Сверхрегенератор, иногда именуемый суперрегенератором, — это особый тип усилителя или комбинации усилителя с детектором, который благодаря своей безукоризненной простоте обладает уникальными свойствами. Среди них — впечатляющий коэффициент усиления по напряжению, достигающий 10^5 или даже 10^6, что равняется миллиону!
Это означает, что слабые входные сигналы, с уровнем в доли микровольта, могут быть преобразованы в выходные уровни в доли вольта. Получить такое повышение степени усиления обычными методами в одном каскаде практически невозможно, а в сверхрегенераторе реализуется иная концепция усиления.
Если поразмышлять чуть глубже, можно сказать, что сверхрегенеративное усиление происходит в иных физических координатах. Обычно усиление реализуется непрерывно во времени, а вход и выход усилителя — как правило, расположены в разных точках пространства.
Однако это не касается устройств — двухполюсных усилителей, таких как регенератор. Здесь процесс усиления происходит непосредственно в том же колебательном контуре, к которому подается входной сигнал, и он также — непрерывно во времени. В случае сверхрегенератора работа ведется с выборками входного сигнала, сделанными в определённые моменты времени.
После этого происходит усиление каждой выбранной выборки, а затем — снятие уже усиленного сигнала. Обычно выходной сигнал снимается через те же зажимы или гнёзда, с которых поступал входной сигнал. Пока происходит усиление, сверхрегенератор игнорирует входные сигналы, а следующая выборка формируется только после завершения предыдущего этапа усиления.
Этот принцип позволяет достигать очень больших коэффициентов усиления: поскольку входные и выходные сигналы не совпадают по времени, их можно разнести и по пространству, и по временной шкале, исключая взаимодействие и влияние друг на друга.
Однако у такой схемы есть существенный недостаток. Согласно теореме Котельникова-Найквиста, для искажения сигнала при его передаче огибающей необходимо выбирать частоту выборок не менее чем в два раза выше максимальной частоты модуляции.
Например, при приёме радиовещательных АМ-сигналов с модуляционной частотой до 10 кГц, а также при ЧМ с диапазоном до 15 кГц, минимальная частота выборки должна быть около 20-30 кГц. В результате полоса пропускания сверхрегенератора при этом оказывается примерно в 10 раз шире — около 200–300 кГц.
Этот недостаток осложняет использование сверхрегенераторов при приеме АМ-сигналов и стал одной из причин, почему их заменила более совершенная и сложная аппаратура — супергетеродинные приемники, у которых полоса пропускания сопоставима с частотой модуляции.
Интересно отметить, что приёмы ЧМ сигналов проявляют этот недостаток значительно в меньшей степени. Демодуляция происходит на скате резонансной кривой сверхрегенератора, при этом ЧМ преобразуется в аналог АМ с последующей детекцией. Ширина резонансной кривой должна быть не менее удвоенной девиации частоты, что позволяет лучше согласовать полосы пропускания сигнала.
Ранее такие устройства создавались на электронных лампах и получили широкое распространение в середине прошлого века. В то время диапазон УКВ радиостанций был невелик, а ширина полосы связывалась с легкостью настройки и поиском редких станций. Позже появились схемы на транзисторах, и сегодня они используются в системах дистанционного управления моделями, охранных системах, а в радиоприёмниках встречаются крайне редко.
Конструкция сверхрегенератора во многом схожа с регенератором: если в схеме периодически увеличивать обратную связь до уровня, вызывающего генерацию, а затем — снижать её, чтобы избежать самовозбуждения, получается подобие сверхрегенератора. Создаётся эффект вспомогательных гашения с частотами в диапазоне 20–50 кГц, которые или задаются отдельным генератором, или возникают прямо в самом высокочастотном устройстве.
Для более ясного понимания: устройство сверхрегенератора
Рассмотрим устройство, изображённое на рис. 1, которое, в зависимости от временной постоянной цепи R1C2, может работать как обычный регенератор или как сверхрегенератор. Это схематичное решение было разработано на основе множества экспериментов и заслуженно считается оптимальным по простоте, удобству настройки и хорошим результатам.
В схеме транзистор VT1 работает по принципу автогенерации — в основе её лежит индуктивный контур, состоящий из катушки L1 и конденсатора С1. Отвод катушки сделан ближе к базе транзистора, что обеспечивает согласование высокого сопротивления выхода транзистора (коллектор) с меньшим сопротивлением входа (база).
Питание транзистора осуществляется необычным способом: напряжение на базе равно напряжению на его коллекторе. Кремниевый транзистор способен работать в таком режиме, поскольку для его открытия необходимо около 0,5 В, а напряжение насыщения между коллектором и эмиттером — примерно 0,2–0,4 В. В этой схеме и коллектор, и база по постоянному току подключены к общему проводу, а питание подается через эмиттер — через резистор R1.
При этом напряжение на эмиттере стабилизируется примерно на уровне 0,5 В — транзистор действует как стабилитрон, поддерживая это напряжение. Если оно по каким-либо причинам понизится, транзистор закроется, снизится эмиттерный ток, и падение напряжения на резисторе уменьшится, что снова повысит эмиттерное напряжение. Аналогичным образом, при росте напряжения транзистор активируется сильнее — так осуществляется автоматическая стабилизация.
Для корректной работы необходимо, чтобы питание было более 1,2 В, избыток — выбирается с помощью резистора R1. В условиях высокой частоты сигнал поступает с нижнего конца катушки L1 к базе транзистора, которая усиливает его. Конденсатор C2 служит блокировкой для высокочастотных токов, представляя малое сопротивление для них. В качестве нагрузки в цепи коллектора выступает резонансное сопротивление контура, немного уменьшенное благодаря трансформации, происходящей в катушке.
Эмиттерный ток инвертирует фазу сигнала, а дальнейшая инверсия — это трансформация, реализуемая катушками, образованными частью L1, — что создаёт баланс фаз. Уровень усиления транзистора регулируется, в частности, путем изменения сопротивления R1, например, добавляя переменный резистор или подключая последовательно постоянный и переменный сопротивлениями.
Основное достоинство этого устройства — его простота в изготовлении, лёгкость настройки и высокая экономичность: ток транзистора ровно такой, какой необходим для усиления сигнала. Плавное приближение к порогу генерации достигается регулировкой в низкочастотной цепи, что удобно в эксплуатации, а изменение уровня питания минимально влияет на настройку контура, поскольку напряжение на базе стабильно.
Этот регенератор может усиливать добротность контуров в любом диапазоне от ДВ до УКВ. При этом, катушка L1 не обязательно должна быть контурной — вполне допустимо использовать катушку связи, подключённую к другому контуру (в этом случае конденсатор С1 можно убрать). Можно намотать такую катушку на металлический стержень в виде антенны для диапазонов ДВ-СВ — число витков должно составлять лишь небольшую часть витков основной катушки (10-20%).
Использование биполярных транзисторов делает конструкцию дешевле и проще по сравнению с полевыми транзисторами. Регуляция и настройка поддаются легко, что делает регенератор универсальным для приёма радиоточек на диапазонах от коротких волн до УКВ. Приёмные цепи могут быть связаны с антенной через катушку или конденсатор, а для низкочастотных сигналов — с эмиттера транзистора через разделительный конденсатор.
При приёме АМ сигналов это устройство достигает чувствительности в диапазоне 10–30 мкВ, а при приёме телеграфных станций в режиме биений — чувствительность может снижаться до единых микровольт.
Обратно к рассмотрению сверхрегенератора
Вернемся к схеме сверхрегенератора: предполагается, что питание подаётся в виде импульса в момент времени t0, как показано на рис. 2.
Даже при наличии достаточно сильного усиления транзистора и обратной связи, колебания в контуре не возникнут мгновенно. Они начинают расти по экспоненциальному закону в течение времени ?н. Аналогично, при отключении питания амплитуда колебаний быстро снижается по тому же закону, за временной интервал ?с.
Диаграмма колебаний изображена на рис. 3. Закон нарастания и спада напряжения в контуре можно выразить формулой:
где U0 — начальное напряжение в контуре; r — эквивалентное сопротивление потерь; L — индуктивность; t — время. В случае спада потерь, когда r равно сопротивлению okним контура, формула весьма проста.
В случае же нарастания колебаний, транзистор вводит в контур отрицательное сопротивление — rос, компенсирующее затухающие потери. Тогда общее эквивалентное сопротивление становится отрицательным, что приводит к экспоненте с отрицательным знаком, обеспечивая рост амплитуды колебаний.
Вторая формула описывает коэффициент усиления Uс, который равен Uсexp(rt / 2L), где r — это разница между сопротивлением осциллятора (rос) и сопротивлением потерь (rп).
Из этой зависимости можно определить время, необходимое для развития колебаний в контуре. Так как рост начинается с начальной амплитуды сигнала Uc и ограничивается максимальной амплитудой U0, далее транзистор переходит в режим ограничения, его усиление уменьшается, и колебания стабилизируются: ?н = (2L / r) ln(U0 / Uc).
Как видно, время нарастания колебаний зависит от логарифма отношения максимальной амплитуды к начальному сигналу в контуре. Чем больше уровень входного сигнала, тем быстрее формируются колебания.
Если подавать питание на сверхрегенератор с интервалами, соответствующими частоте суперизации (гашения) 20-50 кГц, в контуре возникают вспышки колебаний (см. рис. 4). Продолжительность этих вспышек зависит от сигнала: чем быстрее нарастают колебания, тем longer их длительность.
При обработке этих вспышек методом детектирования на выходе можно получить демодулированный сигнал, пропорциональный среднему уровню огибающей этих вспышек.
Усиление транзистора в схеме обычно невелико (в пределах единиц или десятков раз), достаточного для самовозбуждения колебаний. Однако общий коэффициент усиления сверхрегенератора, то есть отношение амплитуды демодированного сигнала на выходе к входному, весьма высок.
Описываемый режим работы называют нелинейным или логарифмическим, поскольку выходной сигнал пропорционален логарифму входного. Хотя это вызывает некоторые нелинейные искажения, такой режим обладает важным преимуществом — он повышает чувствительность к слабым сигналам и снижает — к сильным, выступая как естественная автоматическая регулировка усиления, или АРУ.
Для полноты картины необходимо упомянуть о существовании и линейного режима работы сверхрегенератора, при котором длительность импульса питания (см. рис. 2) меньше времени нарастания колебаний. В этом случае колебания не успевают достигнуть максимальной амплитуды, а транзистор не входит в режим ограничения. Тогда амплитуда вспышки прямо пропорциональна уровню входного сигнала.
Однако данный режим обладает низкой стабильностью: малейшие изменения в усилении транзистора или сопротивлении r в контуре вызовут либо значительное снижение амплитуды вспышек и, следовательно, общей чувствительности прибора, либо переход устройства в нелинейный режим. Именно по этой причине линейное функционирование сверхрегенератора используется крайне редко.
Также важно отметить, что для появления вспышек вовсе не обязательно менять питание устройства: достаточно подать дополнительные управляющие сигналы, например, на сетку лампы или затвор транзистора, регулируя их усиление и, таким образом, обратную связь.
Формы колебаний, которые гасит схема, не обязательно должны быть прямоугольными. Наиболее предпочтительны синусоидальные, а ещё лучше — пилообразные с постепенным нарастанием и резким спадом. В таком случае сверхрегенератор мягко приближается к возникновению колебаний, полосa пропускания сужается, и начинается усиление за счет регенерации. После чего колебания растут медленно и постепенно, ускоряясь по мере роста амплитуды.
Резкое падение колебаний достигается максимально быстро. Самым распространённым является вариант с автосуперизацией или самогашением, при котором отсутствует отдельный генератор вспомогательных колебаний. Они функционируют исключительно в нелинейном режиме.
Самогашение, или прерывистая генерация, реализуется при помощи схемы, изображённой на рис. 1. Для этого необходимо, чтобы постоянная времени цепи R1C2 была больше времени нарастания колебаний. Тогда возникшие колебания вызовут увеличение тока через транзистор, при этом поддерживаться они будут зарядом конденсатора С2 в течение некоторого времени.
По мере расходования заряда напряжение на электроде упадёт, транзистор закроется, и колебания прекратятся. Конденсатор начнёт медленно перезаряжаться через резистор R1 от источника питания, что позволит ему снова открыть транзистор и вызвать новую вспышку.
Эпюры напряжений в сверхрегенераторе
На рис. 4 представлены осциллограммы напряжений на эмиттере транзистора и в контуре, показывающие их реальное протекание во времени — так их видно на широкополосном осциллографе. Уровни напряжений 0,5 и 0,4 В условны, они зависят от типа транзистора и выбранных режимов.
При поступлении внешнего сигнала в контур длительность вспышек зависит от заряда конденсатора С2 и при этом остаётся постоянной. Чем выше уровень входного сигнала, тем быстрее формируются колебания — вспышки происходят чаще.
Если их детектировать отдельным устройством, средний уровень сигнала увеличивается пропорционально логарифму входного. В случае использования транзистора VT1 (см. рис. 1) он сам может служить детектором — среднее напряжение на эмиттере снижается по мере роста сигнала.
А что происходит, если входной сигнал отсутствует? Тогда колебания возникают из шумов в контуре сверхрегенератора, их амплитуда начинается со случайных значений. Частота вспышек минимальна и характеризуется хаотичной нестабильностью периода. Усиление сверхрегенератора в этот момент достигает максимума, и в динамиках или на наушниках слышен сильный шум. При настройке на нужную частоту шум значительно убывает.
Это свидетельствует о высокой чувствительности сверхрегенератора, которая определяется внутренним шумовым уровнем. Дополнительные сведения по теории сверхрегенеративных приёмников можно найти в специальных источниках.
УКВ ЧМ приёмник с низковольтным питанием 1,2 В
Теперь стоит рассмотреть практические схемы сверхрегенераторов, их очень много в литературе, особенно в старых публикациях. Например, ещё в 1968 году было опубликовано описание сверхрегенератора, построенного всего на одном транзисторе, краткий перевод которого можно найти и в других источниках.
Работа такого устройства при питании от 9 В создаёт значительную амплитуду вспышек в контуре, что обусловливает высокое усиление. Однако подобное решение обладает существенным недостатком: сверхрегенератор очень сильно излучает, поскольку антенна подключена напрямую к контурной катушке. Поэтому такой приёмник рекомендуется использовать только на природных территориях — вдали от людских населённых пунктов.
Схема миниатюрного УКВ приёмника с низковольтным питанием, разработанная по базовой концепции (см. рис. 1), изображена на рис. 5. В качестве антенны выступает сама катушка L1, выполненная в виде одновитковой рамки из толстого медного провода (провод типа ПЭЛ с сечением 1,5 мм2 и выше).
Диаметр рамки составляет примерно 90 мм. Частоту настройки в контуре регулируют конденсатором переменной ёмкости (КПЕ) С1. Поскольку сделать отвод от рамки сложно, транзистор VT1 подключён по схеме ёмкостной трёхточки — напряжение с эмиттера подаётся через делитель из конденсаторов C2 и C3. Частота суперизации определяется суммарным сопротивлением резисторов R1-R3 и ёмкостью конденсатора С4.
Если ёмкость С4 уменьшить до нескольких сотен пикофарад, генерация становится прерывистой, схема переходит в режим сверхрегенеративного приёмника. Можно предусмотреть переключатель и использовать вариант с подключением двух конденсаторов — например, по 470 пф и 0,047 мкф — параллельно или по отдельности. Это обеспечит работу в обоих режимах, в зависимости от условий приёма.
Регенеративный режим обеспечивает более чистый и качественный приём с меньшим уровнем шумов, но требует более сильного сигнала поля. Обратную связь регулируют переменным резистором R2, его ручку тоже можно вынести на переднюю панель корпуса для удобства.
Отмечается, что уровень излучения такого приёмника в сверхрегенеративном режиме невелик: амплитуда колебаний в контуре порядка десятой доли вольта, а малая антенна излучает очень неэффективно при передаче.
Усилитель промежуточных частот выполнен двухкаскадным и собран по схеме с непосредственной связью на транзисторах VT2 и VT3, которые отличаются по структуре. В коллекторную цепь выходного транзистора вставлены низкоомные головные телефоны (например, ТМ-2, ТМ-4, ТМ-6 или ТК-67-НТ сопротивлением 50-200 Ом). Подойдут уличные наушники.
Для питания предусилителя используют не от резистора с внешним источником, а через R4 эмиттерную цепь транзистора VT1, где стабильно поддерживается напряжение около 0,5 В. Конденсатор С5 пропускает высокочастотные колебания в цепи УЗЧ.
Высокочастотные пульсации на входе не фильтруются, потому усилитель работает в импульсном режиме — транзистор либо полностью закрыт, либо насыщен. В результате ультразвуковая частота таких вспышек не слышна, но импульсы содержат звуковую составляющую, и эта часть воспринимается слухом.
Диод VD1 служит для быстрого отключения выходных телефонов в момент, когда транзистор закрывается, чтобы устранить выбросы напряжения и повысить качество звука. Питание приёмника осуществляется от гальванического элемента или никель-кадмиевого аккумулятора напряжением 1,2–1,5 В. Ток потребления не превышает 3 мА, при необходимости его можно регулировать подбором R4.
Настройка начинается с проверки наличия генерации: для этого вращают ручку R2, чтобы обнаружить сильный шум в наушниках или увидеть на осциллографе «пилы» в форме напряжения на конденсаторе С4. Частоту суперизации регулируют при помощи изменения ёмкости С4; чтобы избежать биений и искажений, следует избегать настройки очень близко к стереосигналу 31,25 кГц или его гармоникам, например, 62,5 кГц.
Следующим шагом является настройка диапазона перестройки приёмника через изменение размеров рамочной антенны — увеличение её диаметра приводит к понижению частоты настройки.
Для повышения рабочей частоты можно не только снизить диаметр рамки, но и увеличить сечение провода, из которого она изготовлена.
Оптимальным решением станет использование оплётки отрезка коаксиального кабеля, свернутой в кольцо. При этом индуктивность уменьшается, если рамка выполнена из медной ленты или из двух-трёх параллельных проводов диаметром 1,5–2 мм.
Диапазон перестройки полученного варианта довольно широк, и его настройку легко выполнить вручную, ориентируясь по прослушиваемым станциям, без использования специальных измерительных приборов.
В верхней части диапазона УКВ-2 (верхняя часть) транзистор КТ361 иногда работает с нестабильностью, поэтому его целесообразно заменить на более hf-устойчивую модель, например, КТ363.
Одним из недостатков данного приёмника является значительное влияние прикосновения рук к антенне на частоту настройки. Однако такие последствия характерны и для других приёмников, где антенна соединена непосредственно с колебательным контуром.
Эту проблему можно устранить, применяя РЧ-усилитель, который действует как ‘изоляция’ колебательного контура сверхрегенератора от внешней антенны.
Кроме того, такой усилитель способствует подавлению излучения вспышек колебаний, что позволяет значительно снизить помехи от соседних приёмных устройств.
Усиление РЧ-усилителя должно быть минимальным, поскольку сверхрегенератор обладает высокой чувствительностью и усилением. Наиболее подходящими для этого являются транзисторные усилители с общей базой или с общим затвором. Также стоит упомянуть схемы сверхрегенератора с использованием УРЧ на полевых транзисторах, разработанные за рубежом.
Экономичный сверхрегенеративный приёмник
Для максимальной экономии энергии разработан сверхрегенеративный приёмник (см. рис. 6), потребляющий менее 0,5 мА при питании от батареи напряжением 3 В. Отказ от УРЧ позволяет снизить потребление до 0,16 мА, в то время как чувствительность остаётся на уровне около 1 мкВ.
Мощность сигнала с антенного входа подаётся на эмиттер транзистора УРЧ VT1, настроенного по схеме с общей базой. Его входное сопротивление невелико, а при учёте сопротивления резистора R1 получаем входное сопротивление приёмника примерно 75 Ом. Это позволяют применять внешние антенны, выполненные из коаксиального кабеля или ленточного УКВ-кабеля с ферритовым трансформатором 300/75 Ом.
Такое решение актуально при удалённости радиостанций более чем на 100 км. Конденсатор C1 с малой ёмкостью выполняет роль простого высокочастотного фильтра, подавляющего помехи.
В условиях хорошего приёма подходит любая простая проволочная антенна. Транзистор УРЧ работает при коллекторном напряжении, равном базе, — около 0,5 В, что обеспечивает стабильную работу без необходимости ручной регулировки. В цепь коллектора включена катушка L1, намотанная совместно с контурной катушкой L2.
Катушки содержат по 3 витка провода ПЭЛШО диаметром 0,25 мм и 5,75 витков ПЭЛ 0,6 мм. Диаметр каркаса составляет 5,5 мм, а расстояние между ними — 2 мм. Уотод для общего провода сделан от второго витка катушки L2, считая от вывода, который соединен с базой транзистора VT2.
Для облегчения настройки рекомендуется оснастить каркас подстроечником с метрической резьбой М4 из магнитодиэлектрика или латуни. Также допустимо заменить конденсатор С3 на переменный, с ёмкостью в диапазоне от 6 до 25 или 8 до 30 пф. Конденсатор настройки С4 — КПВ — содержит один ротор и две статорные пластины, что позволяет точно подобрать частоту сверхрегенератора (см. схему на рис. 1), управляя режимом через подстроечный резистор R4. Частота вспышек (суперизации) регулируется изменением ёмкости конденсатора C5.
На выходе каскада установлен двухзвенный фильтр низких частот (R6C6R7C7), который ослабляет высокочастотные колебания с частотой суперизации, предотвращая перегрузку предусилителя (УЗЧ).
Общая схема — рис. 6 — показывает сверхрегенеративную цепь с транзисторами. Такой каскад даёт небольшой сигнал, требующий применения двух последовательно соединённых каскадов усиления низких частот (VT3-VT5). Это обеспечивает достаточно высокое усиление при сохранении низкого уровня искажений.
Для стабильной работы цепи применяется обратная связь через резисторы R12 и R13, а режим регулировки стабилизируется посредством конденсатора С9. Резистор R14 служит для настройки усиления каскадов. Выходной каскад выполнен по схеме двухтактного повторителя с германиевыми транзисторами VT6 и VT7, которые работают без смещения, благодаря низкому пороговому напряжению германиевых приборов (около 0,15 В). Это позволяет снизить искажения типа ‘ступенька’ и обеспечивает хорошую чистоту сигнала.
Для достижения максимальной экономности рекомендуется использовать наушники с сопротивлением не менее 1 кОм. В случае отсутствия необходимости в минимальном потреблении можно применить более мощный УЗЧ. Настройку приёмника необходимо начать с регулировки УЗЧ, установив напряжение на базе транзисторов VT6 и VT7, равное половине питающего напряжения — около 1,5 В. Это обеспечивает нормальный режим работы и исключает самовозбуждение — контроль через осциллограф обязателен. Также рекомендуется подавать на вход УЗЧ тестовый звуковой сигнал небольшой амплитуды, чтобы убедиться в отсутствии искажений и равномерности ограничения при нагрузках.
Подключив сверхрегенеративный каскад, необходимо настроить диапазон частот, изменяя индуктивность катушки L2 и ёмкость конденсатора C3. Итоговая настройка позволяет получить чувствительный диапазон приёма, подходящий как для радио, так и для охранных систем или систем связи с минимальными затратами энергии.
Следует отметить, что приём ЧМ сигналов на сверхрегенераторе в большинстве случаев не достигает высоких стандартов качества: работа на скате резонансной кривой вызывает ухудшение отношения сигнал/шум на 6 дБ. Нелинейные режимы работы также влияют на качество звука, однако оно остаётся достаточно достойным.
