Schematy blokowe odbiorników
Rozdział ten ma za zadanie przedstawić najczęściej spotykane metody konstruowania odbiorników radiowych. Metody te zostaną przedstawione w postaci schematów blokowych, opisy poszczególnych bloków znajdują się w odpowiedniej części strony poświęconej teorii.
Najprostszy, najbardziej podstawowy schemat odbiornika radiowego pokazuje rysunek obok. Jak widać jest on naprawdę prosty - składa się tylko z jednego elementu - detektora. Detektor jest tym elementem który zamienia prądy wysokiej częstotliwości (radiowe) na prądy małej częstotliwości (akustyczne), jest więc niezbędny w każdym odbiorniku, nic więc dziwnego, ze najprostsze radio zawiera tylko ten element - tylko ten jest absolutnie niezbędny. Tego typu radia dominowały we wczesnych latach rozwoju radiotechniki, ale były również popularne zarówno w latach trzydziestych, a nawet jeszcze w pięćdziesiątych! Spotykane były w dwóch rodzajach: radia detektorowe, popularnie zwane detektorami lub kryształkami, ze względu na użyty w nich detektor - kryształ (najczęściej pirytu lub galeny), te właśnie radia były sporadycznie używane aż do lat 50-tych, oraz radia z reakcyjnym detektorem lampowym, ze względu na ilość użytych lamp nazywane były jednolampówkami.
Radia z detektorem kryształkowym były absolutnie najprostszymi odbiornikami jakie można było mieć. Składały się zasadniczo z pojedyńczego obwodu rezonansowego i diody półprzewodnikowej (tak, kryształek był naprawdę dioda półprzewodnikową!) Często wręcz jako pojemność obwodu była wykorzystywana pojemność własna cewki co dodatkowo upraszczało układ. Dzięki temu odbiorniki kryształkowe były najtańszymi możliwymi odbiornikami - kosztowały od 20 do 50 złotych. Inną, już może mniej techniczną zaletą był tańszy abonament radiowy. Dla posiadaczy odbiorników lampowych wynosił on 3 złote miesięcznie, dla odbiorników detektorowych tylko 1.50...
Inną oczywistą zaletą wynikającą bezpośrednio z jego konstrukcji był brak zasilania - odbiornik nie potrzebował zupełnie żadnego źródła zasilania, cała energia wykorzystana do zasilenia głośnika lub słuchawek czerpał z anteny. Była to jednocześnie zaleta (jego eksploatacja nic nie kosztowała) jak i wada - wymagał silnego sygnału i dużej anteny, dzięki czemu działał tylko w stosunkowo niewielkiej odległości od nadajnika. Po to między innym stacja Warszawy I w Raszynie miała tak dużą moc - aby zasięg odbioru na detektor był jak największy, docelowo na całym obszarze kraju. Inną, może nieco naciąganą zaletą była wyśmienita jakość dźwięku uzyskiwana z takiego odbiornika - cecha opisywana w licznych publikacjach z tamtego okresu. Jakość ta miała być uzyskiwana jakoby dzięki brakowi jakichkolwiek wzmacniaczy mogących zniekształcić dźwięk. O ile jest to prawdą, zwłaszcza w odniesieniu do pierwszych niedoskonałych lamp, to pominięty został tu wpływ detektora - detektor kryształkowy nie był układem najwyższej jakości i sam zniekształcał dźwięk dość mocno...
Drugi rodzaj odbiornika detektorowego (jednolampówka) był już wyposażony w lampę elektronową pracującą w układzie detektora reakcyjnego - przypominam, że jego opis znajduje się w dziale detektory. Zastosowanie tego rodzaju detektora ma swoje zalety - przede wszystkim zwiększenie czułości odbiornika (detektor reakcyjny obok detekcji również wzmacnia sygnał), oraz, co było czasami ważniejsze - odbiór silnych stacji na głośnik (Aby odbiornik kryształkowy mógł uzyskać z anteny odpowiednią ilość energii do uruchomienia głośnika musiałby się znajdować w zasadzie w bezpośrednim sąsiedztwie nadajnika). Ponadto dzięki zastosowaniu dodatniego sprzężenia zwrotnego rośnie trochę selektywność odbiornika. Niestety odbiornik ten wymaga już zasilania - zarówno obwodu żarzenia lampy jak i jej anody.
Ogólnie odbiorniki detektorowe nie miały dobrych parametrów - jeden obwód strojony nie zapewniał odpowiedniej selektywności, miały niewielką czułość (zwłaszcza odbiornik kryształkowy), przez konieczność używania słuchawek były mało wygodne, ale przedewszystkim były TANIE!
Najprostszą metodą poprawienia jakości odbiornika było dołożenie dodatkowego wzmacniacza. Jak widać na schematach obok można go dołożyć w dwóch miejscach: przed i po detektorze. Oczywiście wzmacniacze te muszą być różne. Przed detektorem trzeba zastosować wzmacniacz w.cz., gdyż sygnał który tam występuje jest sygnałem wysokiej częstotliwości doprowadzonym z anteny. Sygnał za detektorem jest to już sygnał małej częstotliwości, a więc i zastosowany wzmacniacz musi być wzmacniaczem małej częstotliwości. Ponadto wzmacniacz ten jest ostatnim stopniem odbiornika, czyli musi on wysterować słuchawki albo głośnik. Ponieważ odbiornik dwulampowy jest już dostatecznie czuły aby wszystkie lokalne stacje można było odbierać na głośnik to użyta tam lampa musi dostarczyć odpowiedniej mocy - powinna być więc to lampa przeznaczona specjalnie do pracy z większą mocą, czyli musi to być specjalna lampa głośnikowa. Zastosowanie wzmacniacza m.cz. za detektorem poprawia czułość odbiornika - dodany jest kolejny stopień wzmocnienia, ale nie poprawia jego selektywności, selektywność zależy bowiem od ilości obwodów rezonansowych, a w tej sytuacji nadal jest tylko jeden obwód, ten w detektorze.
Wzmacniacz w.cz. który jest stosowany przed detektorem poprawia i czulość i (o ile nie jest to wzmacniacz aperiodyczny) selektywność odbiornika. Czulość, bo wprowadza dodatkowy stopień wzmocnienia, a selektywność, bo użyty zostaje drugi obwód rezonansowy - jeden znajduje się na wejściu odbiornika, drugi, który jest obciążeniem wzmacniacza pomiędzy wzmacniaczem a detektorem. Dodatkowo wzmocnienie takiego odbiornika jest większe niż przy wzmacniaczu m.cz., gdyż wzmocnienie stopnia rezonansowego w.cz. jest większe - o wzmocnieniu decyduje praktycznie oporność wewnętrzna lampy, bo oporność obwodu rezonansowego (dla prądów zmiennych oczywiście) może być od oporności wewnętrznej znacznie większa. Taki układ pomimo iż teoretycznie lepszy niż opisany poprzednio (detektor ze wzmacniaczem m.cz.) jest jednak w praktyce niestosowany (używany był tylko w latach 20-tych). Wynika to z tego, że jak już to było napisane że dwulampowy układ powinien potrafić dostarczyć na tyle dużej mocy na wyjściu aby wysterować głośnik, a stopniem wyjściowym w takiej sytuacji jest detektor, natomiast lampy głośnikowe (większej mocy) pracują bardzo słabo jako detektory.
Dołożenie wzmacniacza w.cz. powoduje jeszcze inne problemy - pojawia się drugi obwód rezonansowy, wzmacniacz w.cz. trzeba jakoś połączyć z detektorem, co komplikuje układ znacznie bardziej niż dołożenie prostszego w konstrukcji wzmacniacza głośnikowego m.cz.
Pojawia się problem ze strojeniem odbiornika - w przypadku odbiornika jednoobwodowego odbiornik odbierał tą falę na jaką został nastrojony jego obwód. W przypadku odbiornika dwuobwodowego należy przestrajać jednocześnie dwa obwody, ale w taki sposób żeby były nastrojone na tą samą częstotliwość, inaczej to co jeden przepuści drugi wytłumi. Kiedyś (w latach 20-tych) każdy obwód stroiło się odzielnie, co było czasami przydatne (można było oba niezależnie ustawić dokładnie na tą samą częstotliwość), niezależnie od różnic pozostałych elementów, ale strojenie tego w szerszym zakresie (np. przejście z początku na koniec zakresu) było bardzo utrudnione. A były w ten sposób budowane i odbiorniki trzyobwodowe... Później zaczęto produkować zestawy kondensatorów zmiennych zawierających kilka sekcji jednocześnie przestrajanych. Ponieważ oba kondensatory były dokładnie identyczne to zapewnienie równomierności przestrajania było już prostsze.
Dodatkową zaletą wzmacniacza w.cz. jest możliwość przeprowadzenia w nim regulacji wzmocnienia jeżeli we wzmacniaczu użyje się lampy o regulowanej charakterystyce - selektody. W przypadku odbiorników jednoobwodowych tej regulacji albo nie było albo była realizowana przez zmianę sprzężenia anteny z wejściem odbiornika, czy to przez szeregowy regulowany kondensator zmienny, regulację mechaniczną położenia cewek względem siebie lub przez odczepy na cewce wejściowej do których się dołączało antenę. Umieszczenie regulacji wzmocnienia w stopniu wzmacniacza w.cz. pozwala na płynną regulację wzmocnienia, dodatkowo zakres tej regulacji jest dużo większy. Ponadto wzmacniacz ten oddziela od siebie detektor i antenę co w przypadku detektora reakcyjnego jest bardzo istotne - przy źle ustawionej reakcji detektor może się wzbudzić, bez tego rozdzielenia odbiornik zamienia się w nadajnik, zakłócając odbiór w całej okolicy. Jeżeli detektor jest oddzielony od anteny wzmacniaczem to ewentualny sygnał wzbudzony w detektorze nie przenika do anteny i nie daje negatywnych efektów.
Naturalnym jest więc, że powstał odbiornik o takim schemacie jak na rysunku obok - z dwoma wzmacniaczami, w.cz. i m.cz., łączący zalety obu układów. Odbiornik ten charakteryzował się wysoką czułością, którą zapewniały aż trzy stopnie wzmocnienia, która umożliwiała słuchanie większość stacji przez głośnik, oraz przyzwoitą, wystarczającą na ogół selektywnością, całkiem zadowalająco sprawował się na falach krótkich, przy których wzmocnienie lamp zaczyna znacząco spadać. Układ ten był często nazywany "trójką" ze względu na ilość użytych lamp (o ile detektor jest reakcyjny, a nie diodowy czy kryształkowy, ale tak było w 99% przypadków). Odbiornik, ten umożliwiał również odtwarzanie muzyki z płyt za pomocą adaptera. jego dwie lampy wzmacniające m.cz. (reakcyjna i końcowa) dawały na tyle duże wzmocnienie, że można było uzyskać głośną muzykę przez głośnik. Analogicznie dało się użyć do tego celu odbiornika dwu lampowego jednoobwodowego z detektorem reakcyjnym i wzmacniaczem m.cz. Ze względu na swoje zalety układ ten był najpopularniejszy, ze względu na stosunkowo jeszcze prostą budowę i przyzwoite osiągi, i utrzymywał swoją popularność aż do drugiej połowy lat 30-tych, dopiero pod sam koniec tej dekady zaczął tracić popularność na rzecz prostych, refleksowych superów.
Była też uproszczona wersja odbiornika trzylampowego - jednoobwodowy z lampą detektorową i dwoma stopniami wzmocnienia m.cz. Układ ten miał selektywność zwykłego jedno czy dwulampowgo odbiornika, czułość trochę gorszą niż odbiornik trzylampowy z dwoma obwodami (oczywiście o takich samych lampach), był jednak tańszy i prostszy w budowie i strojeniu - zawierał tylko jeden kondensator zmienny i jeden komplet cewek.
Odbiorniki mogły być analogicznie rozbudowywane o kolejne lampy - wzmacniacza w.cz. lub m.cz, co pozwalało poprawić czułość odbiornika, pozostawał jednak problem selektywności. Selektywność jest tworzona przez odpowiednią ilość obwodów strojonych i jest tym lepsza im tych obwodów jest więcej i im mają lepszą dobroć. Jednak w przypadku odbiorników detektorowych (niezależnie od tego, czy detektor jest kryształkowy, reakcyjny lub inny) nie można ilości obwodów dawać zbyt dużej. praktycznie maksymalną ich liczbą jest trzy, bardzo rzadko (np. w Philipsie 638A) cztery. Powodowane jest to tym, że każdy z tych obwodów musi być dostrojony do odbieranej fali, a więc każdy musi być przestrajany przy strojeniu odbiornika na inny zakres fal lub inną stację. Aby odbiór był możliwy wszystkie obwody muszą być przestrajane w taki sam sposób, tak aby nie były odstrojone od odbieranej częstotliwości o więcej niż kilka kiloherców, co w przypadku większej ilości obwodów jest bardzo trudne. Ponadto ponieważ te obwody mają elementy zewnętrzne (kondensator przestrajający), które nie mogą być dokładnie odekranowane od siebie, do tego umieszczone są blisko siebie, co jest przyczyną sprzężeń i co za tym idzie gwizdów w głośniku.
Rozwiązaniem tego problemu jest odbiór superheterodynowy. Jest on rozwinięciem systemu heterodynowego stosowanego we wczesnych latach dwudziestych do odbioru telegrafii falami niegasnącymi (kluczowanie fali nośnej, nazywane emisją A1). Odbiór superheterodynowy polega na 'wymienieniu' wewnątrz odbiornika fali odbieranej, której długość zależy od odbieranej stacji i zakresu fal na jedną, zawsze tą samą (dla konkretnego modelu odbiornika) falę, i następnie operowaniu tylko na tej fali.
Realizowane jest to za pomocą specjalnego układu nazywanego mieszaczem, gdyż miesza on ze sobą dwa sygnały o różnych częstotliwościach tak oby otrzymać na wyjściu trzeci sygnał od tych dwóch wejściowych zależny. Mieszacz jest układem nieliniowym który wykorzystuje fakt że każdy sygnał który nie jest czystą sinusoidą składa się z wielu (teoretycznie nieskończenie wiele) sygnałów sinusoidalnych o częstotliwościach będących wielokrotnościami tego głównego sygnału. Dlatego właśnie mieszacz nie może być elementem liniowym - musi zniekształcić wejściowy sygnał sinusoidalny aby uzyskać harmoniczne. W przypadku gdy do wejścia mieszacza podłączone są dwa sygnały na wyjściu otrzymujemy harmoniczne każdego z nich, oraz harmoniczne sumy i różnicy tych sygnałów - dokładniejszy opis znajduje się TU.
Jak zostało wspomniane do wejścia mieszacza doprowadzone są dwa sygnały - jeden z nic to sygnał wejściowy otrzymany z anteny, drugi to sygnał wytworzony w lokalnym generatorze odbiornika - heterodynie. Jak wynika z opisu mieszacza sygnały o częstotliwości pośredniej można uzyskać na kilka sposobów,w praktyce na ogół wykorzystywany jest jeden: fp = fs - fh, gdzie fp to częstotliwość pośrednia, fs - częstotliwość sygnału, a fh - częstotliwość heterodyny. Częstotliwość pośrednia może być dowolna (częstotliwość pośrednia nie może leżeć tylko w środku odbieranego zakresu fal), jednak w praktyce przyjęły się dwie wartości - około 120kHz (poniżej zakresu fal długich) lub około 450kHz (pomiędzy falami długimi a średnimi). Później, gdy zaczęto wykorzystywać modulację FM dla tych sygnałów przyjęto częstotliwość 10.7MHz. Ponieważ częstotliwość pośrednia jest stała przestrajane muszą być tylko te obwody które znajdują się przed mieszaczem i obwód heterodyny - typowo są to dwa obwody trzy, jeżeli pomiędzy anteną a mieszaczem znajduje się filtr pasmowy). O selektywności odbiornika decyduje ilość obwodów pośredniej częstotliwości, które to obwody są nieprzestrajane, w pełni od siebie oddzielone, dzięki czemu może ich być dużo bez groźby wzbudzenia, o czułości odbiornika zaś wzmocnienie wzmacniacza częstotliwości pośredniej. Natomiast o odbieranej częstotliwości decyduje tylko i wyłącznie częstotliwość heterodyny, ponieważ tylko dla dwóch konkretnych częstotliwości wejściowych (dlaczego dwóch? Wyjaśnienie TUTAJ) otrzyma się sygnał o częstotliwości pośredniej. Aby więc odebrać jakąś stację należy odpowiednio nastroić generator lokalny.
Jak już zostało wspomniane dla jednej częstotliwości heterodyny istnieją dwie różne częstotliwości wejściowe które dadzą tą samą częstotliwość pośrednią, więc jedną z nich trzeba wytłumić. Służy do tego wejściowy obwód strojony, często są to dwa obwody połączone w układ FILTRA PASMOWEGO. Obwód ten oczywiście też musi być przestrajany i nastrojony na częstotliwość odbieranego sygnału.
Schemat blokowy odbiornika superheterodynowego widzimy na rysunku obok. Już na pierwszy rzut oka różni się on poprzednich schematów - zawiera nawet zupełnie inne elementy. Sygnał wysokiej częstotliwości z anteny przechodzi przez wejściowy filtr, którego podstawowym zadaniem jest tłumienie tzw. częstotliwości lustrzanej. Następnie sygnał ten podłączony jest na jedno z wejść mieszacza, na drugie sygnał z lokalnego generatora - heterodyny. Na wyjściu mieszacza otrzymujemy już jedną konkretną częstotliwość - częstotliwość pośrednią
Następnie ta częstotliwość jest wzmacniana i w następnym stopniu - wzmacniaczu p.cz. (pośredniej częstotliwości), który funkcjonalnie jest wzmacniaczem w.cz. Od selektywności i wzmocnienia tego stopnia zależy w głównej mierze selektywność i czułość całego odbiornika. Dalszy fragment schematu jest typowy - detektor, wzmacniacz m.cz. i zasilanie.
Odbiornik superheterodynowy jest najdoskonalszą odmianą układową odbiorników radiowych. Oczywiście może być rozbudowywany w stosunku do podanego schematu blokowego o dodatkowe stopnie - wzmacniacze w.cz. na wejściu, dodatkowe stopnie p.cz., dodatkowe układ m.cz., automatyki różnego rodzaju itp. Więcej informacji o odbiorze superheterodynowym jest w specjalnie poświęconym mu dziale superheterodyny.
Powrót