica chiar curba de selectivitate a circuitului de frecventă intermediară.

După terminarea acestei operaţii se trece la acordul oscilantului local. Mai întîi se scoate şuntul de pe bobina L₅, dacă se deblocă oscilatorul. Generatorul se cuplează de data aceasta printr-un condensator de 200 pF între borna de antenă şi borna de pămînt P. Se roteşte condensatorul de acord pe poziţia corespunzătoare frecventei de 600 kHz, adică aproape de valoarea C_max. Se aplică de la generator un semnal de 600 kHz modulat cu 30% şi cu o tensiune de ieşire mică. În continuare se roteşte miezul bobinei L₅ (dacă aceasta este canalizată pe carcasa cu miez magnetic), pînă cînd deviaţia voltmetrului este maximă. După aceasta se roteşte condensatorul variabil aproape de poziţia C_min (condensatorul aproape deschis). Cu generatorul fixat pe 1 400 kHz se va roti condensatorul trimer C₆ pînă cînd obţine de asemeneai deviaţia maximă a voltmetrului.

După terminarea operaţiei de „tragere” a oscilatorului, se trece la acordul circuitului de intrare; aparatele vor rămîne conectate ca şi pentru acordul oscilatorului.

Condensatorul variabil va fi adus pe rînd în aceleaşi poziţii ca şi pentru acordul efectuat asupra oscilatorului: pentru prima poziţie se injectează de la generator o frecventă de 600 kHz. Dacă bobina are miez magnetic acesta se înşurubează pînă la deviaţia maximă a acului voltmetrului. Se trece apoi condensatorul în poziţia cealaltă şi cu 1 400 kHz de la generator se modifică valoarea trimerului C₇, tot pentru deviaţia maximă.

Tot cu ajutorul generatorului de semnale se poate etalona scala aparatului în valori de frecvenţă. Operaţia începe din poziţia corespunzătoare condensatorului variabil complet închis. Cu generatorul conectat ca şi mai înainte, se roteşte butonul de schimbarea frecventei acestuia, pînă cînd 1a cască (difuzor) va apare semnalul de audiofrecvenţă. Pe scala aparatului, în dreptul indicatorului, vom nota frecvenţa dată de generator. Se schimbă apoi frecvenţa generatorului cu 100 kHz; rotind condensatorul variabil vom căuta să „prindem” şi această frecventă, notînd noua poziţie a indicatorului de scală ş.a.m.d. pînă la capătul de sus al gamei, adică pînă la 1 500 kHz.

Cealaltă metodă de acord, fără aparate, constă în reglarea circuitelor după audiţia maximă în difuzor.

Pentru acordul frecvenţei intermediare, vom proceda în felul următor: se pune aparatul în funcţiune, avînd cuplată la borna A o antenă de circa 10 metri lungime.

Se roteşte condensatorul pînă cînd se recepţionează un post. Cu ajutorul unei şurubelniţe izolate vom roti miezul magnetic al transformatorului de frecvenţă intermediat pînă cînd audiţia va fi maximă.           

Acordul oscilatorului se face în felul următor: se aduce condensatorul variabil în poziţia apropiată C_max, unde de fapt trebuie să recepţionăm staţia de radiodifuziune Bucureşti, ce lucrează pe 550 kHz. Dacă recepţia nu are loc, se lasă condensatorul variabil în această poziţie şi acţionînd asupra miezului bobinei L₅ vom căuta să aducem posturi în gamă.

Se deplasează condensatorul variabil în cealaltă extremitate a gamei, către 1 400 kHz, unde vom căuta, prin rotirea trimerului C₆, să prindem un post puternic, ca de exemplu Monte Carlo. În acelaşi timp vom face şi acordul circuitului de intrare, în partea de jos a gamei, din miezul bobinei, iar în partea de sus din trimer.

De cele mai multe ori acordul trebuie făcut prin repetare sau revenire, adică după acordul făcut asupra oscilatorului şi circuitului de intrare în partea de jos a gamei, se face aceeaşi operaţie în partea de sus, după care se revine iară în partea de jos şi aşa, de cîteva ori, pînă la obţinerea rezultatelor optime. După realizarea acordului este bine ca miezurile să fie blocate cu puţină ceară sau parafină.